英特尔推出颠覆性架构：3D堆叠芯片，10nm制程明年上市

选自 Wired，作者：Brian Barrett，机器之心编译，参与：李泽南、路雪、张倩。

在台积电、三星纷纷拿出 7nm 制程的时候，英特尔的 10nm 芯片还迟迟没有出炉。是什么复杂的技术拖慢了英特尔的研究速度？昨天，这家公司在加州 Los Altos 举办的「架构日」活动中推出了最新的 Foveros 工艺，将芯片制造从二维平面提升至「三维」，着实让人感到所有等待都是值得的。

此外，英特尔还在本周三的活动中推出了 10 纳米制程架构「Sunny Cove」，它将成为 Skylake 的继承者。由于新的指令集出现，处理器单线程和多线程的任务运算速度都将有显著提高。Sunny Cove 将在明年下半年融入英特尔下一代服务器（Xeon）和消费级处理器（Core）中。

做处理器的公司都痴迷于将产品做得更小。大名鼎鼎但日渐式微的摩尔定律揭示了几十年来芯片日益缩小的规律。然而，如果继续缩小芯片不再像以前那样奏效该怎么办？在这种形势下，英特尔没有选择继续缩小芯片，而是找到了另一个突破口。

本周三，这家芯片巨头向世人展示了一项名为 Foveros 的 3D 封装技术，可以将芯片中的逻辑芯片堆叠起来。近期，几种纵向叠加方法改进了存储芯片。经过了数年的研究之后，英特尔将成为首个将 3D 堆叠技术大规模应用到 CPU、GPU 及 AI 处理器的公司。这与戈登·摩尔的预测并不相同——但看起来或许更好。

叠叠高

堆叠的意义不仅在于节省空间，还能根据用户需求定制硅的组合。

「你可以在给定的空间上堆叠更多的晶体管，」英特尔首席架构师 Raja Koduri 表示。「你还可以堆叠不同种类的晶体管；如果你想在 CPU 上放一个 5G 无线设备，最好先解决堆叠问题，因为这样就能在拥有你想要的功能时保证体积够小。」

Koduri 表示，「现在，我们可以采取最适合该功能的流程，并将它们一起打包。」

业内其他公司已经充分利用了混合、匹配晶体管的好处，投资于「小芯片」（chiplet），这种芯片几乎可以像相互咬合的拼图一样使用。但他们依然是将这些芯片铺在一个平面上。相比之下，英特尔的 3D 堆叠技术更像是乐高积木的玩法。

Lopez Research 公司创始人 Maribel Lopez 评价道，「这种技术正在变革架构的概念。」

改变带来的是实际的受益。2D 方法允许一些变化，但它以牺牲性能和消耗更多电量为代价，Moor Insights & Strategy 的 CEO Patrick Moorhead 表示。英特尔似乎解决了这些问题。「英特尔技术的惊人之处在于，他们将这些小芯片拼在一起后没有出现性能损失和电量损失。」Moorhead 说道。但他也提醒道，英特尔还需要通过一次展示证明他们的技术可以对数百万的芯片也得到同样的结果。

近期，芯片封装结构完成了从单片式向二维、及至现在的 3D 堆叠的进化，允许更多的定制和电量存储。（图源：英特尔）

英特尔认为电力输送是它已经解决的问题。数十年来人们一直在探索成功的 3D 封装技术，但是却受限于电量、热和价格等因素。「底层变热，温度就会升高。」Koduri 说，「而在 3D 堆叠方法中，如果你在组装好一切后发现其中一层用的是不好的硅，那么你必须扔掉一切。这非常昂贵。」

Koduri 并未透露英特尔解决这些问题的细节。但是他说，严格测试、新的电力输送流程和全新的隔热绝缘材料的结合帮助英特尔避免了一些常见的问题。

变革

从某种程度上来说，英特尔解决了一个困扰已久的物理问题，这本身已经非常有趣，但意义更加重大的是这一突破带来的全新体验类型。

「对于较小或比较新的形状因子来说，这仍然是一项有趣的物理挑战。」Lopez 说道，「它对复杂的形状因子有所帮助，如可折叠、可弯曲的轻量级事物。」

必须提醒一下，它可能比你想象的来得更快。英特尔称，使用 Foveros 工艺的消费级产品将在未来 12 到 18 个月内上市。届时，三星可能也已上市其首款可折叠智能手机。

但是越有趣的优势可能越精微。由于新架构允许制造商按照需求换晶体管，因此无数的设备将借助堆叠优势变得更加高效。

「最适合台式机游戏 CPU 的晶体管对 GPU 来说未必是最好的。类似地，你需要不同的晶体管来运行 5G 和互联服务。」Koduri 说道。人工智能仍然有很多不同的需求。「我们之前只是对硅采取最好的折中办法。现在，我们可以使用最有利于某项功能的工序，然后将它们聚合在一个包里。由于这些芯片之间有很高的带宽，它们中的每一个都可以像单个芯片那样发挥作用。」

长远来看，这种可定制性对英特尔将有所帮助。即使在英特尔占据主导地位的服务器领域，它也面临着来自谷歌、亚马逊等公司日渐激烈的竞争。现在，英特尔可以提供一些独特的产品，为与这些公司合作而非对抗创建了一条可能的路径。「Facebook、谷歌、亚马逊这些公司没有理由不在自己的可定制专属 chiplet 上使用英特尔设计。」Moorhead 说道。

任何新技术的诞生都伴随着警示。英特尔称它可以扩展 Foveros，实际上它也必须这么做。设备制造商和其他合作伙伴也需要这么做。毕竟，英特尔错失了整个移动一代，面临着来自 AMD、高通、TSMC 等公司的严峻竞争。这些公司已经在 7nm 制程处理器方面先行一步，而英特尔一直停留在 10nm。

英特尔展示了自己的最新 CPU 核心路线图。

但最终，3D 堆叠技术引出的新方向不再是像以前那样一味追求更小，而是堆得更高。英特尔本周三也推出了一些其它方面的技术迭代进展，如 Sunny Cove CPU 架构，以及 Gen11 集成显卡。但 3D 封装技术给人的印象最为深刻：这是一种思考如何构建芯片的新方法，它或许可以让摩尔定律突破瓶颈，延续下去。

原文链接：https://www.wired.com/story/intel-foveros-chips-breakthrough/