英特尔——靠多核全力拼低耗电

2011-11-07 20:25:00来源: 技术在线 关键字:英特尔  多核

  英特尔于2011年9月13~15日举行了开发者会议“Intel Developer Forum 2011”。英特尔在会议上重点介绍的并不是微处理器内部架构的优势,而是可降低微处理器和计算机整体耗电量的各种技术创新。今后英特尔不仅会像以前一样继续按照“摩尔法则”推进半导体的微细化,还将追加细致的电力管理机构并大幅提高逻辑电路的能源效率。

  “采用三维构造晶体管的22nm工艺半导体制造技术将把各个领域的计算设备性能和电力效率提升到一个新台阶”、“2013年的‘Ultrabook’将把待机电力降至现有产品的1/20以下,可实现10天以上的连续待机时间”。

  美国英特尔每年9月都会举行开发者会议“Intel Developer Forum”(IDF)。在2011年的IDF上,英特尔公司总裁兼CEO保罗·奥特里尼(Paul Otellini)重点介绍的是可降低计算机耗电的技术。强调了从提高运算电力效率和降低系统整体耗电量等角度出发推进的技术创新(图1)。

图1:通过微细化降低耗电
英特尔在“IDF 2011”上宣布,将在保持最尖端半导体制造技术这一优势性的同时,致力于微处理器单体及系统整体的低耗电化。


22nm产品将按原计划上市

  英特尔的业绩一直十分出色。2010财年全年(截至2010年12月25日)的销售额为比上财年增长24.1%的436亿美元,创下了历史最高纪录。2011财年上半年(截至2011年7月2日)的销售额为同比增长22.8%的258亿美元注1)。这主要得益于个人电脑供货量随着在新兴市场国家的普及扩大而实现的增长,以及互联网流量的爆发性增加带来的服务器需求扩大。

注1) 2011年第一季度收购的英飞凌科技的无线相关业务及McAfee公司的业绩从2011财年第二季度开始计入结算。上半年这两项业务的销售额合计为10亿美元。

  当然,并不是所有业务都一帆风顺。比如,美国微软的新一代OS“Windows 8”将支持配备英国ARM公司CPU内核的微处理器,低电力版微处理器“凌动(Atom)”系列的销售并未按预期实现增长等。此前一直占据大部分市场的个人电脑微处理器的份额可能会被夺走,英特尔在增长显著的智能手机和平板终端市场上或将成为“局外人”。

  在这种情况下,英特尔首先考虑的是将领先业界的半导体微细化作为保持优势性的原动力。英特尔在本届IDF上再次表明,采用22nm工艺技术制造的首款微处理器“Ivy Bridge”(开发代码)将按原计划在2011年内开始量产,2012年上市。“目前已经将14nm工艺制造技术列入考虑范围,技术开发正在顺利进行”(奥特里尼)。

  英特尔高级研究员、工艺架构与集成部总监马博(Mark Bohr)认为,与其他半导体制造企业相比,“英特尔采用新一代制造技术的时间要领先1~2年,采用新材料和构造的时间要领先3~4年”(图2)。马博自豪地表示,“通过持续革新材料和构造,我们实现了‘摩尔法则’所说的半导体微细化”。

图2:计划遥遥领先于代工企业
英特尔表示,与TSMC和GLOBAL-FOUNDRIES等代工企业相比,向新一代制造技术的过渡将领先1~2年左右,新材料和构造的采用将领先3~4年。(图由本刊根据英特尔的资料制作)


  英特尔于2011年5月宣布,该公司即将开始量产的22nm工艺制造技术将首次采用名为“三栅极(Tri-gate)”的三维构造晶体管。通过采用三栅极构造,预计能较平面构造降低电压、提高速度并削减待机时的漏电功耗等。“高速化的效果在低电压工作时尤其显著”(马博)。采用三栅极构造的晶圆制造成本在22nm工艺中“只比平面构造增加2~3%”(马博)。英特尔还将在凌动系列等陆续应用该22nm工艺制造技术 注2)。

注2) 英特尔同时还在开发用于22nm工艺SoC的制造技术,计划利用22nm工艺技术制造预定2013年上市的凌动系列“Silvermont”(开发代码)。

Ivy Bridge强化电力管理

  在本届IDF上,英特尔公开了采用22nm工艺的首款微处理器Ivy Bridge的全貌。该公司在Ivy Bridge上大幅强化了图形处理单元(GPU)部分的功能、追加了旨在降低耗电的电力管理机构等(图3)。英特尔并没有只单纯采用新一代制造技术,还改进了架构 注3)。

图3:大幅扩展GPU和电力管理的“Ivy Bridge”
英特尔预定2012年上市的新一代微处理器“Ivy Bridge”不但采用了22nm工艺制造技术,还强化了电路。将晶体管数量由现有产品的11亿6000万个增至14亿8000万个。提高了绘图及影像处理性能、强化了电力管理功能。


注3) 英特尔在个人电脑微处理器业务中采取了名为“Tick-Tock”的战略,每隔一年交替导入新一代制造技术(Tick)和更新架构(Tock)。Ivy Bridge赶上的是Tick,但对架构也进行了多处改进,因此英特尔称之为“Tick+”。

  实现低耗电的功能之一是,个人电脑厂商可任意设定电池驱动时的热设计电力(TDP)以限制工作频率的“Configurable TDP”技术。处理负荷增大时会暂时提高至最大工作频率,因此用户不会感到性能降低。此外,还追加了低电力运行中的中断处理不会启动处于睡眠模式的CPU内核的功能。

  GPU方面,在增加运算单元、支持Windows图形API——DirectX 11以及支持通用并行计算的同时,提高了视频编解码器电路的处理性能。通过微细化至22nm工艺,增加的晶体管主要用于提高GPU性能。

全面向“Ultrabook”过渡

  Ivy Bridge预计将用于英特尔2011年春季开始提出的新一代笔记本电脑概念“Ultrabook”的第二代产品 注4)。仁宝电脑(Compal Electronics)、富士康科技集团(Foxconn Technology Group)及广达电脑(Quanta Computer)等台湾ODM企业已开始着手开发符合Ultrabook概念的Ivy Bridge笔记本电脑。

注4) Ultrabook是在实现薄型轻量化的同时,并没有牺牲运行速度和电池驱动时间等的笔记本电脑概念。

  英特尔计划在配备2013年推出的微处理器“Haswell”(开发代码)的第三代产品中彻底实现Ultrabook(图4)2)。在本届IDF上,该公司宣布已完成Haswell的设计,并公开了试制芯片。

图4:计划2013年完成的“Ultrabook”
英特尔计划在上市采用新架构的微处理器“Haswell”的2013年,彻底实现Ultrabook。计划导入新电力管理框架将待机电力削减至目前的1/20以下,此外还将与各相关公司合作,推进各种部件的薄型化和低耗电化、提高充电电池的性能等。(图下部中间是英特尔的资料)


  Haswell是为了将笔记本电脑用TDP的功耗由此前的35W左右降至15W而设计的。待机耗电量也可以较现有笔记本电脑使用的品种削减30%。另外,Haswell笔记本电脑计划采用新的电力管理框架。由此来将系统整体的待机电力降至1/20以下 注5)。

注5) 英特尔称这里所说的待机电力为“Connected Standby Power”。是指在待机时定期连接网络以获取SNS和邮件等的最新信息,从而在启动时可立即浏览最新信息的状态下的耗电量。

  英特尔没有公布电力管理框架的详情,不过表示“目前的个人电脑如果在待机时发生中断,会以最大工作频率访问周边元件。通过将该频率控制在最小限度,有望大幅削减耗电量”(英特尔副总裁兼电脑客户端事业部总经理Mooly Eden)。

  “要想彻底实现Ultrabook还存在诸多课题,比如这种电力管理框架的构筑及充电电池等各种部件的薄型化等。需要与业界的很多企业合作”(英特尔高级平台技术工程师Nick Willow)。该公司计划通过2011年8月成立的3亿美元规模投资基金“Intel Capital Ultrabook Fund”等,收集有助于Ultrabook实现的技术。

以接近阈值电压的电压驱动电路


  英特尔还在推进可大幅削减微处理器等逻辑电路工作耗电量的研究开发。在本届IDF上,作为以接近晶体管阈值电压的电压驱动的逻辑电路“Near-Threshold Voltage Logic”的研究成果,首次公开了利用邮票大小的太阳能电池驱动Pentium架构微处理器的演示。

  通常的微处理器利用近1V的电压驱动,而此次试制的实验用微处理器“Claremont”能以与晶体管阈值电压接近的数百mV驱动。此时的耗电量不到10mW,能源效率约为5倍(图5)。“采用了现有微架构,所以只提高了5倍左右。如果重新制作架构,预计可实现8~10倍的能源效率”(英特尔研究员兼首席调查员Shekhar Borkar)注6)。

图5:试制出以接近阈值电压的电压驱动的微处理器
英特尔试制出了采用以接近晶体管阈值的电压驱动的“Near-Threshold Voltage Logic”技术的微处理器,公开了用邮票大小的太阳能电池驱动微处理器的演示(a、b)。


注6) 据英特尔介绍,Near-Threshold Voltage Logic技术并不只是制作超低耗电逻辑电路的技术。“如果能提高驱动电压,还能成为能源效率较高的高性能逻辑电路。是一项可用于多种性能范围电路的技术”(Borkar)。

与谷歌就Android展开合作

  英特尔为了在起步较晚的智能手机和平板终端微处理器领域发动反攻,与美国谷歌展开了合作。两公司将使今后的新版“Android”能在凌动处理器上运行,并结合凌动处理器的指令集架构及硬件装置进行优化(图6)。

图6:为普及“凌动”与谷歌合作
英特尔与谷歌缔结了战略性合作关系,在今后的“Android”发布中,面向凌动处理器的Android优化将由两公司共同进行。另外,英特尔将向ODM企业等提供采用凌动处理器的智能手机和平板终端参考硬件。


  出席IDF的谷歌高级副总裁安迪·鲁宾(Andy Rubin)介绍说,“在Android今后的发布中,面向凌动处理器的优化将在内核、内存管理、多媒体以及图形等贴近硬件的层面上进行”。通过将双方此前在“Chrome OS”和“Google TV”方面的合作扩大到Android上,将构筑一个方便智能手机和平板终端厂商采用凌动处理器的环境。

  此外,英特尔还宣布,将提供配备凌动处理器的Android智能手机和平板终端的参考硬件。该硬件配备了包括采用32nm工艺技术制造的凌动处理器“Saltwell ”(开发代码)在内的芯片组“Medfield”(开发代码),将向ODM企业等提供。该公司没有公布配备凌动处理器的智能手机厂商,不过预计“产品将于2012年面世”(奥特里尼)。

关键字:英特尔  多核

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2011/1107/article_8422.html
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