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17年来发展回顾 Intel、AMD的CPU工艺升级路线图

2016-05-13 16:51:05 来源:超能网 作者:bolvar 我要评论:0 点击量:314

去年10月份AMD宣布3.71亿美元出售在中国江苏、马来西亚槟城的封装工厂给南通富士通公司,AMD只保留15%的股份,并获得了3.2亿美元 的收益,本月初AMD宣布完成了与南通富士通公司的交易。出售封装厂是AMD业务转型的一部分,这是继2009年拆分晶圆制造业务之后AMD再一次出售半 导体工厂,他们将彻底转变为无晶圆公司——这距离AMD创始人桑德斯的名言“好汉要有自己的晶圆厂”已经过去了23年。

半导体工艺对处理器影响至关重要,可以说是决定了处理器的性能、功耗水平,此前我们的超能课堂Intel为何吊打AMD,先进半导体工艺带来什么?一文中介绍了先进工艺给处理器带来的种种优势,不过Intel为何吊打AMD的问题我们还没回答完——Intel从什么时候开始制程工艺全面领先AMD的?


 

为了解答这个问题,这次的超能课堂文章中我们统计了AMD、Intel处理器的工艺升级路线图,上古时代的奔腾处理器就不说了,我们以2000年的奔腾4处理器为起点,对比了这16年来双方代表性的处理器及工艺变化,如下图所示:


AMD、Intel处理器工艺升级路线图

2000 年Intel首次推出了奔腾4处理器,第一款核心是基于Willamette架构的,制程工艺是180mm(0.18um)。同时代的AMD在工艺上并不 差,当年的雷鸟核心Athlon同样是180nm工艺的。此后,整个奔腾4时代,AMD的处理器工艺都不比Intel落后,架构性能甚至更领先,在 2003年首发64位K8架构发布之后尤其如此,这种情况一直持续到2006年Intel推出了Core 2 Duo处理器(“扣肉”架构最早用于移动处理器,C2D品牌时才用到桌面版)。

虽然奔腾4之后的Core架构公认是Intel的翻身之作,性能、能效表现上佳,但那时候AMD、Intel的工艺水平并没有代差,工艺领先的第一个转折点出现在2008年,Intel不仅推出了Nehalem架构,处理器也升级45nm工艺, 彼时AMD推出的K10架构Phenom处理器还在使用65nm工艺。


Intel的Tick-Tock战略

那 时候,Intel不仅更换了Core i7/i5/i3这样简单好记的处理器品牌,制程工艺上也开始“开挂”,宣布了著名的Tick-Tock战略——工艺、架构隔代升级,2年一个周期,从 2007年45nm工艺的Penryn处理器开始算起(移动处理器架构,第一个使用45nm工艺的),2008年推出了Nehalem架构,2010年推 出了32nm工艺的Westmere处理器(首次使用HKMG工艺),接着就是大部分开始熟悉的SNB、IVB、Haswell、Broadwell及最新的Skylake了。 

在 最近几代Tick-Tock升级中,IVB处理器的地位最为独特——它属于Tick环,也是工艺升级m,但是Intel对它的描述是“不只是 Tick+”,因为该节点Intel除了升级到22nm工艺之外还量产了3D晶体管工艺,其他半导体公司的叫法是FinFET工艺,原理上都类似,就是把 晶体管从平面变成了3D立体式的。

3D晶体管带来的好处就是:与Bulk、半耗尽型PDSOI、全耗尽型FDSOI工艺相比,较低的电压下性能提升37%,同性能下功耗减少50%;提高了晶体管开关速度;对于给定的晶体管则有更高的驱动电流;成本上只增加了2-3%,相比FDSOI工艺增加10%的成本而言大大降低。

在 Intel大步升级制程工艺的同时,AMD这时候却做出了惊人的决定——多年的重负之下AMD终于选择了拆分晶圆业务,与阿布扎比高级技术投资公司 (ATIC)成立了GlobalFoundries(格罗方德)公司,AMD占股1/3,但随后AMD不断减持,最终在2011年抽身,被称为AMD女朋 友的GF最终变成了独立晶圆代工公司。

此后,AMD在K10架构TLB问题之后推出了改进版的Phenom II处理器(虽然大家说是K10二代架构,但官方表示只有1个K10架构),制程工艺是45nm SOI。

2011年AMD在K10架构之后拿出了“革命性”的推土机(Bulldozer)模块化架构,与当时主流的X86架构相比,AMD的模块多核架构很有前瞻性,理念还是很超前的,FX-8150还成为首款桌面8核处理器,制程工艺也升级到了32nm SOI。

但是AMD的模块多核并没有成功——至少没有AMD预期的那般成功,2011年底推土机的32nm SOI在32nm工艺的SNB面前并不算落后,但是推土机性能表现不尽如人意,功耗也不如SNB那么优秀。更悲剧的是,GF拆分出去之后对新工艺的掌握一 直不稳定,不论产能还是性能都满足不了AMD的要求(这个坑其实还是AMD自己挖的,没拆分之前工艺已经开始落后了)。

AMD的高性能工艺自此就停留在了32nm SOI这一代上了,第二代模块化架构Piledriver打桩机也是32nm SOI工艺,之后AMD的第一代APU处理器Llano也用的是32nm SOI工艺,也坚持了三代产品,直到2014年的Kaveri APU上才换了GF的28nm SHP工艺,并沿用至今。

如今Intel与AMD的制程工艺已经拉开三代差距了——AMD在32nm SOI工艺之后就不再升级FX高性能处理器了,每年只有零星的新型号发布而已,但架构、工艺依然没变,Intel已经发展到14nm工艺了。

公 平来讲,AMD在半导体制程上也不是没有高技术,在Intel未量产3D晶体管工艺之前,SOI(绝缘体上硅)技术一直是AMD处理器的独家秘方,在晶体 管之间加入绝缘体可以减少离散电容,更容易提升开关频率,CPU速度可提升20-50%,同时还可以减少漏电流,降低功耗。

SOI技术主要是AMD及IBM晶圆厂在用,Intel一直拒绝使用SOI工艺,但是32nm工艺之后AMD也放弃SOI工艺了,28nm节点开始转向传统的体积硅工艺。

总结:10年轮回,AMD年底等来了新工艺

硅 谷硬汉桑德斯创立了AMD,并主政AMD 30多年,他对AMD影响固然深远,宁愿亏损也要自己建晶圆厂的勇气值得钦佩,但时代不一样了,前任CEO的名言也不是金科玉律,AMD放弃晶圆厂进而放 弃封装厂的做法有他们自己的考虑,外人的评价对他们来说并不重要,维持先进的制造工艺对AMD来说耗费太大了,实际上就连蓝色巨人IBM都放弃晶圆厂了, 甚至是巨资补贴才找到GlobalFoundries接手。

在半导体制造上,AMD当初也是跟Intel并驾齐驱的,但在多年累积之 后,AMD的工艺升级已经慢下来了,转折点就发生2008年前后,Intel提出了Tick-Tock战略,CPU工艺、架构明确了2年一次升级,而 AMD当时正在拆分晶圆厂,K8架构之后的K10架构出师不利,接下来的推土机架构同样没有达到预期目标,拆分出来的GF公司初期在制程工艺上一直不成 熟,AMD也深受其害。

但是我们并不能说Intel是靠着Tick-Tock战略才在工艺上战胜了AMD,实际上这个因果关系是颠倒过来的 ——正因为Intel在半导体技术上有深厚的积累,才能推出2年升级一次的Tick-Tock战略。相比之下,AMD的情况就糟糕了许多,他们每年的营收 仅为Intel的零头,价格战导致盈利水平更是堪忧,而半导体工厂投资越来越高,一座300mm晶圆厂通常要花费50-100亿美元,而且折旧率很高,维 持先进工艺需要不断升级,AMD无力维持如此庞大的开支也是正常的。

此外,AMD在K8之后的K10、推土机架构都不给力,无法重现当年 Athlon处理器高性能、高能效的辉煌,而Intel在P4架构之后推出的Conroe、Nehalem等架构奠定了今日的基础,更有先进工艺辅助,率 先量产了3D晶体管工艺,这些都远远甩开了AMD公司。

如今风水轮流转,Intel的Tick-Tock战略这两年也停摆了,AMD虽然硬拖着32nm SOI没升级,但GF在放弃自家14nm-XM工艺转而接受三星14nm FinFET工艺之后也靠谱多了,AMD煎熬了几年之后总算等来了Zen架构处理器,制程工艺也是14nm FinFET的,与Intel今年的Kaby Lake处理器处于同一级别,也就是说在10年之后AMD在工艺上终于再一次跟Intel同台竞技了,年底的好戏可不容错过。