Intel历代14nm桌面处理器回顾

Intel第11代酷睿桌面处理器Rocket Lake虽然说换用了Cypress Cove微架构,但本质上还是把Ice Lake上的Sunny Core用14nm工艺重现出来,这已经是第7代使用Intel 14nm工艺的桌面处理器了,而且我们也不敢说它是最后一代14nm处理器,这句话我在第八代酷睿时就听过了。
Rocket Lake处理器的评测要等到3月30日晚上才能放,而现在我们先来回顾一下陪伴了我们这么多年的Intel 14nm工艺,看看那些用14nm工艺的桌面处理器
Intel历代14nm桌面处理器回顾

Intel 14nm工艺改良史

从Intel公开的资料来看,他们家的14nm工艺有三代,分别是14nm、14nm+、14nm++工艺,对于桌面主流级处理器来说,使用初代14nm工艺的有Broadwell与Skylake,使用14nm+工艺的有Kaby Lake,而使用14nm++的则有Coffee Lake、Coffee Lake Refresh、Comet Lake和Rocket Lake。
Intel历代14nm桌面处理器回顾

其实Intel的14nm当初也遇到了难产的问题,但情况比现在的10nm好多了,只延期了大半年,但这也导致了桌面版的Broadwell大部分被砍了,只是形式性的推出了两颗,Broadwell架构处理器主要还是在移动平台上。
2014年9月份Intel终于推出了采用14nm工艺的处理器,Intel的14nm工艺将使用第二代FinFET晶体管技术,相比22nm工艺,14nm工艺的FinFET晶体管缩小到后者的78%,鳍片间距缩小到22nm的70%,SRAM缓存面积缩小到22nm工艺的54%,降低了差不多一半 ,也就是说14nm工艺的晶体管体积更小,晶体管密度更高。14nm工艺的漏电流控制的也更好,功耗更低,在Broadwell处理器上,Intel表示14nm工艺的每瓦性能比是22nm工艺Haswell的2倍,
2017年1月,Intel推出了采用14nm+工艺的Kaby Lake处理器,14nm+工艺使用了更高的鳍片与更宽的栅极间距,更高的鳍片意味着需要更小的驱动电流,这可减少漏电概率,而更宽的栅极间距这货会降低晶体管密度,这需要更高的电压但是可以降低生产难度,另外更宽的间距允许每个晶体管的产生的热有更多地方扩散,这有助降低内核温度并提升频率,这也是为什么Kaby Lake频率都比Skylake高但功耗则没什么变化的原因。
2017年10月,Intel推出了14nm++工艺的Coffee Lake,此工艺最小栅极间距从70nm增加到84nm,栅极间距的增加将晶体管间距进一步拉开,从而迫使电流密度降低。这允许晶体管有更高的漏电流,这意味着更高的峰值功率和更高的频率,但以牺牲芯片面积和空闲功率为代价。14nm++工艺比初代14nm工艺同样电压下频率提升26%,或者同频率下功耗降低52%。
Intel半导体工艺对比

工艺
22nm
14nm/14nm+
14nm++
10nm
晶体管密度(MTr/mm2)
15.3
37.5
37.5
100.8
晶体管鳍片间距(nm)
60
42
42
54
晶体管栅极间距(nm)
90
70
84
36
互连线间距(nm)
80
52
52
34
晶体管鳍片高度(nm)
34
42
42
53
超 能 网 制 作

Intel的22nm、14nm与10nm工艺细节对比如上表所示,请注意这个10nm工艺是Intel最初那代,也就是Canon Lake那时候公布的数据,大家也知道这代工艺难产了,后来Ice Lake上所用的10nm以及Tiger Lake所用的10nm SuperFin其实已经是第二与第三代10nm工艺,规格参数可能有所放宽,但我找不到数据。
接下来我们就来回顾一下各代使用Intel 14nm工艺生产的桌面处理器,只涉及到主流的LGA 11XX/1200平台,HEDT的不在讨论范围内。

14nm的初始之作Broadwell

Broadwell是Intel 14nm工艺的第一代产品,也是Intel Tick-Tock战略崩溃的开始,由于14nm工艺的延期,Broadwell的桌面版和被砍了差不多,第五代酷睿桌面处理器只有Core i7-5775C和Core i5-5765C两款,于2015年6月份发布,还有三款BGA封装的型号,但它们并不零售。
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左边是BGA封装版,右边是LGA 1150的桌面处理器

虽然说只有两颗,而且国内还没发售过,但Broadwell的桌面版还是蛮有特色的,它本质上就是Haswell的14nm版本,CPU架构不变,但制程工艺从22nm升级到14nm,与此前的Haswell相比,L3缓存从8MB缩减到6MB,但增加了128MB eDRAM片外缓存,可以充当CPU的L4缓存之用。
当然这款eDRAM的主要作用其实是充当Iris Pro 6200的缓存,这是GT3e级别的核显,拥有48组EU,而此前Haswell普遍使用HD Graphics 4600核显只有20组EU,而此后Skylake家族普遍使用的UHD Graphics 630也只有24组EU,这种规格的核显在桌面市场上只有第五代酷睿有过。
不过只有两款的Broadwell桌面版并没有给市场激起多大浪花,市场主力还是Haswell,更悲催的是,它发布后两个月,全新的Skylake架构就来了。

影响深远的Skylake架构

由于此前的14nm延期,Intel的Tick/Tock战略已经修改为Process(制程)/Architecture(架构)/Optimization(优化)的三步走战略,此前的Broadwell就是制程改良,而Skylake则是架构改良,依然使用初代14nm工艺,第六代酷睿处理器于2015年8月份发布,
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Skylake与之前的Haswell相比改良是全方位星的,有更大更宽的核心,更为优秀的IPC,环形总线与L3缓存也有所改良,FIVR模块被取消,CPU的温度得到更好的控制,也比Haswell更容易达到高频,核显也升级到Gen 9架构,CPU整体的功耗得到了更好的控制,每一个环节都更为节能,内存控制器也增加了对DDR4的支持,对DDR4内存的推广功不可没。
从现在的眼光来看Skylake确实是一个非常优秀、成功的架构,AMD在四年之后推出的Zen 2架构才在IPC方面和它打得55开,要等到最新的Zen 3才从多方面超越该架构。由于Intel后续的10nm工艺大幅延期,导致Skylake架构的超期服役,它对之后五年Intel处理器的产品线都有着Skylake的身影。

Kaby Lake升级14nm+频率更高

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2017年1月份第七代酷睿处理器Kaby Lake诞生,理论上它应该属于PAO战略优化的那一步,但后续的事情大家都知道了。Kaby Lake与Skylake的主要区别就是升级了14nm+工艺,频率上有了很明显的提升,Core i7-6700K的基础频率只有4GHz,睿频频率4.2GHz,而Core i7-7700K的基础频率是4.2GHz,睿频频率4.5GHz。而且超频能力也更强了,Core i7-6700K的基本盘只有4.8GHz,而Core i7-7700K多数可以稳超5GHz。
核显从Gen 9升级到了Gen 9.5,针对4K视频回放进行了改良,增加了H.265 Main.10、VP9 8/10-bit格式的硬件解码与编码,可大幅降低4K视频播放时的功耗,3D性能方面并无区别。

Coffee Lake升级14nm++,核心更多

在Kaby Lake发布后2个月,AMD Zen架构处理器来袭,虽然说第一代锐龙处理器问题不小,但对Intel的压力是非常大的,毕竟对手把8核处理器推到了主流市场。
根据Intel当时的计划,在Kaby Lake之后是14nm++的Coffee Lake和10nm的Canon Lake,这两条产品线应该是并行的,而且Coffee Lake最初可能只是Canon Lake的备份计划,只不过结局是Canon Lake基本等于没了,而Intel明显受到AMD的压力而提早发布了Coffee Lake。
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第八代酷睿Coffee Lake的核心

Coffee Lake就是Intel在将近十年来首次给自己桌面主流端产品加核心的一代产品,第八代酷睿推出于2017年10月份,Core i7是6核12线程,Core i5是6核6线程,Core i3是4核4线程,多年不变的规格现在终于有了质的改变。用工艺从原来的14nm+升级到14nm++,频率也比Kaby Lake有提升。
核显的名字从HD Graphics 630变成了UHD Graphics 630,但其实变化就只有增加了HDMI 2.0/HDCP 2.2标准,除此之外基本没任何改变。
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第九代酷睿八核Coffee Lake的核心

2018年10月推出的第九代酷睿处理器依然是Coffee Lake,但最大核心数量增加到8核,并首次把Core i9的品牌带入主流的LGA 1151平台,第九代Core i9是8核16线程,Core i7是8核8线程,Core i5与Core i3则依然保持6核6线程与4核4线程不变,而且带K的处理器全都改成了无钎剂焊,不再是以前的硅脂,散热能力大幅提升。

Comet Lake继续堆核心,改良封装

2020年5月Intel发布了第十代酷睿桌面处理器Comet Lake,此时距第九代酷睿解禁已经隔了一年零七个月,但依然是熟悉的Skylake内核,熟悉的14nm++工艺。
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第十代酷睿Comet Lake的核心

Comet Lake主要变化包括核心数从8核增加到10核,全线产品支持超线程技术,改良了封装让芯片更薄了改善内核散热效能,新增Turbo Boost Max 3.0与Thermal Velocity Boost的支持让CPU能达到更高的睿频,接口改成LGA 1200强化了CPU供电,现在Core i9的PL2变成了从210W增加到了250W,持续时间也从28秒翻倍到了56秒。
核心数量的增加进一步的提升了处理器的多线程性能,而且新封装让处理器内部的热阻明显下降,Core i9-10900K在更高的频率,更高的电压情况下,满载温度都比Core i9-9900K要低,第十代酷睿能更轻易的达到更高的频率。
而且今年Comet Lake还会继续服役,因为第11代的Rocket Lake并没有Core i3及以下的型号,与之对应的是Intel推出了一批新的10代Core i3以及奔腾金牌处理器,今年Comet Lake和Rocket Lake会在市场上共存。

14nm的最新之作Rocket Lake

今年3月16日Intel正式发布了第11代酷睿桌面处理器Rocket Lake,评测文章将在3月30日晚上解禁,这是Intel六年来第一次推出新架构的台式机处理器
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与现在的Comet Lake相比,Rocket Lake的提升幅度是很大的,CPU与核显架构都换成新的,CPU的IPC提升了19%,核显性能提升了50%。
不过Rocket Lake上用的Cypress Cove微架构其实说不上是全新的,其实就是把两年前Ice Lake上的Sunny Cove用14nm工艺重现了出来,而核显部分则是Tiger Lake处理器用的Xe架构,Cypress Cove其实是Sunny Cove与Willow Cove的混合体。
与Skylake架构相比,Cypress Cove改进了预取器与分支预测器的性能,一级数据缓存增大50%,一级缓存存储带宽增大100%,二级缓存增大100%,微指令缓存增大50%,每周期能够加进乱序重排缓冲区的微指令多了25%,乱序重排缓冲区大了57%,后端执行端口多了25%,并支持AVX-512等新指令集。
核显的可执行单元比Comet Lake多了1/3,有32组EU单元,与Tiger Lake上的96组规模差距很大,不过桌面市场确实不需要这么强的核显,而且与现在的Gen 9核显相比,图形性能提升了50%。同时,因为新的Xe图形架构有非常好的媒体处理能力,所以相对在做4K数字内容以及相应的编、解码上都可以达到更高的水平。
内存控制器现在换了个新的,默认支持频率从DDR4-2933提升到DDR4-3200,而且现在内存控制与内存频率的比率可设置为1:1或1:2,内存超频能力更好。Rocket Lake支持PCI-E 4.0,可提供20条PCI-E通道,比之前的主流桌面平台处理器多出了4条,是给SSD使用的,与PCH相连的DMI总线也从x4拓宽到x8,带宽翻了一倍。

总结

今年是Intel的14nm工艺投产的第七个年头,对应的酷睿处理器也从第五代一直走到了第11代,刚出来的时候这个工艺确实非常强,但这么多年下来即使再怎么改良14nm工艺也到了暮年,实际上Rocket Lake没做10核就是因为用14nm生产出来的核心实在太大了,现在就算只有8核也比Comet Lake大得多,已经不再适合Intel的新架构处理器了。
理论上下一代桌面处理器是Alder Lake,届时会改用10nm SuperFin工艺,希望Intel的10nm产能爬坡顺利,明年我可不再想写什么成熟的14nm工艺了。
来源:超能网

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