較上代性能提升21%，功耗降低40%，Intel 4工藝細(xì)節(jié)曝光

對(duì)于英特爾來說，Intel 4 是一個(gè)重要的里程碑，它既是英特爾第一個(gè)集成 EUV 的工藝，也是第一個(gè)跳出陷入困境的 10nm 節(jié)點(diǎn)的工藝。

本周舉行的 IEEE 年度 VLSI 研討會(huì)是業(yè)界披露和探討新芯片制造技術(shù)的重大活動(dòng)之一。今年最受期待的演講之一莫過于英特爾介紹的 Intel 4 工藝的物理和性能特征，該工藝計(jì)劃將用于 2023 年的產(chǎn)品中。
Intel 4 工藝對(duì)于英特爾來說是一個(gè)重要的里程碑，因?yàn)樗怯⑻貭柕谝粋€(gè)集成 EUV 的工藝，也是第一個(gè)跨越陷入困境的 10nm 節(jié)點(diǎn)的工藝。對(duì)于英特爾而言，Intel 4 將助其重新奪回晶圓廠的霸主地位。 

英特爾本來計(jì)劃在當(dāng)?shù)貢r(shí)間周二發(fā)表題為「Intel 4 CMOS 技術(shù)，采用面向高密度和高性能計(jì)算的高級(jí) FinFET 晶體管」的演講。但在展會(huì)開始之前，英特爾重新發(fā)布了有關(guān) Intel 4 的相關(guān)數(shù)據(jù)，讓我們第一次看到了該工藝的更多信息。
Intel 4 即為以前的英特爾 7nm 工藝，是其第一次在芯片上采用 EUV 光刻技術(shù)。EUV 的使用保證了英特爾可以繪制出更先進(jìn)制造節(jié)點(diǎn)所需的更小特征，同時(shí)使其通過多模式 DUV 技術(shù)減少制造步驟。
Intel 4 的研發(fā)對(duì)英特爾來說是一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，最終擺脫了 10nm 工藝。英特爾雖然已經(jīng)竭力制造出適合 10nm 工藝節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品，尤其是最近的 10nm 增強(qiáng) SuperFin 變體（我們熟悉的 Intel 7）。但英特爾試圖通過 10nm 在縮放和大量新制造技術(shù)等方面一次實(shí)現(xiàn)太多事情，卻導(dǎo)致其出現(xiàn)了倒退。
因而，英特爾在第一個(gè) EUV 節(jié)點(diǎn)上可能不會(huì)采取太過激進(jìn)的策略，總體采用更加模塊化的開發(fā)方法，逐步實(shí)現(xiàn)新技術(shù)，并在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)試。

Intel 4 將首先用于英特爾即將推出的 Meteor Lake 客戶端 SoC，該 SoC 有望成為英特爾 14 代酷睿處理器系列的基礎(chǔ)。盡管要 2023 年出貨，但英特爾已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中啟動(dòng)并運(yùn)行了 Meteor Lake。
除了在工藝技術(shù)取得顯著進(jìn)步之外，Meteor Lake 還將成為英特爾首個(gè)基于 tile/chiplet 的客戶端 CPU，它混合使用了 I/O、CPU 核心和 GPU 核心的 tile。

Intel 4 物理參數(shù)：密度是 Intel 7 的兩倍，繼續(xù)使用鈷
對(duì)于 Intel 4 工藝，英特爾著手解決一些不同的問題。首先是密度，英特爾仍在努力保持摩爾定律的生命力，更高的晶體管密度可以在相同的硬件下提供更小的芯片，或者通過更新的設(shè)計(jì)集成更多的核心（或其他處理硬件）。

根據(jù)英特爾公布的數(shù)據(jù)，Intel 4 的鰭片間距降至 30nm，是 Intel 7 34nm 間距的 0.88 倍。同樣，接觸柵之間的間距也有之前的 60nm 降至了 50nm。最重要的是，最下層（M0）的最小金屬間距也為 30nm，是 Intel 7 上 M0 間距大小的 0.75 倍。
此外，英特爾的 Library Height 也降低了，Intel 4 上高性能（HP）庫的單元高度為 240nm，僅是 Intel 7 上單元高度的 0.59 倍。因此英特爾稱 Intel 4 的密度比 Intel 7 增加了兩倍，晶體管的尺寸減少了一半，這意味著傳統(tǒng)的、全節(jié)點(diǎn)晶體管密度的改進(jìn)。
由于芯片是 2D 結(jié)構(gòu)，英特爾使用的度量標(biāo)準(zhǔn)是將 HP 單元高度乘以接觸的多晶硅間距。在這種情況下，Intel 7 的單元面積為 24,408 nm^2，Intel 4 為 12,000 nm^2，后者是前者單元面積的 0.49 倍。
不過，Intel 4 上的 SRAM 單元大小僅為 Intel 7 上相同單元的 0.77 倍左右。因此，雖然標(biāo)準(zhǔn)化邏輯單元的密度翻了一番，但 SRAM 密度僅提升了 30% 左右。
此外，英特爾雖然也談及了標(biāo)準(zhǔn)單元的密度，但并沒有正式披露實(shí)際的晶體管密度數(shù)據(jù)。目前，英特爾給出的說法是，總體晶體管密度降為目前提供的 2x 倍。Intel 7 的 HP 庫的密度為 8,000 萬個(gè)晶體管 /nm^2，Intel 4 的 HP 庫的密度大約為 60MTr/mm^2。
這些數(shù)字都是針對(duì)英特爾低密度高性能庫，因此高密度庫會(huì)成為后續(xù)明顯的問題。傳統(tǒng)上，這些數(shù)字會(huì)進(jìn)一步壓縮以換取時(shí)鐘速度的降低。然而，英特爾不會(huì)為 Intel 4 開發(fā)高密度庫。Intel 4 將是一個(gè)純粹的高性能節(jié)點(diǎn)，高密度設(shè)計(jì)將伴隨下一代 Intel 3 到來。
這種不尋常的研發(fā)策略來源于英特爾在工藝節(jié)點(diǎn)開發(fā)中的模塊化努力。在接下來五年左右，英特爾基本上會(huì)采取穩(wěn)健的節(jié)點(diǎn)開發(fā)策略，基于 EUV 或 High-NA 機(jī)器開發(fā)一個(gè)初始節(jié)點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上推出更加精煉或優(yōu)化的繼任者。就 Intel 4 而言，雖然它在英特爾的發(fā)展中為 EUV 做了重要的開創(chuàng)性工作，但該公司未來更希望 Intel 3 成為更長壽的 EUV 節(jié)點(diǎn)。
這一切都意味著不需要 Intel 4 的高密度庫，英特爾計(jì)劃在一年左右的時(shí)間里讓功能更全面的 Intel 3 所取代。Intel 3 在設(shè)計(jì)上與 Intel 4 兼容，因此可以清楚地看到英特爾在時(shí)間允許的情況下推動(dòng)自己的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用后者的流程。英特爾代工服務(wù)客戶也將面臨相似的情況，他們可以使用 Intel 4，但 IFS 需要更專注于提供對(duì) Intel 3 的訪問和設(shè)計(jì)幫助。

回到 Intel 4 本身，與英特爾的 10nm 工藝制程相比，新節(jié)點(diǎn)對(duì)金屬層有了重大改變。英特爾在其 10nm 工藝制程的最底層用鈷取代了銅，該公司認(rèn)為這可以延長晶體管壽命。遺憾的是，從性能（時(shí)鐘速度）來講，鈷的性能其實(shí)沒有那么好，長期以來，人們一直懷疑，改用鈷是英特爾 10nm 開發(fā)的主要障礙之一。
對(duì)于 Intel 4，該公司仍在生產(chǎn)過程中使用鈷，但現(xiàn)在不再使用純鈷，而是使用所謂的增強(qiáng)型銅（Enhanced Copper，eCu），即銅包覆鈷。eCu 將二者結(jié)合起來，這樣既能保證摻雜銅金屬化層的性能，又能獲得鈷的電遷移電阻優(yōu)勢。

雖然英特爾不再使用純鈷，但在某些方面，他們對(duì)鈷的使用總體上在增加。英特爾的 10nm 工藝僅在接觸柵極和前兩層金屬層中使用了鈷，而 Intel 4 正在將 eCu 的使用擴(kuò)展到前 5 層。因此，英特爾芯片中最低三分之一的完整金屬層堆疊使用的是鈷包銅。然而英特爾已經(jīng)從柵極本身中移除了鈷，現(xiàn)在是純鎢，而不是鎢和鈷的混合物。

總體來說，Intel 4 的金屬層數(shù)量比 Intel 7 有所增加，后者有 15 個(gè)用于邏輯的金屬層，而 Intel 4 有 16 層。 
除了更加緊密的柵極和金屬層 pitches，英特爾在改變互連設(shè)計(jì)方面也改進(jìn)較大。在 Intel 4 中，英特爾已經(jīng)轉(zhuǎn)向網(wǎng)格互連設(shè)計(jì)。簡而言之，Intel 4 只允許 Via 通過預(yù)先確定的網(wǎng)格在金屬層之間，而此前 Via 可以放置在任何地方。

英特爾表示，網(wǎng)格的使用通過減少可變性以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了工藝的產(chǎn)量。這一改變還有一個(gè)額外好處，使英特爾不必為互聯(lián)使用復(fù)雜、多模式的 EUV。
EUV 的使用使得英特爾減少了制造芯片所需的步驟和掩膜數(shù)量。雖然沒有給出絕對(duì)數(shù)字，但 Intel 4 需要的掩膜數(shù)量比 Intel 7 減少了 20%。

此外，EUV 的使用也對(duì)英特爾產(chǎn)生了積極的影響，雖然該公司沒有提供確切的數(shù)字。
Intel 4：頻率提高 21.5%，功耗降低 40%
除了密度方面的改進(jìn)，英特爾在頻率和能效方面都取得了高于平均水平的提升。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)核心的電路分析顯示，在匹配功率為 0.65V 時(shí)，Intel 4 性能比 Intel 7 提高了 21.5%；在高電壓下，匹配功率 8VT 比 6VT 可獲得 5% 的性能增益。
在等功率為 0.65v 的情況下，與 Intel 7 相比，Intel 4 的時(shí)鐘速度提高了 21.5%。在 0.85v 及以上時(shí)，等功率增益接近 10%。
Intel 4 在電源效率方面收益更大，在等頻即 2.1GHz 左右，Intel 4 的功耗降低了 40%。隨著頻率的增加，收益遞減。
總而言之，英特爾是在不斷提升產(chǎn)品性能，例如在去年夏天的工藝路線圖更新中討論的 Intel 4 的每瓦性能提升 20%，去年，英特爾一直在接近 Intel 4 開發(fā)的終點(diǎn)線，因此正如他們所預(yù)想的那樣，英特爾似乎正在實(shí)現(xiàn)性能提升。
與此同時(shí)，英特爾也報(bào)告稱從 Intel 7 到 Intel 4，他們?cè)诔杀旧先〉昧肆己玫陌l(fā)展，不過該公司沒有提供具體數(shù)字。1 EUV 層確實(shí)比 1 DUV 層更貴，但由于 EUV 消除了一堆多重模式（a bunch of multi-patterning），這有助于通過減少總步驟數(shù)來降低總成本。改用 EUV 也減輕了英特爾的資金壓力。
最后，英特爾希望在 2023 年推出 Meteor Lake 和第一代 Intel 4 產(chǎn)品，英特爾能夠以多快的速度讓其新工藝節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)并付諸到大批量制造的標(biāo)準(zhǔn)，還有待觀察。不過由于 Meteor Lake 樣品已經(jīng)在英特爾的實(shí)驗(yàn)室中，英特爾離最終進(jìn)入 EUV 時(shí)代越來越近。但對(duì)于英特爾來說，要實(shí)現(xiàn)所有的目標(biāo)，不僅意味著要擴(kuò)大希爾斯伯勒工廠的產(chǎn)量，還意味著要將他們的工藝遷移到生產(chǎn) Intel 4 的工廠。
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