Intel — уникальная компания и единственная в своем роде. Пока все игроки на рынке занимаются лишь разработкой (проектированием) процессоров, отдавая производство TSMC или Samsung, Intel делает всё сам! Но так вышло, что в последние годы дела у Intel идут не очень.
Apple представила уже второе поколение своих ARM-процессоров — M2. Их чипсеты произвели революцию на рынке, показывая отличные результаты по производительности при малом энергопотреблении и слабом нагреве. AMD собираются выпустить 5-нанометровые процессоры семитысячной серии на новой архитектуре Zen 4 уже во второй половине этого года. Да и перед этим они обскакали Intel со свои новым чиплетным подходом.
А что Intel? Сидят на своих 10-12 нм и не парятся? Или готовятся к ответному удару, такой мощности, что к 2025 году они обойдут всех, перейдут в эпоху Ангстрема и снова будут доминировать на рынке! Как они это сделают, сегодня и разберемся, и не думайте что мы будем гадать на кофейной гуще — у нас есть роудмэп компании вплоть до 2025, его и разберем по полочкам.
Особенности компании
Для начала введем пару понятий Fab и Fabless.
Игроки, занимающиеся лишь разработкой (проектированием) процессоров, отдавая производство TSMC или Samsung называют Fabless или бесфабричные компании.
Intel же делает всё сам, и это называется Fab, то есть компания с собственным производством.
Такой подход можно одновременно назвать и главным преимуществом и главным недостатком Intel.
Во многом три года стагнации Intel связаны с именно с этим. Из-за проблем с внедрением техпроцесса 10 нм они отстали от конкурентов на несколько лет.
Бывший гендиректор компании Роберт Свон заявлял, что им выгоден техпроцесс 14 нанометров. Связано это с тем, что именно он позволяет компании сокращать свои расходы на производство чипов. Но он был не до конца честен, основная причина заключалась в проблемном переходе на EUV литографию, которая бы и позволила быстро внедрить техпроцесс ниже 10 нм.
И тут дело именно в цене модернизации производств. Так как свои чипы Intel производит сам, им нужно самостоятельно обновлять свои предприятия. В то же время было и преимущество на стороне Intel при старом техпроцессе, и немалое! Чипы в наличии.
То есть даже в кризис полупроводников, пандемии и ограниченных возможностей TSMC, Intel чувствовал себя хорошо. Это и помогло им оставаться доминантом на рынке.
Текущее положение
Но всё-таки с 2019 года AMD постепенно теснили Intel. Тогда красные представили архитектуру Zen 2 на 7 нм техпроцессе. И это был прорыв!
Осенью же 2020 года свой процессор представила и Apple. Вы помните, как М1 порвал рынок, показав необычайные результаты энергоэффективности и производительности. После тестов MacBook на новом чипе многие предсказывали скорую гибель х86 процессорам.
После двух таких мощных ударов — Intel виделся проигравшим в этой гонке.
Всё было так до середины прошлого года, как можно видеть по этому графику продаж! Что же случилось после?
Дорожная карта
Тогда Intel показали свою дорожную карту до 2025 года. Давайте посмотрим на нее внимательнее!
Первый этап плана — техпроцесс Intel 7. И можно подумать что он обозначает 7 нанометров, но это не так.
Раньше мы знали его как Enhanced Superfin, 10 нм но название изменили. Но все- таки что же обозначает «семерка»?
Оказывается, хоть размер транзисторов и не увеличивается — меняется их плотность, так что в итоге они соответствуют техпроцессу других компаний на 7 нм (опять же по словам Intel).
Дело в том что нанометры — важная, но далеко не единственная характеристика.
Столь же, если не более, значимой характеристикой является архитектура: изменив архитектуру можно увеличить и производительность чипа.
Но так как сегодня люди смотрят именно на нанометры, выбирая между процессорами на 10 и 7 нанометрах большинство скорее выберут второй. Не вдаваясь в подробности хуже ли он по производительности.
Поэтому название техпроцесса ничего не значит — это маркетинг! Считайте как поколения тех же iPhone 11, 12, 13. Оно означает, что процессор более новый.
А во-вторых, конечно главное, чтобы люди видели похожую на конкурентов цифру. Ведь если у AMD процессоры 5 нанометров, а у Intel техпроцесс Intel 7, то эта разница как будто уже не так велика. Хотя конечно такая хитрость, как будто бы не самый честный подход!
big.LITTLE
Но все таки об изменениях не только в названии — кроме того была внедрена архитектура big.LITTLE. Как и в смартфонах она помогает процессорам быть более энергоэффективными и использовать маленькие ядра для отрисовки интерфейса и других простых задач.
big.LITTLE — это архитектура, объединяющая энергосберегающие и более медленные процессорные ядра (LITTLE) с относительно более мощными и энергоемкими (BIG).
Этим семейством процессоров был Alder Lake. Подробно о триумфальном возвращении мы рассказывали в отдельном материале о 12 поколении.
Если вкратце, то процессоры стали гораздо мощнее при адекватной цене. А мобильные процессоры наконец-то смогли предложить достойную автономность для ноутов и конкурировать с Apple и AMD.
Будущее
Но эти процессоры мы уже видели, что дальше?
Следующим этапом будет Intel 4, построенный как раз-таки на 7 нм техпроцессе.
Первые процессоры, построенные на нём будут называться Intel Meteor Lake. Их выход ожидается в середине 2023 года. И это первый процессор Intel, сделанный с помощью EUV-литографии! Знаковый чип!
Ожидается, что 7 нанометров (Intel 4) от Intel по производительности обойдут TSMC и Samsung с их 5 нм. Плотность транзисторов в чипах будет составлять 200-250 миллионов на квадратный миллиметр, в сравнении с 170 на текущих 5 нм TSMC
Мы нашли в сети фотографию мобильного чипа семейства Meteor Lake и уже сейчас можем на него взглянуть.
Тут видно плитку процессора с 6 большими ядрами и 8 маленькими. А что за плитки?
Дело в том, что начиная с Meteor Lake Intel перейдет на новую, чиплетную архитектуру.
Напомню, чиплеты — это грубо говоря следующий шаг после системы на кристалле (SoC). Теперь вычислительные ядра и другие части процессора создаются отдельно, а потом вместе соединяются на одной подложке.
Это сильно упрощает производство, так как теперь на каждую пластину нужно меньше технологических шагов. Однако, при этом самих пластин печатать нужно сильно больше.
Как раз чиплеты — это одна из причин успехов AMD в последние годы. И одно из главных преимуществ такого подхода — это конечно масштабируемость. Не просто так в процессорах AMD на максималках можно встретить 32 ядра, а у Intel всего 16.
Вообще у чиплетной архитектуры есть достаточно много преимуществ. Например, экономия. При печати классических больших чипов на пластине остается достаточно много неиспользуемого пространства. В это же время, печатая меньшие по размеру плитки чиплета, можно сократить издержки.
Также часть пластины может быть подвержена браку. А чиплет меньше полноценного чипа, поэтому удается уменьшить количество брака на единицу площади.
Ну и главное — это как конструктор! У производителя появляется возможность легко модифицировать свои чипы, ведь для изменения чипа нужно просто добавить или убрать из него какой-либо модуль. И они даже могут быть построены на разных техпроцессах.
Про чиплеты поняли — вернемся к самому процессору. Он будет состоять из трёх полупроводниковых кристаллов — CPU, GPU и SoC. Разберемся в каждом по порядку:
CPU Intel производит сам по техпроцессу Intel 4, как мы поняли это 7 нм.
Что касается GPU то тут одним из важнейших изменений станет сотрудничество Intel и TSMC. Да-да, его будет делать Тайваньская фабрика на техпроцессе 3 нм, нас заверяют что по производительности он будет сопоставим с дискретной картой.
Что же касается системы на кристалле (SoC) она будет выполнена по четырех или пятинанометровому техпроцессу и также будет производиться на TSMC.
Причем по слухам на плитке SoC разместятся также 2 дополнительных ядра LP E-Core. Об этом сообщает инсайдер Igor’s lab со ссылкой на собственный источник.
Вероятно, это можно расшифровать как низкопроизводительное ядро с низким энергопотреблением. Так что вполне возможно, что в новых процессорах будет целых три типа ядер.
Получается что на одном чиплете могут использоваться различные техпроцессы. И теперь нам надо все это как-то соединить! Поэтому поговорим, про технологии упаковки процессоров, а точнее про интерконнект чипов.
Технологии упаковки
И тут пару слов стоит сказать, а что такое этот ваш интерконнект?
По сути, это технология объединения нескольких чипов в единое целое. Ну или по-просотому склейка чипов.
Хороший пример процессор M1 Ultra от Apple: взяли и склеили два мощных процессора M1 Max и получили один огромный ультра-процессор. Выглядит внушительно и ого-го, что может. ПРОФИТ.
Так вот, технологий, как можно взять и объединить два чипа в один есть масса. Apple свою технологию называет UltraFusion. А вот Intel свою EMIB или The Embedded Multi-Die Interconnect bridge. И это очень крутая технология. Что в ней особенного?
Смотрите, сейчас в индустрии стандарт упаковки чипов — это технология TSV или Through Silicon Via, еще такой дизайн называют 2.5D.
Если в двух словах — это значит, что берется одна кремниевая подложка с медной проводкой внутри и вот поверх неё лепятся все чипы, которые надо соединить. Как понимаете, решение не лишено недостатков.
Во-первых, размер чипа ограничен размером кремниевой подложки. А большой кусок кремния не так-то и просто произвести. И отсюда вторая проблема — сложно уместить всё, что хочешь на ограниченной площади. Ну и в третьих, это тупо дорого и из-за перерасхода кремния. Поэтому в Intel нашли лучшее решение.
Вместо того, чтобы лепить чипы на одну большую дорогую кремниевую подложку, они стали их соединять маленькими мостами — EMIB, которые встроены в подложку из более бюджетного материала.
Такой подход даёт массу преимуществ:
- это куда дешевле
- проще проектировать
- и главное, это дает куда больше свободы: можно лепить упаковки любой формы, объединять чипы с разными техпроцессами и т.д.
Вообще вся индустрия процессоров движется в сторону интерконнекта, о чем скоро выйдет подробный разбор.
Для выпуска этих процессоров уже сейчас Intel готовит своё производство на заводе в Ирландии! В апреле этого года там была закончена установка новой EUV-системы от ASML.
Эта установка — одно из самых сложных творений человека на данный момент. Она состоит из 100 000 деталей, 3 000 кабелей, 40 000 болтов и более полутора километров труб. На канале и сайте есть два подробных разбора на темы EUV-литографии, а также травления и осаждения процессора.
Кроме того, это очень дорогое оборудование. Например, новейшие установки ASML стояит 300 миллионов долларов каждая. И да его производит единицами всего одна компания в мире, поэтому производители выстраиваются в очередь.
И да на новейшие решения первые места успел застолбить Intel. И не просто так, внимательный зритель знает, что Intel были одними из первых инвесторов компании ASML!
Сейчас же один из важнейших пунктов в стратегии Intel — развитие своих фабрик. До 2030 года они планируют инвестировать 80 миллиардов евро в свои заводы в Европе. Уже сегодня 17 из них направляются на строительство двух заводов в немецком Магдебурге.
Начнется оно в 2023 году. Еще 12 миллиардов пойдет на расширение завода в Ирландии в два раза. Также планируется строительство предприятия в Италии. В общем, вы поняли — будет много чипов!
Intel 3 и 20А
Но все-таки вернемся к роадмапу. Следующий шаг синих — это техпроцесс Intel 3 в конце 2023 года, но правильнее будет назвать его 7 нм+.
Он должен ещё раз поднять производительность на 20% и внести мелкие доработки в прошлое поколение. Можно сказать, что это минорное обновление, такие чипы мы увидим в магазинах в начале 2024 года.
А вот следующим идет Intel 20А, и здесь есть о чем поггворить.
Самим названием нам заявляется революционная смена единиц измерения с нанометров на более мелкие ангстремы. Для понимания, 1 ангстрем — это десятимиллиардная доля метра или одна десятая нанометра.
Для понимания — диаметр среднего человеческого волоса — шесть сотых миллиметра и это равняется 600 тысячам ангстрем.
PowerVia
Первым нововведением тут станет PowerVia — технология подачи питания на процессор с обратной стороны.
Итак, для начала в чем проблема. Сейчас все чипы делаются так, что и питание и сигнал подается через контакты поверх транзисторов. Грубо говоря каналы идут рядом, параллельно. Это может приводить к тому, что относительно сильные токи, питающие транзисторы, могут вносить помехи в те каналы, где проходит сам сигнал.
Вообще, эта проблема считалась бутылочным горлышком, так как ограничивала возможности дальнейшего уменьшения самого чипа.
Intel же в PowerVia анонсировали, что они первые разделят каналы питания и сигнала. Теперь подвод питания для транзисторов будет осуществляться с обратной стороны кристалла.
В результате это снизит энергопотребление благодаря возможности использовать чистые металлы, что приводит к более качественному заземлению и низкому сопротивлению самих контактов. При этом на верхнем, сигнальном слое появляется больше места, что также снизит помехи и увеличит скорость выполнения команд.
В Intel считают, что это фундаментальное изменение и огромный шаг вперед!
Nanoribbon
Также на смену интеловским транзисторам архитектуры FinFET, представленным в 2011 году. Приходит новая архитектура RibbonFET. И это действительно большое изменение.
В свое время чипы FinFET были инновацией, они позволили преодолеть порог в 22 нм. Однако у них есть ограничение: с такой архитектурой невозможно выйти за рамки 5 нм.
Теперь же нанолисты, из которых состоит транзистор, окружены затвором. Что обеспечивает улучшенный электростатический контроль транзистора, более высокую скорость переключения транзистора и приемлемые управляющие токи при меньшей занимаемой площади.
Транзисторы теперь расположены не в горизонтальной плоскости, а в вертикальной. Кроме увеличения плотности это позволит уменьшить утечку энергии.
Если ранее для увеличения плотности нужно было сокращать размер затвора, то теперь затвор расположен вокруг всего канала.Это должно позитивно сказаться на общем энергопотреблении, а в особенности в режиме ожидания.
Другая особенность заключается в том, что несколько каналов складываются вместе. Это позволяет оставить тот же управляющий ток транзистора при уменьшении площади. А чем больше ток на единицу площади, тем выше скорость переключения транзисторов и в конечном итоге общая производительность.
Сама структура RibbonFET позволяет менять ширину канала для различных задач и точно настраивать баланс между мощностью и производительностью.
18А
И возвращаясь к техпроцессам последний известный — 18 ангстрем. Пока что он является темной лошадкой и о нем практически нет достоверной информации.
Но на встрече с акционерами генеральный директор интел Пэт Гелсинджер заявил, что они работают с опережением. И если изначально процессоры этого поколения должны были выйти в 2025 году, то теперь их ожидают в конце 2024 года.
Уже сейчас известно, что к этому моменту Intel планирует начать использовать High-NA EUV или литографию с высокой числовой амплитудой. Такие установки уже находятся на финальной стадии разработки. Стоимость одной установки будет превышать 320 миллионов долларов, но за ними уже выстраивается очередь. А Intel в этой очереди первый.
Выводы
Ну а подводя итог, пришло время ответить на вопрос, который был задан в начале — Как Intel победит Apple?
И тут стоит сказать, что не в победе дело, например те же ТSМС и Intel будут работать вместе для преодоления кризиса чипов. Кроме того ТSМС строит заводы в США, чтобы избежать политических рисков от Китая. Огромный плюс Intel в том, что у них есть фабрики в США, а еще в Израиле и в Ирландии. Очень стабильные страны, маловероятно, что что-то неприятное случится. А что касается самих чипов — конкуренция прекрасная вещь, она толкает индустрию вперед и даже расшевелила такого мастадонта как Intel.
