Intel debütiert Meteor Lake Die, ‚Intel 4‘-Knoten: 20 % höhere Taktraten bei gleicher Leistung, 2-fache Flächenskalierung

Intel gab die ersten Details seines „Intel 4“-Prozessknotens bekannt und teilte auf dem IEEE VLSI-Symposium 2022 ein Bild des Compute-Dies eines Meteor-Lake-Prozessors. Intel behauptet beeindruckende Ergebnisse mit seinem neuen „Intel 4“-Knoten, darunter 21,5 % höhere Frequenzen bei jeder gegebenen Taktrate oder eine 40 %ige Leistungsreduzierung bei derselben Frequenz gegenüber seinem „Intel 7“-Knoten der vorherigen Generation. Intel behauptet auch eine Verbesserung der Flächenskalierung um das Zweifache, was bedeutet, dass es die Transistordichte für die Hochleistungsbibliotheken verdoppelt hat und der erste Intel-Prozessknoten ist, der EUV-Lithographie verwendet. Das sind nur einige von vielen anderen bemerkenswerten Fortschritten, auf die wir weiter unten näher eingehen werden.

Angesichts der Fehltritte von Intel beim 10-nm-Prozess, durch die es seine Führungsposition in der Prozesstechnologie an TSMC verlor, ganz zu schweigen davon, dass es die Leistungsführerschaft auf dem CPU-Markt an AMD abgab, sind alle Augen auf das Unternehmen als seinen „Intel 4“-Prozess gerichtet, auf den wir uns beziehen werden als ‚I4‘, kommt 2023 auf den Markt.

Letztes Mal hat Intel versucht, mit seinem 10-nm-Knoten zu aggressiv zu skalieren und ein 2,7-faches Skalierungsziel zu erreichen. Das führte zu ständigen Verzögerungen durch die gleichzeitige Integration mehrerer neuer Technologien, von denen einige offensichtlich nicht die Entwicklungsziele erreichten. Für I4 verfolgt Intel einen modulareren Ansatz und führt Schritt für Schritt neuere Technologien ein, während es von Knoten zu Knoten voranschreitet, und hilft so ihm, eine allmählichere Verbesserungskadenz zu erreichen, von der es hofft, dass sie die Verzögerungen vermeiden wird, die wir in der Vergangenheit gesehen haben.

Intel entwickelt parallel mehrere Knoten, um sein Versprechen von fünf Knoten in vier Jahren einzulösen, und Intel 4 ist der zweite Schritt auf diesem Weg. Schauen wir uns zuerst den Meteor Lake-Würfel genauer an und tauchen dann in die Details der I4-Präsentation ein.

Intel Meteor Lake Würfelschuss

Intels Meteor Lake wird das erste Produkt sein, das mit dem I4-Prozess auf den Markt kommt. Intel hat das Rechensilizium im April 2022 eingeschaltet und behauptet, es habe mehrere Betriebssysteme gestartet. Laut Intel ist Meteor Lake auf dem Weg zu einem Start im Jahr 2023.

Meteor Lake wird Intels Foveros 3D-Packaging-Technik verwenden, genau wie wir es bei den Lakefield-Prozessoren gesehen haben. Dies wird jedoch Intels erster voller Großserienfertigungsversuch mit dieser führenden Verpackungstechnologie sein.

Intel wird die vier Chips (im Intel-Jargon „Kacheln“ genannt) über TSV-Verbindungen mit einem Interposer verbinden. Intel hat nicht bekannt gegeben, ob dieser Interposer aktiv oder passiv sein wird oder ob er Caches oder andere Steuerschaltkreise enthalten wird. Intel montiert vier Kacheln auf diesem Interposer: die Rechenkachel, die I/O-Kachel, die SOC-Kachel und die Grafikkachel.

Intel hat nur den für die Rechenkachel verwendeten Prozessknoten als I4 angegeben, aber nicht gesagt, welche Knoten es für die anderen Kacheln verwenden wird. Während seines Analyst Day Anfang dieses Jahres teilte das Unternehmen die Folie im obigen Album, die den N3 (3nm)-Knoten von TSMC mit den Meteor- und Arrow Lake-Prozessoren auflistet, und es wird weitgehend angenommen, dass dies die Grafikkachel umfasst. Wir werden sehen.

Wie bei Alder Lake haben die Meteor Lake-Chips eine x86-Hybridarchitektur. In diesem Fall haben wir sechs p-Kerne und acht E-Kerne. Die Explosionsansicht des Compute-Dies zeigt uns links vom Die sechs blau gefärbte Leistungskerne (p-Cores), die für latenz- und leistungsempfindliches Arbeiten verwendet werden. Rechts sehen wir zwei Vierkern-Cluster von Effizienzkernen (E-Kerne) in Lila. Diese Kerne springen für Hintergrund- und Multithread-Aufgaben ein. Die Mitte des Chips enthält die L3-Caches und Verbindungsschaltkreise. Intel muss noch eine weitere Beschreibung der Unterschiede zwischen den SoC- und E/A-Kacheln liefern, wobei erstere ein wahrscheinlicher Kandidat für Speichercontroller und PCIe-Schnittstellen sind, während letztere für Thunderbolt und andere PCH-Typen von Schnittstellen sein könnten.

Intel gibt uns hier nicht zu viel Arbeit, aber das Unternehmen hat weitaus umfangreichere Details zum I4-Prozessknoten geteilt, der die Rechenleistung zum Erliegen bringt.

Intel 4-Prozessknoten

Zur Erinnerung: Intel hat kürzlich seine Prozessknoten umbenannt, um eine einheitlichere Namenskonvention zu haben, die sich an der seiner Konkurrenten (den Drittanbietern TSMC und Samsung) orientiert. Intels aktueller Flaggschiff-Prozessknoten, Intel 7, hieß früher 10nm. Außerdem wurde der I4-Knoten früher als 7nm bezeichnet. Wir bleiben beim aktuellen Namensschema, damit es keine (oder zumindest weniger) Verwirrung gibt.

Intel backt, wie seine Konkurrenten, normalerweise zwei Versionen jedes Prozessknotens – eine High-Density-Bibliothek, die versucht, auf Kosten der Leistung so viele Transistoren wie möglich hineinzuquetschen, und eine High-Performance-Bibliothek, die eine gewisse Transistordichte eintauscht, um sie bereitzustellen mehr Leistung. Natürlich beziehen sich Intel und seine Konkurrenten für die Dichtemetriken, die sie im Marketing verwenden, immer auf die High-Density-Bibliothek. Dennoch verwenden die meisten der Flaggschiff-Hochleistungschips, die Sie auf dem Markt sehen, tatsächlich die weniger dichte Bibliothek.

Überraschenderweise erstellt Intel keine High-Density-Bibliothek für seinen I4-Knoten. Warum hat Intel nicht erklärt; Stattdessen sagte es einfach, dass es sich ausschließlich auf Leistungsprodukte für I4 konzentrieren wird. Intel hat keine technischen Gründe dafür angegeben, eine High-Density-Bibliothek von diesem Prozessknoten auszuschließen, aber es wird wahrscheinlich zu einigen Spekulationen führen. Insbesondere hat Intel kürzlich angekündigt, dass es seine Granite Rapids Xeons von 2023 auf 2024 verschieben wird, da das Design von I4 auf I3 umgestellt wird – vielleicht um die Vorteile einer funktionierenden High-Density-Bibliothek für einige der Produkte zu nutzen.

Der I4-Knoten ist aufwärtskompatibel mit I3, sodass Designs zwischen den beiden verschoben werden können, ohne die üblichen zeitaufwändigen Schritte der Portierung einer Architektur durchlaufen zu müssen. Intel sagt, dass der Nachfolger von I4, „Intel 3“, sowohl leistungsstarke als auch hochdichte Bibliotheken enthalten wird. Der I3-Prozess wird auch verbesserte Transistoren und Verbindungen sowie mehr EUV-Schichten aufweisen, um das Design weiter zu vereinfachen. Der I3-Knoten wird der erste sein, der den Kunden von Intel über seine Intel Foundry Services (IFS) angeboten wird.

Nach I3 wird Intel mit den 20A- und 18A-Knoten in die Angström-Ära übergehen, die beide noch exotischere neue Technologien einführen werden, wie neue RibbonFETs (Gate all around/Nanosheet) und PowerVia (Backside Power Delivery)-Technologie.

Intel teilt noch keine spezifischen Metriken für die Transistordichte mit, sondern gibt uns stattdessen einen grundlegenden Anspruch auf 2X-Skalierung (viel mehr zu diesem Thema weiter unten). Das Unternehmen sagt jedoch, dass es in Zukunft eine Transistordichtemetrik von MTr/mm^2 (Megatransistor pro Quadratmillimeter) teilen wird und dass die Transistordichte von I4 im Allgemeinen mit der 2-fachen Flächenskalierung verfolgt wird. Daher verwenden wir in der obigen Tabelle eine extrapolierte Transistordichte (Quelle). Diese Zahlen sind Schätzungen, aber es scheint, dass die Transistordichte von I4 zwischen den leistungsstarken N5- und N3-Bibliotheken von TSMC landen wird.

Intel 4 (I4) verspricht eine Frequenzverbesserung von 21,5 % bei gleicher Leistung wie der I7-Prozess der vorherigen Generation oder 40 % weniger Leistung. Wie bereits erwähnt, behauptet Intel eine 2-fache Verbesserung der Bereichsskalierung gegenüber I7, die den Höhepunkt mehrerer Technologien darstellt.

Der I4-Knoten ist der erste Knoten von Intel, der EUV-Lithographie ausgiebig nutzt, um die Herstellung zu vereinfachen, und wir können die Ergebnisse auf der zweiten und dritten Folie im obigen Album sehen. Intels Prozess der vorherigen Generation erfordert mehrere Immersionslithographieschritte, um einige Schichten des Stapels zu verarbeiten, aber EUV ermöglicht es dem Unternehmen, eine Belichtung zu verwenden, um ein einzelnes Muster zu ätzen. Dadurch wird die Anzahl der Schritte im Prozessablauf für diesen Teil der Fertigung um das 3- bis 5-fache reduziert.

Natürlich führt EUV zu weniger Defekten und damit zu höheren Erträgen. Es erhöht auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit erheblich, hat aber auch andere Vorteile. Beispielsweise muss auch jede Schicht der darunterliegenden Metallstapel bei jedem Schritt im Fertigungsablauf ausgerichtet werden. EUV hilft bei Ertragsproblemen aufgrund der Ausrichtung, da die Schichten nur einmal und nicht mehrmals ausgerichtet werden müssen. Dies verbessert die Ausbeute weiter.

Intel verwendet EUV sowohl im Front- als auch im Backend des Fertigungsablaufs. Wie auf der dritten Folie zu sehen ist, hat I4 5 % weniger Prozessschritte und eine 20 % geringere Gesamtmaskenanzahl als I7. Wie Sie anhand des extrapolierten Ergebnisses in der Mitte der Diagramme sehen können, würde I4 ohne EUV mehr Schritte erfordern als I7. Leider hat Intel die genaue Anzahl der Schichten, die es mit EUV-Lithographie ätzt, nicht preisgegeben.

Intels Contact-Over-Active-Gate (COAG) debütierte mit dem I7-Prozess und erhöhte die Dichte, indem der Kontakt vom Rand/außerhalb der Gates verschoben und auf den Gates platziert wurde. Die zweite Generation dieser Technologie trägt dazu bei, die Dichte im I4-Prozess weiter zu verbessern. Ebenso entfernte Intel Dummy-Gates von I7, verbesserte diese Technik jedoch mit I7, indem ein Diffusionsgitter zwischen den Arrays entfernt wurde. Intel ging auch von vier Finnen auf drei.

Der I4-Knoten hat 18 Metallschichten im Vergleich zu den 17 Metallschichten des I7-Knotens, wobei verbessertes Kupfer in die unteren Metallschichten eingeführt wird, um die Elektromigration/Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Leistung aufrechtzuerhalten (mehr dazu weiter unten). Wir sehen auch eine reduzierte Tonhöhe über den gesamten Stapel. (Die beiden dicken Metallschichten dienen der Stromführung.)

Leistung, Leistung und Fläche (PPA) sind dort, wo der Gummi auf die Straße trifft. Hier können wir sehen, dass Intel eine Leistungssteigerung von 21,5 % bei gleicher (ISO) Leistung gegenüber I7 oder eine 40 % bessere Leistung am unteren Ende der Frequenz-/Spannungskurve behauptet. Dies liegt an der Abstimmung sowohl für den oberen als auch für den unteren Spannungsbereich, was letztendlich zu einem durchweg besseren Dynamikbereich führt.

Der I4-Prozess hat zwei verschiedene Arten von SRAM-Zellen. Es ist bekannt, dass SRAM nicht so schnell skaliert wie Logik. Intel hat eine 0,77-fache Skalierung für seine High Density Cell (HDC) offengelegt, aber nicht die Skalierungsmetrik für die High Current Cell (HCC), die in leistungsorientierten Designs verwendet wird.

Interconnects, die winzigen Drähte, die Transistoren verbinden, werden im Laufe der Zeit immer kleiner und sind jetzt nur noch so breit wie ein paar Elektronen. Als solche sind sie zu einem der Haupthindernisse für die Erhöhung der Transistordichte geworden, da kleinere Transistoren einfach kleinere Drähte erfordern. Intel hat mit seinem I7-Prozessknoten auf die Verwendung von Kobalt anstelle von Kupfer umgestellt, was zu einer geringeren Leistung führt. Es wurde auch gemunkelt, dass dies ein Grund für die unaufhörlichen Verzögerungen war, die das Unternehmen seine Führungsposition kosteten.

Intel gab bekannt, dass es verbessertes Kupfer in den Schichten M0 bis M4 verwendet, um die Verbindungsleistung zu verbessern, und teilte Folien (zweite und dritte im obigen Album), die die Verbesserungen zeigen, die es mit seinen Drahtdesigns in den kritischen unteren Schichten erzielt hat. Hier sehen wir zwei dieser Ansätze mit dem I7-Knoten – einen mit reinem Kobalt mit einer Tantalbarriere und einen anderen mit einer Tantalnitridbarriere über einer Kupferlegierung. Diese beiden Ansätze haben jeweils erhebliche Kompromisse in Bezug auf Beständigkeit (Leistung) oder Zuverlässigkeit (Elektromigration).

Der I4-Prozess verwendet ein „Enhanced Copper“-Design, das eine Tantalbarriere mit Kobaltbeschichtung über reinem Kupfer nutzt. Dieses Design bietet das Beste aus Leistung und Zuverlässigkeit.

Schließlich gab Intel bekannt, dass es seine MIM-Kapazitätsdichte gegenüber dem I7-Prozess verdoppelt hat. Zur Erinnerung, dies ist der Metal-Insulator-Metal (MIM)-Kondensator, den Intel mit dem damaligen 10-nm-Prozess als „SuperMIM“ bezeichnete. Dies hilft bei der Bekämpfung von Vdroop, was dazu beiträgt, ein länger anhaltendes Frequenzpotential zu gewährleisten, indem lokalisierte Chip-Unterspannungen während der Stromversorgung eliminiert werden. intensive Arbeit, wie SIMD-Anweisungen.Als Ergebnis sollten sich die anhaltenden Taktraten dramatisch verbessern.

Das Werk von Intel in Hillsboro wird das erste sein, das I4-Geräte produziert, und der irische Campus ist der offensichtliche nächste Kandidat, da es der einzige andere bekannte Intel-Campus mit einer EUV-Maschine ist. Wir werden mehr über Intel 4 erfahren, wenn es in Meteor Lake näher auf den Markt kommt, von dem Intel sagt, dass es 2023 auf den Markt kommt.