2022 年 7 月 30 日，英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強博士出席了由中國計算機學(xué)會主辦的第一屆“中國計算機學(xué)會芯片大會”，并發(fā)表了題為“堅持半導(dǎo)體底層技術(shù)創(chuàng)新，激發(fā)算力千倍級提升”的主題演講。在演講中，針對“突破算力瓶頸，滿足多元計算需求”這一產(chǎn)學(xué)研界所普遍關(guān)注的熱門話題，宋繼強博士分享了英特爾的最新洞察，以及在相關(guān)領(lǐng)域所取得的技術(shù)進展。
英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強博士
中國目前正走在全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮的前列，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟也成為中國把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新機遇的戰(zhàn)略選擇。宋繼強表示，對數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展而言，底層基礎(chǔ)設(shè)施提供的算力、計算效率等方面的支持十分關(guān)鍵，此外，為了讓這些基礎(chǔ)設(shè)施的性能得到最大限度的發(fā)揮，需要構(gòu)造一個以能源、計算能效性為優(yōu)先綜合布局的新型算力網(wǎng)絡(luò)。中國開始布局“東數(shù)西算”工程，也正是基于計算和網(wǎng)絡(luò)融合的需要。
因此，在數(shù)字經(jīng)濟的增長過程中，對算力的需求會“水漲船高”，一方面，數(shù)據(jù)量會保持指數(shù)級增長，另一方面，數(shù)據(jù)形態(tài)也會越來越多元化，對計算的實時性和智能化處理能力的要求也越來越高。從數(shù)據(jù)量和質(zhì)來看，傳統(tǒng)的單一計算架構(gòu)肯定會遇到性能和功耗的瓶頸。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，宋繼強強調(diào)，首先要突破算力的瓶頸，通過不同的方式解決多樣化數(shù)據(jù)的計算有效性，而在提升算力的同時，還需要考慮到“綠色計算”這個主題，以能量優(yōu)化的方式解決數(shù)據(jù)處理的問題。
發(fā)展異構(gòu)計算與異構(gòu)集成技術(shù)
基于這兩點原則，宋繼強認(rèn)為異構(gòu)計算和異構(gòu)集成是算力突破的新抓手。異構(gòu)計算就是用不同的架構(gòu)處理不同類型的數(shù)據(jù)，真正做到“用好的工具解決好的問題”。異構(gòu)集成則可以把不同工藝下優(yōu)化好的模塊更好地集成到未來的解決方案當(dāng)中，從而更加高效地處理復(fù)雜計算。
宋繼強表示，建立完整的異構(gòu)計算體系需要軟硬件結(jié)合，在硬件上，需要“全面發(fā)展”，有不同的架構(gòu)積累，在軟件上，也需要有一套方便且好用的軟件，只需上層應(yīng)用者指定功能需求，下層就可以隨著異構(gòu)變化。具體到英特爾自身的異構(gòu)計算布局，表現(xiàn)為“XPU+oneAPI”，既有非常全面的硬件架構(gòu)布局，覆蓋從終端到邊緣再到服務(wù)器，在 CPU、GPU、IPU、FPGA、AI 加速器等領(lǐng)域，都有具有代表性的成熟產(chǎn)品，又有 oneAPI 這一開放統(tǒng)一的跨架構(gòu)編程模型，讓現(xiàn)有的和未來將出現(xiàn)的新硬件都能很好地發(fā)揮能力。oneAPI 也在全球積極開展各項合作，去年還和中科院計算所聯(lián)合建立了中國首個 oneAPI 卓越中心。
實現(xiàn)異構(gòu)計算常常需要將不同制程節(jié)點的芯片封裝在同一個大封裝里，這時就需要應(yīng)用異構(gòu)集成，也就是先進封裝技術(shù)，來滿足尺寸、成本、帶寬等方面的要求。宋繼強介紹，英特爾在異構(gòu)集成上主要有兩項技術(shù)，2.5D 封裝技術(shù) EMIB 能把在平面上集成的芯片很好地連接起來，3D 封裝技術(shù) Foveros 則可以通過把不同尺寸的芯片在垂直層面上封裝，進一步降低封裝凸點的間距，提高封裝集成的密度。
宋繼強進一步補充，F(xiàn)overos Omni 和 Foveros Direct 是英特爾在 3D 封裝上未來會使用的兩種技術(shù)。在上面是一個大的芯片，底下是幾個小芯片的時候，F(xiàn)overos Omni 可以把不同芯片之間互連的接觸點間距微縮到 25 微米，同時還可以通過封裝邊上的銅柱直接給上層芯片供電，和 EMIB 相比有接近 4 倍的密度提升。Foveros Direct 則通過一種更高級的不需要焊料、直接讓銅對銅鍵合的技術(shù)，實現(xiàn)更低電阻的互連，進一步縮小凸點間距到 10 微米以下，將整個互連的密度提升到新的數(shù)量級。
目前，英特爾迄今為止最復(fù)雜的高性能計算 SoC Ponte Vecchio 就運用了英特爾在異構(gòu)計算和異構(gòu)集成上的新技術(shù)，集成了來自 5 個不同制程節(jié)點的 47 種不同晶片，而下一代旗艦級數(shù)據(jù)中心 GPU 代號 Rialto Bridge 將進一步大幅提高計算密度、性能和效率，同時通過 oneAPI 提供軟件一致性。
堅持推進摩爾定律
為了突破算力瓶頸，在異構(gòu)計算與異構(gòu)集成技術(shù)之外，還需要堅持推進摩爾定律，打造功耗更低，性能更強的半導(dǎo)體。宋繼強在演講中也介紹了英特爾的制程工藝革新和路線圖。
宋繼強表示，英特爾的制程工藝革新主要包括以下三大技術(shù)：在工具上，英特爾將自 Intel 4 開始使用下一代基于高數(shù)值孔徑的極紫外光刻機(EUV)技術(shù)，降低整個制程工藝的復(fù)雜度，提高良率;在晶體管結(jié)構(gòu)上，Intel 20A 將使用全新的 RibbonFET 結(jié)構(gòu)，進一步降低平面上晶體管所占面積，同時可以有更快的驅(qū)動速度，也增加驅(qū)動電流的強度;在供電層面，Intel 20A 同樣將啟用全新的 PowerVia 技術(shù)，實現(xiàn)底部給所有上層功能邏輯部件供電，把供電層和邏輯層完全分開，從而可以更有效地使用金屬層，大幅減少繞線和能量消耗。
在路線圖方面，英特爾計劃在四年內(nèi)推進五個制程節(jié)點：Intel 7 已經(jīng)開始批量出貨;Intel 4 將于今年下半年投產(chǎn)，采用 EUV 技術(shù)，將晶體管的每瓦性能將提高約 20%;Intel 3 將于 2023 年下半年投產(chǎn)，在生產(chǎn)過程當(dāng)中會更大量地使用 EUV，在每瓦性能上實現(xiàn)約 18%的提升;Intel 20A 預(yù)計將于 2024 年上半年投產(chǎn)，通過 RibbonFET 和 PowerVia 這兩項技術(shù)在每瓦性能上實現(xiàn)約 15%的提升;最后，Intel 18A 預(yù)計將于 2024 年下半年投產(chǎn)，在每瓦性能上將實現(xiàn)約 10%的提升。宋繼強表示，目前英特爾在 Intel 18A 和 Intel 20A 上都取得了不錯的進展。
探索前沿研究領(lǐng)域
展望未來，一些新興、前沿研究領(lǐng)域有望為計算帶來更多的可能性。宋繼強分享了英特爾在以下三個領(lǐng)域所取得的主要進展：組件研究、神經(jīng)擬態(tài)計算和集成光電。
在組件研究上，英特爾的工作主要圍繞三方面展開：第一，是提供更多的核心微縮技術(shù)，涵蓋混合鍵合(hybrid bonding)技術(shù)、CMOS 晶體管 3D 堆疊技術(shù)和對晶體管新材料的探索;第二，通過疊加新的晶體管材料和結(jié)構(gòu)，給硅晶體管注入新的功能，包括增強模式的高 K 氮化鎵晶體管和硅 FinFET 晶體管的組合技術(shù)，以及反鐵電體材料的嵌入式內(nèi)存;第三，是量子領(lǐng)域的工作，包括應(yīng)用在邏輯計算的磁電自旋電子器件，磁疇壁電子器件和 300 毫米量子比特制程工藝流程。
神經(jīng)擬態(tài)計算可以直接模擬人類神經(jīng)元的形式構(gòu)造芯片底層的計算單元，再通過脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式編程實現(xiàn)人工智能算法，與傳統(tǒng)上主要使用 CPU 和 GPU，靠堆乘加器的方式提供算力的模式相比，可以實現(xiàn)能效比千倍級以上的提升。宋繼強介紹，目前英特爾的神經(jīng)擬態(tài)計算芯片已經(jīng)發(fā)展到了第二代 Loihi 2，基于 Intel 4 制程工藝，速度比上一代提升了 10 倍，單個芯片里的神經(jīng)元數(shù)量也提升了 8 倍，達(dá)到 100 萬。同時，英特爾也推出了一套完整的開源的軟件框架 Lava 對神經(jīng)擬態(tài)計算的開發(fā)提供全面支持，并和北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、鵬城實驗室、中科院自動化所、聯(lián)想等近 200 家國內(nèi)外合作伙伴一起提升計算的效率。
在集成光電上，英特爾則致力于大幅提高光電轉(zhuǎn)換效率。在關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建模塊上，英特爾基于 CMOS 工藝，實現(xiàn)了在一個平臺上集成所有的關(guān)鍵光學(xué)技術(shù)構(gòu)建模塊，包括光的產(chǎn)生、放大、檢測、調(diào)制等等，大幅降低了尺寸和功耗;在器件層面，英特爾研制了一個集成在硅晶圓上的 8 波長激光器陣列，提升了準(zhǔn)確性和能效比，為以后光電共封裝和光互連器件的量產(chǎn)鋪平了道路。此外，英特爾也繼續(xù)和大學(xué)合作，在高速光互連、I/O 技術(shù)、性能擴展和節(jié)能方面做廣泛的研究。
未來，英特爾將繼續(xù)攜手產(chǎn)學(xué)研界各合作伙伴，推動綠色半導(dǎo)體創(chuàng)新，實現(xiàn)千倍級算力提升，并且對地球生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
