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雜談:Intel是如何失去自己性能優勢地位的?

要是有人在五年前跟我説,AMD的處理器性能逼近甚至超過Intel的,那我當時肯定會像看傻子一樣看着對方,然後緩緩説出一句“你在搞笑吧?”來嚴肅回答對方。

然而,幾年之後的現實就是,AMD用Zen 2架構的Ryzen 3000系列處理器在性能與口碑上都追上,甚至趕超了Intel,“AMD, Yes!”這句口號也是被喊得越來越響亮,甚至出現了什麼狀況呢?面對競爭對手的咄咄逼人,他們拿出了Comet Lake-S這種實質是Refresh的產品來應對,連已經被應用在移動端的新內核微架構都懶得換,加了兩個核心,優化了下散熱,提了點頻率就拿出來賣了。

那麼Intel是怎麼一步一步走到今天這個局面的?我分析了從14年開始,Intel的產品佈局還有他們的Roadmap,至少有一點可以明確的是,製程工藝,真的卡了Intel的脖子。從22nm到10nm的路上,每一次製程節點的升級都遇到了問題,結果就是Intel匆匆忙忙之間,不僅要為新制程的延期擦屁股,還要為競爭對手的突擊來調整自己的產品佈局。首先,我們要從14nm,這個可以説是一代經典的工藝説起,讓我們把時間倒回到2014年。

14nm延期:Tick-Tock戰略的終結

2014年的Intel,正在用着成功的Haswell和22nm製程稱霸着x86處理器市場,他們原本計劃在那年推出升級14nm製程的Broadwell,也就是Haswell的換製程版本,延續自己成功的Tick-Tock戰略。

什麼是Tick-Tock戰略呢?這裏為不清楚的朋友簡單介紹一下。

Tick-Tock戰略是Intel在2007年提出的處理器更新戰略,因其類似於鐘擺運動而得名。在Tick年,Intel將會引入新的製程工藝,但不會對CPU微架構進行大幅改動;而在Tock年,Intel將會使用上年更新過後的工藝推出採用全新架構的CPU。這樣,以兩年為一個週期,Intel可以穩步推進自己的處理器更新換代,在市場上牢牢坐穩自己領導者的位置。

這套戰略非常有效,Intel沿着Tick-Tock戰略制定的軌跡,從2007年一路走到2013年,期間他們的製程工藝從65nm一路發展到22nm,而內核微架構也從Core 2 Duo時代的Conroe一路進化到2013年的Haswell。

Haswell,也就是現在仍然被人們津津樂道的四代酷睿,一經推出就成為了當時的裝機首選。一方面,它相對於上代處理器有可觀的性能增幅,另一方面,競爭對手還陷在推土機架構的泥沼中,一時半會兒沒有還手的力氣。看起來Tick-Tock戰略非常成功,下一年就可以推出採用14nm製程的Broadwell系列處理器了,但就在這個當口,製程工藝的更新出了岔子,跟不上了。

Intel為每一次的製程迭代都設定了相當高的目標,從22nm進化到14nm也不例外。但Intel再牛逼,也突破不了物理的極限,隨着晶體管變得越來越小,單位面積內晶體管的數量越來越多,在沒有對材料進行改進的前提下,漏電和發熱情況會越來越明顯,同時,新工藝早期的良率難以與老的成熟工藝相比,搞定這些問題需要時間。在2013年末的時候,14nm製程還沒有成熟到能上正式產品的地步,在當時Intel期望能夠在下一年的第一季度將其應用於量產,結果我們都知道了,預期沒能實現。

在2014年年中的時候,Intel對外解釋了他們14nm製程延期的一些原因,上圖主要訴説的是14nm製程的良率還沒有22nm那麼高,才剛剛滿足Intel的PRQ(能夠用於正式生產的良率點)。那工藝才剛剛進入量產,產能還跟不上怎麼辦?Intel很聰明,他們選擇對現有產品在不進行製程升級的情況下進行小幅更新,也就有了Haswell Refresh這一代處理器,代表產品有Core i7-4790K和Xeon E3-1231V3等。從這裏開始,Tick-Tock戰略在事實上已經被改良的Tick-Tock-Refresh戰略所取代,不過Intel暫時還沒有承認這一點,繼續使用既有的路線圖走了下去。

在既有的路線圖上面,2014年是Tick年,Intel應該換新的工藝,也就是預定的14nm推出新產品。但因為工藝出現了延期,沒能很好地實現Tick年的預定計劃,而新的Tock年——2015年很快就到了,按照計劃他們應該推出採用新架構的14nm處理器。為了趕上原本的路線圖,Intel直接砍掉了Broadwell的桌面版(實際只有兩款且出貨很少),在2015年的夏季,直接推出了Skylake處理器,也就是我們熟知的第六代酷睿。

上圖是Intel在2015年公佈的官方路線圖,可以看到的是,在桌面端,Broadwell完全消失了,接替Skylake的,是又一代的Refresh產品。而在移動端,Broadwell與Haswell Refresh並存,之後出現了一個需要注意的地方,那就是Cannon Lake,它將要在移動市場上接替Skylake,是Intel規劃中的初代10nm處理器。按照這張路線圖,Intel計劃在2016年的第二季度將Cannon Lake帶入市場,也就是説,在當時,Intel對2016年量產10nm處理器這件事情是非常自信的。

結果,在2016年,我們沒有等來Cannon Lake和10nm製程,等來的卻是Intel宣佈將Tick-Tock戰略由新的Process-Architecture-Optimization(製程-架構-優化,簡稱PAO)三步走戰略替代的消息。

在新的PAO戰略中,製程工藝仍然是開啟一個週期輪迴的首要因素。如果將14nm作為PAO戰略的首個製程節點,那麼Skylake處理器就是這一輪PAO中的架構改進點,正好是對應起來的,那麼在Skylake之後帶來的,就應該是Optimization,也就是原本的Refresh這一步,它將優化新架構和新制程的表現,提供一個PAO輪迴中最好的綜合表現。好了,Intel也就順勢公佈了Skylake的下一代將會是Kaby Lake,而不是此前定下的Cannon Lake。

至此,Tick-Tock戰略完全失效,被新的PAO戰略所取代。但我們誰都沒有想到,Intel的頭一個PAO輪迴就花了他們將近四年的時間。

10nm屢次延期:Cannon Lake夭折與不盡如人意的Ice Lake

上文説到,在Intel很早以前的路線圖中,他們計劃在2016年將10nm帶到人們的眼前,結果事與願違。不過Intel仍然沒有放棄,因為他們深知,製程工藝的領先將會在競爭中給他們帶來莫大的優勢。於是在2017年伊始的CES展會上,Intel CEO在自家的發佈會上面信誓旦旦地表示,他們的10nm處理器會在當年年末的時候出貨。緊接着的投資者公開會上,Intel更是扔下了一枚炸彈,他們聲稱將會在數據中心產品上首先啟用10nm製程,而不是像往常那樣,首先在移動超低壓產品上應用,但同時,他們還告知投資者,今年在消費級還會有一代14nm處理器。

這是為什麼呢?我們把時間稍微倒回去一個月。

2016年12月13日,AMD在名為“新地平線”的峯會上面公佈了自家傳聞已久的全新Zen架構的正式產品——Ryzen系列處理器。在次年的3月初,初代Ryzen的首批三顆處理器正式開賣了,上來就是八核十六線程的規格,在多線程能力方面對Intel處理器造成了很大的威脅,這也被視為AMD走出推土機陰霾,重返高性能處理器市場的標誌。

在接到蜇伏了多年的老對手突然出的一記重拳之後,Intel當然是要回應的,於是就有了上面的“今年在消費級還會有一代14nm處理器”,現在我們知道,Intel為了應對AMD的攻勢,給桌面端沿用了多年的四核規格加了兩個核心,推出了代號為Coffee Lake的八代酷睿,同時他們再次優化了在Kaby Lake上已經被優化過一次的14nm製程,命名為14nm++。

當然,Intel肯定是沒忘記他們的10nm製程的,在當年三月份末的製造日(Manufacturing Day)活動上面,他們向各路媒體公開了10nm製程的細節和他們設定的目標,其中最為人印象深刻的是,他們要把晶體管密度提高約2.7倍,這樣一來,Intel能夠繼續保持3.5年的製程領先,並且能夠比台積電/三星/GF這幾家的7nm工藝更加先進。

吹歸吹,還是得拿出實際產品才能夠讓人信服。

整個2017年,Intel在10nm上再沒了什麼動靜,甚至於在2018年的CES演講上面,他們的CEO提都沒提自家的x86 CPU,只有在演講結束之後的一個面向媒體的短會上面,CCG(客户計算業務組)的高級副總裁在時長為10分鐘的短暫演講的末尾提了一句,稱他們的10nm產品已經在2017年出貨了。這種低調的聲明對於Intel來説並不是什麼常見的事情,在場的不少媒體意識到,Intel內部肯定有什麼問題發生了。

結果到了2018年5月份,除了Intel自己意外泄漏的一份文檔中出現了Cannon Lake之外,其他地方根本就沒這系列的影子,説好的出貨出哪兒去了?答案最終浮現是在中國市場上一款出貨量並不大的新筆記本中:

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從上面的廣告Banner中,我們可以發現這款處理器的型號為Core i3-8121U,而它就是最初和最末的Cannon Lake處理器,整個Cannon Lake系列中唯一一款正式進入市場的處理器。

為了研究Cannon Lake和10nm工藝,各路硬件媒體馬上從中國購買了這枱筆記本回來,比如AnandTech的Ian Cutress博士就行動了,很多媒體隨後都發布了對這款處理器的評測,其評價基調都差不多:失望。這款處理器在默認情況下基本上打不過規格類似的Core i3-8130U,甚至在同樣的頻率下面,作為擁有更先進工藝的處理器,它的功耗比Core i3-8130U還要大。

Cannon Lake被初代10nm工藝所嚴重拖累,以至於該系列僅推出了一款處理器就被Intel給砍掉了。為它配套的300系芯片組被修修改改用在了Coffee Lake身上,這也就是為什麼,300系芯片組的代號是Cannon Point的原因。

Cannon Lake雖然夭折了,但它對Intel仍然有着莫大的意義。首先,它是一個新PAO輪迴的起點,正式引入了新的製程,其次,在Cannon Lake上面,Intel完成了其處理器平台與內核微架構的解耦,以往Intel處理器的內核與平台共同一個代號,而在Cannon Lake身上,兩者分離了。Cannon Lake搭載了Skylake微架構的升級版——Palm Cove,而在2018年初期,Intel就正式公佈了他們在內核微架構上的路線圖:

但在整個2018年中,Intel都沒有發佈其PAO戰略應該有的下一步,代號為Ice Lake的第二代10nm處理器,直到2019年年中,Intel終於在台北電腦展的發佈會上面公開了該系列的具體詳情,它可以説是Intel在2015年推出Skylake以來幅度最大的處理器升級,引入了諸多新特性。而在8月份,Intel正式宣佈該系列處理器上市,在去年年末和今年年初一段時間,我們看到了大量搭載Ice Lake的處理器。但是尷尬的事情又再次發生了,Ice Lake系列的性能被發現打不過自家另外一系列的移動處理器,也就是代號為Comet Lake-U的14nm處理器。

上面兩張圖來自於Intel官方的宣傳資料,他們拿AMD Ryzen 7 3700U分別對比了自家的Core i7-1065G7(Ice Lake)和Core i7-10710U(Comet Lake),後者同為TDP為15W的產品,但比前者要多兩個核心,同時還有更高的睿頻。從圖上可以看到,Core i7-1065G7在不少場景下是比不過Core i7-10710U的。現在更有坊間的愛好者對Ice Lake進行了更為詳盡的測試,其能耗比真的只能用失望兩個字來形容。

看起來Intel解決了新制程生產良率的問題,卻沒有解決能耗比的問題,現在的10nm被卡在高發熱量、頻率上不去、上不了桌面端等等問題之中,實屬非常尷尬。就在Intel被新工藝延期折騰的時候,競爭對手已經推出了第三代Ryzen處理器,並用上了經過大幅改良的Zen 2架構。

Zen 2與Renoir:AMD實現逆轉的最後一塊拼圖

AMD在Zen架構獲得一定成功後繼續改良,推出了一代小改的Zen+,然後同樣在2019年的台北電腦展上面,他們發佈了基於Zen 2架構的第三代Ryzen處理器。Zen 2針對Zen架構單核性能不足的問題進行了針對性的加強,更為重要的是,AMD從內核微架構到內核互聯到封裝形式再到製程工藝上,全部都進行了脱胎換骨般的革新,這裏我們不多談細節,而是看到最終的成品上面去。桌面版Ryzen 3000處理器因為有優秀的性能表現和較為平實的價格而獲得了廣大消費者的認可,而基於同樣架構、面向服務器市場的第二代EPYC處理器已經被Amazon和微軟Azure等數據中心啟用,而後推出的面向高端桌面及工作站的第三代線程撕裂者更是大幅度打破了Intel在這塊領域的性能優勢,甚至Linux之父Linus在上個禮拜也放棄了一直使用的Intel平台,換了顆Threadripper 3970x,還被這顆處理器的表現所折服了。

這也是自K8以來,AMD十餘年時間首次在桌面端擁有了與Intel不分伯仲的實力,在企業級市場中的份額也有一定的上升。一片向好的情況下,移動市場成了Intel最後的遮羞布。然而……

在今年年初的CES上,AMD發佈了代號為Renoir的Ryzen 4000系列APU,它將Zen 2內核與其他模塊融合到了一塊Die上面,最高提供8核16線程的配置,需要注意的是,就算是低壓的15W版本,也有8核16線程的高配,這是以往在移動平台上從來沒出現過的,此前Intel也就是把核心數推高到了6個而已,關鍵是,它憑藉着工藝優勢,在同樣的TDP空間內提供了更好的性能。

Renoir的意義並不只限於給低壓平台提供新的8核而已,它是AMD認真為移動平台打造的一代APU。為什麼説是認真呢?前兩代Ryzen APU的表現實際上還可以,也收穫了一定的市場認可,諸如華為等新興筆記本品牌都推出了基於這兩代APU的廉價筆記本,甚至微軟為自家的Surface Laptop還定製了一顆APU。但問題在於,由於核心調度、待機功耗等等地方沒有做的很好,使用這兩代APU的筆記本在續航表現上較為一般,性能只能説是將將夠用,所以大的OEM並不是太買賬。

而Renoir則是針對這些小毛病進行了認真的改進,尤其是在節能方面,配合上台積電優秀的製程工藝,Renoir在續航方面實現了突飛猛進般的提升,直追、甚至超過了Ice Lake平台的表現。在看到Renoir的改進之後,今年大的OEM紛紛開始大量採用Renoir APU,推出的產品有像聯想小新系列的主流級學生本,有天選、R7000這樣引發大量話題關注的高性價比遊戲本,甚至AMD還和華碩合作搞出了幻14這樣炫技的產品,這些都是對該系列的認可。

Renoir成功地將Intel的最後一塊遮羞布給揭下了,幾乎在全平台實現了逆轉。那麼Intel現在有給出什麼應對手段嗎?

Tiger Lake與Rocket Lake:Intel能否擺脱困境?

Intel的優勢很大程度上來自於自家的製程工藝,原本他們的工藝平均領先其他代工廠約3.5年,但在14nm和10nm的兩次延期之後,這種優勢已經蕩然無存了,台積電的N7在相當程度上接近、甚至超過了Intel的10nm工藝,而他們在N7之後的下一代製程——N5,已經被用於量產蘋果今年的A14處理器了。

Intel面對着嚴峻的考驗,當然他們有着這麼大的家底,肯定是不會坐以待斃的。同樣在年初的CES 2020上,Intel在自己的主題演講末尾終於是提到了自己在移動端佈局的新平台——Tiger Lake。

Tiger Lake可以説是Ice Lake的優化版本,不過優化力度有點強,主要有換用新的Willow Cove內核,換上Intel研發已久的Xe GPU架構,並且使用10nm+的工藝進行製造,在頻率上面有所提升。從目前泄漏的各種跑分成績來看,Tiger Lake在一定程度上走回了性能增長的正軌,有望在移動端與Renoir進行對抗,不過,它最多應該只有四核版本。

Tiger Lake僅會在移動端露面,而對於競爭乏力的桌面端,Intel規劃了名為Rocket Lake的平台,它仍將會使用14nm++製程,不過它終於擺脱了使用多年的Skylake內核,換上新的Sunny Cove/Willow Cove內核,在IPC上面有較大進步。配合上14nm++能夠提供的較高頻率,有望提供一次較大的性能提升。

但問題在於,競爭對手並不是靜止的。AMD方面仍然在按他們既定的路線圖走着,明年的CPU市場仍然是風雲變換的一年,Intel能否擺脱當前的困境,很大程度在於明年這些新東西的表現。

總結:受制程拖累是大頭,但戰略跟不上變化也存問題

在文章的結尾,我們還是迴歸本文的標題,分析一下Intel是怎麼失去自己的性能優勢地位的。在前文談及Intel兩次受到製程拖累時,其實已經談到了Intel在戰略上反映過慢、處於被動的跡象,這也是除開製程之外的另一個拖累Intel處理器性能發展的問題。

我們經常戲稱Intel、佳能等一些廠商為“牙膏廠”,原因在於,他們產品的代際性能提升相當有限,就像擠牙膏一般,明明有這麼一大管,每次擠卻總是那麼一丟丟。作為半導體芯片行業的領頭羊,Intel的技術儲備方面是很豐厚的,他們也完全有能力在製程受限的情況下對架構進行更新實現更大幅度的性能增長,結果他們並沒有選擇這條成本較高的發展路線,而是通過一手“拖”字決,靠着加核心提頻率的“祕訣”,讓自己的產品不至於很難看,但端上來的Coffee Lake、Coffee Lake Refresh和Comet Lake這三代產品實在難以説是有誠意,一次又一次的擠牙膏消費的是自己品牌的形象,也讓競爭對手得以緩緩接近自己,甚至大有彎道超車的趨勢。

雖然Intel處理器的遊戲表現依舊優異,但其實這部分的優勢很大程度上來自於它的Ringbus總線和超高的頻率,而不是內核架構。在將核心數和頻率提升到極限之後,Intel終於才開始規劃內核上的升級,但此時又被製程給限制住了,在下一代Rocket Lake處理器上我們很有可能會看到最大核心數量倒退的情況。

在這裏説如果已經是馬後炮,只能看向未來。從目前在各種渠道中得知的情況來看,Intel在未來的一兩年中面對的挑戰相當嚴峻,Tiger Lake早期工程樣片的表現仍然不盡如人意、Rocket Lake的功耗被繼續推高,更遠的Alder Lake甚至將引入還沒有正式表現的8+8大小核設計,用現在的眼光來看,這幾個都不是什麼好消息。不過傳奇人物Jim Keller已經被Intel招至麾下,挑起技術部門的大梁,他將帶給Intel什麼樣的變化現在還不得而知,但從他的傳奇經歷來看,總體是偏向好的。

很多人説,Intel的收入大頭不在消費級,而是在企業級,其實這種説法並不準確。Intel的主要收入來自於CCG與DCG這兩個部門,前者面向消費級市場,產品就是我們日常見到的這些消費級CPU;DCG部門面向數據中心市場,產品是服務器級別的CPU(和其他AI方面的產品)。在最近幾個財年中,CCG與DCG的收入基本持平,CCG稍多幾個百分點,但消費級產品的頹勢已經明顯影響到了部門的收入,上個財年CCG的收入增長几乎停滯,只有0.1%。而DCG的發展情況仍然大好。

總而言之,14nm和10nm的兩次延期讓Intel將自己工藝上平均領先3.5年的優勢給消磨殆盡,而戰略上的遲緩應對讓他們逐漸處於被動地位。未來一到兩年之內,他們相對弱勢的情況不會有很大的改變,如果不對目前“擠牙膏”的現狀做出改變,那“AMD,Yes”的口號,真的會越來越深入人心了。