英特爾至強6+能效核處理器深度解析:用Intel 18A與3D封裝打造的多核怪獸

英特爾放出了下一代至強6+能效核處理器,代號Clearwater Forest的更多細節,它採用新一代的Darkmont架構E核,最多可提供288個核心,是其首款基於Intel 18A的服務器處理器,專為超大規模數據中心、雲服務提供商和電信運營商打造,幫助企業擴展工作負載、降低能源成本,並驅動更智能的服務,預計將於2026年上半年推出。

Clearwater Forest是當前至強6能效核處理器Sierra Forest的後繼產品。由於它仍沿用現有的Birch Stream AP平台,因此在命名上採用至強 6+系列,而非至強7系列,以強調其與至強6家族的延續性和兼容性。

Clearwater Forest也是首款採用Foveros Direct 3D封裝工藝的至強處理器,其結構較為複雜:一顆Clearwater Forest處理器共包含12個採用Intel 18A工藝的計算模塊。這些計算模塊以四個為一組,通過Foveros Direct 3D 裝技術安裝在3個基礎模塊上,這些基礎模塊採用Intel 3工藝,三個基礎模塊集中在處理器中央,兩側還各有一個採用Intel 7工藝的I/O模塊。下層這五個大模塊之間採用EMIB 2.5D技術互聯。

Intel 18A是其開發和製造的首個2納米級別製程節點。與Intel 3製程工藝相比,Intel 18A的每瓦性能提升高達15%,芯片密度提升約30%。該技術通過RibbonFET晶體管和PowerVia背面供電技術顯著提升性能與能效。

RibbonFET即GAA全環繞柵極晶體管,它的柵極環繞晶體管溝道,從而能夠嚴格控制溝道中的電流,可以降低漏電流,並提高晶體管開關時的效率,這也有助於降低工作電壓。此外,RibbonFET的柵極長度比FinFET短5~10%,並且每個晶體管的功耗降低了20%。

PowerVia背面供電將電源線路移至晶體管背面,傳統的晶圓設計是信號線路和電源線路混合放在晶體管上面,這樣會帶來明顯的線路擁塞和功耗損失問題。PowerVia把電源線路移動到晶體管背面,把信號線路和供電線路分離了,這首先消除了信號干擾,有更好的信號完整性。並縮短了晶體管與電源之間的距離,降低了電阻,有效減少了從封裝到晶體管之間的壓降,最多可 達30%。線路的優化提升了標準單元利用率最多可達10%,從而提升了晶體管密度。

Clearwater Forest在SoC設計中充分利用了Foveros Direct 3D先進封裝技術把不同製程的芯粒組合在一起。Foveros Direct 3D可以支持9微米量級的凸點間距,進行銅對銅的鍵合,可以實現高密度、低電阻的芯片間互聯,可以達到0.05pJ/bit的卓越的功耗/比特性能,0.05pJ大概是2.5D技術所能達到的功耗的1/10。

圖片上所説的有源硅中間層其實就是指Clearwater Forest的基礎模塊,它除了能夠完成Die和Die之間的互聯之外,還引入一些先進的邏輯和存儲單元,從而實現更高帶寬的跨Die間的互聯以及更大的三級緩存。

Clearwater Forest所用的Darkmont架構E核也會用在Panther Lake上面,它其實與Lunar Lake和Arrow Lake所用的Skymont架構E核大致相似,但至強6能效核處理器Sierra Forest上用的是Crestmont架構E核,兩者差距就非常大了。

上圖就列出了Darkmont與Crestmont的具體改進地方,在指令解碼、分配、微操作隊列、緩存窗口以及指令派發等方面都帶來了30%~50%不等的提高。在算力單元,包括標量算術邏輯單元、向量算術邏輯單元、地址生成單元、二級緩存帶寬上都實現了翻倍的提升,從4個標量算術邏輯單元提升到8個,向量算術邏輯單元,從2×128bit提升到4×128bit。在諸多改進共同促進下,Darkmont在相同功耗情況下,可以帶來17%的IPC性能提升。

相比只有144個Crestmont內核的至強6780E,擁有288個Darkmont內核的至強6+處理器可以帶來1.9倍以上的性能提升,同時在整體負載範圍之內帶來高達23%的能效提升。

和以往的英特爾的E核一樣,Darkmont也是四個一組的,它們共享4MB L2緩存。在Clearwater Forest的計算模塊上有6組,也就是每個計算模塊有24個Darkmont核心。每個基礎模塊上有4個計算模塊,而Clearwater Forest上最多封裝三個基礎模塊,也就是最多擁有24*4*3共288個Darkmont核心。

基礎模塊採用Intel 3工藝,這些基礎模塊可不只是用來互聯用的,每個基礎模塊上下兩端有四個DDR5內存控制器,三個基礎模塊組成12通道內存的配置。而且在計算模塊的下方還有共享L3緩存,每個計算模塊48MB,所以一個基礎模塊上有192MB,整個Clearwater Forest最多可提供576MB共享L3緩存。

I/O模塊是直接用沿用至強6的,採用Intel 7工藝。每個I/O模塊上有8個加速器,包括英特爾QuickAssist技術、英特爾動態負載均衡器、英特爾數據流加速器和英特爾內存內分析加速器。還提供48條PCIe 5.0通道,32條CXL 2.0通道, 96條UPI 2.0通道,一共有兩個I/O模塊所以處理器提供的擴展通道是上面數字的兩倍。

看完Clearwater Forest是如何構成以及如何生成製造之後,我們最後來總結一下這處理器的關鍵特性。Clearwater Forest提供單路與雙路配置,兼容現有的至強6900P平台,可直接使用它們的主板與機架。最多可提供288個E核,最大TDP可達500W,最多288MB L2緩存與576MB L3緩存,支持12通道DDR5-8000內存。可提供96條PCIe 5.0通道,64條CXL 2.0通道,支持多達6個UPI互聯。

與Sierra Forest的至強6700E相比,Clearwater Forest的核心數量翻倍,每核心的IPC還提升了17%,提供了5倍容量的L3緩存容量,內存通道數量從8通道增加到12通道,UPI 2.0鏈路數量從4條增加到6條,內存速率也從6400MT/s提升至8000MT/s。

將Clearwater Forest和第二代的至強處理器對比,現在使用20個機架180台Clearwater Forest服務器就可以替代70個機架1400台第二代英特爾至強服務器,實現相同的算力,實現8:1的服務器整合比例,同時由於服務器和機架功率降低,可以降低整機功耗750KW,降低71%的數據中心佔用空間,同時提升3.5倍的性能/功耗比,每台機架上也可以增加2.3倍的虛擬機部署數量。

至強6+處理器系列不僅是一次性能的躍升,更代表了英特爾在能效與集成度上的重大突破。依託Intel 18A先進製程、Foveros Direct 3D封裝技術以及全新Darkmont能效核架構,Clearwater Forest在核心密度、內存帶寬、互連效率和每瓦性能等多個維度實現了跨越式進步。它在相同功耗下顯著提升計算效率,大幅降低數據中心的總體擁有成本。未來至強6+系列將為超大規模雲服務商、電信基礎設施和AI就緒型工作負載提供堅實底座,併為整個行業樹立全新的技術與能效標杆。