芯片技术突破助力 IBM实现POWER路线图拓展

ZD至顶网服务器频道 08月24日 编译：在毅然放弃自家半导体业务并将其移交给Globalfoundries公司（此前曾担任阿布扎比政府控股之AMD公司的前芯片制造方）之后，IBM及其多位学术与芯片业务合作伙伴发布声明，表示其已经成功将芯片制程工艺压缩到7纳米级别，这不仅较现有制程水平实现了显著进步，同时也让摩尔定律找到了新的延续突破口。

这确实是半导体技术领域的一大步，而实际量产之前其相关新型技术组合还需要经过深入测试。而IBM及其合作伙伴Globalfoundries与三星电子也保持着非常谨慎的态度，各方都没有明确表示将把新的7纳米制程技术用于制造处理器乃至其它类型芯片产品。IBM及其合作伙伴推出的这项新技术利用硅锗材料充当晶体管的组成部分，从而通过降低功耗水平来实现电路性能提升所必需的快速切换能力。另外，这些电路采用极紫外光刻（或者简称为EUV光刻）工艺，这种方式不仅难度很高、而且生产成本亦相当昂贵。EUV对于振动非常敏感，因此将如此微小的晶体管排列在硅基底板之上亦是一项高难度技术。

几十年以来，摩尔定律提出的晶体管体积缩减设想不仅能够让我们在电路当中容纳更多晶体管，同时也使这些电路能够在给定功率水平之下拥有更强大的运行速度以及更为低廉的使用成本。在这一指导思想的指引下，芯片制造商们开始将更多组件添加到芯片当中。这种处理方式一般能够为处理器赋予新的功能，但有时候则会直接添加前所未有的电路结构，从而使整体设计能够运行全新类型的应用程序。不过在过去十年当中，受到架构的物理属性限制，系统发热量成为阻碍处理器时钟速率进一步提升的最大障碍。除了每时钟周期指令处理数量（简称IPC）有所提升之外，微架构调整几乎不会对处理器的时钟速率与性能造成任何根本性影响。正因为这样，CPU架构开始朝着并发方向行进，即利用更多计算核心来扩展数据吞吐能力，而非以少数计算核心为出发点通过提升时钟速率来增强性能表现。

IBM公司需要向Globalfoundries方面支付高达15亿美元，以委托后者接管IBM旗下分布于纽约州东费什基尔以及佛蒙特州伯灵顿的微电子业务。之所以放弃这部分业务，是因为蓝色巨人意识到自身在芯片领域已经不再占据尖端地位。目前纽约州代工厂能够生产22纳米制程芯片，其主要用于Power系统阵营的最新POWER8处理器以及System z大型机所使用的z13芯片。IBM方面过去一直在努力开发属于自己的14纳米制程技术，作为继任者的Globalfoundries承诺将在这一方向上继续探索。IBM研究与微电子事业部过去还曾与Globalfoundries、三星以及多家芯片制造设备供应商保持合作关系，希望能够与奥尔巴尼地区周边的纽约州立大学理工学院纳米科学与工程分院共同找到10纳米乃至7纳米制程的可行途径。蓝色巨人制定的下一个技术目标很可能是4纳米制程，但目前我们还无法确定是否存在经济角度上可行的生产方式。（为了帮助大家了解4纳米的概念，这里我们举个例子——我们细胞当中的DNA宽度为2.5纳米，而4纳米电路的尺寸与之基本相当。）

在服务器方面，英特尔公司已经开始在其至强处理器系列中的“Broadwell”家族中采用14纳米制程，并着手准备在今年晚些时候将同样基于14纳米制程的“Skylake”台式机与笔记本处理器投付批量生产。如我们此前曾经报道，Skylake至强处理器将于2017年年内正式投放市场，而在此之后Skylake的继任者“Cannonlake”将进一步实现10纳米制程。英特尔公司过去也曾经表示正在考虑研发7纳米制程，但与IBM展示的方案一样，芯片巨头也认为需要使用复合材料而非纯硅来完成这一壮举。

为了帮助Power Systems以及System z客户克服对新生事物的恐惧，同时吸引到众多希望开放Power架构并将其作为数据中心内英特尔至强处理器替代方案的OpenPOWER联盟合作伙伴，IBM公司宣布将在未来五年内斥资30亿美元继续进行基础性芯片技术研究。同时亦有传闻指出，IBM公司不仅有意将其System x x86服务器事业部出售给联想集团，而且还打算彻底放弃芯片制造业务。作为Globalfoundries业务移交计划的一部分，IBM与对方签署了一份为期十年的Power架构及z处理器供应合同。AMD公司仍然借助Globalfoundries的代工体系生产大量芯片产品，而且将能够从IBM、Globalfoundries以及三星电子三方合力推进的制程工艺提升当中获得收益。三星公司也拥有自己的芯片代工基础设施，而且同IBM及Globalfoundries一样，这家韩国技术巨头也需要合作伙伴帮助其分担实现摩尔定律所带来的巨大经济负担。

IBM公司的研究成果显示，通过利用硅锗材料构建晶体管通道以及EUV光刻技术，其能够将当下最为先进的10纳米晶体管技术在尺寸上再降低一半（不过只限于实验室环境下，而非量产芯片），这意味着电路体系的能源效率也将提升50%。不过IBM方面并没有提及新工艺是否能让单一晶体管的制造成本得到进一步下降，而且这基本上属于打造新制程时构建利润空间的必需条件。

对于数据中心而言，因为这一切归根结底将体现在数据中心环境当中，问题在于更为先进的7纳米技术能够带来或者说推动怎样的POWER处理器发展路线图。IBM公司已经明确表示，其希望能让POWER芯片在数据中心领域对抗乃至压倒至强处理器，并将着力帮助各合作伙伴实现这项目标。不过需要强调的是，目前其合作体系与英特尔方面相比仍然较为落后，因此蓝色巨人需要想办法为台积电这样的大规模代工厂商提供较易接受的Power技术生产线投入水平，从而促使其投向IBM阵营。（台积电目前同时为甲骨文、富士通、AMD、一系列ARM服务器初创企业以及多家交换机芯片制造商提供处理器代工服务，因此其在数据中心领域同样拥有强大的话语权。）

当被问及该项研究成果对IBM处理器发展路线图的影响着，一位IBM方面的发言人给出了较为模糊的回应。“此类芯片对于POWER以及z Systems的具体影响将取决于IBM产品的实际需求，不过我们致力于在未来将7纳米制程技术纳入IBM系统的发展路线图当中，”其在采访当中指出。这项技术目前作为IBM代工合作协议的组成部分被全面交付至Globalfoundries，而双方亦将携手探寻将该技术转化为商业成果的具体办法。

IBM方面对于POWER路线图的态度同样较为模糊，不过我们已经能够整理出一系列数据片段。下图所示为IBM公司自2014年推出POWER8芯片以来向商业合作伙伴及客气展示的官方路线图信息：

早在曙光尚未显露之前，也就是25年前，当时IBM公司才刚刚推出Power系统产品线（当时的名称为RS/6000），其RIOS-1芯片的制程工艺为1000纳米。但到了2011年的POWER4世代时，IBM已经成为统治数据中心的Unix系统市场上一股足以威胁Sun Microsystems乃至惠普公司的强大力量。其时IBM方面已经将制程工艺压缩到了180纳米，而且能够在单一芯片上承载两个计算核心，并仍将时钟速率保持在1 GHz到1.3 GHz区间。那个时候，蓝色巨人还尝试进一步进行架构变更及制程变更，不过收效却喜忧参半。POWER4+芯片的制程成功达到130纳米级别，这使其时钟速率得到显著增强，不过同时也将当时的芯片制造技术压榨到了极限——直到两年后的2004年，POWER5产品线才真正全面实现130纳米制程。在接下来的一年中，IBM公司进一步升级至65纳米制程，并将时钟速率提升到了3.6 GHz到5 GHz之间。后来的POWER6+在此基础上则几乎没有任何根本性革新，不过加入了双芯片模块以确保IBM在这一领域中能够继续存在并威胁当时的英特尔至强以及AMD皓龙系列产品。（但当时真正的后起之秀显然是AMD公司。）

将目光投向最近，在POWER7世代当中，IBM通过45纳米制程让每块芯片得以承载八个计算核心，而时钟速率则在2.4 GHz到4.25 GHz之间。POWER7核心较POWER6在oomph方面实现了显著提升，而蓝色巨人还将嵌入式DRAM三级缓存添加到其中，以保证其在多种工作负载领域拥有更加强劲的表现。POWER7芯片还支持同步多线程技术，能够使每个计算核心实现四条虚拟指令线程。（英特尔的超线程技术支持每核心双线程，而AMD方面的计算核心则并不支持多线程能力，如果传闻属实，那么其首款支持多线程的方案将是2016年发布的Zen核心。）POWER7+将制程进一步降低为32纳米，这使得IBM能够将三级缓存扩容至80 MB（远高于POWER7的32 MB），同时略微提升其时钟速率水平。事实上，为了拥有如此可观的缓存，POWER7+芯片上的晶体管总数达到了21亿个。

在去年推出的POWER8芯片当中，IBM公司得以进一步压缩制程，并借此在该芯片上实现了42亿晶体管承载量。这使其一举将计算核心数量增加至十二个，三级缓存则扩展到了96 MB，外加其它多种新功能。（POWER8这块芯片的面积为675平方毫米，比POWER7以及POWER7+大20%，这也有助于其实现功能扩展。）在POWER8芯片中，IBM公司还将单一核心的同步多线程上限提升至八条。

这不禁让我们期待POWER8之后的次世代产品会拥有怎样逆天的能力，而OpenPOWER高性能计算路线图则带来了一些额外的线索：

考虑到IBM、英伟达以及Mellanox Technologies将于2017年年末正式将“Summit”与“Sierra”超级计算机交付给美国能源部，我们得以确定POWER9芯片即将与广大用户见面。我们还了解到，将有一款临时性POWER8芯片支持英伟达方面的NVLink技术，旨在将多个GPU彼此对接并同CPU紧密结合，从而实现更加高铲的混合计算能力。这款临时性POWER8芯片将于2016年年内出炉，具体情况如上图所示。另外，我们还从IBM公司去年（当时其与GLobalfoundries间的半导体业务转让协议已经达成，但尚未落实到位）发布的声明中获悉，IBM与Globalfoundries双方将共同打造混合型14纳米技术，而POWER芯片的制造工作则全面交由Globalfoundris旗下的10纳米节点负责。不过目前尚不清楚未来的POWER8芯片会继续使用IBM开发出的现有22纳米技术，抑或是混合14纳米技术。

在过去十年当中，IBM公司基本上每三年进行一次处理器重要升级，同时在期间穿插“+”版本作为芯片衍生方案，有时候体现为制程，但并不一定。IBM公司对于POWER9并没有透露太多具体信息，不过曾在2013年首次披露POWER8处理器技术规格时提到，其已经在POWER9技术概念方面投入相当长的研发时间。目前尚不清楚OpenPOWER联盟的诞生以及谷歌与英伟达等厂商的加入是否会对POWER9发展规划造成影响。

我们很难准确估量IBM具体会使用哪种制程，因为其制造节点亦在不断升级当中。即将于明年推出的POWER8+芯片作为首款拥有NVLink能力的IBM处理器，很可能会采用已经投付运行的14纳米生产线，而POWER9估计也会选择同样的制程工艺。当然，随着10纳米技术的逐步上线，POWER9进一步实现制程缩减也并非不可能，不过具体要取决于IBM及其OpenPOWER合作伙伴是否希望借此在高性能计算与超大规模业务市场上采取更为积极的态度、从而夺取更为可观的企业级系统份额。而且从历史角度来看，很可能会出现POWER9+芯片，其上市日期可能会定于2018年或者2019年，并使用10纳米制程。接下来的POWER10芯片则继续沿用10纳米制程。如果真的选择了10纳米制程工艺，那么在假设芯片尺寸不变的前提下，POWER9所承载的晶体管总量将高达100亿个，为POWER8芯片的二倍。（当然，这只是我们的计算结果，并未得到IBM官方证实。）

目前，IBM公司及其合作伙伴已经能够在这样一款芯片之上添加更多eDRAM三级缓存以及计算核心，或者纳入更多直接指向非易失性记忆体以及其它加速机制的传输通道。有了如此充裕的晶体管调拨预算，蓝色巨人的设计选项还是相当丰富的。考虑到英特尔可能即将推出22核心Broadwell至强E5处理器（我们预计其将其2016年年初发布，而非如很多人所猜测的今年年底）以及28核心Skylake至强E5（也许会在2017年夏季推出，不过仅仅是猜测），IBM及其OpenPOWER盟友们显然需要让POWER9芯片拥有能够与之匹敌的更多计算核心数量。但如果有必要，新制程技术的存在为POWER9预留了充足的24核心施展空间。

值得认真考量的是，7纳米制程到底会带来何等惊人的成果。IBM公司表示其能够在服务器级芯片之上容纳200亿个晶体管——几乎相当于当前POWER8芯片的四倍，同时拥有较现有POWER8更小的芯片尺寸。这样的晶体管数量简直超乎想象。相比之下，英特尔公司即将推出的72核心“Knights Landing”至强Phi处理器只拥有80亿个晶体管。这款Knights Landing芯片采用英特尔的现有14纳米制程工艺，同样的工艺还服务于当前面向超大规模数据中心的至强D处理器以及未来的Broadwell至强E5及E7系列产品。

这一切最终意味着，IBM及其OpenPOWER盟友将在2020年之后推出POWER10芯片乃至POWER11芯片。但实际结果如何还要看此次公布的7纳米制程是否能够顺利实现商业化，并在经济性与制造周期层面为Globalfoundries提供可行性。