深度解析英特爾Ice Lake：橫跨六大支柱的創新

今年的台北電腦展上，英特爾公司推出了十代酷睿處理器，也就是10nm工藝的Ice Lake處理器，今年6月份出貨，量產時間比預期提前了半年。10nm Ice Lake是首發10nm的處理器，也是基於六大技術支柱的創新、可實現指數級性能增長。

現在已經是以數據為中心的時代了，雲服務、大數據、5G、AI、物聯網帶來的數據量是指數級增長，2018年僅僅是中國就產生了7.6ZB的數據，2025年預計會大幅增加到48.6ZB，全球數據量高達175ZB，這樣的增長已經超過了單一處理器性能增長的極限。

不僅僅是數據量的爆發，還有數據形態的多樣化，都對數據的處理提出了更複雜的需求。未來我們連接的設備也不再是數億級的PC，或者是10億級的智能手機，隨著5G及物聯網的發展，未來的時代是萬物互聯，2025年中國就有800億智能設備，全球則是1500億智能設備，縱橫交錯下對數據的處理、存儲、連接都提出了更高要求。

應對這樣的時代，英特爾公司也轉變了戰略，從以往的以晶體管為中心變成了以數據為中心，轉向了六大技術支柱並行的創新，這六大支柱就是製程和封裝、架構、內存和存儲、互連、安全、軟體。英特爾的目標是藉助這六大技術支柱，實現指數級的增長。

在Ice Lake處理器上，先進工藝是10nm，架構是全新的Sunny Cove及Gen11核顯，內存上DDR4 傲騰也帶來了性能、容量的雙重升級，集成雷電3、WiFi 6也擴展了Ice Lake的連接性，安全及軟體優化更是重中之重。

製程工藝：先進的2.7倍微縮

六大技術支柱之中，先進的製造工藝至關重要，是打造領先產品的關鍵基礎，而Ice Lake帶來高性能的前提就是10nm工藝的超高晶體管密度。

從14nm節點，英特爾工藝的升級幅度明顯超過了前面幾代，22nm到14nm是2.5倍密度，而從14nm再到10nm更是提升到了2.7倍，晶體管密度達到了1MTr/mm2，也就是說一平方毫米空間里就有1億個晶體管。

除了晶體管密度上繼續符合摩爾定律之外，英特爾的10nm工藝在材料、工藝上還有不少創新之處。之前Techinsights拆解過英特爾10nm晶元，提到英特爾10nm工藝在後端製程BEOL中首次聯合使用金屬銅及釕，並且使用了自對齊曝光工藝，在新技術上做了很多探索性改進，技術難度要比之前的工藝高得多。

值得一提的是，英特爾去年推出了名為Foveros的3D封裝技術，該技術提供了極大的靈活性，因為設計人員可在新的產品形態中「混搭」不同的技術專利模塊與各種存儲晶元和I/O配置。

Foveros封裝技術也是六大技術支柱中的重要一環，雖然10nm Ice Lake處理器目前並沒有使用Foveros封裝技術，不過今年會有Lakefield處理器率先垂範Foveros封裝，未來還有更多處理器用上這一技術，晶元從二維走向三維之後也能帶來更高的指數級增長。

架構創新：全新Sunny Cove核心，18% IPC性能提升

除了工藝上的升級之外，Ice Lake處理器上另外一個帶來指數級性能增長的創新就是全新架構的應用。英特爾認為，未來十年，架構創新會是他們創新的主要驅動力，繼續帶來指數級的擴展效應。

就Ice Lake來說，這次主要的架構升級就是CPU、GPU，其中CPU核心升級到了Sunny Cove，GPU升級到了Gen 11代。

在CPU核心上，Sunny Cove主要改進可以說是三點——更深、更寬、更智能，具體來說就是：

- 更深：內部單元增強，L1緩存增加了50%，L2緩存翻倍。

- 更寬：定址單元從4個增加到5個，執行單元介面從8個增加到10個等，提高了微架構的並行性能。

- 更智能：英特爾在Sunny Cove核心上使用了更好的演算法，提高了分支預測精度，降低了延遲。

Sunny Cove核心還提升了某些特定應用的性能，通過增加新的AES、SHA-NI指令提高了加密解密性能，還有解壓縮演算法，此前英特爾展示的7-ZIP性能提升了高達75%。

總的來說，在CPU性能上，Sunny Cove內核帶來的改變是巨大的，與目前的六代到九代酷睿使用的基於Skylake改進的架構相比，Sunny Cove內核在不同應用中性能提升10-40%不等，平均下來IPC(每指令周期性能)提升了18%之多，這是近年來CPU性能提升最大的一次了。

除了CPU核心，10nm工藝的Ice Lake處理器在核顯GPU上也來了一次飛躍，升級到了Gen 11架構核顯。與目前主流CPU使用24個EU執行單元的Gen 9/10核顯不同，Gen 11核顯的EU單元暴增到64個，頻率1.1 GHz，浮點性能高達1.12 TFLOPS，FP16半精度更是高達2.25 TFOPS，是目前核顯的2-3倍。

Ice Lake的GPU規模增長帶來的好處就是遊戲性能提升了80%以上。據Computex上的信息，48/64單元的Iris Plus核顯可以保證多數遊戲大作的平均幀率超過30 FPS，部分還能突破60 FPS。

此外，Gen 11核顯在解碼、視頻輸出、垂直同步技術上也有革命性升級，雙解碼單元支持HEVC、VP9硬解，最高支持4K60、8K30，還支持DP 1.4、HDMI 2.0b，支持三屏獨立輸出，最高可輸出5K60、4K120 10-bit。

最後，Gen 11核顯終於支持了VESA標準的Adaptive Sync自適應垂直同步技術，這是目前遊戲顯示器光為支持的新一代垂直同步技術，玩遊戲時可以避免畫面撕裂或者卡頓等問題。

內存升級：DDR4提頻 傲騰內存加速

內存和存儲的重要性往往被人忽視。事實上，隨著海量數據時代的到來，內存和存儲的重要性日趨提升。

不論是內存還是存儲，英特爾認為需要內存層級結構上各層級的指數級提升，以滿足當前的計算需求。而傲騰技術的推出，便是英特爾正在重塑內存和存儲層級結構，填補層級空白，指數級提升內存性能。

首先，Ice Lake處理器的內存頻率大幅提升，支持LPDDR4-3733MHz內存以及DDR4-3200內存，前者主要用於移動版產品，後者主要是桌面版產品。相比以往較低的內存頻率，Ice Lake處理器提升到DDR4-3200內存平均下來會提升30%的內存性能，對遊戲及專業應用來說大有裨益。

2020年還會有Ice Lake伺服器版處理器上市，應該是第三代至強可擴展處理器系列了，而從今年的第二代至強可擴展處理器開始，英特爾就開始支持傲騰數據中心持久性內存(Optane DC Persistent Memory)，進一步提升存儲系統的性能及容量。

傲騰數據中心持久內存容量目前提供128GB、256GB、512GB，最大功耗18W，頻率最高等同於DDR4-2666，讀取帶寬最高6.8GB/s，寫入帶寬最高2.3GB/s，性能遠高於PCIe硬碟，更接近DDR4內存，可以彌補DDR內存容量小、SSD硬碟性能不足的問題。

互連加速：40Gbps雷電3、WiFi 6

在這個數據洪流的時代，CPU不只是要處理海量數據，還能夠更快速地連接海量數據，這也是Ice Lake處理器不同於其他產品的地方，因為它是第一個集成了雷電3以及WiFi 6的處理器。

英特爾的Thunderbolt雷電技術發展了數年了，目前最新標準是雷電3，速率高達40Gbps，是USB 3.0的4倍多，傳輸超大容量的文件也不需要等待太長時間了，拷貝100GB的高清電影只要20秒左右的時間。

今年3月份英特爾宣布向業界免費開放雷電3授權，而Ice Lake處理器是第一個集成雷電3主控的處理器，進一步降低了雷電3平台的成本及接入難度。

此外，USB推進組織也宣布未來的USB 4將基於雷電3協議，意味著USB 4不僅擁有同樣的40Gbps，而且雙方的介面都會統一為USB Type-C，互相兼容。

目前雷電3已經獲得了Windows 10及Linux系統的支持，支持雷電3的PC數量每年翻番增長，超過400多款PC支持雷電3介面了，而支持雷電3的外設數量也超過了450款，同樣延續著每年翻番的增長趨勢。

40Gbps的雷電3是有線連接，Ice Lake還在WiFi無線連接上走在了前列，率先整合了WiFi 6，也就是之前的802.11ax無線標準，並且支持160MHz通道和OBSS網路噪音過濾，提升速度的同時增強網路可靠性，特別是改進密集環境中的網路性能。

這樣做的好處就是同樣都是WiFi6標準，但是英特爾的網路速度更快，速率可達1680Mbps，是標準2x2 WiFi6 80MHz通道的2倍。

除了速度更快，英特爾還打造了成本更低、集成度更高的WiFi 6解決方案，Mac物理核心使用了14nm工藝，RF射頻使用了28nm工藝，減少了15%的封裝面積，同時也減少了40%的針腳。

軟體擴展：生態系統突圍 AI加速

英特爾公司有超過1.5萬名的軟體工程師，軟體也是英特爾六大支柱中的關鍵一環。

之所以軟體生態會受到重視，是因為當前多元化的計算需求之下，全新硬體架構每提升一個數量級的性能，軟體優化就能帶來兩個數量級的性能提升，也就是說現在到了向軟體生態要性能的時代了。

此外，英特爾目前已經擁有了CPU、GPU、FPGA、AI晶元等多種架構產品，為了簡化開發者的難度，英特爾將推出One API的戰略，可以簡化跨CPU、GPU、FPGA、人工智慧和其它加速器的各種計算引擎的編程。該項目包括一個全面、統一的開發工具組合，以將軟體匹配到能最大程度加速軟體代碼的硬體上。

AI是未來幾年的重點領域。Ice Lake處理器上集成了AI加速功能，加入支持DLBoost機器學習加速指令，結合GPU核心、低功耗加速器，全面支持Windows ML、Intel OpenVINO、蘋果CoreML等框架。

得益於先進的AI加速指令，Ice Lake處理器的AI性能相比八代酷睿性能可輕鬆提升2-2.5倍。

此外，不得不提的就是Ice Lake處理器的安全性，由於10nm Ice Lake是下一代處理器，在設計之初就考慮到了安全防護問題，其安全性是這幾代處理器中最高的。

總結：指數級創新驅動英特爾未來增長

正如前面所說，Ice Lake對英特爾來說不只是新一代處理器，也不是升級10nm工藝那麼簡單。僅僅依賴製程工藝升級已經無法適應數據洪流時代的計算需求了，10nm Ice Lake處理器正是英特爾實施全新戰略的縮影。正如宋繼強院長在今年春天的戰略紛享會上所言，應對以數據為中心的時代所需的指數級增長，英特爾將依託六大技術支柱來推動計算革命，在以數據為中心的時代繼續創新，未來5年、10年甚至50年里，它們將成為英特爾發展的驅動力。

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