整合新纪元：32nm Clarkdale处理器技术前瞻
技术空间
8月底，Intel在斯坦福大学举行的Hot Chips 21大会上公布了32nm Clarkdale处理器的详细架构图，让业界和用户的目光再一次聚焦在了这个处理器巨人身上。Clarkdale将是Intel第一颗集成图形核心的处理器，开创了处理器的新纪元，而它究竟有何特点呢？
“嘀嗒”多核CPU之路
回顾十几年来处理器的发展历程，Intel的“Tick-tock”战略起到了重要作用，也涵盖了Intel处理器发展的基本特点与模式。芯片的制程工艺是革新的关键，制程工艺精度越高，代表生产工艺越先进，意味着在同样大小面积的芯片中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计，在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，芯片的集成度也越高，功耗就越小，而成本却越来越低。
Intel在双核/多核领域的进展神速，但从多核处理器的发展规律来看，其已走进了死胡同，对于绝大多数系统来说，双核甚至单核处理器就足以满足90%以上的电脑应用需求，通过集成处理器数目来倍增性能的可能性逐渐减小。因此，厂家另辟捷径，异构处理器（将不同类型的CPU、GPU或DSP内核集成在一起）便成为不断发展的必要选择。无论是AMD并购ATI、NVIDIA提出的GPU整合CPU功能，还是Intel的CPU集成GPU，都可以看作是一种发展趋势。32nm Clarkdale正是这种工艺和技术进步的必然产物，在这种架构中，CPU内核所不擅长的浮点运算及信号处理工作，将由集成在同一块封装芯片上的其他核心执行。
小贴士
Tick-Tock代表着奇偶年交替升级一次制程工艺或微架构。Tick-Tock中的“Tick”奇数年，代表着工艺的提升、晶体管变小，并在此基础上增强原有的微架构。“Tock”偶数年，则在维持相同工艺的前提下，进行微架构的革新。
功能、工艺双双加强
1. 集多种功能于一身
早在第一颗双核Pentium D处理器诞生时，Intel就开始采用将两颗或多颗已有核心封装到一块基板上的方式来制造双核或多核处理器。属于Westmere家族的32nm Clarkdale处理器也不例外，它采用多芯片模块（MCP，Multi-Chip Package）封装。处理器核心为两个物理核心，支持四线程，具备改良的微架构及32nm全新制程。其架构沿自Nehalem，仅加入了7条全新的指令。处理器核心和图形核心上各有一个QPI总线连接控制器，彼此互连，整体采用LGA1156接口。
图形核心部分被Intel称为“图形内存控制器中心（GMCH）”，其实就是一款简化版的主板北桥芯片。图形核心部分可以看作是G45芯片组中的GMA X4500 HD的增强版，具备三组18个执行单元（上代产品为15个），硬件支持DirectX 10、Shader Model 4.0、OpenGL 2.0，采用统一渲染架构设计。该芯片还内建有一个PCI-E 2.0控制器，能控制独立显卡和集成图形核心之间的切换，达到节能省电的效果；内建内存控制器，支持双通道DDR3 1333内存；内建DMI（直接媒体接口）总线控制器，提供DMI ×4/×2总线，用于和主板芯片组的通信。
2. 32nm工艺的优势
为了达到32nm工艺，Clarkdale处理器采用了第二代High-K/金属栅极晶体管技术，并继续在PMOS（P沟道的MOS管）和NMOS（N沟道的MOS管）栅极上使用了两种不同金属以及Intel青睐的gate last（闸极后制）技术，使用该技术后处理器可以通过优化获得更高的驱动电流，这是因为gate last电流能够增强嵌入资源和漏极并且同时能够分别优化NMOS和PMOS，从而可以稳定提升PMOS驱动电流。
在细节上，32nm工艺有着显著的变化：具备0.9nm等价氧化物厚度High-K（高电介质）；金属栅级工艺流程更新；具备30nm栅极长度；采用了第四代应变硅，用于提高晶体管的性能。采用193nm浸没式微影技术于重要的金属层，并配搭193nm或248nm干式微影技术于非重要的金属层，处理器采用9层金属铜层及Low-K内部连接层，并采用无铅和无卤素封装，而芯片尺寸约为45nm产品的70%。
全新32nm不仅有效降低所需功耗，同时也能提升核心频率，强化运算效能，而且也缩小处理器核心面积，达到节能省电的效果。它具有最紧密的栅极间距，32nm技术将使112.5nm栅极间距获得最高的驱动电流。根据NMOS、PMOS晶体管泄漏电流和驱动电流的对比，32nm的能效相比45nm会有明显提高，要么能在同样的漏电率下提高晶体管速度14%～22%，要么能在同样的速度下漏电率降至1/6~1/11。由于氧化层厚度减小，栅极长度缩短，晶体管的性能提高了22%以上。
集成化是大势所趋
虽然这次Intel并没有在处理器核心上直接集成GPU，这主要由于45nm制程的GPU还不能跟上32nm CPU的发展速度，但这种“松散”的集成方式所带来的意义仍显而易见：直接用两颗现有核心做封装，技术研发周期与研发经费相对于设计一颗全新的处理器大大减少，良品率有很大提高，有利于降低成本与风险，可以更好地按照市场需求对制造进行操控。
对于芯片厂商来说，Intel率先跨入32nm制程工艺，将进一步巩固自己的技术优势地位，也将促成后进厂商迫切开发出自己的32nm技术，以直面竞争。由于CPU将北桥芯片及图形芯片集成，将对单一的主板芯片组厂商产生致命的影响，如NVIDIA所受的冲击将远大于AMD。而随着这种思路的拓展，未来必将出现全面整合CPU、GPU、南北桥芯片的全功能异构处理器，这将大大减化电脑的架构、降低成本，以更好地应对未来电脑的小型化需求，横跨CPU、GPU、主板芯片组三大领域的AMD如能应对得当，将会产生巨大的优势。
