深度解析英特尔Ice Lake：横跨六大支柱的创新

今年的台北电脑展上，英特尔公司推出了十代酷睿处理器，也就是10nm工艺的Ice Lake处理器，今年6月份出货，量产时间比预期提前了半年。10nm Ice Lake是首发10nm的处理器，也是基于六大技术支柱的创新、可实现指数级性能增长。

现在已经是以数据为中心的时代了，云服务、大数据、5G、AI、物联网带来的数据量是指数级增长，2018年仅仅是中国就产生了7.6ZB的数据，2025年预计会大幅增加到48.6ZB，全球数据量高达175ZB，这样的增长已经超过了单一处理器性能增长的极限。

不仅仅是数据量的爆发，还有数据形态的多样化，都对数据的处理提出了更复杂的需求。未来我们连接的设备也不再是数亿级的PC，或者是10亿级的智能手机，随着5G及物联网的发展，未来的时代是万物互联，2025年中国就有800亿智能设备，全球则是1500亿智能设备，纵横交错下对数据的处理、存储、连接都提出了更高要求。

应对这样的时代，英特尔公司也转变了战略，从以往的以晶体管为中心变成了以数据为中心，转向了六大技术支柱并行的创新，这六大支柱就是制程和封装、架构、内存和存储、互连、安全、软件。英特尔的目标是借助这六大技术支柱，实现指数级的增长。

在Ice Lake处理器上，先进工艺是10nm，架构是全新的Sunny Cove及Gen11核显，内存上DDR4+傲腾也带来了性能、容量的双重升级，集成雷电3、WiFi 6也扩展了Ice Lake的连接性，安全及软件优化更是重中之重。

制程工艺：先进的2.7倍微缩

六大技术支柱之中，先进的制造工艺至关重要，是打造领先产品的关键基础，而Ice Lake带来高性能的前提就是10nm工艺的超高晶体管密度。

从14nm节点，英特尔工艺的升级幅度明显超过了前面几代，22nm到14nm是2.5倍密度，而从14nm再到10nm更是提升到了2.7倍，晶体管密度达到了1MTr/mm2，也就是说一平方毫米空间里就有1亿个晶体管。

除了晶体管密度上继续符合摩尔定律之外，英特尔的10nm工艺在材料、工艺上还有不少创新之处。之前Techinsights拆解过英特尔10nm芯片，提到英特尔10nm工艺在后端制程BEOL中首次联合使用金属铜及钌，并且使用了自对齐曝光工艺，在新技术上做了很多探索性改进，技术难度要比之前的工艺高得多。

值得一提的是，英特尔去年推出了名为Foveros的3D封装技术，该技术提供了极大的灵活性，因为设计人员可在新的产品形态中“混搭”不同的技术专利模块与各种存储芯片和I/O配置。

Foveros封装技术也是六大技术支柱中的重要一环，虽然10nm Ice Lake处理器目前并没有使用Foveros封装技术，不过今年会有Lakefield处理器率先垂范Foveros封装，未来还有更多处理器用上这一技术，芯片从二维走向三维之后也能带来更高的指数级增长。

架构创新：全新Sunny Cove核心，18% IPC性能提升

除了工艺上的升级之外，Ice Lake处理器上另外一个带来指数级性能增长的创新就是全新架构的应用。英特尔认为，未来十年，架构创新会是他们创新的主要驱动力，继续带来指数级的扩展效应。

就Ice Lake来说，这次主要的架构升级就是CPU、GPU，其中CPU核心升级到了Sunny Cove，GPU升级到了Gen 11代。

在CPU核心上，Sunny Cove主要改进可以说是三点——更深、更宽、更智能，具体来说就是：

- 更深：内部单元增强，L1缓存增加了50%，L2缓存翻倍。

- 更宽：寻址单元从4个增加到5个，执行单元接口从8个增加到10个等，提高了微架构的并行性能。

- 更智能：英特尔在Sunny Cove核心上使用了更好的算法，提高了分支预测精度，降低了延迟。

Sunny Cove核心还提升了某些特定应用的性能，通过增加新的AES、SHA-NI指令提高了加密解密性能，还有解压缩算法，此前英特尔展示的7-ZIP性能提升了高达75%。

总的来说，在CPU性能上，Sunny Cove内核带来的改变是巨大的，与目前的六代到九代酷睿使用的基于Skylake改进的架构相比，Sunny Cove内核在不同应用中性能提升10-40%不等，平均下来IPC(每指令周期性能)提升了18%之多，这是近年来CPU性能提升最大的一次了。

除了CPU核心，10nm工艺的Ice Lake处理器在核显GPU上也来了一次飞跃，升级到了Gen 11架构核显。与目前主流CPU使用24个EU执行单元的Gen 9/10核显不同，Gen 11核显的EU单元暴增到64个，频率1.1 GHz，浮点性能高达1.12 TFLOPS，FP16半精度更是高达2.25 TFOPS，是目前核显的2-3倍。

Ice Lake的GPU规模增长带来的好处就是游戏性能提升了80%以上。据Computex上的信息，48/64单元的Iris Plus核显可以保证多数游戏大作的平均帧率超过30 FPS，部分还能突破60 FPS。

此外，Gen 11核显在解码、视频输出、垂直同步技术上也有革命性升级，双解码单元支持HEVC、VP9硬解，最高支持4K60、8K30，还支持DP 1.4、HDMI 2.0b，支持三屏独立输出，最高可输出5K60、4K120 10-bit。

最后，Gen 11核显终于支持了VESA标准的Adaptive Sync自适应垂直同步技术，这是目前游戏显示器光为支持的新一代垂直同步技术，玩游戏时可以避免画面撕裂或者卡顿等问题。

内存升级：DDR4提频 傲腾内存加速

内存和存储的重要性往往被人忽视。事实上，随着海量数据时代的到来，内存和存储的重要性日趋提升。

不论是内存还是存储，英特尔认为需要内存层级结构上各层级的指数级提升，以满足当前的计算需求。而傲腾技术的推出，便是英特尔正在重塑内存和存储层级结构，填补层级空白，指数级提升内存性能。

首先，Ice Lake处理器的内存频率大幅提升，支持LPDDR4-3733MHz内存以及DDR4-3200内存，前者主要用于移动版产品，后者主要是桌面版产品。相比以往较低的内存频率，Ice Lake处理器提升到DDR4-3200内存平均下来会提升30%的内存性能，对游戏及专业应用来说大有裨益。

2020年还会有Ice Lake服务器版处理器上市，应该是第三代至强可扩展处理器系列了，而从今年的第二代至强可扩展处理器开始，英特尔就开始支持傲腾数据中心持久性内存(Optane DC Persistent Memory)，进一步提升存储系统的性能及容量。

傲腾数据中心持久内存容量目前提供128GB、256GB、512GB，最大功耗18W，频率最高等同于DDR4-2666，读取带宽最高6.8GB/s，写入带宽最高2.3GB/s，性能远高于PCIe硬盘，更接近DDR4内存，可以弥补DDR内存容量小、SSD硬盘性能不足的问题。

互连加速：40Gbps雷电3、WiFi 6

在这个数据洪流的时代，CPU不只是要处理海量数据，还能够更快速地连接海量数据，这也是Ice Lake处理器不同于其他产品的地方，因为它是第一个集成了雷电3以及WiFi 6的处理器。

英特尔的Thunderbolt雷电技术发展了数年了，目前最新标准是雷电3，速率高达40Gbps，是USB 3.0的4倍多，传输超大容量的文件也不需要等待太长时间了，拷贝100GB的高清电影只要20秒左右的时间。

今年3月份英特尔宣布向业界免费开放雷电3授权，而Ice Lake处理器是第一个集成雷电3主控的处理器，进一步降低了雷电3平台的成本及接入难度。

此外，USB推进组织也宣布未来的USB 4将基于雷电3协议，意味着USB 4不仅拥有同样的40Gbps，而且双方的接口都会统一为USB Type-C，互相兼容。

目前雷电3已经获得了Windows 10及Linux系统的支持，支持雷电3的PC数量每年翻番增长，超过400多款PC支持雷电3接口了，而支持雷电3的外设数量也超过了450款，同样延续着每年翻番的增长趋势。

40Gbps的雷电3是有线连接，Ice Lake还在WiFi无线连接上走在了前列，率先整合了WiFi 6，也就是之前的802.11ax无线标准，并且支持160MHz通道和OBSS网络噪音过滤，提升速度的同时增强网络可靠性，特别是改进密集环境中的网络性能。

这样做的好处就是同样都是WiFi6标准，但是英特尔的网络速度更快，速率可达1680Mbps，是标准2x2 WiFi6 80MHz通道的2倍。

除了速度更快，英特尔还打造了成本更低、集成度更高的WiFi 6解决方案，Mac物理核心使用了14nm工艺，RF射频使用了28nm工艺，减少了15%的封装面积，同时也减少了40%的针脚。

软件扩展：生态系统突围 AI加速

英特尔公司有超过1.5万名的软件工程师，软件也是英特尔六大支柱中的关键一环。

之所以软件生态会受到重视，是因为当前多元化的计算需求之下，全新硬件架构每提升一个数量级的性能，软件优化就能带来两个数量级的性能提升，也就是说现在到了向软件生态要性能的时代了。

此外，英特尔目前已经拥有了CPU、GPU、FPGA、AI芯片等多种架构产品，为了简化开发者的难度，英特尔将推出One API的战略，可以简化跨CPU、GPU、FPGA、人工智能和其它加速器的各种计算引擎的编程。该项目包括一个全面、统一的开发工具组合，以将软件匹配到能最大程度加速软件代码的硬件上。

AI是未来几年的重点领域。Ice Lake处理器上集成了AI加速功能，加入支持DLBoost机器学习加速指令，结合GPU核心、低功耗加速器，全面支持Windows ML、Intel OpenVINO、苹果CoreML等框架。

得益于先进的AI加速指令，Ice Lake处理器的AI性能相比八代酷睿性能可轻松提升2-2.5倍。

此外，不得不提的就是Ice Lake处理器的安全性，由于10nm Ice Lake是下一代处理器，在设计之初就考虑到了安全防护问题，其安全性是这几代处理器中最高的。

总结：指数级创新驱动英特尔未来增长

正如前面所说，Ice Lake对英特尔来说不只是新一代处理器，也不是升级10nm工艺那么简单。仅仅依赖制程工艺升级已经无法适应数据洪流时代的计算需求了，10nm Ice Lake处理器正是英特尔实施全新战略的缩影。正如宋继强院长在今年春天的战略纷享会上所言，应对以数据为中心的时代所需的指数级增长，英特尔将依托六大技术支柱来推动计算革命，在以数据为中心的时代继续创新，未来5年、10年甚至50年里，它们将成为英特尔发展的驱动力。