3D晶体管工艺领先 IVB处理器能效比提升

作者： 张辰  出处： IT168  日期： 2012-05-11  文章属性： 应用

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【IT168 应用】2012年被称为Intel的Tick+年，也就是制程升级的一年，新的Ivy Bridge处理器最大的改变也就是22nm 3D晶体管的引用，借助于这项技术突破，得以使新一代处理器在缩小核心面积到原先70%的同时将晶体管数量由10亿左右升到了14亿，性能也有了不小的提升。

▲22nm 3D晶体管更给力 i7功耗测试

在30年前，处理器的MOSFET制程远在1微米以上，而到了2012年，处理器的制程已经降低到了22nm。根据英特尔Tick-Tock战略，处理器还将以每两年提升一次制程的速度发展下去。

▲Sandy Bridge之后，Tick-Tock迎来22nm的IVB处理器

新工艺还有一个好处，就是在同样大小的晶圆上，22nm技术可以制造更多的处理器。Intel的更新策略可以让这消费者用相同的价格，买到更高效能及更低功耗的产品，新产品在环保和性能方面会更强大。

▲本次评测CPU是IVB处理器的顶级产品i7 3770K

由于美国技术出口的限制，Intel在大陆的工厂主要是做测试、切割、封装，所以22nm的IVB处理器主要还是在美国制造。

什么是3D晶体管？

第2页：什么是3D晶体管？

关于晶体管方面的进步，多年前IT168采访Intel的庞思立院士：晶体管越做越多，CPU核心越来越多，CPU未来只是如此了吗?当时院士这样回答：“当我们不能在有限的物理上放置更多的晶体管，就会找到另外的方式。如果我们遇到这样一个瓶颈和限制，我们会完全改变现有的计算法则，不再依赖于晶体管的数量，这是非常有意义的事情。”

现在还没有遇到需要改变计算法则的瓶颈，但全新的3D晶体管确实可以在有限的物理空间放置更多晶体管，为什么需要这样?因为3D晶体管可以提高性能、降低功耗、节省单个晶体管成本。这样用户花同样甚至更少的钱，可以买到更强性能的CPU。

▲晶体管的演进

英特尔Ivy Bridge处理器所采用的22nm 3D晶体管是半导体芯片产业的一次革命性的突破，它使得著名的摩尔定律得以延续，与32nm 平面晶体管相比，22nm 3D晶体管拥有跟高的集成度，在同样的单位面积上可承载更多的晶体管。除此以外，22nm 3D晶体管工作电压Vdd仅为0.7V，与平面晶体管相比，在获得同样性能的前提下，可拥有更低的功耗。

CPU功耗是重要原因。处理器的主要原料为二氧化硅，而如何能够将二氧化硅转化为昂贵的晶圆，其中存在着许多复杂的工艺。而当晶体管的体积原来越小，新的问题出现了，在应变硅、高K金属栅极都已经完成自己的使命之后，晶体管的漏电问题已经越来越严重，已经超出了功耗允许的范围。于是，3D晶体管技术出现了，3D Tri-Gate晶体管架构能够有效提高单位面积内的晶体管数量。

▲传统二维晶体管，漏电越来越严重

3D晶体管用一个薄得不可思议的三维硅鳍片取代了传统二维晶体管上的平面栅极硅鳍片的三个面都安排了一个栅极，其中两侧各一个、顶面一个，用于辅助电流控制，而2-D二维晶体管只在顶部有一个。由于这些硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更加紧密地靠在一起，从而大大提高晶体管密度。这种设计可以在晶体管开启状态(高性能负载)时通过尽可能多的电流，同时在晶体管关闭状态(节能)将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换。

▲3D晶体管

这种设计可以在晶体管开启状态(高性能负载)时通过尽可能多的电流，同时在晶体管关闭状态(节能)将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换。IVB处理器用3D晶体管，从工艺上大幅降低了功耗，增强了IVB处理器的性能功耗比。

第3页：新一代22nm处理器有哪些？

新的IVB处理器也将延续i7/i5/i3三个系列，目前Intel首批发布的型号只有i7高端版本，在六月份左右会有i5和i3版与网友见面。

从这张图可以看到，IVB在i5和i7部分依然是4核心8线程，i3依然是2核心4线程。核芯显卡分为两种：HD 2500和HD4000，全部支持DirectX 11。i7全部用HD4000，i3/i5则是依型号配不同的核芯显卡。IVB核芯显卡的新改变是开始支持DirectX11。

Ivy Bridge新品方便，移动端有5款新CPU合4款新芯片组，桌面端则有4款i7及5款i5，芯片组也是4款。

而说到上市时间，桌面端4月先发布的是i7，到5月20-6月9号之间可能再发布Ivy Bridge双核。所以市场上2代（SNB）和3代智能酷睿（IVB）会共存一段时间，预计2012下半年也不会完全取代，最多一半一半。而移动端暂时没有i3新品，新的i5和i7会同时上市，都以双核为主，只有i7有四核。 

而在入门处理器方面，Intel预计2012年不会做Ivy Bridge架构的赛扬、奔腾，所以2012年市场上重合度比较高的是snb和ivb两种架构的酷睿i3/i5/i7。

造成这种现象的主要原因是22nm的产能问题。Intel当然愿意立刻转到22nm，这样同样大小的晶圆可以制造更多的CPU，但是现实的情况是全新的22nm产能和良品率肯定不及成熟的32nm。不过这样也可能有好处：消费者的选择更多。

第4页：Intel功耗测试平台

i7 3770K主频3.5GHz，4核心8线程，同样支持睿频2.0、快速同步等，8M三级缓存，采用22nm制程，TDP为77W。

▲i7 3770K

测试平台方面，主要采用i7 3770K搭配英特尔DZ77GA-70K主板，对比的SNB处理器为i7 2600K。其实从频率上来说，同为3.5GHz主频的i7 2770K更适合用来对比，但市面上较少，Intel也未送测，对比i7 2600K更具参考价值。

第5页：i7 3770K+GTX 580功耗测试

功耗测试环节我们采用了一套搭载独显的功耗测试方案，i7 3770K+独立显卡HD 7970的满载与轻载功耗与i7 2600K同样平台的对比。22nm 3D晶体管带来怎样的功耗改进？进步能有多大？一起看看功耗对比测试。

▲闲置功耗相同

▲满载功耗 i7-3770K主机降低了16%左右

第6页：理论性能测试：3DMark11\Vantage

虽然我们看到前面的功耗降低并不多，最多在满载情况下降低16%左右，但是新的Ivy Bridge处理器带来的性能提升还是有目共睹的。下面是3DMark11与3DmarkVantage的成绩。

▲3DMark 11领先幅度不大

3DMark11对于CPU的敏感程度不是很高，所以成长的分数比较少，300分，大概4%左右。而我们如果单独测试3DMark11的CPU子项分数那将是另外一种情况，可以新的i7 3770K可以领先i7 2600K 13%！

▲CPU子项领先约14%

▲3DMark Vantage领先幅度开始增大，约9%

▲CPU子项和3DMark 11相同，也是领先约14%

第7页：测试总结：22nm新处理器能效提升明显

正如英特尔CEO欧德宁曾经表示：“通过3D晶体管工艺，摩尔定律又进入了一个新机遇期。”从用户角度讲，新的i7 3770K不仅仅是功耗降低十几瓦那么简单的，实际上通过新处理器，我们在整个应用体验的过程中都会感到与过去的明显不同。

▲i7 3770K 售价依然是2000出头

首先是从性能上，根据我们前期的测试Intel第三代智能处理器，相对于同频率的i7 2600K有最多14%左右的性能提升（CINEBENCH单核性能），而除了在理论运算上的能力增长外，在媒体复杂指令处理，多数据流的执行能力上都较上代处理器有了一定提升。3DMark11的CPU子项分数中新的i7 3770K可以领先i7 2600K 13%！Vantage的测试分数也有了14%的提升，对于一款仅仅是架构优化的产品来讲，这样的性能提升已经非常高了。

当然如今的CPU已经不在是单纯的运算单元了，新的HD 4000核芯显卡带来的图形性能飞跃也是非常值得肯定的，基本上已经能和入门级的独立显卡PK了。不仅仅是如此，新的CPU更有全新的高速同步技术2.0版本，全新的Widi3.0，以及优化的媒体指令集。另外随着睿频技术的成熟，即便购买i7 3770K的用户，也很可能只是拿回去用睿频自动超频，Intel减少了传统的繁杂的超频过程，增强了超频爱好者的体验。推荐那些追求新能体验的朋友选购。