Intel創新的45nm製程技術

電晶體(Transistors)猶如一個微型開關，開啟與關閉電晶體的工作，是由電晶體閘極(Gate)來負責。閘極和電源之間，稱作為絕緣層(Insulating wall)，存在著必要的電介質(Dielectric)，此電介質具有絕緣體般的效用，當電晶體要關閉時，它能夠阻斷電源流入電晶體。電晶體這小小的開與關動作，可用來代表數位的0與1訊號，數位科技便是由此開始。

大家耳熟能詳的摩爾定律，起始於1965年，Gordon Moore預測晶片上的電晶體數量，會有逐年倍增的發展趨勢。Intel於1971年推出的4004微處理器，僅僅具有2,000顆電晶體，而到2006年的Core 2 Duo，已經爆增到2.9億顆之多。這四十餘年來的變化，果真是照著Moore的預測在走。

Intel的Tick Tock發展模型，將製程的演進設定為2年一次

然而，這一路走路，並非如此平順。近年來，半導體製程進步與電晶體體積微型化，讓過去電晶體製作普遍所採用的材料，面臨諸多挑戰。而影響最深的，可算是電介質部分。

製程的進步，代表電介質厚度必須相對變薄。但當前普遍採用的二氧化矽(SiO2)、多晶矽(Polysilicon)等材料，厚度越薄只會使得漏電控制變得更加困難。漏電(electricity leakage)的產生，會造成多餘無用功率消耗，還有工作溫度攀升等負面問題。

因此，科學界早已積極尋覓替代材質，High-K材質具有能夠儲存較多電荷的特性，可使電晶體開與關的動作更加分明，所以被視為目前最有效的材質。

Penryn系列處理器，除了製程經進到45nm(奈米)，針對漏電問題，Intel採用以鉿(Hafnium)材質作為基礎，製作電晶體閘極電介質。基於High-K閘極電介質，與矽材質閘極之電極(Electrode)相容問題，Intel開發了新的金屬閘極(Metal Gate)，取代以往使用的材料。此外，內部連接線(Interconnects)也改採用銅線搭配Low-k電介質，進一步解決耗電量等問題。

45nm製程帶來了什麼？

結合45nm與High-K與金屬閘極技術，Intel標榜45nm製程處理器，內部電晶體數量可達65nm製程的2倍，此條件下耗電量能夠維持在相近值。其電晶體開關速度更可快上20％，並且降低30％的耗電量，至於閘極漏電問題，也獲得了10倍以上的改善程度。

在簡報資料上，Intel以Xeon處理器為例子，同為TDP 80W的產品，45nm製程可得到35％的效能提升，並且將運作時脈提高25％。原本時脈不是很高的Core 2家族產品，在未來，動輒超過3GHz可就不是新鮮事了(樣品已試作到3.33GHz)。

65nm與45nm處理器TDP相同，但時脈得以拉高，而且閒置時的耗電大幅降低

除了革命性關鍵材料之外，Intel表示45nm製程處理器產品，全面採用無鉛製程(Lead Free)生產，並計畫於2008年起，全面捨棄採用鹵素材料(Halogen Free)。

Intel對45nm與65nm產品出貨交替期，設定在2008年第三季，預估屆時出貨量，可達各50%的比例。為確保目標能達成，除現有的兩座45nm晶圓製造廠之外，明年還有兩座晶圓廠加入生產行列，以滿足市場需求。

更多關於QX9650

Core 2 Extreme QX9650核心研發代號為Yorkfield，是由兩顆Wolfdale(即Penryn架構雙核心產品)雙併封裝而來，因此並非原生四核心產品。

每一Wolfdale擁有4.1億顆電晶體，遠高於65nm製程的Conroe架構產品，為數2.91億顆。這數量差距逾1.4倍，Penryn架構多了約40％數量，所以Core 2 Extreme QX9650內部電晶體總數實為8.1億顆之多(410M+410M)。

處理器晶圓大小比一比

為數這麼多的電晶體，除了核心運算電路占用之外，Intel也用來塞入更多第二階快取記憶體(L2 Cache)，數量比Conroe架構產品多了50％。Core 2 Extreme QX9650雙併所採用的Wolfdale，每一顆具有6MB容量L2 Cache，合併之後總計有12MB可作共享使用。

雖然Wolfdale電晶體數量極多，但拜45nm製程所賜，晶圓卻仍以107mm^2的尺寸，小於Conroe架構的143mm^2，差距約是30％。

Core 2 Extreme QX9650的FSB速度為1333MHz，外頻333MHz以9倍頻工作，達到3GHz時脈，在Core 2全產品線內，仍屬最高時脈產品。不久之後，Intel還會推出3.2GHz的Core 2 Extreme QX9750，並首度將1600MHz FSB導入桌上型產品。

Conroe架構處理器至目前為止，最高時脈只到3GHz(1333MHz FSB)，隨產品線的不同，一般主流時脈大約落在1.6GHz~2.66GHz之間。Intel尚未推出更高時脈的產品，原因不外乎會是時脈升高，耗電量、工作溫定會隨著提高，它們最重視的「每瓦效能」提升將遭遇瓶頸，所以不得不積極轉進45nm製程世代。

Intel認為進入45nm製成後，可將核心時脈提升推到3~4GHz之間。而從目前提出的產品規格來看，實現率可說是百分百。

Conroe架構的Core 2 Duo，早先推出的起始時脈產品是E6300(1.86GHz)，而45nm製程的Core 2 Duo，速度最低的為E8200，便已具備2.667GHz工作時脈。由此推測，45nm製程不僅會將主流產品時脈提高到比Conroe多1GHz，也可望能正式挑戰4GHz超高時脈。

45nm製程Core 2家族產品

65nm製程Core 2家族產品

45nm也讓FSB前端匯流排速度得以提升，Penryn架構Xeon處理器已提供1600MHz速度的產品，至於一般桌上型產品，或許明年就能見到了吧。但這麼高的外頻速度，跳一階差距就很遠，所以Intel也導入了0.5倍頻設計。

以E8200(2.667GHz)跟E8400(3.0GHz)為例，時脈差距有333MHz，安插0.5倍頻設計的E8300(2.83GHz)進來，便能彌補稍大的間隔。這對於以後朝向1600MHz FSB發展的產品線佈局，也會有莫大幫助。

最後一點就是TDP部分，45nm製程確實可讓耗電量降低，但是在桌上型產品上，應該不會太快見到更低TDP的產品出現。Intel還是鎖定一般雙核心65W、一般四核心95W、極致版四核心130W，這三個相同於Conroe的規格為標的。

其抱持態度，是以相近的TDP值，去創造出更優異的效能。簡單講，就是追求高效能/消耗功率比(Performance/Watt，每瓦效能)。

Penryn核心架構新功能

不單單只是製程進步而已，延續Core微架構優異基礎，Intel為Penryn再加入多項新設計，總稱為Enhanced Intel Core Microarchitecture。因此雖然是「新製程+舊微架構」的組合，但處理器的功能變動卻不算小。

Intel Wide Dynamic Execution

•Fast Radix-16 Divider

Intel進一步改良除數器(Divider)設計，以往處理器內建的Radix-4、Radix-2除數器，每一工作周期(Cycle)僅能傳遞2bit資料，而新的Fast Radix-16 Divider，則是可以傳遞4bit資料。

Fast Radix-16 Divider能夠加快浮點運算、整體運算的速度，並具備延遲較低的優點。可為科學計算、數學運算、3D座標轉換等用途，帶來2倍的效能增強效果(遊戲也會受益)。

•Faster OS Primitive Support

當作業系統臨時阻擋，或是遮蔽中斷指令(Interrupts)，進而阻礙一些關鍵代碼區段，或是需要獨占存取如I/O設備等狀況時。Faster OS Primitive Support具有的快速中斷遮蔽控制機能，可快速清除中斷(CLI)、重置中斷(STI)，並快速進、出此一狀態模式，大幅改善此類階段性作業的效能。

Penryn架構還可以快速執行XCHG、ADD/XADD/NEG/BTS/AND、CMPXCHG等鎖定指令，以及快速存取RDTSC(Read Time-Stamp Counter，讀取時間戳記計數器)。Intel標榜這些技術可提高2倍執行效率，對資料庫伺服器、交易處理伺服器等應用，特別有所效能增益。

•Enhanced Intel Virtualization Technology

Intel經由強化微架構設計，縮短VT-x指令轉換虛擬主機進入、離開時間，無須修改現有虛擬主機軟體，就能增加25~75％的執行效率。

Intel Advanced Smart Cache

•24 Way Set Associativity

在偌大的快取記憶體上，加入可看作是小群組概念的Associativity(關聯性)，將快取記憶體分割成多個區塊。如此，當處理器運算單元需要資料時，有了Associativity可以加速資料讀出、寫入，而不用大海撈針似的，在整個快取記憶體內尋找，延遲時間也會比較低。

但這又攸關著快取失誤率，以及額外的延遲時間。較多的Associativity可以降低資料被覆蓋機會，減少快取失誤提升命中率。但是Associativity配置太多，處理器逐一去找尋資料，延遲時間反而可能不減反增。

對此，Intel從以往採用的16 Way設計，在Penryn上增加到24 Way，以Penryn的L2 Cache數量來看，理論上應該能降低不少失誤率。但延遲時間部分，實在難以推論，就得讓測試數據來說話了。

Intel Smart Memory Access

•Improved Store Forwarding

為進一步改善記憶體效能，Penryn加入Improved Store Forwarding功能，可加速讀取位在管線中，超過8byte位址範圍的儲存結果。Penryn不必等待結果寫入記憶體中，就能提前載入儲存結果，這項看來也是有降低延遲的作用。

•Higher bus speeds

由於Penryn還是未內建記憶體控制器，處理器與記憶體之間，資料傳輸率受限於前端匯流排(Front Side Bus，FSB)，所以只能拉高速度來解決效能瓶頸。

在初代Core 2產品線，Intel推出了800MHz、1066MHz，乃至於最新的1333MHz速度產品。進入45nm製程之後，工作站、伺服器適用的Xeon，已經有1600MHz產品推出，桌上型產品當前還是維持在1333MHz速度。

各FSB頻率對應的資料傳輸理論值如下：

800MHz -> 6400MB/sec
1066MHz -> 8528MB/sec
1333MHz -> 10664MB/sec
1600MHz -> 12800MB/sec

Intel Advanced Digital Media Boost

•Intel SSE4 instructions

Intel在Penryn架構上，首度導入最新的SSE4(Streaming SIMD Extension 4)指令集，能針對3D影像、向量繪圖運算、影像編碼處理、遊戲等多媒體用途，提供更強的加速效果。

儘管名為SSE4，但另一種普遍被認同的稱法是SSE 4.1，因為Penryn架只內建47個指令，然而Intel自己所制定的SSE4規格，指令總數應為54個。所短缺的部分，得等到下一代Nehalem處理器，才會完整呈現，屆時，就改叫作SSE 4.2吧。(雖然亂像是軟體的…)

Penryn架構SSE4，新增支援兩個不同的32bit整數乘法運算，導入8bit無符號最小值/最大值運算，再加上16bit、32bit無符號與有符號運算能力。為編碼器增加新功能，提高向量整數、單精度代碼運算效率。

此外，也強化設計視訊編碼加速功能、浮點運算與內積積運算能力、加入串流負載指令。串流負載指令能以64byte的資料線寬度，讀取顯示卡圖幀緩衝區，帶來比8byte架構快上8倍的速度。大頻寬優勢能嘉惠於視訊處理、圖型影像、應用軟體，提升顯示卡影像晶片和處理器之間，所共享的資料存取效能。

Intel指出共有Microsoft、Sony、Adobe、DivX、ArcSoft等數十家廠商，已進行SSE4相容軟體開發案，預計2008年第一季，會有21款軟體上市。

•Super Shuffle Engine

Super Shuffle引擎和SSE指令集有連帶關係。以往舊款處理器，僅具備64bit資料線寬度，處理Unpacking、Packing、Align Concatenated Sources、Wide Shifts、Insertion、Horizontal Arithmetic Functions Setup等，各種128bit不同性質指令時，得先拆解為兩個64bit指令再運作，這樣需要耗用兩個工作週期才能完成作業。

Penryn具備128bit寬度的資料線，處理128bit指令時，只要一個工作周期就能完成作業，可提供1倍的執行效率，和較低延遲時間。

QX9650的規格與功能示意圖

下集預告

看過第一集的處理器外觀、特色簡介，以及第二集更深入的45nm製程探討、微架構新功能介紹，下一回我們將進入實戰階段，用最具體的效能測試數據，來驗證45nm處理器是否真的那麼強大、那麼省電、那麼冷靜。請拭目以待...