英特尔这颗芯片，太猛了

2025年上半年，AMD在X86服务器CPU市场的收入份额超过40%，出货量份额超过27%，这意味着两件事。首先，与英特尔相比，AMD的X86 CPU销量更大、更强劲。这也意味着，尽管英特尔面临诸多困境，但在2025年，AMD仍将获得X86服务器CPU近60%的收入份额和超过72%的出货量份额。

不，这不是英特尔惯常的做法，但有时这就是生活。随着 2026 年“Clearwater Rapids”至强 7 P 核处理器和至强 7“Clearwater Forest”E 核处理器的推出，一切都取决于英特尔 18A 制造工艺（也可能被称为 1.8 纳米）、2.5D EMIB 中介层和 Foveros 3D 芯片堆叠与键合技术。这两项技术最初都应用于数据中心，应用于命运多舛、一再推迟的“Ponte Vecchio”Xe Max系列 GPU 加速器。

说这两款至强 7 处理器前景光明，其实并不为过。随着超大规模计算和云构建商加大对自主研发 Arm 服务器 CPU 的使用，数据中心的每个 X86 服务器插槽都面临着激烈的竞争，而 AMD 是其强劲的竞争对手，其 Epyc 服务器 CPU 的发布频率非常高，并且凭借台积电超越英特尔代工厂的工艺和封装技术，占据了主导地位。

但随着明年 18A 和至强 7 的推出，英特尔有机会稍微抑制住这股潮流，或许还能与 X86 服务器 CPU 达成平衡。虽然 E 核版本的节能、高吞吐量处理器在应用方面相对小众，但这也是一件好事，因为它们将帮助英特尔加速 18A 工艺以及 2.5D 和 3D 封装技术的发展，而这些技术也有望在 P 核版本的至强 7 中得到应用。

这些封装挑战足以让英特尔未能承诺在2025年推出Diamond Rapids，并将Clearwater Rapids推迟到2026年上半年。在解雇Pat Gelsinger并迎来新首席执行官之前，英特尔在今年1月就做出了这样的承诺。这次推迟或许能再次给AMD一个保持领先英特尔的机会。

今年 4 月，AMD 成为首家采用台积电 2 纳米 N2 工艺流片的高端芯片制造商（此次流片的是基于 Zen 6 核心的未来“威尼斯” Epyc 9006 处理器）。但威尼斯预计要到明年才会推出，因此，对于英特尔来说，仓促将产品以可能较低的良率推向市场并没有任何好处，而且成本比等待良率提高后再推出要高得多。

除了半导体设计和制造之外，还有很多行业更容易进入。...

无论如何，在本周的 Hot Chips 大会上，英特尔院士兼至强处理器架构师 Don Soltis 亲自演示了 Clearwater Forest E-core 处理器。Soltis 甚至从英特尔代工厂带回了至强 7 E-core CPU 的早期样品，并将其塞进了衬衫口袋。（由于今年我们远程参加 Hot Chips 大会，所以没能拍到这款芯片的清晰照片。）以下是 Clearwater Forest 插槽的模型，它应该能帮我们搞定一切：

Clearwater Forest 当然是从 18A 工艺开始的。18A 工艺采用环绕栅极 3D 晶体管，英特尔称之为 RibbonFET，这比 FinFET 晶体管设计有了很大的改进。早在 2011 年，英特尔就凭借 22 纳米工艺率先推出了 FinFET 3D 三栅极晶体管，从那时到 18A 工艺之间的所有工艺——14 纳米、10 纳米（包括英特尔 7 纳米的改进）一直到英特尔 3 纳米（3 纳米）——都采用了 FinFET 晶体管。2024年 6 月推出的“Sierra Forrest”E 核心至强 6 处理器采用了英特尔 3 纳米工艺以及 EMIB 技术，将芯片组连接到插槽中介层上，但并未使用 Foveros 3D 堆叠技术。

与英特尔 3 代工艺相比，18A 工艺在相同功耗下性能提升 15%，在相同面积下芯片密度提升 30%。18A 工艺与名为 PowerVia 的背面供电技术相结合，该技术利用硅片的两面，在正面传输数据信号，在背面为晶体管供电。（英特尔和其他公司之前的 CPU 都是在正面传输信号和电源。）最终结果是，晶体管更小，功耗更低，即使尺寸缩小，功耗也更低。

Clearwater Forest CPU 的 3D 构造也对其技术效率有所贡献（尽管其经济效率还有待观察）。

“我们构建的每个电路都需要电源和地线，”Soltis在他的Hot Chips演讲中解释道。“最佳的电源分配位置是恰到好处，并且不会干扰元件之间所有信号的路由。这正是我想要强调的能效提升之处。其中之一就是单元密度的提高，或者说单元利用率的提高，这意味着我们可以在更小的面积内封装更多的东西，从面积、成本等方面来看，这都是非常有益的。”

然而，由于平均走线长度较短，因此也具有功率效率优势，而较短的走线从根本上来说更节能。同样，当您拥有数据路径或更大的结构时，您将拥有更多的布线资源，因为您不必使用相同的金属来布线电力传输，因此这些信号现在能够提供具有更低电容和更低电阻的互连，从而实现更高的功率效率。

最后一点，也是极其重要的一点，就是存在电压降，即功率传输中存在电阻，而使用背面金属会损失一些功率。我们的导线尺寸更适合功率传输，而不太适合一般信号完整性，因此我们的功率传输损耗更低。想象一下，电阻比在金属堆叠中来回穿梭，再从晶体管直接向上传输要低得多。

如果从基础架构开始构建，您将获得一个基础封装基板，该基板与之前的 Socket E 或 LGA 4677 插槽完全兼容，Granite Rapids 和 Sierra Forest Xeon 6 处理器都使用这种插槽。顾名思义，它有 4677 个引脚用于电源和信号传输。

英特尔在此基板上铺设了一对现有的 I/O 芯片组，这些芯片组曾用于至强 6 CPU，并采用英特尔精炼的 10 纳米 7 工艺蚀刻而成。I/O 模块连接到 EMIB 桥接器，然后放置三个蚀刻有英特尔 3 工艺的基座芯片组。这些 I/O 模块和 EMIB 模块与 Sierra Forest 中使用的相同。基座模块有所不同，因为它们上面堆叠了核心，因此必须有相应的线路。I/O 模块包含三级缓存、用于连接核心的结构、用于核心的内存控制器以及其他 I/O 功能。四个 EMIB 桥接器将这五个芯片组连接在一起。

每个基础芯片都有四个 CPU 核心芯片，这些芯片以 18A 蚀刻，堆叠在它们之上，并使用英特尔发明的 Foveros 混合键合将核心下方的线路与基础块顶部的线路连接起来，形成一个 3D 处理复合体。

EMIB 和 Foveros 线路之间的整个连接，被 Soltis 称为“单片网格相干互连”，但实际上，单片芯片的二维布局也可以这样称呼。关键在于，从逻辑上讲（指的是根据设计中体现的逻辑，而非论证的逻辑），这看起来像是一种速度更快的网格互连，而它的 3D 特性实际上并不影响这种逻辑。速度有时会上升或下降，而不是大幅提升。

深入研究 Clearwater Forest “Darkmont” E 核心，每个模块包含四个核心，它们封装了大约 4 MB 的统一二级缓存，与核心的周期差 17 个周期。每个核心的二级缓存带宽为 200 GB/秒，是 Sierra Forest CPU 中使用的“Sierra Glen”核心带宽的两倍。二级缓存上有一个结构端口，带宽为 35 GB/秒，核心通过该端口与外界通信；模块内的核心通过二级缓存端口相互连接。

根据 SPECint_rate_2017 吞吐量测试，Darkmont 核心每时钟执行的指令比 Sierra Forest CPU 中使用的 Sierra Glen 核心多 17%。

那么，英特尔是如何做到这一点的呢？

嗯，通过加倍核心数并将微架构中的许多功能提升 1.5 倍到 2 倍。

一切都从前端开始：

Darkmont 核心拥有 64 KB 指令缓存和 32 KB 数据缓存，与其前身 Sierra Glen 一样，后者本身是 PC 中使用的“Crestmont”核心的变体。Soltis 表示，新的 E 核心基于三个解码器（每个解码器可容纳三条指令），每周期可解码九条指令。Sierra Glen 核心每周期可解码六条指令，因此速度提升了 1.5 倍。与往常一样，分支预测器也得到了改进，并且由于分支历史记录更深入且能够处理更大的数据结构，其准确性也更高。

前端后面的乱序执行引擎现在指令宽度为 8 条（Sierra Glen 是 5 条，提升了 1.6 倍），乱序执行引擎可以退出 16 条指令（Sierra Glen 是 8 条，提升了 2 倍）。乱序执行窗口现在为 416 条指令，比 Sierra Glen 提升了 1.6 倍，Darkmont 中的乱序执行引擎拥有 26 个执行端口，提升了 1.5 倍。

Darkmont 核心的整数、向量和存储地址生成单元数量是之前的两倍，负载存储生成单元数量是之前的 1.5 倍。（奇怪的是，IPC 并没有高很多。）

核心中的内存子系统每周期可执行三次加载（提升 1.5 倍）和两次存储（提升 1 倍或相同）。二级缓存的缓冲容量为 128 个未完成操作（相比 Sierra Glen 提升 2 倍）。

加起来，您将拥有 72 个核心模块，每个模块有 4 个核心和 8 MB 的 L3 缓存，单个 Clearwater Forest Xeon 7 E 核 CPU 总共拥有 288 个核心和 576 MB 的 L3 缓存。

当然，这里真正重要的是性能，Soltis 向我们暗示了 Clearwater Forest 平台的最终走向：

与288核的Sierra Forest服务器平台相比，拥有576个核心的双插槽Clearwater Forest平台将更加强劲。Soltis表示，在一次读取基准测试中（他没有透露具体是哪一次），Xeon 7 E核平台的内存带宽达到了1300 GB/秒。这得益于Clearwater Forest插槽拥有12个DDR5内存通道，并且它们以8 GHz的速度运行常规DDR5内存（而非英特尔的MRDIMM）。

Clearwater Forest 平台拥有 96 条 PCI-Express 5.0 I/O 通道，由两颗处理器组成，总测量带宽为 1,000 GB/秒；其中 64 条通道可分配给 CXL 设备，包括扩展内存。两颗 Clearwater Forest CPU 之间还有 144 条 UltraPath Interconnect NUMA 链路，带宽为 576 GB/秒，可在两个插槽之间创建共享内存集群。

上图显示，该服务器拥有 576 个核心和 1,152 MB 的 L3 缓存，我们确实看到了。但图表还显示，双路 Clearwater Forest 节点的额定计算能力为 59 万亿次浮点运算。如果这是 FP64 精度，那么在了解主频之前我们无法确定。即使知道了主频，这些核心也没有 512 位 AVX-512 矢量单元，而是一对更简单的 128 位 AVX2 单元。如果 Clearwater Forest 的主频为 2.56 GHz，那么根据我们的计算，一台拥有 576 个核心并配备 AVX2 单元的服务器可以达到 5.9 万亿次浮点运算。但不会是这个数字的 10 倍。

我们也不确定上图中“5,000 GB/秒”的带宽具体指的是什么。该计算引擎中 288 个 Xeon 7 E 核心的 L2 缓存总带宽为 57,600 GB/秒，而从 L2 缓存段到网格结构的带宽为 2,520 GB/秒。8 GHz 双路处理器的峰值理论内存带宽仅为 1,536 GB/秒。想想看。

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