21世纪初期,CPU市场比现在要简单,大多数代际改进都集中在时钟速度上。CPU的型号通常也都以时钟速度命名。当英特尔开发其下一代Net Burst架构时,进一步提升频率是理所当然的事情,该公司制定了宏伟计划,但后来的故事发展却偏离了剧本。
AMD是首家推出1GHz CPU的公司,其Athlon 1000于2000年3月推出,但英特尔却铆足了劲想率先攻破2GHz大关。到2000年底,首款奔腾4 CPU上市,其中最快的速度达到了1.5GHz。2001年,英特尔将奔腾4芯片提升至2GHz,随后在2002年更是推出了3GHz型号。
然而,快速提升时钟的代价也很高。英特尔被迫将Net Burst的流水线做得非常长,这意味着奔腾4的每时钟指令数(IPC)远低于更老的英特尔CPU和AMD的产品。
起初,英特尔进展顺利,奔腾4能击败AMD Athlon。于是英特尔继续加码,把Net Burst的流水线拉得更长,以达到更高的时钟速度。4GHz的奔腾4计划于2005年推出,之后将推出10GHz CPU。然而,英特尔的所有战略是基于Dennard Scaling理论制定,该理论认为频率的提高不会导致功率大幅提升。到2005年,英特尔发现Dennard Scaling不再适用,4GHz很难达到,于是4GHz的奔腾4发布计划只好取消。
英特尔当时的策略是降低IPC以达到更高的频率,当这些频率增益难以为继时,整个产品开发计划陷入停滞,在2004 年将领先地位拱手相让给AMD。英特尔最终放弃了Net Burst架构,重新设计了一种新架构,优先考虑IPC,而不是频率增益,大多数现代CPU都是这个设计思路。
在研发Net Burst台式平台的同时,英特尔也计划在服务器CPU市场大展拳脚。当时英特尔和 AMD使用的x86架构都是32位,而对于新兴的服务器市场,英特尔希望研发出64位架构。英特尔放弃了在32位x86上直接升级,选择与惠普合作创建了全新的IA-64架构,以此为基础推出安腾CPU。首款安腾CPU定于1999年推出。
然而,安腾的开发计划并不顺利。产品首发被推迟到2001年,预算也开始飙升。当它最终在 2001年上市时,性能与x86架构的CPU并无很大提升,64位架构勉强算是一个卖点。安腾的致命缺陷在于它无法兼容x86软件。所有软件都需要为IA-64架构重新设计构建,工作量太大了而且潜在用户认为毫无必要。
到2003年,AMD在32位x86基础上完成了自己的64位架构。英特尔之前放弃这一路线现在被认为是一个明显的错误,因为AMD的Opteron开始大肆抢占市场份额。AMD64还得到了微软等大型软件公司的支持。最终,AMD64变成事实上的业界标准,英特尔也开始生产AMD64架构的服务器芯片Xeon。
但问题是:Xeon并没有取代安腾。此后多年,英特尔和惠普一直幻想这种双架构策略能够奏效。戴尔和IBM等公司陆续停止销售安腾服务器。安腾在2000年代中期停止接收年度更新,最后一款安腾芯片于2017年推出。最终在2020年停产,因技术支持问题还引发了甲骨文和惠普之间大规模诉讼。如果要问安腾给世人留下了什么印象,可能就是多年垂死挣扎的惨淡和最终不得不消亡的痛苦。
英特尔在奔腾4和安腾惨败之后改邪归正,重回传统领导地位。到2000年代后期,随着iPod、iPhone等设备的流行,英特尔嗅到了台式机、笔记本电脑和服务器以外的市场机遇。但英特尔的抱负远不止推出几款移动CPU;它希望英特尔CPU能够应用于任何拥有处理器的设备。英特尔需要一款小巧、高效、速度足够快的芯片,因此在2008年,Atom系列华丽登场。
在花了几年时间解决首批Atom芯片的问题后,英特尔推出了Atom Z600,希望用这款芯片从 ARM手中夺取智能手机市场。它的性能远超ARM所能提供的任何产品,而且功耗相同。技术网站Anandtech惊呼:“Z600将改变一切,5年后智能手机市场将天翻地覆。”
那么,为什么你的手机或冰箱洗衣机中没有采用Atom CPU?最重要的原因是x86从未用于智能手机或其他设备,软件需要重写。这是英特尔在安腾上犯下的同样错误,坚持了六年后英特尔放弃了智能手机计划。Atom给人留下的印象是上网本和物联网设备,仅此而已。
但最近,英特尔在网络设备和其新的混合CPU(如13900K)中为Atom找到了归宿,13900K有 16个E核源自Atom架构。这并不能改变Atom十多年来一直是英特尔家的赔钱货的事实,只能说Atom还不至于一无是处。
英特尔用Core取代了Net Burst,Core是一种在IPC和频率之间找到平衡的架构,它立即大获成功。Core 2 Duo E6300和Core 2 Quad Q6600等CPU的速度比AMD Athlon继任者Phenom要快得多。英特尔在PC领域的新一轮攻势在2011年第二代Sandy Bridge与AMD FX Bulldozer之间的对决中达到顶峰。英特尔轻松获胜,在推土机的碎片上再次崛起。
那么英特尔是如何保持这种势头的呢?通过不断推出相同的CPU。并非英特尔没有取得任何进展;该公司发明了“滴答”模式,即每一代都发布一款采用新制造节点的CPU,然后发布一款采用新架构的CPU,如此循环往复。但这些技术进步不再像过去那样转化为显著的性能和价值改进,因为英特尔不再需要竞争了,赢得牙膏厂的美名。
最具代表性的是第七代Kaby Lake,于2017年推出,既不是制造节点升级也不是架构升级,而是一种“优化”,也就是说它只是具有更高时钟速度的上一代 CPU。Core i7-7700K是这些芯片中最令人发指的,因为它实际上是i7-6700K,但频率高出几MHz。消费者和媒体群情激愤,骂声一片。
这一闹剧情节的后续发展稍稍宽慰了观众,因为两个月后AMD推出了大获成功的Ryzen 1000系列。Ryzen 1000系列在游戏方面并不突出,但多核性能超强。Ryzen 7 1700在几乎任何多核工作负载中都击败7700K,而成本相当。最令吃瓜群众欣慰的是,英特尔急于扳回局面,同一年就推出第八代CPU,这意味着Kaby Lake没撑过一年就被淘汰了,大快人心。
尽管英特尔可以毫不顾忌消费者感受,连续两次推出同一款 CPU,但Kaby Lake本来就不应该存在。英特尔一直打算坚持“滴答”模式,在第六代之后推出10 nm CPU,但该公司10 nm节点的开发进展不顺利。10 nm的计划非常雄伟。除了更高的效率外,晶体管密度也是14 nm的近三倍。英特尔在跌跌撞撞地推出14 nm CPU后,本应知道将计划制定得稍为低一点,但它想要技术优势,所以继续按计划前进。
10 nm原本计划在2015年推出,但由于14 nm被推迟,10 nm也随之推迟。2017年是新的发布日期,但英特尔并没有推出10 nm CPU,而是推出了第三和第四款14 nm CPU。最终,英特尔在 2018年推出了基于Cannon Lake架构的10 nm CPU:Core i3-8121U。这款产品标志着英特尔领导地位的结束。
8121U是英特尔10 nm工艺的一次糟糕展示。该公司的10 nm节点是如此糟糕,以至于英特尔只能制造一个微型双核CPU,集成显卡被故意禁用,大概是因为它们无法正常工作。英特尔在 10 nm方面制定了超出其能力范围的目标又无法按时完成。由于10 nm陷入了困境,英特尔只能硬着头皮继续依靠14nm来实现任何需要大量性能的产品。
顺便说一句,英特尔在其网站上列出了过去二十年推出的所有CPU,虽然8121U 的页面仍然存在,但10 nm Cannon Lake系列产品的总页面已被删除,可能自己也感到尴尬吧。
英特尔在14 nm工艺节点混了很多代产品,尽管每一代都比上一代拥有更多的内核,但14 nm 工艺每次改进带来的频率增益却越来越小,而增加更多内核会大幅增加功耗。当英特尔推出第 10代CPU(连续第六代使用14nm工艺)时,AMD已经在Ryzen 3000 系列用上了台积电的7 nm工艺。英特尔的旗舰Core i9-10900K无法击败AMD的非旗舰Ryzen 9 3900X,而且与AMD CPU不同,不支持PCIe 4.0。
如果10 nm实在臣妾做不到,那么唯一能做的就是引入一种新的架构。英特尔决定将面向移动平台的Ice Lake架构移植到14 nm,从而带来了急需的19% IPC提升。
因此,第11代Rocket Lake CPU采用了全新的架构,但这是有代价的。首先,移植为更密集节点设计的CPU意味着用14 nm工艺制造的内核非常庞大。其次,旧工艺的功耗也会增加,所以非常难以添加更多内核和提高时钟速度。最终的结果是“旗舰”Core i9-11900K只有8个内核,芯片尺寸为276平方mm——比10900K的内核少,但尺寸更大。
11900K注定失败;技术上落后,价格太贵。无法与更低价格的Ryzen 7 5800X 相提并论(更不用说Ryzen 9 5900X和5950X),甚至在任何非极限考验单线程的工作负载测试中不如10900K。英特尔费时费力打造的一款全新的CPU,居然无法令人信服地击败其前代产品。Rocket Lake只是为了在英特尔台式机CPU上获得PCIe 4.0而制造的凑合产品。Rocket Lake系列的其他产品还不错,因为AMD当时精力有限,停止了在低端和中端市场的竞争。
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凭借第12代和第13代CPU,英特尔终于重回PC领域的性能领先地位,但损失已经造成。10 nm本应在2015年推出,但直到2021年才成功推出用于服务器的Alder Lake和Ice Lake。整整七年的14 nm CPU让英特尔失去了很多机会。
所有这些失败的共同点是英特尔的鲁莽和缺乏谨慎。英特尔认为奔腾4可以毫无问题地达到 10GHz甚至30GHz。英特尔认为安腾将统治数据中心,从未认真考虑过没有人愿意重写每一款 x86软件。英特尔认为Atom会成功,仅仅指考虑了硬件因素。英特尔认为它的工程师可以做任何事情,并制定了10 nm工艺节点上自己难以完成的目标。
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