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处理器简史 10 | 决胜时刻,Intel 举棋若定;绝处逢生,AMD 备战未来

06 月 17 日

AMD 为何在与 Intel 的竞争中落入下风,红蓝之间芯片战争的直接影响,以及反垄断诉讼的最终结果。


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2024 年 6 月 4 日,Intel 发表声明称,已经与资产管理公司 Apollo Global Management 达成协议,将与爱尔兰 Fab 34 芯片工厂的合资企业 49% 股份作价 110 亿美元出售。

Fab 34 是 Intel 旗下最先进的芯片工厂之一,也是 Intel 的欧洲布局中唯一使用 EUV 光刻技术的芯片工厂。该工厂主要为 Intel 生产晶圆,亦有生产服务器芯片的计划。交易完成后,Intel 仍会保留 51% 的股权,从而维持自身的控股权。

Intel 首席执行官 Pat Gelsinger 声称,此举是公司复兴计划的一部分,旨在减轻公司财务方面的压力。出售股权所获资金将被投资于新的半导体综合体项目,进而提升自身制造业务的能力,吸引更多的外包客户。不过,由于此前 Intel 商业成绩不尽人意,市场份额的持续流失,外界普遍继续担忧 Intel 前景。上述声明发出后,Intel 股价继续下跌,在 2024 年累计跌幅已有 40%。

2022 年,正在扩建的 Fab 34 工厂。图源 X@Intel Ireland

中文互联网一直流传着所谓「三流企业卖产品,二流企业卖服务,一流企业卖概念,超级企业卖大楼」的诙谐说法;Intel 卖工厂的新闻让很多人联想到了 2016 年「AMD 出售总部大楼」的传闻。(虽然这则流传已久的消息已被证实为乌龙,但是 AMD 在陷入困境的数年间确实有通过出售房地产和工厂以维持发展的无奈之举。)

面对 AMD 和 NVIDIA 等直接的竞争对手,Intel 的转型战略依然充满了未知数。

数字不是一切

2006 年,AMD 和 Intel 围绕着 64 位体系和多核心处理器展开了新一轮的竞争。Athlon 64 X2 和 Pentium D 的首次交锋似乎并未争出个高下:AMD 凭借着多年积累的技术优势打出了字号,而 Intel 则仰仗产能和名气,以较高的利润和一些营销上的「小伎俩」继续收获 PC 厂商的订单。

相较于将全部身家押注于 K8 架构的 AMD,Intel 庞大的产能需求和遍布全球的销售网络可以有效摊薄芯片的成本。在 Tick-Tock 框架下,只要摩尔定律还在生效,Intel 就可以保持游刃有余的研发节奏,既保证了处理器的架构和工艺稳步提升,又大幅缩减了产品的上市时间和成本。就算被竞争对手暂时超过,Intel 也可以快速对产品进行迭代调整,从而掌控局面。

Intel 在 Pentium 3 Coppermine 上与 Athlon Thunderbird 竞逐 1GHz,在 Pentium 4 NetBurst 上还发出了势要突破 10GHz 的豪言壮语。它渐渐意识到:自己似乎正在被 AMD 牵着鼻子,在死磕时钟频率的大道上一路狂奔。

但频率也可能是一种假象。衡量处理器性能的另一个指标是每周期指令(IPC,instructions per cycle),但因为没有频率那么容易量化,缺乏经验的用户常常忽视——这也是 Intel 在营销中经常利用的。

当时的很多厂商都是千兆赫神话(the megahertz myth)的推崇者,包括 Apple。图源 flickr

然而,Intel 宣传的频率优势很快在性能测试中不攻自破;规格最低的 Athlon 64 也能轻松击败 Pentium 4。越来越多的人开始质疑 Intel 的说辞,工艺水平和材料学的限制也让提升时钟频率变得举步维艰。随着时间推移,AMD 的产品开始成为不少人搭建 PC 的首选。

看起来,AMD 和 Intel 的均势将会长期持续下去。然而,在 Pentium 4 和 Pentium D 上吃了亏的 Intel 很快拿出了自己的 Plan B——一个来自 2003 年,移动设备的崛起前夜的整改方案。

膝上到桌面的距离

关于何为世界上第一台笔记本电脑,争议由来已久。在早期,台式电脑、便携电脑(Portable computer)和笔记本电脑(Laptop)缺乏本质上的差异。它们使用相近规格的硬件,同样笨重和难以使用。打个比方,早期的便携电脑几乎是把 PC 打包到一个巨大的手提箱里,而笔记本电脑也不过是个相对更规整的箱子。

不过,笔记本电脑的由来并非本文讨论的重点,我们只要知道:笔记本电脑和台式电脑正式分道扬镳的时间是 1994 年。当时,Intel 首次推出了针对笔记本电脑的 Mobile Pentium 75MHz 处理器。从此,笔记本电脑进入了自己的发展轨道。

采用 Mobile Pentium 75MHz 的ThinPad 775CX 是当时的明星产品。图源 Reddit

2003 年,Intel 在 P6 架构的基础上设计了新一代移动处理器 Pentium M。彼时 Pentium 4 NetBurst 其实已经推出。Intel 并非不想用更先进的 NetBurst 架构,但有前车之鉴:过去基于 Northwood 的 Pentium 4-M,和暴力移植桌面处理器的 Mobile Pentium 4 都因为居高不下的功耗和发热量而饱受诟病。这使得让 Intel 不得不慎重考虑,并最终重新启用 P6 架构。

Pentium M 继承了 P6 架构的短流水线设计,拥有 14 级流水线。但Pentium M 首次引入了可变长度指令管线,如果指令所需的信息已经加载到缓存中,那么仅需 12 级流水线即可执行,以此进一步提升 IPC 性能。有了优化过的架构设计和 130nm 工艺,Pentium M 在低于 25W 的功耗下就能达到 1.8GHz 的速度,而次年推出的改进版 Dothan 则可以在 27W 下达到 2.27GHz。

Pentium M 的特性让 Intel 意识到 P6 架构依然是可行的,比起简单粗暴的一味拉高时钟频率,在功耗和性能之间取得平衡才是长久之计。Intel 希望推出一种通用的核心设计,它必须具备高度扩展性,可以满足从 130W 的高端服务器到 5W 的移动设备的性能需求。

Intel 将新架构命名为 Core,在 2006 年 1 月 6 日正式推出。初代产品采用基于增强型 P6 架构的 Yonah 核心,主要包括双核心的 Core Duo 和屏蔽了一个核心的 Core Solo。二者都是为笔记本电脑打造的低功耗移动处理器,其构造基本上是两个相互连接的改良版 Pentium M 核心。因此,Core Solo 也被当做 Pentium M 销售,而 Core Duo 则成为了 Pentium Dual-Core 的前身。

初代 Core 产品验证了重启 P6 架构的可行性。很快,2006 年 7 月 27 日,Core 的继任者——Core 2 Duo 处理器正式发售。依照不同用途,Core 2 最初存在三种核心设计,分别为移动端的 Merom、桌面端的 Conroe 和服务器的 Woodcrest;其中 Woodcrest 被并入 Xeon 产品线进行销售。

Core 2 的诞生具有非凡的意义:Intel 首次完成了移动端、桌面端和服务器处理器的微架构统一。从此,效能功耗比(PPW,Performance per Watt)代替了时钟频率,成为了 Intel 新一代处理器的关键指标。提高性能,减少功耗,这简直完美的契合了 Tick-Tock 框架的既定战略。

于发布会当日展出的 Core 2 Duo 处理器样品。图源 PC Watch

Intel 宣称 Core 2 Duo 仅需 65W 功耗即可提供出色的性能,这些新的处理器也的确在性能测试中轻松超过了 AMD 在售的同类产品。和初代 Core 处理器一样,Core 2 系列产品均以核心数量做划分,从单核心至四核心依次为 Solo、Duo、Quad,另外还有针对发烧友的 Extreme 系列。

重回起点

虽然 Core 2 在性能上优于 AMD 的 K8 架构处理器,但市场并没有很快出现一边倒的现象。一方面,搭建 Core 2 PC 所需的硬件总价远高于前代产品,而当时的许多用户依然在使用老旧的 Pentium 平台,更新换代需要一定的时间;另外,AMD 产品价格低廉、向下兼容,Athlon 64 X2 依然是中低预算用户的首选。

AMD 很快读懂了 Intel 的战略意图,开始奋起直追。其实 AMD 也有自己的移动端产品线 Turion。Turion 系列处理器一开始就是基于桌面端的 K8 架构打造的,是将体质较好的核心降频和降压处理而得。但这些处理器的效能功耗比依然弱于同时期的移动端 Core 2。

2007 年 7 月 21 日,AMD 推出了第一代 K10 处理器。其重新设计了 K8 架构的核心设计、缓存和内存控制器,着重于提升 IPC。K10 架构最大的优势是采用原生的四核心设计,可以在多线程任务中发挥更强的性能。

然而,AMD 犯了和 Intel 此前一样的错误:低估了四核的功耗,导致早期的 K10 处理器只能运行在较低的时钟频率上。好在随着 45nm 工艺的成熟,AMD 很快修正了这个错误。

AMD K10 与 K8 的比较。图源 КомпьютерПресс

Intel 自然不会留给 AMD 赶超的机会。2008 年 11 月,Intel 推出了脱胎于 Core 2 的 Nehalem 架构,重新设计了缓存控制器,在 CPU 部分集成内存控制器和 PCIe 控制器,流水线扩展到 20—24 级。Nehalem 是 Intel 首个具备睿频功能的架构,其默认时钟频率与 Core 2 相当;但如果有瞬时的高性能需求,它可以在短时间内爆发至 3.6GHz。Nehalem 还标志着超线程技术的回归,其多线程性能可以达到 Core 2 的两倍。超线程技术直接化解了 AMD 的多核心优势,并且将 AMD 逼到了一味提升核心数和时钟频率的错误路线上。

Intel 在新一代产品上使用了新的命名规范。从此,Core i3/i5/i7(以及之后的 Core i9)开启了 Intel 的不败神话,无论 AMD 如何追赶都无法望其项背,只能依靠主打性价比的中低端产品维持营收。

在 K10 架构的基础上,AMD 扩充了自己的产品线,定位从高到低,可以分为: Phtnom/Phtnom 2、Athlon 2 和 K10 Semprons,包括从六核心到单核心的一系列产品。其中,核心数在单数的处理器通常是更高一阶的处理器屏蔽核心的产物,DIY 玩家可以通过解锁被屏蔽核心来获得更高的性能。相较于财大气粗的 Intel,AMD 缺乏并行研发所需的资金和技术条件,他们只有 K8 架构这一张王牌,也只能选择继续升级。

不过,要说 AMD 完全没有 Plan B 也并不正确,因为在 2006 年 7 月 24 日,也就是 Intel 发售 Core 2 Duo 的三天前,AMD 以 54 亿美元的价格收购了当时最大的显卡制造商 ATI,成为了世界上唯一有能力同时制造高性能处理器和显卡的芯片厂商。此举也意味着 AMD 将同时与 Intel 和 NVIDIA 对立,但相较于未来的两线作战,更紧迫的问题则直接摆在了 AMD 的眼前:没钱了。

无赢家的战争

2006 年 10 月 25 日,AMD 完成了对 ATI 的收购,成交价最终定在 43 亿美元,外加 5800 万 AMD 股票,AMD 为此贷款 25 亿美元,公司的资产负债情况不容乐观。随着 Intel 和 NVIDIA 的步步紧逼,AMD 的市场份额一降再降,最终不得不依靠出售资产来维持公司业务。

在芯片制造上,AMD 与 Intel 都遵循半导体行业的集成设备制造商模式(IDM,integrated device manufacturer),即芯片的设计、制造、封测、销售均由公司包办。这样做的好处是显而易见的:公司可以合理分配芯片全生命周期所需的资源,在内部完成沟通和衔接。如此一来,可以大幅缩减研发成本,并缩短产品从立项到上市所需的时间。

然而,维持 IDM 模式的运行需要大量的资金,公司需要持续维护和升级流程中的每个环节,这一部分的长期成本甚至会高于芯片研发阶段的开支。因此,IDM 模式需要以有口皆碑的产品和稳定增长的市场份额为保证,也需要充裕的流动资金充当基本盘。产品、份额、资金相辅相成,一环断裂就可能导致全盘皆输。

AMD 无力再维持 IDM 模式庞大的开支。2009 年,AMD 将 ATI 的移动图形芯片业务 Imageon 出售给 Qualcomm,后者将其更名为 Adreno;同年,阿联酋的 Mubadala 投资公司接盘了 AMD 拆分的晶圆制造业务,Mubadala 旗下的先进技术投资公司(ATIC,Advanced Technology Investment Company)与 AMD 共同成立了 GlobalFoundries,AMD 持股 35%,但在后来逐渐减持。

自此,AMD 开始全盘剥离芯片制造业务,成为一家无工厂半导体公司。(截至 2023 年,GlobalFoundries 是全球收入第三名的半导体代工厂。)

甩开了 IDM 模式的 AMD 显得格外轻松,也是从 2009 年开始,他们与台积电达成代工协议,并在之后的数年间全面转向台积电。

对于 AMD 来说,2009 年唯一的好消息发生在 5 月 13 日,欧盟裁定 Intel 违反了反垄断法律,并对其开出了 10.6 亿欧元的天价罚单。这个数字超过了 2008 年欧盟对微软的 8.99 亿欧元反垄断罚款,成为了当年反垄断案中数额最大的一笔罚金。11 月 12 日,Intel 与 AMD 对此达成全面和解,结束了多年以来的所有法律争端,双方将签署一份新的交叉授权协议,并向 AMD 支付 12.5 亿美元。

结束了——至少是短暂的结束了。

AMD 的首席执行官 Hector Ruiz 已经在 2008 年 7 月 18 日辞职——他遏止了 AMD 的死亡倒计时,但也无力修复的长达 7 个季度的连续亏损。Ruiz 走后,AMD 陷入了被 Intel 全面打压的困境,他的两任后继者 Dirk Meyer 和 Rory Read 都试图挽救公司业务,但他们都没有成为那个力挽狂澜的人。直到 2014 年 10 月 8 日,AMD 迎来了首位亚裔女性 CEO 苏丰姿,公司的乱局才得到了有效控制。

AMD 现任总裁兼首席执行官苏丰姿。图源 Wikipedia

Intel 在 2009 年开启了最为辉煌的十年,他们将摩尔定律奉为真理,围绕着 IDM 模式,每两年进行一次架构和工艺的 Tick-Tock,令竞争对手望尘莫及。然而,到了 2015 年,Intel 开始在 14nm 工艺节点上陷入困局,他们不得不走出 Tick-Tock 的既定框架,转而使用工序—架构—优化(process-architecture-optimize cadence)的新模式来延长芯片的研发周期。原定于 2017 年发布的 10nm 工艺一再推迟,7nm 工艺随之难产,Intel 的 IDM 模式遭受了前所未有的考验。

后记

看起来,AMD 与 Intel 之间的战争从未真正结束,也从未产生真正的赢家。不过,这场芯片战争的意义并非一家企业的崛起或陨落,而是半导体行业从一群青年才俊的奇思妙想成长为人类科技的璀璨明珠,不断取得举世瞩目的崇高成就,他们深远的影响和改变了人类的生活方式、社会形态和世界格局。

而近十年到未来会发生的事情,或许我们会再选择一个合适的时间加以评说。

(《处理器简史:Intel & AMD 篇》到此结束。)

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