2004春季IDF特別報導－本屆IDF所披露的重要技術發展

矽晶圓光學調變器

本屆IDF首度公布英特爾的矽晶圓光學調變器（Optical Modulator）技術，也同時發表在權威科學期刊「自然」（Nature）。該調變器晶片具有類似開關的特點，可以結合運算及通訊的雙重功能。由於目前光學調變器及其它光學功能元件多半以砷化鎵為主（GaAS）的III-V族半導體以及氧化鋰鈮 (Lithium Niobate)材料生產，成本相當高昂。因此，從80年代開始，就有不少公司企圖採用矽晶圓生產光學元件，但是在英特爾發表新技術之前，矽晶圓光學調變器的最高速度僅達20MHz，而英特爾將其推上1GHz的高峰。堪稱半導體製程技術上的一大突破。

該技術的應用面是一個非常有趣的課題。首先，顯而易見的，透過矽晶圓的量產能力，將會大幅降低光纖通訊設備的價格。（英特爾投入LCOS也是基於同樣的想法）英特爾已經表示，光纖通訊設備的價格將可以從1000至2000美金、最終降至5至10美金的低價，光纖網路設備的廣泛應用將指日可待，長期由光纖所主導的長距離資料傳輸應用，取得成本也將會直線下滑。

其次，採用矽晶圓也意味著，將有助於半導體元件與光學傳輸元件的整合，這是非常值得重視的特點。目前無論是處理器以及電腦系統的設計，都已經被聯繫各功能元件的導線材料所嚴重限制，因為只要是金屬導線都會產生電子交互作用的問題，實作導線隔絕層也已經造成眾多的技術困難。然而，光信號卻不受這些問題的影響。所以，如果採用光連線來取代電連線，這些困難都將迎刃而解，這對既有的電腦設計將造成極大的衝擊，尤其是平行化的電腦架構。更重要的是，在過去運算與通訊是兩個不同的產業，該技術可能會導致兩者之間的整合。

據英特爾表示，目前該技術還在發展階段，距離實用化還有著相當長的時間。不過，預計在2010年就會有商業化產品出現。光學與矽晶圓的結合，可以帶來的飛躍進步，也許將會遠遠超過我們現在的想像。非對稱性同步多執行緒技術

由於處理器和記憶體之間的效能差距持續的拉大，導致快取記憶體誤失所產生的效能傷害（Penalty）越來越高。雖然同步多執行緒技術可以降低記憶體系統延遲所造成的效能影響，但是對於提升快取記憶體的效能，卻沒有太多的貢獻。另外，針對多執行緒的最佳化，對於編譯器的設計就是一個很大的挑戰，尤其是具備自動生成執行緒（Auto-Threading）機制技術的編譯器。

有鑑於此，英特爾在去年春季IDF首度披露下一代的同步多執行緒技術：非對稱式（Asymmetric）同步多執行緒，透過主執行緒以外的「helper thread」進行「投機」預先計算、事先預測程式所需要的下一筆資料，可以減少快取記憶體的誤失率以及多餘資料載入動作的頻率。值得注意的是，有別於傳統同步多執行緒是將單一的行程或執行緒分割成多個執行緒，helper thread則是附加於現有的執行緒之中，在編譯器的實作上有著較低的技術門檻。另外，據英特爾表示，這些helper thread並不會實際執行指令，僅「告知」快取記憶體可能將會存取的資料。

雖然英特爾這一年來，已經在部分學術研究機構發表該技術的細節，但一直沒有透露何時實作於編譯器之中。英特爾技術長Pat Gelsinger在本屆IDF才首度證實，helper thread已經在Beta版的IA-64編譯器中實作。不過，英特爾不在已經有硬體支援Hyper-Threading的x86處理器上提供helper thread，卻先在缺乏硬體支援的IA-64處理器實作，其背後的原因，相當的另人感到好奇。Reconfigurable Logic的發展

半導體製程的持續成長，更多的電晶體數目帶來了更加複雜的晶片功能。不過，這就產生了一個反思：究竟這些用硬體實作的功能，實際上可以發揮多少的效益？在一個運算動作之中，有多少的硬體功能會被使用？這些用不到的硬體線路製造了多少無謂的電力消耗和產品成本？我們可以進一步的思考：為了新功能而重新設計新的晶片，究竟符不符合經濟效益？在這種思維下，近年來不少廠商，如Altera和Xilinx，就推出不少可程式化的邏輯元件晶片。事實上，這種觀念並不新，可追溯至60年代的處理器微碼（Microcode）控制單元就已經有這樣的味道。

不過，英特爾將可重新設定組態（Reconfigurable）邏輯晶片與網格式（Grid）運算結合成自我適應性（Adaptive）的架構，除了可以省掉傳統晶片中用不到的運算步驟，更可以藉由晶片數量的增加而穩定的提升效能。目前英特爾將其應用於無線通訊的領域，也在IDF展示了試產晶圓的樣品。因為無線通訊的應用遠比一般性的計算單純，所以比較容易實作自動化的負載平衡機制。透過列舉不同無線傳輸規格的不同晶片數量，英特爾表示，這樣將可節省新晶片開發的成本、縮短產品開發的時間。英特爾的投入，是否將帶動相關技術的發展、擴展可程式化邏輯晶片的應用層面？相當的值得觀察。其它相關的研究

雖然就理論上而言，基於先進的指令集架構，結合大型化的快取記憶體，Itanium應該享有對x86高階處理器的效能優勢。不過，Itanium在Java的效能上一直不如Xeon處理器，而且由於Itanium鎖定的企業伺服器市場有相當大的比例使用Java，所以提升Java在Itanium平臺上的效能乃當務之急。首先，英特爾發展Open Runtime Platform，提供支援多種作業系統、JIT（Just-In-Time）編譯器、處理器以及程式語言的介面。其次，發展StarJIT編譯器，除了支援x86處理器外，更可針對Itanium進行更積極的最佳化。值得注意的是，由於Java本身實際上就是一個獨立的指令集架構，很明顯的，從IDF的技術文件可以發現英特爾導入了不少在IA-32EL所採用的技術。在未來，由於IA-64長期缺乏充足的應用軟體支援，也許諸多異質平臺虛擬機器或模擬器的應用，將會決定IA-64的成敗。

最後，半導體製程是英特爾優勢的基礎，它們在這部分的投資亦不可小覷。首先，隨著90nm製程的量產化，矽晶圓製程也正式邁進了奈米時代。在奈米層級持續縮小製程，就會遭遇眾多的技術困難。英特爾預定從代號P1266的45nm製程開始，將採用高介電值（High-K）材料取代目前邏輯閘介電體所採用的二氧化矽（SiO2），而邏輯閘電極也將從多矽（Poly-Silicon）轉換成金屬材料。另外，有別於傳統的CMOS製程，電晶體結構突破平面工藝限制、從2維走向3維已經是一個技術趨勢，有別於眾多廠商正在研發的雙邏輯閘鰭狀場效電晶體（FinFET），英特爾直接研發三邏輯閘的Tri-Gate電晶體。碳奈米管（Carbon Nanotube）及矽奈米導線（Silicon Nanowire）的應用也是英特爾製程研發的重點。這些新技術是否可以延續摩爾定律所預言的成長曲線？維繫英特爾在全球半導體市場的主導地位？就有待時間來證明了。不過，在過去的歷史中，英特爾幾乎總是贏家。文⊙劉人豪