工艺就是战斗力 酷睿M：平板电脑的梦想之芯

邓州一哥

当以苹果MacBookAir和微软Surface Pro 3为代表的超极本与平板电脑可以摘掉内置的散热风扇时，X86 PC的命运将被彻底改写。而来自英特尔的新一代酷睿M处理器，就是这场革命的“始作俑者”。

X86 PC陷入“抑郁”时代
自从2010年苹果推出第一代iPad以来，传统X86架构的PC就全面进入了“抑郁”时代，这种新形态ARM架构平板电脑的性能虽然谈不上强悍，但极致的便携性与丰富的APP，却成为了消费者打发碎片化时间的最佳利器。于是，曾经辉煌的上网本彻底“歇菜”，被寄予厚望的超极本也没能改变PC的颓势。
还好，在步入2014年之后，X86 PC终于在与平板电脑的较量中找到了“感觉”。在Wintel联盟（微软和英特尔）的努力下，基于BayTrail-T平台设计的低端Windows 8.1平板电脑（搭载Atom Z37x x处理器的产品）终于跌破了千元大关，而武装酷睿处理器的高端Windows 8.1平板电脑（如Surface Pro 3）也具备了不俗的便携性。
可惜就目前的Windows 8.1平板电脑而言，低端产品虽便携但性能不够给力，而高端产品性能虽强但身材却不够“性感”（图1），恰好处于低不成高不就的尴尬状态。那么，如果可以将两类产品的优势相结合，让“便携”与“性能”完美融合，无疑将成为Windows 8.1平板电脑彻底翻身的重要筹码。而想实现这个梦想，则需要得到来自“芯”的支持。好消息是，来自英特尔旗下的新一代酷睿M（Core M）处理器，就是可以将“便携”与“性能”完美融合的“梦想之芯”。

搭载酷睿处理器的高端Windows 8.1平板原本不可能做得犹如iPad Air这般轻薄

小提示
对Windows平板电脑而言，接上键盘鼠标后它就是一部标准的PC，而这也是X86架构平板区别于ARM架构平板的本质差异。如果你想了解X86平板电脑的历史，以及时下最热BayTrail-T平台的性能以及相关产品，请参考本刊上期的特别话题：《只为“生产力” Windows平板电脑的逆袭》。
代号Broadwell-Y的“梦想之芯”
其实早在2009年的IDF大会上，英特尔就宣布了要向SoC（System on Chip，系统级芯片）转型的计划，旨在降低行业门槛，着重发展移动设备。可惜，以iPad为代表的iOS和Android平板电脑却抢占了先机，此类设备借助将CPU、GPU、内存控制器等芯片集于一身的SoC大幅瘦身并降低功耗，并最终奠定了平板电脑迅速崛起的物理基础。
为了应对平板电脑的挑战，英特尔在2011年5月正式提出了“超极本”（Ultrabook）概念，以极致的18mm纤薄机身吹响了反击的号角。而超极本纤薄的秘密，则源于超低功耗版的酷睿处理器。比如第一代超极本搭载的Sandy Bridge（TDP为18W）、第二代超极本搭载的Ivy Bridge（17W）、第三代超极本搭载的Haswell（15W）。需要注意的是，直到2013年的Haswell时代，英特尔才完成了单芯片SoC（整合了CPU、GPU和芯片组）的进程。这些超低功耗处理器的性能虽然有所下降，但其发热量相对较低。
得益于这些“超低功耗之芯”，超极本在2013年衍生出了“二合一”产品线（像微软Surface Pro也可归类于二合一超极本），而英特尔也借此机会推出了全新的Y系列产品线，Ivy Bridge-Y和Haswell-Y系列的TDP分别为13W和11.5W（比如酷睿i5-4200Y），以满足二合一或纯平板电脑设备的设计需要（图2）。

分体式设备的典型形态

可惜，即使是Y系列处理器，它们也逃不出散热风扇的“诅咒”。哪怕是Windows 8.1平板电脑领域的标杆之作，微软Surface Pro 3的机身厚度依旧达到了9.14mm，原因就是需要借助散热片、纯铜热管、风扇才可“镇压”处理器全速工作时的发热量（图3）！这些相对复杂的散热模块势必增加产品的厚度。

高端Windows平板均需要风扇散热，而PCBA板不仅尺寸大也非常复杂

想让二合一设备或平板电脑彻底与散热风扇“绝缘”，这就要求SoC的整体功耗小于6W。在22nm工艺时代，酷睿级别的SoC想达到这个目标无疑是痴心妄想。但是，当14nm工艺时代来临后，代号为“Broadwell-Y”的SoC，终于实现了这个伟大的梦想。
引领时代的14nm工艺
我们都知道，处理器是由无数个晶体管构成的，而制程工艺就是处理器在生产过程中集成电路的精密度。制程工艺越先进，意味着我们可以在有限的面积上集成更多晶体管，从而获得性能的提升，以及功耗和发热量的降低。英特尔“Broadwell-Y”的制程工艺从Haswell的22nm升级到了14nm，也是目前世界上最先进的半导体生产技术（图4）。

英特尔酷睿M芯片结构图

小提示
英特尔旗下的X86架构处理器具备先天的性能优势与功耗劣势。在于ARM架构处理器的较量中，制程工艺始终是英特尔获得接近ARM低功耗的“杀手锏”。目前苹果iPhone 6所搭载的A8处理器是首款20nm工艺的ARM芯片，而其它ARM芯片则仍在28nm徘徊。
英特尔的14nm工艺技术引入了第二代Tri-Gate（FinFET）三栅极立体晶体管技术。以晶体管鳍片为例，Broadwell-Y的晶体管鳍片高度从Haswell的34nm增至42nm，而晶体管鳍片的间距却从60nm缩小到42nm（图5），这意味着Broadwell-Y可提高晶体管鳍片的集成密度，并让鳍片变得更高更薄以便改善驱动电流和性能。

第二代Tri-Gate（FinFET）三栅极立体晶体管技术

由于Broadwell-Y恰好处于英特尔Tick-Tock（工艺年-构架年）发展周期的“Tick”，因此它主要还是以提升工艺为主要目标，在CPU架构方面只是微调，在同频率下其CPU运算性能相较Haswell会有5%左右的提升。
在GPU方面，Broadwell-Y所集成的HD5300核芯显卡在底层架构上与Haswell集成的GPU相近，具备24个执行单元。不过，HD5300在API方面有了大幅提升，支持DX11.2、OpenGL4.2和OpenCL2.0，甚至已经领先于NVIDIA旗下最新的麦克斯韦架构（仅支持DX11.0）。
总体来说，Broadwell-Y在性能上只能算是稳步提升，它最大的改进还是体现在了能耗表现上。比如，英特尔以前的CPU没提升1%的性能就会带来1%的功耗提升（1:1），而Broadwell-Y则可实现2:1的能耗比，每提升2%的性能，功耗只会增加1%。
酷睿M的“瘦身计划”
我们可以将“Broadwell-Y”视为“Haswell-Y”系列的下一代产品，只是英特尔将其独立为全新的“酷睿M”品牌，并取消了i3、i5、i7的命名机制，而是以酷睿M-5Yx0的称号示人（见表1）。
表1：酷睿M已曝光型号参数对比

简单来说，酷睿M家族处理器（SoC）最大的亮点就是将TDP从Haswell时代的11.5W大幅降低至4.5W，成为历史上首款无需风扇辅助散热的酷睿处理器。此外，酷睿M芯片的封装面积也从Haswell的40mm×24mm×1.5mm缩减至30 mm×16.5mm×1.05mm，整整瘦身50%（图6）。另一方面，酷睿M所需的周边零件数也较Haswell所需周边零件数更低，用更小的PCBA（电路板）就可设计出完整功能的产品（图7）（图8）。

酷睿M与Haswell处理器的大小对比

Surface Pro 3主板与复杂的散热模块

蓝色部分为酷睿M平台的主体，绿色部分为SSD固态硬盘和Intel 7260AC无线芯片

据悉，如果用酷睿M打造平板电脑，只需铝质后壳就可应付芯片的散热需求。这意味着，厂商再也不必想办法往平板电脑体内塞散热片、热管和风扇了，可以轻松打造出比iPad Air和iPad mini更轻薄的设备！
以“酷睿”之名确保性能
可能有同学会问了，现在基于BayTrail-T平台（22nm）设计的Windows 8.1平板电脑也很轻薄，而且也无需风扇散热啊，酷睿M依靠14nm工艺才能让平板变得更轻更薄有啥可牛气的？答案很简单，BayTrail-T只有“上网本”的性能，而酷睿M则可带来中高端超极本的表现！
表2：酷睿M与Haswell和BayTrail平台性能对比

通过表2我们不难发现，酷睿M-5Y70的已然具备了超越酷睿i5-4300U的性能，而AtomZ3740D和其根本没有可比性。要知道，酷睿i5-4300U的TDP高达15W，但它却被TDP仅为4.5W的酷睿M-5Y70所超越，这足以体现出14nm酷睿M的不凡实力。
我们不妨试想一下，当有一款厚度不足9mm，重量只有600g，性能超越Surface Pro 3的Windows 8.1平板电脑摆在你面前时，你能不动心吗（图9）？此外，Broadwell-Y不仅限于10.1英寸或更大尺寸的平板电脑，往下它能塞入更迷你的8英寸平板电脑体内，往上它还能被用在类似MacBook Air的笔记本身上，而且它们都无需风扇散热，可以实现进一步的瘦身。面对如此性感的PC产品，你有没有跃跃欲试的冲动？

酷睿M平板/二合一的工程样机

看不见的续航改善
除了可以进一步帮助设备瘦身，并提供领先上代Haswell平台性能的前提下，酷睿M的另一个显著特点就是可大幅度延长设备的续航时间。在配备相同容量锂电池的Haswell与Broadwell-Y平板电脑的续航时间对比上，后者在常见应用环境下都可延长超过1小时的待机能力（表3）。当然，这也是意料之中的事情，毕竟酷睿M省去了风扇部件的额外耗电（图10），而且TDP也只有Haswell的1/3。

有了酷睿M，你再也不需要看到这个了

表3：两大平台Windows 8.1系统环境续航时间对比

不得不面对的挑战
作为“梦想之芯”，酷睿M可以为平板电脑或二合一设备带来翻天覆地的变化，但它现在也不得不面对一个尴尬的现实：产能。
英特尔很实在，公开表示过14nm是其迄今为止所面临过的最艰难挑战（图11），初期良品率极低，至今也才刚达到量产标准，预计2015年第一季度才能追上目前22nm处理器的产能水平。换句话说，目前英特尔14nm处理器正遭遇良品率和产能的双重限制，而这也是英特尔为什么仅在2014年首发超低功耗的酷睿M，而针对传统笔记本和台式机的14nm产品都延期到了2015年的原因。

换句话说，制约酷睿M迅速发展的首要因素就是成本。现阶段酷睿M处理器的采购成本约70美元～100美元，另外还必须支付60美元给微软，单就芯片方面的成本就已经超过了1000元人民币。可见，未来一个时期内基于酷睿M设计的产品不会很便宜，喜欢尝鲜的玩家还得掂量着点钱包的厚度。
小结
酷睿M可谓是“后PC时代”的风向标，它可以让传统笔记本、二合一设备、平板电脑同时具备超便携、高性能和长续航的三大优势。此外，由于酷睿M采用了更高集成度的SoC和PCBA，进一步降低的厂商端的研发门槛，这意味着它“有机会”像BayTrail-T一般，以公板工模的形式吸引深圳中小品牌加盟，如果真有那么一天，一款性能媲美Surface Pro 3，而价格却可能不足3000元的“高端”Windows 8.1就不再是梦想了。