半導(dǎo)體的支持工藝和CPU的性能關(guān)系就大了,它關(guān)系到CPU內(nèi)能塞進(jìn)多少個(gè)晶體管,還有CPU所能達(dá)到的頻率還有它的功耗,1978年Intel推出了第一顆CPU——8086,它采用3μm(3000nm)工藝生產(chǎn),只有29000個(gè)晶體管,工作頻率也只有5MHz。
而現(xiàn)在晶體管數(shù)量最多的單芯片CPU應(yīng)該是Intel的28核Skylake-SP Xeon處理器,它擁有超過(guò)80億個(gè)晶體管,而頻率最高的則是Core i9-9900K,最大睿頻能到5GHz,他們都是用Intel的14nm工藝生產(chǎn)的。
Intel 14nm工藝在性能、功耗方面繼續(xù)改進(jìn)
CPU的生產(chǎn)是需要經(jīng)過(guò)7個(gè)工序的,分別是:硅提純,切割晶圓,影印,蝕刻,重復(fù)、分層,封裝,測(cè)試, 而當(dāng)中的蝕刻工序是CPU生產(chǎn)的重要工作,也是重頭技術(shù),簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)蝕刻就是用激光在硅晶圓制造晶體管的過(guò)程,蝕刻這個(gè)過(guò)程是由光完成的,所以用于蝕刻的光的波長(zhǎng)就是該技術(shù)提升的關(guān)鍵,它影響著在硅晶圓上蝕刻的最小尺寸,也就是線寬。
現(xiàn)在半導(dǎo)體工藝上所說(shuō)的多少nm工藝其實(shí)是指線寬,也就是芯片上的最基本功能單位門電路的寬度,因?yàn)閷?shí)際上門電路之間連線的寬度同門電路的寬度相同,所以線寬可以描述制造工藝。縮小線寬意味著晶體管可以做得更小、更密集,而且在相同的芯片復(fù)雜程度下可使用更小的晶圓,于是成本降低了。
更先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以提升工作頻率,縮減元件之間的間距之后,晶體管之間的電容也會(huì)降低,晶體管的開(kāi)關(guān)頻率也得以提升,從而整個(gè)芯片的工作頻率就上去了。
另外晶體管的尺寸縮小會(huì)減低它們的內(nèi)阻,所需導(dǎo)通電壓會(huì)降低,這代表著CPU的工作電壓會(huì)降低,所以我們看到每一款新CPU核心,其電壓較前一代產(chǎn)品都有相應(yīng)降低。另外CPU的動(dòng)態(tài)功耗損失是與電壓的平方成正比的,工作電壓的降低,可使它們的功率也大幅度減小。
另外同種工藝的概率也是相當(dāng)重要的,Intel自2015年14nm工藝投產(chǎn)以來(lái)已經(jīng)發(fā)展到了第三代,Intel一直在改進(jìn)工藝,在不提升功耗的情況不斷提升性能,14nm++工藝比初代14nm工藝性能提升26%,或者功耗降低52%。
實(shí)際上AMD Ryzen處理器現(xiàn)在所用的12nm工藝本質(zhì)上也只是GlobalFoundries的14nm工藝的改良版,也就是原計(jì)劃的14nm+,晶體管密度并沒(méi)有提升,但在性能方面有所改善,最高工作頻率提升了250MHz,而同頻下Vcore下降了50mV。
多年前Intel對(duì)自家半導(dǎo)體工藝的進(jìn)展預(yù)期,此處應(yīng)該有個(gè)滑稽的表情
總的來(lái)說(shuō)半導(dǎo)體工藝是決定各種集成電路性能、功耗的關(guān)鍵,線寬的縮小晶體管密度得以提升從而降低了成本,其次就是晶體管頻率提高,性能提升而功耗降低。
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原文標(biāo)題:CPU工藝與性能的關(guān)系探討
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