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为什么cpu制程工艺非要追求7nm、5nm甚至2nm,为什么要追求这么小?
这个道理很简单,单位面积内,制程工艺越小,能放的东西就越多。从CPU的角度来看,就是制程工艺越小,单位面积内可以放入的晶体管数量就越多。
现代的CPU,都是朝着速度快,体积小的方向去发展的。为什么呢,因为现在的移动设备已经成为市场的主体,而这些移动设备是不可能给你太大的空间去放CPU。还有个人电脑,在追求速度的前提下,也是希望能够在CPU上尽可能多的放入晶体管,以此来提高其运算速度。特别是现在的一体机,笔记本电脑,平板电脑的流行,更加剧了这种趋势。
不要忘了IT领域著名的摩尔定律,就是根据英特尔创始人摩尔的经验来看,集成电路内,可以容纳的晶体管数量,在大约每经过24个月,就会增加一倍。简单来说,就是处理器的性能每隔两年就会翻一倍。既然摩尔定律指出了晶体管数量的增加速度,那么在面积不变的情况下,只能是让晶体管的制程工艺尽量缩小了,这也是制造CPU公司的科技实力的体现。
所以,理论和现实都向我们表明,制造CPU的公司,设计和生产CPU的时候,在其竞争压力的驱使下,只能不断加大芯片研发的投入,以此来缩小CPU的制程工艺。只有不断的缩小CPU的制程工艺,生产CPU的企业才能符合市场的需求,才能符合消费者的需求,让自身在激烈的芯片市场竞争中,立于不败之地。
芯片本质上是一个集成电路,制程工艺越小,在同样面积上集成的电路越复杂,电路的性能就越强,这就是人类在制程技术上越走越远的原因。
集成电路
集成电路(IC,Integrated Circuit),就是把一定数量的常用电子元件,如电阻、电容、晶体管等,以及这些元件之间的连线,通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。
1947年美国贝尔实验室制造出世界上第一个晶体管,为集成电路的发明奠定了基础。人类第一块集成电路是美国德州仪器公司(TI)在1958年研制成功的,从此人类进入了集成电路时代。
迄今为止,集成电路的发展已经历经了小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits)、中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits)、大规模集成电路(Large ScaleIntegrated circuits)、超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)、特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits)。
摩尔定律
摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。
从摩尔定律可以看出,芯片的性能取决于芯片中集成的元器件(晶体管)的数目。电路中晶体管的数量越多,电路对电流的逻辑控制能力也就越强,芯片的可实现的功能就越多越强大。
芯片制程
从上文内容可以看出,晶体管是芯片中最核心的部分,下图为晶体管的机构示意图:
晶体管由源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate)三部分组成。电流从源极流向漏极,栅极可以控制源极和漏极间电流的通断;栅极的宽度决定了电流通过时的损耗。
制程就是指晶体管中栅极的最小宽度,以5nm芯片为例:5nm芯片就是指该芯片中晶体管的栅极最小宽度为5nm。
芯片制造过程中,制程技术越小,晶体管的体积和横截面积就越小,同样体积的芯片内部可容纳的晶体管数量也就越多。
总结:人类对制程技术的不懈追求,其根本目的是为了追求更高性能的芯片。制程越小,芯片的运算性能就越强大,同时功耗也越小。带来最直接的好处就是电脑、服务器和其他大型设备性能提升的同时能耗变小、手机的续航能力越强。
在回答问题之前先科普一下CPU制程中的7nm、5nm是什么?
这里的7nm就是7纳米,代表着制程工艺。在整个芯片电路中,晶体管的栅极是最窄的线条,7nm,5nm工艺中的7nm,指的是晶体管的栅极宽度,通常也认为是晶体管导电沟道的长度,比如7nm指的就是栅极宽度。
可能很多人对纳米这一长度单位没有概念,简单换算一下,1cm(厘米)=10毫米,1厘米大概有多长呢?一个指甲盖都比这还长。然后1mm(毫米)=100万纳米,所以大家觉得,在5nm制程下,指甲盖大小的芯片上有150亿左右晶体管是不是很恐怖了。
那为什么要追求更小的制程工艺?
去年上半年发布的芯片基本上都是7nm,然后到了年底,基本上都过渡到了5nm工艺,大家可以看到,在性能、功耗等方面均有不同程度的提升,除此之外,还有更多好处,这也是为什么大家都这么执着于制程工艺的突破,想进到3nm,甚至1nm的制程工艺。
以麒麟980为例,这是7nm工艺,当时集成了69亿个晶体管;然后是7nmEUV时代的麒麟990,集成了103亿个晶体管;到了今年5nm的麒麟9000,晶体管直接升级到153亿个。如果从980到9000来看,5nm制程带来的提升已经翻了一倍不止。
所以单从数量来看,这种数量的暴增就可以带来直观的性能提升,这就是我们所说的堆料,非常简单粗暴,但却异常有效。
为什么CPU(特别是智能手机的SoC)制程工艺非要不断追求7nm、5nm、2nm,甚至还要更小呢?那还不是因为你!
我们每个人对于手机的要求都在不断的提高:更高的性能、更长的待机时间、更轻的重量、更薄的体积、更多的功能、更大的存储容量、更强悍的拍照性能。你是否也是这样?那么既然你有这么多的要求,手机厂商当然就要更加努力的去满足你。
要达到这些要求最关键的一个核心部件,那就是CPU。在手机上更是因为要求苛刻,而以集成更多模组于一个SoC芯片上优佳。对这个CPU(SoC)本身的要求,那就是性能更强、功能更多、耗电还要更低、芯片体积也要更小,这就是要不断追求更小的制程工艺的根本原因。因为制程工艺越小,意味着同样的体积下,芯片可以容纳更多的晶体管、内部的连接距离也更短、耗电量相比也可以更小。
所以,只要我们还在追求更好的手机,就意味着CPU(SoC)要继续追求更低的7nm、5nm甚至2nm的制程工艺。本文附图是华为今年横扫智能手机市场的麒麟SoC三件套:麒麟990、麒麟985、麒麟820,连移动芯片大佬高通都不得不叹服华为这强大的芯片梯队,可见更先进的制程工艺和更高的集成度,确实重要。
结论:正是我们对于手机各种持续不断的、更高的苛刻要求,不断推动CPU的制程工艺更小。
cpu制程工艺非要追求7nm、5nm甚至2nm,为什么要追求这么小?这就跟胖子、瘦子、小孩的饭量是一个道理。
体量越大所要占用的空间就越大、消耗就越大,吃的饭也就越多;
体量越小所要占用的空间就越小,消耗也越小,吃的饭也就越少;
如下图:胖子一顿要5碗米饭,瘦子一顿要2碗米饭,小孩一顿1碗米饭都会觉得多了。
1946年世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学大学诞生,使用了18800个真空管,长50英尺,宽30英尺,占地1500平方英尺,重达30吨,大约是一间半的教室大,六只大象那么重。并且ENIAC只能用于科学计算不能用作其他用途。
现在,微软的Surface Pro X平板电脑,长287毫米,宽208毫米,厚7.3毫米,并且带了WiFi、蓝牙、摄像头、触摸屏、陀螺仪等设备。方寸大小的CPU内就集成了几百亿个晶体管,能够实现各种各样的人机交互操作。
第一台电脑ENIAC由18800个真空管、6万个电阻器,1万个电容器、1500多个继电器和6000个开关组成。ENIAC每小时耗电量超过150千瓦,相当于1500只100W灯泡同时点亮后的耗电总量,这个是相当惊人的耗电量,为此还专门配备了一台30吨重的冷却设备。
现在,手机只有巴掌大,却[_a***_]了一颗强劲的CPU,配备了移动网络、陀螺仪、触摸屏、卫星定位、摄像头等设备。仅需要一块几千毫安的电池,就可以待机好几天。我们可以通过巴掌大的手机上网、 购物、看视频、玩游戏、移动支付等等。
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