濃縮的都是精華:工藝製程對CPU性能的影響究竟有多大?

2020-12-06 MI好物君

「摩爾定律已死」這句話不知從何時起,如同一片碩大的陰雲,籠罩在全球半導體製造業的上空。

所謂的「摩爾定律」簡單來說就是:集成電路上所能容納下的元件數量,每18個月就會增加一倍。

近幾年該定律似乎已經失靈,一顆晶片上所能容納下的電晶體數量增長曲線開始放緩,甚至停滯,這讓視晶片製造工藝為命根子的各大處理器廠商感到一絲恐慌。

那問題就來了,晶片製造工藝究竟會對CPU整體性能產生多大影響呢?我們現在所看到的「7nm」「10nm」「14nm」對普通消費者而言究竟意味著什麼呢?今天咱們就來一起探討一下吧!

1.「納米」究竟是誰的尺寸?

咱們就以目前號稱「地表最強遊戲處理器」的i9-9900K為例,這顆小小的晶片上整整容納了32億根電晶體,這是什麼概念呢?假如將CPU放在高倍顯微鏡下,你看到的不是細菌,而是一片由電晶體組成的龐大海洋。

是不是感覺很嚇人?這就是目前CPU製造工藝所能達到的極限。大家可以將其理解為畫畫所用的畫筆粗細,倘若自己的筆頭很細,這意味著你在一張畫紙上所能繪製出的線條就越多。

在實際製造CPU的過程中,精度更高意味著電晶體的「溝道長度」會越小,我們一般稱其為柵極線寬,就拿MosFET(金氧半場效電晶體)為例,

其內部結構基本可以劃分為三個電極,即柵極、源極和漏極,其中柵極是控制電流的關鍵部位,並且是目前所能改動的唯一部位,我們平常所說的7nm、10nm這些數詞指的就是柵極線寬,它的大小也決定著電晶體整體的尺寸。

2.工藝對CPU的影響

最明顯的影響就是CPU功耗的銳減。剛才也提到了,柵極線寬是影響CPU電壓額關鍵部位,各位小夥伴應該還記得P=IV,也就是功率=電流x電壓這個公式吧?

電壓的控制會導致整體功耗的下降,同時降低晶片的發熱量。

其次是CPU的工作頻率會得到一定程度的提升,當晶片能夠塞下更多的電晶體之後,隨著內部元件間距的縮小,電晶體之間的電容也會降低,這使得電晶體「幹活兒更利索了」,單位時間內開關的頻率自然會隨之提升,一個電晶體是這樣,32億個又是如何呢?

這時候假如CPU的頻率再不增加就沒沒天理啦!

3.對廠商的好處

CPU製造工藝的提升對於廠商而言還有兩大好處,一是打廣告的時候多了一個噱頭,畢竟這玩意兒外行人不懂的話很容易被忽悠進去。二是製造成本的降低。

等等!不對呀,不是說各大半導體巨頭每年在工藝精度的提升上花了很多很多錢麼?怎麼又成降低成本了?

說到這個就又得繞回CPU的製造流程上了,咱們先不管一堆沙子是怎麼變成晶片的,大家知道為啥晶片是方形的麼?最野蠻粗暴的解釋就是機器好切割,切割?從哪裡切割?

從矽晶片上切,也就是我們所說的晶圓。當電晶體密度增加了之後,在CPU面積不變的情況下,一大塊兒晶圓能切割出的晶片就多了,從而使得出產的CPU在數量上獲得增加,這當然會減少成本嘍!

評論區恭候

正是基於以上這些原因,CPU的工藝提升才如此被人看中,但是它對CPU最終性能的提升並不是決定性的,只是諸多因素中的一環,大家對此又是如何認為的呢?

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