CPU工藝與性能是一種什麼樣的關係?
半導體的支持工藝和CPU的性能關係就大了,它關係到CPU內能塞進多少個晶體管,還有CPU所能達到的頻率還有它的功耗,1978年Intel推出了第一顆CPU— —8086,它採用3μm(3000nm)工藝生產,只有29000個晶體管,工作頻率也只有5MHz。
而現在晶體管數量最多的單芯片CPU應該是Intel的28核Skylake-SP Xeon處理器,它擁有超過80億個晶體管,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工藝生產的。
Intel 14nm工藝在性能、功耗方面繼續改進
CPU的生產是需要經過7個工序的,分別是:矽提純,切割晶圓,影印,蝕刻,重複、分層,封裝,測試, 而當中的蝕刻工序是CPU生產的重要工作,也是重頭技術,簡單來說蝕刻就是用激光在矽晶圓製造晶體管的過程,蝕刻這個過程是由光完成的,所以用於蝕刻的光的波長就是該技術提升的關鍵,它影響著在矽晶圓上蝕刻的最小尺寸,也就是線寬。
現在半導體工藝上所說的多少nm工藝其實是指線寬,也就是芯片上的最基本功能單位門電路的寬度,因為實際上門電路之間連線的寬度同門電路的寬度相同,所以線寬可以描述製造工藝。縮小線寬意味著晶體管可以做得更小、更密集,而且在相同的芯片複雜程度下可使用更小的晶圓,於是成本降低了。
更先進半導體製造工藝另一個重要優點就是可以提升工作頻率,縮減元件之間的間距之後,晶體管之間的電容也會降低,晶體管的開關頻率也得以提升,從而整個芯片的工作頻率就上去了。
另外晶體管的尺寸縮小會減低它們的內阻,所需導通電壓會降低,這代表著CPU的工作電壓會降低,所以我們看到每一款新CPU核心,其電壓較前一代產品都有相應降低。另外CPU的動態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重要的,Intel自2015年14nm工藝投產以來已經發展到了第三代,Intel一直在改進工藝,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%。
實際上AMD Ryzen處理器現在所用的12nm工藝本質上也只是GlobalFoundries的14nm工藝的改良版,也就是原計劃的14nm+,晶體管密度並沒有提升,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對自家半導體工藝的進展預期,此處應該有個滑稽的表情
總的來說半導體工藝是決定各種集成電路性能、功耗的關鍵,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。