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為什麽說 CPU 是人造物的巔峰?

2020-03-17數位

其他答主已經把CPU產品的精密性和壯闊性說得很充分了,圖例視訊都有,很完美。

我就從CPU對於行業驅動的角度來談談它為什麽是巔峰之作(至少是之一)吧。

先說說積體電路行業

行業裏討論最多的便是積體電路這玩意是怎麽想出來的,絕對的天外飛仙之舉,甚至認為是從UFO上面得到的靈感,反正矽是被稱為上帝的恩賜。

如果說電腦,電子管開創了我們所處的資訊時代,那麽積體電路就引領及推動了時代的飛躍,它的發展將房子般大小的電腦壓縮成了能揣進挎包的筆記本,把一年薪資才能買的電腦變成了一個月薪資便能隨便買的產物,變成了真正的生產力工具,推動著時代飛速向前,從1962年第一塊積體電路的套用到現在也就60年不到。

積體電路之與資訊時代,就等同於工業時代的蒸汽機和交流電,屬於引領並推動了時代發展的產物,半導體工業是集物理,化學,數學,光線,材料等現代科學之大成的產物。

積體電路產業略圖

因為「功耗墻」的原因 ,CPU的效能其實在2006年以前就已經到達了頻率的上限,直到現在不超頻也也很難見到單核超過5G的CPU,所以主要的前進方向還是架構的最佳化與創新之上,將CPU逐漸從過去的專用積體電路過渡到片上系統之上,由此帶來了對工藝,設計等多方面的進步。

對工藝的驅動:

CPU是芯片這個種類繁多的名錄下的一種,對大多數的芯片來說,比如一顆能賣幾萬甚至數十萬人民幣的工業級,軍用級專用積體電路,如ADI, TI, ST等巨頭的高速高精度AD/DA,鎖相環,頻率合成器,傳感器等等,其實用350nm,180nm就可以滿足要求了,完全沒必要追求什麽10nm, 7nm, 5nm,他們的工藝線調校及研發是為提高產品的模擬效能而存在的,而不是為要提高整合度服務的,所以對於工藝線的研發並不是特別激進,他們不把每一代制程壓榨到極限是不會輕易推進的。

而做CPU就不一樣了,必須要走在工藝研發的最前沿,很多突破性的技術,比如從70年代 intel的8080第一次將cmos技術商用量產開始,到深亞微米的起點130nm/90nm節點用到的low-k dielectric, 40nm/45nm出現的HKMG技術(High-k Metal Gate),8層+金屬堆疊技術,22nm節點出現的金屬線雙重/多重曝光技術,14nm開始的Finfet技術,鍺矽高遷移率溝道,再到未來3nm節點要用的GAA管技術,可以說都是被CPU競爭引發出來的研發需求給逼出來的, intel, TSMC,Samsung等廠商完成了這些技術從實驗室到量產的轉化,從而再促進新的研發驅動,形成很好的良性迴圈。。

MOS管的演化(圖自三星)
多層金屬堆疊技術及雙重曝光技術(圖自台積電)

對設計的推動:

CPU不僅僅是單純的邏輯電路,尤其是到了行動網際網路時代,PC/手機處理器已經逐漸的系統化,整合了大量的IP,GPU以及多種多媒體數模混合訊號/模擬/RF IP,比如鎖相環,AD/DA,USB,CODEC, SerDes, PA,記憶體等等,這些當年本來需要整合在PCB板(如電腦主機板)上形成系統的模擬芯片,現在被整合到了同一塊芯片之上,組成了片上系統(SOC,System on Chip),也帶動了並大大促進了模擬電路設計往奈米向的發展。

(PC/伺服器處理器主打高效能,手機處理器主打多功能,低功耗,所以從架構上看,PC要相對簡單一些。但設計難度來講,PC/伺服器 處理器可能更高。)

多個電壓域,頻率域的小系統整合在了指甲蓋大小的芯片之上,還能實作低功耗及完美相容, 這些現在看來並不矚目的東西,在10多年前的業內看來,很多都是不可能實作的東西。

Intel skylake 架構
Apple A11 架構
電路板級系統 到 片上系統(System on chip)

SOC的局限性在於,所有的IP必須要同一個制程,片上整合的研究於是帶來了封裝的進步,比如3D封裝,可以將不同制程下生產的,不同廠家生產的芯片封裝到一個管殼之內, 這就是SIP技術(System in package)(註意,這個不是PCB板),還有在未來幾年會特別火的chiplet(可以理解為SIP的進一步微觀化)。。。

Applewatch SIP解剖圖
Chiplet

CPU對積體電路而言,就是王冠上的那顆明珠。

最後,

積體電路的飛躍又驅動了全行業的革命,物聯網的套用,使得19世紀造的工業裝置插上21世紀科技的翅膀也不再是夢想,讓其在200年後依然能成為了工業2.0時代中的一員。

眾所周知,積體電路的發展目前已經到達了一個瓶頸,也許這個瓶頸會持續很久,但回望人類歷史,始終堅信,極限對於人類而言,就是用來超越的,一切瓶頸的突破都只是時間問題,未來可期。

(寫得匆忙,後面慢慢修正。謝謝。)