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为什么说 CPU 是人造物的巅峰?

2020-03-17数码

其他答主已经把CPU产品的精密性和壮阔性说得很充分了,图例视频都有,很完美。

我就从CPU对于行业驱动的角度来谈谈它为什么是巅峰之作(至少是之一)吧。

先说说集成电路行业

行业里讨论最多的便是集成电路这玩意是怎么想出来的,绝对的天外飞仙之举,甚至认为是从UFO上面得到的灵感,反正硅是被称为上帝的恩赐。

如果说计算机,电子管开创了我们所处的信息时代,那么集成电路就引领及推动了时代的飞跃,它的发展将房子般大小的计算机压缩成了能揣进挎包的笔记本,把一年工资才能买的计算机变成了一个月工资便能随便买的产物,变成了真正的生产力工具,推动着时代飞速向前,从1962年第一块集成电路的应用到现在也就60年不到。

集成电路之与信息时代,就等同于工业时代的蒸汽机和交流电,属于引领并推动了时代发展的产物,半导体工业是集物理,化学,数学,光线,材料等现代科学之大成的产物。

集成电路产业略图

因为「功耗墙」的原因 ,CPU的性能其实在2006年以前就已经到达了频率的上限,直到现在不超频也也很难见到单核超过5G的CPU,所以主要的前进方向还是架构的优化与创新之上,将CPU逐渐从过去的专用集成电路过渡到片上系统之上,由此带来了对工艺,设计等多方面的进步。

对工艺的驱动:

CPU是芯片这个种类繁多的名录下的一种,对大多数的芯片来说,比如一颗能卖几万甚至数十万人民币的工业级,军用级专用集成电路,如ADI, TI, ST等巨头的高速高精度AD/DA,锁相环,频率合成器,传感器等等,其实用350nm,180nm就可以满足要求了,完全没必要追求什么10nm, 7nm, 5nm,他们的工艺线调校及研发是为提高产品的模拟性能而存在的,而不是为要提高集成度服务的,所以对于工艺线的研发并不是特别激进,他们不把每一代制程压榨到极限是不会轻易推进的。

而做CPU就不一样了,必须要走在工艺研发的最前沿,很多突破性的技术,比如从70年代 intel的8080第一次将cmos技术商用量产开始,到深亚微米的起点130nm/90nm节点用到的low-k dielectric, 40nm/45nm出现的HKMG技术(High-k Metal Gate),8层+金属堆叠技术,22nm节点出现的金属线双重/多重曝光技术,14nm开始的Finfet技术,锗硅高迁移率沟道,再到未来3nm节点要用的GAA管技术,可以说都是被CPU竞争引发出来的研发需求给逼出来的, intel, TSMC,Samsung等厂商完成了这些技术从实验室到量产的转化,从而再促进新的研发驱动,形成很好的良性循环。。

MOS管的演化(图自三星)
多层金属堆叠技术及双重曝光技术(图自台积电)

对设计的推动:

CPU不仅仅是单纯的逻辑电路,尤其是到了移动互联网时代,PC/手机处理器已经逐渐的系统化,集成了大量的IP,GPU以及多种多媒体数模混合信号/模拟/RF IP,比如锁相环,AD/DA,USB,CODEC, SerDes, PA,存储器等等,这些当年本来需要集成在PCB板(如电脑主板)上形成系统的模拟芯片,现在被集成到了同一块芯片之上,组成了片上系统(SOC,System on Chip),也带动了并大大促进了模拟电路设计往纳米向的发展。

(PC/服务器处理器主打高性能,手机处理器主打多功能,低功耗,所以从架构上看,PC要相对简单一些。但设计难度来讲,PC/服务器 处理器可能更高。)

多个电压域,频率域的小系统集成在了指甲盖大小的芯片之上,还能实现低功耗及完美兼容, 这些现在看来并不瞩目的东西,在10多年前的业内看来,很多都是不可能实现的东西。

Intel skylake 架构
Apple A11 架构
电路板级系统 到 片上系统(System on chip)

SOC的局限性在于,所有的IP必须要同一个制程,片上整合的研究于是带来了封装的进步,比如3D封装,可以将不同制程下生产的,不同厂家生产的芯片封装到一个管壳之内, 这就是SIP技术(System in package)(注意,这个不是PCB板),还有在未来几年会特别火的chiplet(可以理解为SIP的进一步微观化)。。。

Applewatch SIP解剖图
Chiplet

CPU对集成电路而言,就是王冠上的那颗明珠。

最后,

集成电路的飞跃又驱动了全行业的革命,物联网的应用,使得19世纪造的工业设备插上21世纪科技的翅膀也不再是梦想,让其在200年后依然能成为了工业2.0时代中的一员。

众所周知,集成电路的发展目前已经到达了一个瓶颈,也许这个瓶颈会持续很久,但回望人类历史,始终坚信,极限对于人类而言,就是用来超越的,一切瓶颈的突破都只是时间问题,未来可期。

(写得匆忙,后面慢慢修正。谢谢。)