淺談關(guān)于CPU的架構(gòu)和工藝(2)

大規(guī)模集成電路

 (4個月前寫的)上篇介紹了關(guān)于CPU性能兩個重要指標之一的架構(gòu),過了這么久,也應該把第二篇,關(guān)于CPU的工藝(制程)的相關(guān)內(nèi)容補全,兩篇結(jié)合起來作為一篇「科普文」來供大家一起探討。
 其實在書寫這篇之前沒有什么思路,因為「工藝」這部分的專業(yè)性較強,應該屬于電子信息類的范疇,比如有個高大上的專業(yè)叫做「微電子學與固體電子學」就是專門研究VLSI(Very Large Scale Integration)的。我所學專業(yè)為電氣信息類(電氣工程及其自動化),更偏強電一些,只接觸一些必備的電子技術(shù)基礎(模擬部分與數(shù)字部分,當然只是很淺顯的進行了學習)。說來也巧,寒假時候買了一本書《電的旅程》,這本書詳細的介紹了電子、電力的發(fā)展過程,也給我一些啟發(fā),看完這本書,對人類駕馭電子的歷史過程有了初步的認識。那好,不如趁熱打鐵,多看幾本關(guān)于處理器書來完整知識;不如現(xiàn)學現(xiàn)賣,再以學習筆記的形式記下所學所想。

二 CPU的工藝

首先開宗明義:無論是CPU還是GPU或是其他芯片,更優(yōu)秀的工藝都是性能提高的重要條件。當一個芯片能借助新工藝容納更多的晶體管時,就能實現(xiàn)更多的功能和更強大的性能,同時也會有更低的功耗與發(fā)熱量。回憶上篇內(nèi)容對于架構(gòu)的知識,可以發(fā)現(xiàn)無論架構(gòu)設計的再合理,缺少優(yōu)秀工藝都難以發(fā)揮芯片的應有性能。反之,優(yōu)秀的工藝卻能在很多時候彌補芯片設計上的不足。

2.1 0與1

我們知道,計算機特別笨,它只認識數(shù)字0和1,即我們所說的二進制:

  • 電子線路的電平是高狀態(tài)時表示 1
  • 電子線路的電平是低時狀態(tài)表示 0

那我們在電路中也很方便表示,如果電路導通便稱之為1,電路斷開就為0。這些0和1不斷的組合,就成為了機器語言。而計算機進行運算,需要N多個開關(guān)組合起來,經(jīng)過組合排列形成邏輯電路,這個邏輯電路越復雜,基本的線路越多,它可以實現(xiàn)的功能就越強大。因此,雖然計算機特別笨,只認識「0」與「1」,但是經(jīng)過硬件上的排列和軟件上的設計,它就卻可以實現(xiàn)對人類來說很多繁重的計算任務了。
 了解了基本原理,那如何在電路上實現(xiàn)開關(guān)功能呢?我們先從熟知的ENIAC說起。

2.1.1 ENIAC

ENIAC
 ENIAC的全稱是Electronic Numerical Integrator And Calculator,即電子數(shù)字積分計算機,我們經(jīng)常在IT基礎課上聽到他的名字,畢竟是世界上的第一臺計算機嘛。他體積不小,僅僅用了17468枚真空三極管,500多萬個焊點,重30噸,耗電量160kW,它在當時的計算能力也是令人咋舌,每秒可以進行500次計算!不過在現(xiàn)在的人看來,他的計算能力甚至不值一提,因為現(xiàn)在一臺平常家用計算機中的微處理器性能就能達到每秒100多億次運算,但是耗電量平均只有300W不到!也就是說,計算性能提升了200萬倍,耗電量下降到了1/500!
 從最初的電子計算機到現(xiàn)在僅僅用了60年的時間,到底是是什么讓性能的提升如此顯著?功勞最大的當然要數(shù)從真空管到晶體管再到VLSI的電路技術(shù)的進步,下面我們就要介紹,這令人驚嘆的電子時代

2.1.2 駕馭電子:從真空電子到固態(tài)電子再到……

CPU的發(fā)展經(jīng)歷了真空管、晶體管、IC和LSI(Large Scale Integration)、VLSI幾個時代。總體來說,CPU性能的不斷提升得益于人類對于駕馭電子能力的不斷進步,也是人類對材料科學、半導體技術(shù)方面研究越來越深入的實際表現(xiàn)。

  • 第一代:真空管(1957年以前)
    德福雷斯特與真空三極管
     時間回溯到20世紀初,弗萊明發(fā)明了二極管。沒過幾年,德福雷斯特在對二極管的研究基礎上,發(fā)明了真空三極管。真空三極管(triode)擁有用電子訊號控制“開關(guān)”的性能,極適合用于高速執(zhí)行數(shù)字型的邏輯及算數(shù)運算,我們可以用真空三極管來控制電路的導通與斷開,繼而形成邏輯電路。具備了理論基礎和物質(zhì)基礎,ENIAC的誕生也就是順理成章的啦。
     真空管是個抽成真空的玻璃管,陰極產(chǎn)生電子飛向施加了高電壓的陽極,并利用陰極和陽極之間設置的細網(wǎng)格狀電極控制電子的流量。電子管的開閉切換速度為微秒級。但是,真空管的陽極需要施加數(shù)百伏的高電壓,因此耗電量巨大,而且壽命也不是特別長。不過在當時,相較于之前的機械開關(guān)的什么巴比奇差分機,人們已經(jīng)對這個小東西構(gòu)成的計算機十分的「依賴」啦。
  • 第二代:晶體管(1958 - 1963年)
    第一個晶體管
     隨著駕馭電子能力的進一步增強,同時半導體技術(shù)也突飛猛進,科學家終于可以在固態(tài)電子方面大施拳腳了。在極富盛名的貝爾實驗室,三位偉大的科學家蕭克萊(William Shockley)、約翰·巴頓(John Bardeen)和沃特·布拉頓(Walter Brattain)在1947年發(fā)明了晶體管(Bipolar transistor)。相較于真空三極管,晶體管在體積、壽命、制作工藝上都有極大的優(yōu)勢。由晶體管構(gòu)成的計算機更小、更省電,同時運算速度也大幅度的提高。并且因為半導體材料相較于氣體來說,科學家更容易控制。隨著科學家對半導體研究的進一步深入,純度和工藝越來越好,晶體管的壽命與穩(wěn)定性也越來越受到一些芯片廠商的青睞。
  • 第三代:集成電路(IC、LSI)(1964 - 1969年)
    世界第一個集成電路
     之前的電路還是分立元件構(gòu)成,也就是在PCB(印刷電路板)把三極管、二極管焊接起來構(gòu)成芯片。IC的發(fā)明卻依賴于來自中國的神秘力量,德州扒雞公司(大霧),其實是德州儀器(TI)公司的杰克·基爾比(Jack Kilby)啦,他在鍺半導體芯片上生成了三極管等多個元件,并在元件之間用細金屬連線連接,從而形成了集成電路。
     優(yōu)勢是明顯的!之前由分立元件構(gòu)成的100cm2印刷電路板,在集成電路上只需要1mm2的芯片就可以實現(xiàn)相同的功能。至此,LSI將芯片技術(shù)領進了一個新的時代,下面的VLSI與LSI的界限并沒有那么清晰,只是VLSI作為商家的噱頭來說,更加能吸引消費者吧!
    指尖上的IC
  • 第四代:大規(guī)模集成電路(1970年以后)
     固態(tài)電子的不斷發(fā)展,從晶體管的基礎上,人們又繼續(xù)研究出了FET(場效應晶體管,F(xiàn)ield-Effect Transistor),與傳統(tǒng)的晶體管相比,控制方式由電流變成了電壓,在FET的柵極上加上合適的電壓,就可以控制電流。在FET中,一種叫做MOSFET(金屬-氧化物半導體場效應晶體管,Metal-Oxide-Semiconductor FET),MOSFET構(gòu)造簡單,在一塊IC上的集成密度比三極管還要高,終于,經(jīng)過四代的發(fā)展,「舊時王謝堂前燕」的IC通過VLSI工藝,可以飛入尋常百姓家了!
    Intel4004

     1971年,Intel4004這個劃時代產(chǎn)品出現(xiàn),它使用MOSFET集成電路技術(shù),采用了10μm工藝,集成了2300個MOSFET,別看他這么小,和祖宗ENIAC的計算能力不相上下。25年,ENIAC從30噸越跑越小,最后搖身一變進到3mm*4mm的硅芯片中,功率甚至只有不到1W!

2.1.3 兩個定律

2.1.3.1 摩爾定律(Moore's Law)

在越來越小的集成電路上放入越來越多晶體管是科學家們不斷追求的目標,Intel的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GordonMoore)在1965年提出一個理論:當價格不變時,集成電路上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔18個月翻兩倍以上。 


摩爾定律 - 1
摩爾定律 - 2

 如今摩爾定律已經(jīng)過去50年了,集成電路的發(fā)展準確的沿著摩爾定律預測的那樣前進,不過,在未來幾年,摩爾定律有要失效的趨勢,為什么呢?我們先看下面這個定律。

2.1.3.1 縮放定律(Dennard scaling)

1974年,IBM公司被譽為內(nèi)存之父的羅伯特·登納德(Robert Dennard)MOS晶體管的尺寸與運行速度 耗電量之間的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn),如果將尺寸和電源電壓減半,MOS晶體管的切換速度將提高兩倍,耗電量則降至1/4。我們同時也可以發(fā)現(xiàn),如果將尺寸減半,可以將半導體芯片的面積減至1/4,或者在同樣的面積下制造4倍的晶體管。

2.1.4 一個問題

了解了摩爾定律以后,我們或許會想到,芯片在以后會不會尺寸無限小但性能卻可以趕超天河二號了呢?恐怕沒那么簡單,我們看一個CMOS反相器。

CMOS電路
 簡單分析一下原理,CMOS反相器在靜止時不會產(chǎn)生電流耗費能量,僅在切換狀態(tài)時就會有充放電電流,消耗能量為1/2CV2焦耳(C為寄生電容,V為核心電壓)。這些電能最后都成為了熱量需要散發(fā)出去,主頻越高,晶體管的數(shù)量越多,那么產(chǎn)生的熱量便越多,給處理器散熱的壓力也就越大。在45nm、32nm、22nm的工藝進化過程中,每次進化C值都會提高1.4倍左右,因此,假設每次進化,同樣芯片面積上的核心數(shù)加倍,而其他部分不變的話,耗電量就會每次進化增加1.4倍。對于高性能處理器,耗電量帶來的熱能限制了時鐘頻率的提高,對于移動設備而言,電池技術(shù)在沒有技術(shù)突破的現(xiàn)有條件下,耗電量較大顯然不是一個好消息。
 當工藝不斷進化,還有一個客觀事實不可以忽略,由縮放定律表明,C和F(頻率)增加必然導致V的降低,這才能抑制耗電量的上升。剛才我們談到CMOS數(shù)字電路在靜止狀態(tài)下不會消耗電能,而其實實際上即使在截止條件下,三極管也會有極其微弱的漏電流,從而緩慢的消耗電能。電源電壓減去閾值電壓小于一定程度時,這時候的漏電流已經(jīng)無法忽視了。那我們就心生疑問了,這可怎么辦?難道之前提出的那個問題,摩爾定律還會延續(xù)他的神奇嗎?帶著問題,我們繼續(xù)往下看。

2.2 沙子的逆襲

上面一節(jié)都是關(guān)于工藝的前期準備知識,應該能初步了解計算機通過很多的晶體管構(gòu)成的集成電路來完成工作的過程,也就是模擬電路器件構(gòu)成數(shù)字電路,來完成預定的任務的過程。上一節(jié)都是對于模擬電路中科學家駕馭電子過程的介紹,下面我們具體到一塊CPU,看看不同的工藝,對CPU的性能究竟有什么影響。

2.2.1 做個CPU吧

如果問及CPU的原料是什么,大家都會輕而易舉的給出答案—是硅。這是不假,但硅又來自哪里呢?其實就是那些最不起眼的沙子。難以想象吧,價格昂貴,結(jié)構(gòu)復雜,功能強大,充滿著神秘感的CPU竟然來自那根本一文不值的沙子。當然這中間必然要經(jīng)歷一個復雜的制造過程才行。不過不是隨便抓一把沙子就可以做原料的,一定要精挑細選,從中提取出最最純凈的硅原料才行。試想一下,如果用那最最廉價而又儲量充足的原料做成CPU,那么成品的質(zhì)量會怎樣,你還能用上像現(xiàn)在這樣高性能的處理器嗎?接下來的工序簡單帶過:對硅化學提純、整形、溶化硅原料,然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器。為了達到高性能處理器的要求,整塊硅原料必須高度純凈,及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出,此時一個圓柱體的硅錠就產(chǎn)生了。

intel工廠的晶圓
 下一個步驟就是將這個圓柱體硅錠切片,切片越薄,用料越省,自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑,之后檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質(zhì)量檢驗尤為重要,它直接決定了成品CPU的質(zhì)量。新的切片中要摻入一些物質(zhì)而使之成為真正的半導體材料,而后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。準備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個感光層。
 2010年最先進的半導體最小尺寸到了22nm,要形成如此細微的線路,只能利用ArF(氟化氬)紫外線激光像銀鹽照相那樣再硅晶圓上進行刻制。ArF激光的波長位193nm,其半波長96.5nm就相當于筆尖。要用它刻出22nm的線路,就像用1mm的自動鉛筆繪制0.3的線一樣,幾乎是不可能的事。現(xiàn)在通過在鏡頭和硅晶圓之間充滿春水,將實際波長縮短到3/4左右,再加上各種其他技術(shù),盡管能勉強達到要求,但已經(jīng)是極限了。
 不斷的追求工藝進步,就能在相同的硅晶圓里面刻出更多的基本電路。 
 如果想看CPU的制作過程,請看下面的鏈接!

2.2.2 什么是CPU的工藝?

首先說一下,這一部分我只是粗略的了解,大部分內(nèi)容是源自參考書和知乎,如果想詳細了解,請查閱相關(guān)教材\參考書!

2.2.2.1 什么是CPU的工藝?

那么到底什么是工藝呢?我查了不少資料,可以總結(jié)如下:半導體制程指的是制造芯片的工廠在硅晶圓上可以制造出的MOSFET的最小溝道長度。制程越先進(即這個長度越小),說明這個工廠就擁有更先進的光刻設備來制造這么小的晶體管(晶體管是用光刻在硅晶圓上的)。也就是我們經(jīng)常在前面說到的,長度越小,可以排布在芯片上的元器件就可以更多,綜合之前我們談到的知識(縮放定律),縮減元器件之間的距離之后,晶體管之間的電容也會更低,從而提升它們的開關(guān)頻率。

CPU的截面圖

 當然,工藝越先進,意味著在硅晶圓可以放下更多的元器件。組件越小,同一片晶圓可切割出來的芯片就可以更多。即使更小的工藝需要更昂貴的設備,其投資成本也可以被更多的晶片所抵消。總結(jié)先進的工藝優(yōu)點如下:

  • 性能提高(切換速度提高即主頻升高)
  • 單位晶體管的成本降低
  • 耗電量下降
     這三個優(yōu)點對于芯片設計生產(chǎn)者和消費者來說,好處是顯而易見的。可是,工藝要進步,即便是有摩爾定律的加持,可在最近幾年也是困難重重,因為隨著工藝的提高,硅晶圓在光刻蝕的過程中,也漸漸的力不從心,比方說良品率下降這個最顯著的問題。
2.2.2.2 什么是CPU的制程?

制程
 CPU制程指的是MOS管實際制造結(jié)束時的柵級引線寬度,也就是柵級多晶硅的寬度。
 當然,實際中源極和漏極會有少量延伸到柵級下面,所以源極和漏極的實際分隔距離小于柵級寬度。這個有效分開距離被稱為有效溝道長度,對晶體管而言是最重要的參數(shù)。不過這個參數(shù)很難測量,所以一般直接用柵級引線寬度來比較不同的工藝。因此我們常常以閘極長度來代表半導體制程的進步程度,這就是所謂的“制程線寬”。閘極長度會隨制程技術(shù)的進步而變 小,從早期的 0.18μm、0.13μm,進步到 90nm、65nm、45nm、22nm,再到目前最新制程 10nm。
 隨著制程的進步,帶來了非常多的好處,同時,也會帶來很多問題。接下來就說說i3 i5 與 i7處理器和制程進步一些有趣的問題。(背景音樂響起,intel的等等~~~~~~~~~)

2.2.3 i3 i5 與 i7

打開京東,到CPU品類里發(fā)現(xiàn),i3要賣700多,i7要賣2000多,咋差這么些錢呢?同一代的處理器,在工藝和架構(gòu)上都差不多啊,有區(qū)別主要是在核心數(shù)、主頻、緩存大小上,好吧,差了這么多你說忍了,買,畢竟2000多就是壕好好,肯定比那i3高到不知道哪里去了!可是,如果我告訴你,其實,i3、i5其實都(曾經(jīng))是i7的話呢?你會不會去炸了intel的老窩呢?好吧,其實應該這么說:i3,i5只是閹割版的i7

未成品的處理器
 數(shù)字電路設計過程并生產(chǎn)之前,是不區(qū)分i7,i5或者i3的,只是光刻蝕的流程是不完美的,有可能某些該連著刻開了,很多該刻開的地方?jīng)]有刻開,導致每一個小器件體質(zhì)難免有差異比如:第四個核心不能用;頻率升到3GHz 以后掛掉;比如它在緩存功能上有缺陷(這種缺陷足以導致絕大多數(shù)的CPU癱瘓)等等。這時候,扔掉太浪費!那該怎么版呢?合理的做法就是將“壞區(qū)”隔離起來,只用其中能用的地方,并鎖定在安全的頻率下工作,屏蔽掉一些緩存容量,降低了性能,當然也就降低了產(chǎn)品的售價。
 也有一種辦法,就是給處理器增加冗余塊。處理器增加了冗余塊,芯片面積會變成9/8倍,但整體面積會降到0.62倍,因此能節(jié)省38%的成本。
 所以說,700多的i3和2000多的i7其實是一個成本……不過,又說明個問題,體質(zhì)好的人就是比體質(zhì)差的的人要受歡迎啊:)

2.3 展望未來

蘋果A7芯片的截面圖

 1971年的第一片微處理器Intel 4004使用了大約2300個晶體管,而2010年的微處理器集成了大約幾億甚至十幾億個晶體管。40年中的VLSI中集成的元件數(shù)目增加了數(shù)十萬甚至上百萬倍。那以后呢?似乎半導體工藝已經(jīng)進入了瓶頸,工藝的發(fā)展還會在高速公路上向前快速行駛嗎?

2.3.1 一個答案

正如摩爾定律預測的那樣,芯片工藝在不斷進步,同樣尺寸的芯片上塞入了越來越多的元件,可又受到縮放定律的限制,漏電流再也無法忽視了,這是由于CMOS的固有物理特性決定了,想要繼續(xù)沿著摩爾定律預測向前進的話,必須在半導體工藝上有所突破,就像前幾代那樣。那么,現(xiàn)在是什么支撐摩爾定律的呢?其中的一個答案就是使用FinFET封裝

FinFET的鰭片結(jié)構(gòu)
 FinFET稱為鰭式場效晶體管(FinField-EffectTransistor;FinFET)是一種新的互補式金氧半導體(CMOS)晶體管。閘長已可小于25nm。該項技術(shù)的發(fā)明人是加州大學伯克利分校的胡正明教授。Fin是魚鰭的意思,F(xiàn)inFET命名根據(jù)晶體管的形狀與魚鰭的相似性。FinFET的架構(gòu)中,閘門成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu),可于電路的兩側(cè)控制電路的接通與斷開。這種設計可以大幅改善電路控制并減少漏電流(leakage),也可以大幅縮短晶體管的閘長。

FinFET - 1

FinFET - 2

FinFET - 3

FinFET - 4

 FinFET實際上就是當時英特爾大力宣傳的“3D晶體管”,從技術(shù)角度來看,F(xiàn)inFET將原本扁平、薄而不可靠的漏極和源極之間的連接“豎立”起來,在另一個維度上變相增加了厚度(或者面積),使得晶體管在繼續(xù)縮小后還能夠有比較好的性能表現(xiàn)。在使用了FinFET后,原本比較令人煩惱的漏電電流得到了有效控制,同時還帶來了很多優(yōu)秀特性,比如使用更低電壓即可驅(qū)動、晶體管可承受電流上限也更高等。
 采用FinFET封裝的目前可以繼續(xù)讓摩爾定律成功的預測下去,并且以后還有更多的辦法,但是不得不承認的是,現(xiàn)在工藝的提升已經(jīng)沒有之前那樣的飛速了。


未來的摩爾定律

2.3.2 Tick-Tock

在上一篇我們談到了Intel公司著名的「Tick-Tock」戰(zhàn)略,也就是分別在奇數(shù)年和偶數(shù)年來更新架構(gòu)和工藝。Intel大概是在十年前提出的,依靠這個已經(jīng)領先競爭對手好幾代,不過現(xiàn)在,最近在公司文檔中廢止了“Tick-Tock”的芯片發(fā)展周期,從下一代10納米制程CPU開始,英特爾會采用“制程-架構(gòu)-優(yōu)化”(PAO)的三步走戰(zhàn)略
 在發(fā)展到14nm制程時,Intel已經(jīng)“力不從心”,最新一代架構(gòu)Skylake的發(fā)布時間比預料晚半年。當進入10nm制程后,原本的芯片周期已經(jīng)無法適應每年發(fā)布一代CPU,Intel必須延長每一代制程的生命周期,也就是說每一代制程將沿用3年,共發(fā)布3代CPU。10nm制程還將面臨芯片制造的難題,因為10nm僅僅相當于20個硅原子寬度。Intel在文檔中表示,優(yōu)化芯片制程和架構(gòu)將維持每年發(fā)布一代CPU的市場需求。
 不知道Intel到底是因為競爭對手不給力(AMD:我還會做PPT!),還是戰(zhàn)略有意為之,還是真的在工藝制程上出現(xiàn)了瓶頸,作為科技愛好者或者是消費者,也可以隱約的感到,相較于架構(gòu),工藝的「軍備競賽」已經(jīng)逐漸降溫了。

2.4 談談其他

2.4.1 臺積電(TSMC)
TSMC

 臺灣積體電路制造公司(TSMC,Taiwan Semiconductor Manufacturing Company),是臺灣一家半導體制造公司,成立于1987年,是全球第一家、以及最大的專業(yè)集成電路制造服務(晶圓代工)企業(yè)。寶島灣灣在20世紀80年代末期,由于傳統(tǒng)工業(yè)收到了嚴重的局限,在當時臺灣地區(qū)領導人蔣經(jīng)國的指示下,臺灣要大力發(fā)展半導體工業(yè),此時,TSMC就應運而生了。
制作現(xiàn)場

 之前我們介紹了,很多芯片廠商通過對架構(gòu)的改進,繪制與設計集成電路,而生產(chǎn),需要交付給有能力生產(chǎn)的廠家去。臺積電專門性的對芯片設計顧客提供最佳生產(chǎn)制造服務,因為自己沒有產(chǎn)品,對所有顧客都沒有直接利益沖突。臺積電不需要設計市場上瞬息萬變的芯片產(chǎn)品,只要把精力集中在提供最先進的制造技術(shù)與服務上,以靜制動。打個比方,芯片設計者就像是書的作者,內(nèi)容及表達技巧才是一本書的精華。而芯片生產(chǎn)商就是書籍印刷廠,只有將書稿發(fā)給印刷廠來印制,才能將想表達的東西實現(xiàn)。
 隨著摩爾定律的演變,晶體管越變越小,但硅晶圓則越來越大,每一片硅晶圓上可容納更多芯片,因為可降低每片芯片的成本。但是,掌握這個技術(shù)的公司并不多,我們現(xiàn)在了解的只有臺積電、三星、Intel等等,因為這個行業(yè)的前期投資非常大,只有良性循環(huán)的企業(yè)才能生存下來。
 所以之前有人提出,世界上其實只需要3家芯片廠和他們的產(chǎn)品就夠了:英特爾的微處理器、韓國三星的DRAM內(nèi)存、以及臺積電的晶圓代工,來生產(chǎn)所有其他公司的設計。

2.4.2 蘋果6s的處理器

在蘋果6s發(fā)布會后,果粉和科技人士都高潮了,不僅是因為又可充值信仰了,而是因為6s并沒有和6長的沒什么不同!開玩笑的。
 在蘋果6s上搭配了最新的A9處理器,當時科技新聞標題如下:「iPhone 6S A9處理器稱霸全球!安卓集體崩潰」「號稱秒80%桌面PC:蘋果A9系列達到桌面級」「主流手機CPU跑分對比:蘋果A9單核默默全秒殺」。看起來一切悲壯,除了高通驍龍810不給力以外,只能贊嘆蘋果在處理器設計上的登峰造極了。
 不過當6s發(fā)售,消費者紛紛拿到最新的6s手機時,一個爭議出現(xiàn)了,好像分了兩個廠家代工6s啊,分別是三星和臺積電,按道理說制程差不多、架構(gòu)一樣,好像在實際表現(xiàn)上差了很多呢?下面一起來看看。
 「A9臺積電完爆三星!iPhone 6S現(xiàn)大范圍退貨潮」,這是當時的標題,問題出在哪?

iPhone 6S A9處理器上有兩個版本,一個是出自臺積電,而另外一個是三星,前者基于16nm制程,而后者則是14nm制程,由于工藝上的不同,導致它們性能、續(xù)航上有了不同。
A9處理器的不同,讓iPhone 6S的表現(xiàn)也不一樣,如果性能上的差距還能忍受的話,那么續(xù)航上的不同,則是用戶最難受的,畢竟這是硬傷。
不少國外網(wǎng)友紛紛在Reddit上曬出的自己的實測成績,即同樣設置、使用情況下,搭載臺積電A9的iPhone 6S續(xù)航要比三星A9長近兩個小時。

A9 - 2

A9 - 2
2.4.3 安迪-比爾定律

安迪是原英特爾公司 CEO 安迪·格魯夫(Andy Grove),比爾就是微軟的創(chuàng)始人比爾·蓋茨。在過去的二十年里,英特爾處理器的速度每十八個月翻一番,計算機內(nèi)存和硬盤的容量以更快的速度在增長。但是,微軟的操作系統(tǒng)等應用軟件越來越慢,也越做越大。所以,現(xiàn)在的計算機雖然比十年前快了一百倍,運行軟件感覺上還是和以前差不多。而且,過去整個視窗操作系統(tǒng)不過十幾兆大小,現(xiàn)在要幾千兆,應用軟件也是如此。雖然新的軟件功能比以前的版本強了一些,但是,增加的功能絕對不是和它的大小成比例的。因此,一臺十年前的計算機能裝多少應用程序,現(xiàn)在的也不過裝這么多,雖然硬盤的容量增加了一千倍。更糟糕的是,用戶發(fā)現(xiàn),如果不更新計算機,現(xiàn)在很多新的軟件就用不了,連上網(wǎng)也是個問題。而十年前買得起的車卻照樣可以跑。安迪-比爾定理,即比爾要拿走安迪所給的。
 What Andy gives, Bill takes away.

我想大家肯定也有這樣的感覺,電腦越用越慢、手機越用越卡。這就是這定律最真實的體現(xiàn)咯。

1997年安迪·格魯夫成為當年的時代人物

 2016年3月21日,安迪·格魯夫離我們而去了,R.I.P.

2.4.4 量子力學

不懂量子力學,只是引用一位網(wǎng)友的回復,拋磚引玉。

單原子大小工藝?小編無知就不要瞎說。聽說過量子力學嗎?知道隧道效應嗎?幾納米下隧道效應已經(jīng)夠明顯了,這種情況下,“1”有很大的概率變成“0”,晶體管就變得不穩(wěn)定。這就是現(xiàn)在摩爾定律失靈的原因。以前18個月集成度翻一翻,現(xiàn)在呢?

2.5 后記

寫作的感覺只有一個就是,累。不斷的查資料,并且還要綜合、總結(jié)。蹲坑的時候在反復看,下課的時候在反復看,有時候有了靈感抓緊寫下來,還要不斷修改、不斷刪改,說來也搞笑,居然做夢也在寫寫寫。
 不過終于寫完了,覺得好輕松。在Deadline之前完成了,當作給自己的生日禮物吧!
 當然,寫的肯定還是漏洞百出,希望大家可以多多給予批評和意見!謝謝大家!

2.6 一些感想

計算機發(fā)展的如此快,最重要的就是芯片發(fā)展的速度遠遠的超過了其他方面的發(fā)展速度。而芯片之所以可以發(fā)展的這么快,硅谷發(fā)揮的作用功不可沒。不管是因為美國政府或者是軍方在這方面肯投資,更多的是美國給科學家創(chuàng)造了一個優(yōu)良的環(huán)境,讓他們可以專心于自己的工作,如前文所說,發(fā)展的速度快也就是順理成章了。基礎物理、材料物理、材料科學、半導體科學等等等,需要社會有一個好的大環(huán)境來讓這些方面的科學家沉下心來專心于自己的研究方向,有時候我也在想,我們的貝爾實驗室會出現(xiàn)在哪里呢?我們的硅谷出現(xiàn)在哪里呢?又是一個問題,希望十年后、二十年后我可以再來寫一篇blog,給出一個答案。
------------------------分割線------------------------

若需轉(zhuǎn)載,請留言或聯(lián)系我!請尊重勞動成果!
本文援引了很多的數(shù)據(jù)、觀點、資料,若有侵權(quán),立刪!
部分參考資料:
書籍:
《電的旅程:探索人類駕馭電子的歷史過程》(張大凱)湖南科技出版社
《浪潮之巔》(吳軍)電子工業(yè)出版社
《支撐處理器的技術(shù):永無止境地追求速度的世界》(Hisa Ando,李劍 譯)電子工業(yè)出版社 本文很多資料都出自于此,五星推薦!
視頻:
CPU的制造過程(Intel Chip with 22nm 3D Transistors):
http://v.youku.com/v_show/id_XNjIxNTgyNTQ4.html
網(wǎng)絡:
難道上帝的電腦慢了?
http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309403958723717545653
CPU 的摩爾定律是不是因為 10 納米的限制已經(jīng)失效了?10 納米之后怎么辦?:
https://www.zhihu.com/question/26446061
如果芯片工藝發(fā)展不能滿足摩爾定律,是否會引發(fā) IT 界的一場創(chuàng)新?:
https://www.zhihu.com/question/22225070
CPU 每一代之間的差距體現(xiàn)在什么地方?:
https://www.zhihu.com/question/22365274
Intel i3 和 i7 的成本差是多少?如果成本相當,為什么不全生產(chǎn) i7 呢?:
https://www.zhihu.com/question/23919992
工藝架構(gòu)雙雙逆襲 AMD下代顯卡搶先看!:
http://cniti.com/index.php/article/index/id/14772/viewall/1
Tick-Tock終結(jié):Intel宣布3年更新一次制程:
http://news.mydrivers.com/1/475/475221.htm
臺積電:20nm輸?shù)舻籽?16nm秒殺三星!:
http://news.mydrivers.com/1/450/450666.htm
A9臺積電完爆三星!iPhone 6S現(xiàn)大范圍退貨潮:
http://news.mydrivers.com/1/450/450950.htm
iPhone 6S芯片門?蘋果自己設計有問題:
http://news.mydrivers.com/1/453/453138.htm
FinFET是什么? 移動14nm戰(zhàn)斗正式開始:
http://news.imobile.com.cn/articles/2015/0303/151149.shtml
解析CPU制造全過程:如何由一堆沙變成集成電路:
http://tech.163.com/07/0709/09/3IUVDJF6000926PT.html
為何14nm芯片更強?科普淺談“制程工藝”:
http://network.pconline.com.cn/579/5797876.html

寫作環(huán)境

手稿 -1

手稿 -2

最后編輯于
?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
平臺聲明:文章內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))由作者上傳并發(fā)布,文章內(nèi)容僅代表作者本人觀點,簡書系信息發(fā)布平臺,僅提供信息存儲服務。

推薦閱讀更多精彩內(nèi)容