为什么不能把芯片的面积做大呢？_原创

为什么不能把芯片的面积做大呢？

牛叔科技 2020-09-22 15:53

我们首先要知道芯片工艺的提升代表的是什么？如果我们用显微镜来观察一枚芯片的话，芯片内部其实是由数十个甚至数百亿个晶体管所构成，而一款CPU之所以能够拥有运算能力和这些晶体管是息息相关的。

所以大家可以看到，每一代处理器的升级，芯片厂商都会着重的提到晶体管的数量，比如苹果最新发布的A14处理器的晶体管数量就从A13的85亿提升到了118亿，这就是工艺提升所带来的直接结果——晶体管数量的提升，而晶体管就是决定处理器综合算力的决定性因素之一。

每一个晶体管最重要的结构就是门电路，这些门电路说白了就是一个又一个的电路开关，而通过开关的闭合和放开（对应编程语言的0和1），从而实现各种门电路逻辑以处理不同的事件，常见的有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门。而目前我们常见到的所谓5nm，7nm等工艺说白了其实就是指每一个晶体管上门电路的宽度，门电路体积越小，晶体管的体积也就越小，单位体积内所能放下的晶体管数量也就越多，而工艺提升的本质就是降低门电路的宽度。

这么说可能有些枯燥，为了方便大家理解，我们把CPU的性能表现比作是一家工厂的产能，把晶体管比作是一条完整的产线，每一条产线都拥有一模一样的产能，把芯片的面积比作是工厂的占地面积。那么在其他因素排除的情况下，这家公司所拥有的产线越多其产能肯定也就越高，但是这家工厂的面积是无法提升的，那么如何在相同的厂房面积下放下更多的产线呢？答案就是降低产线的体积，而工艺提升的本质为了降低这些产线的体积而来。

而且工艺的提升所带来的好处还远不止如此。当晶体管缩小之后，晶体管之间的电容也会降低，晶体管的开关频率也得以提升，从而使整个芯片的工作频率就上去了，所以每一次工艺升级都伴随着处理器频率的提升，如下图所示，麒麟系列处理器的大核主频一代比一代高。

除此之外，晶体管体积降低之后还能有效地降低电流再通过他们时的内阻，提升了核心的能效比从而降低了整体的功耗，反应到我们消费者实际体验这方面就是芯片更省电而且发热更低了。所以芯片工艺的提升对于芯片总体实力的提升是非常巨大的，这一点也是毋庸置疑的。根据台积电的数据来看，5nm工艺相比于7nm可以将晶体管密度增加20％，而在同样密度和频率下功耗可降低10％，提升也是比较明显的。

芯片为什么不能做大？那么有人会问了，既然芯片的性能和晶体管的数量息息相关，那么为什么我们不能把芯片的面积做大呢？首先芯片做大确实有利于性能的提升，这是毫无疑问的，下图最左侧的就是当年民用领域面积最大的芯片——AMDThreadRipper 1950X，相比于其他芯片整整大了一大圈，性能当然也非常恐怖，但是价格也相当昂贵，当年的市售价格高达999美元（约合6750美元），性能强么？确实强，但是并不实用。

你能想到的芯片厂商都能想到，芯片不能做大是有很多原因的。首先是外部设备体积限制，就拿大家最常见的手机来说，其体积最大也就只有7英寸左右，再大就不方便携带了，那么在这种情况下芯片体积如果做得过大的势必会影响手机的体积和厚度，其结果往往是得不偿失的，大家思考一下，如果一款手机的尺寸和iPad差不多大你能接受么？估计绝大多数人都无法接受。

其次还有成本的问题，CPU的体积越大，消耗的硅晶圆，每一片晶圆所能产出的成品芯片的数量就越小，浪费也就越大。而且CPU的面积越大，其出现问题的概率也就越多（和公司越大问题越多是一个道理）良品率就越低，那么在这两个因素的共同影响下，芯片的体积做的越大成本会指数级的增长，这些成本的提升最终都会转嫁到消费者头上，那么你能接受么？