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5nm工艺问世，CPU工艺与性能是一种什么样的关系

电子工程专辑 · 公众号 · · 2020-01-07 11:56

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现在的工艺技术已经能达到5nm，下一步就是3nm。通常来说制程工艺越先进，芯片晶体管集成度越高，核心面积越小，成本越低，而性能会更强，不过这个说法是针对单一芯片而言的，如果放到全局来考虑就不一样了。

台积电、三星都宣布了5nm EUV工艺，据悉苹果明年的A14处理器就会用上5nm EUV工艺，再下一代可能就是3nm工艺了。

那么，CPU工艺越先进，它的性能是不是越好呢?

1978年Intel推出了第一颗CPU——8086，它采用3μm(3000nm)工艺生产，只有29000个晶体管，工作频率也只有5MHz。而现在晶体管数量最多的单芯片CPU应该是Intel的28核Skylake-SP Xeon处理器，它拥有超过80亿个晶体管，而频率最高的则是Core i9-9900K，最大睿频能到5GHz，他们都是用Intel的14nm工艺生产的。

Intel 14nm工艺在性能、功耗方面继续改进

CPU的生产是需要经过7个工序的，分别是：硅提纯，切割晶圆，影印，蚀刻，重复、分层，封装，测试，而当中的蚀刻工序是CPU生产的重要工作，也是重头技术，简单来说蚀刻就是用激光在硅晶圆制造晶体管的过程，蚀刻这个过程是由光完成的，所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键，它影响着在硅晶圆上蚀刻的最小尺寸，也就是线宽。

现在半导体工艺上所说的多少nm工艺其实是指线宽，也就是芯片上的最基本功能单位门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。

更先进半导体制造工艺另一个重要优点就是可以提升工作频率，缩减元件之间的间距之后，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，从而整个芯片的工作频率就上去了。

另外晶体管的尺寸缩小会减低它们的内阻，所需导通电压会降低，这代表着CPU的工作电压会降低，所以我们看到每一款新CPU核心，其电压较前一代产品都有相应降低。另外CPU的动态功耗损失是与电压的平方成正比的，工作电压的降低，可使它们的功率也大幅度减小。

另外同种工艺的概率也是相当重要的，Intel自2015年14nm工艺投产以来已经发展到了第三代，Intel一直在改进工艺，在不提升功耗的情况不断提升性能，14nm++工艺比初代14nm工艺性能提升26%，或者功耗降低52%。

实际上AMD Ryzen处理器现在所用的12nm工艺本质上也只是GlobalFoundries的14nm工艺的改良版，也就是原计划的14nm+，晶体管密度并没有提升，但在性能方面有所改善，最高工作频率提升了250MHz，而同频下Vcore下降了50mV。

总的来说半导体工艺是决定各种集成电路性能、功耗的关键，线宽的缩小晶体管密度得以提升从而降低了成本，其次就是晶体管频率提高，性能提升而功耗降低。

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