06-17 14:34

半導體的支援工藝和CPU的效能關係就大了，它關係到CPU內能塞進多少個電晶體，還有CPU所能達到的頻率還有它的功耗，1978年Intel推出了第一顆CPU——8086，它採用3μm(3000nm)工藝生產，只有29000個電晶體，工作頻率也只有5MHz。

而現在電晶體數量最多的單晶片CPU應該是Intel的28核Skylake-SP Xeon處理器，它擁有超過80億個電晶體，而頻率最高的則是Core i9-9900K，最大睿頻能到5GHz，他們都是用Intel的14nm工藝生產的。

Intel 14nm工藝在效能、功耗方面繼續改進 CPU的生產是需要經過7個工序的，分別是：矽提純，切割晶圓，影印，蝕刻，重複、分層，封裝，測試， 而當中的蝕刻工序是CPU生產的重要工作，也是重頭技術，簡單來說蝕刻就是用鐳射在矽晶圓製造電晶體的過程，蝕刻這個過程是由光完成的，所以用於蝕刻的光的波長就是該技術提升的關鍵，它影響著在矽晶圓上蝕刻的最小尺寸，也就是線寬。 現在半導體工藝上所說的多少nm工藝其實是指線寬，也就是晶片上的最基本功能單位閘電路的寬度，因為實際上閘電路之間連線的寬度同門電路的寬度相同，所以線寬可以描述製造工藝。縮小線寬意味著電晶體可以做得更小、更密集，而且在相同的晶片複雜程度下可使用更小的晶圓，於是成本降低了。 更先進半導體制造工藝另一個重要優點就是可以提升工作頻率，縮減元件之間的間距之後，電晶體之間的電容也會降低，電晶體的開關頻率也得以提升，從而整個晶片的工作頻率就上去了。 另外電晶體的尺寸縮小會減低它們的內阻，所需導通電壓會降低，這代表著CPU的工作電壓會降低，所以我們看到每一款新CPU核心，其電壓較前一代產品都有相應降低。另外CPU的動態功耗損失是與電壓的平方成正比的，工作電壓的降低，可使它們的功率也大幅度減小。另外同種工藝的機率也是相當重要的，Intel自2015年14nm工藝投產以來已經發展到了第三代，Intel一直在改進工藝，在不提升功耗的情況不斷提升效能，14nm++工藝比初代14nm工藝效能提升26%，或者功耗降低52%。

實際上AMD Ryzen處理器現在所用的12nm工藝本質上也只是GlobalFoundries的14nm工藝的改良版，也就是原計劃的14nm+，電晶體密度並沒有提升，但在效能方面有所改善，最高工作頻率提升了250MHz，而同頻下Vcore下降了50mV。多年前Intel對自家半導體工藝的進展預期，此處應該有個滑稽的表情。

總的來說半導體工藝是決定各種積體電路效能、功耗的關鍵，線寬的縮小電晶體密度得以提升從而降低了成本，其次就是電晶體頻率提高，效能提升而功耗降低。

“摩爾定律已死”這句話不知從何時起，如同一片碩大的陰雲，籠罩在全球半導體制造業的上空。

所謂的“摩爾定律”簡單來說就是：積體電路上所能容納下的元件數量，每18個月就會增加一倍。

近幾年該定律似乎已經失靈，一顆晶片上所能容納下的電晶體數量增長曲線開始放緩，甚至停滯，這讓視晶片製造工藝為命根子的各大處理器廠商感到一絲恐慌。

那問題就來了，晶片製造工藝究竟會對CPU整體效能產生多大影響呢？我們現在所看到的“7nm”“10nm”“14nm”對普通消費者而言究竟意味著什麼呢？今天咱們就來一起探討一下吧！

1.“奈米”究竟是誰的尺寸？

咱們就以目前號稱“地表最強遊戲處理器”的i9-9900K為例，這顆小小的晶片上整整容納了32億根電晶體，這是什麼概念呢？假如將CPU放在高倍顯微鏡下，你看到的不是細菌，而是一片由電晶體組成的龐大海洋。是不是感覺很嚇人？這就是目前CPU製造工藝所能達到的極限。大家可以將其理解為畫畫所用的畫筆粗細，倘若自己的筆頭很細，這意味著你在一張畫紙上所能繪製出的線條就越多。

在實際製造CPU的過程中，精度更高意味著電晶體的“溝道長度”會越小，我們一般稱其為柵極線寬，就拿MosFET（金氧半場效電晶體）為例，

其內部結構基本可以劃分為三個電極，即柵極、源極和漏極，其中柵極是控制電流的關鍵部位，並且是目前所能改動的唯一部位，我們平常所說的7nm、10nm這些數詞指的就是柵極線寬，它的大小也決定著電晶體整體的尺寸。

2.工藝對CPU的影響

最明顯的影響就是CPU功耗的銳減。剛才也提到了，柵極線寬是影響CPU電壓額關鍵部位，各位小夥伴應該還記得P=IV，也就是功率＝電流x電壓這個公式吧？

電壓的控制會導致整體功耗的下降，同時降低晶片的發熱量。

其次是CPU的工作頻率會得到一定程度的提升，當晶片能夠塞下更多的電晶體之後，隨著內部元件間距的縮小，電晶體之間的電容也會降低，這使得電晶體“幹活兒更利索了”，單位時間內開關的頻率自然會隨之提升，一個電晶體是這樣，32億個又是如何呢？

這時候假如CPU的頻率再不增加就沒沒天理啦！

3.對廠商的好處

CPU製造工藝的提升對於廠商而言還有兩大好處，一是打廣告的時候多了一個噱頭，畢竟這玩意兒外行人不懂的話很容易被忽悠進去。二是製造成本的降低。

等等！不對呀，不是說各大半導體巨頭每年在工藝精度的提升上花了很多很多錢麼？怎麼又成降低成本了？

說到這個就又得繞回CPU的製造流程上了，咱們先不管一堆沙子是怎麼變成晶片的，大家知道為啥晶片是方形的麼？最野蠻粗暴的解釋就是機器好切割，切割？從哪裡切割？

從矽晶片上切，也就是我們所說的晶圓。當電晶體密度增加了之後，在CPU面積不變的情況下，一大塊兒晶圓能切割出的晶片就多了，從而使得出產的CPU在數量上獲得增加，這當然會減少成本嘍！

正是基於以上這些原因，CPU的工藝提升才如此被人看中，但是它對CPU最終效能的提升並不是決定性的，只是諸多因素中的一環，大家對此又是如何認為的呢？

半導體的支援工藝和CPU的效能關係就大了，它關係到CPU內能塞進多少個電晶體，還有CPU所能達到的頻率還有它的功耗，1978年Intel推出了第一顆CPU——8086，它採用3μm(3000nm)工藝生產，只有29000個電晶體，工作頻率也只有5MHz。

而現在電晶體數量最多的單晶片CPU應該是Intel的28核Skylake-SP Xeon處理器，它擁有超過80億個電晶體，而頻率最高的則是Core i9-9900K，最大睿頻能到5GHz，他們都是用Intel的14nm工藝生產的。

Intel 14nm工藝在效能、功耗方面繼續改進

CPU的生產是需要經過7個工序的，分別是：矽提純，切割晶圓，影印，蝕刻，重複、分層，封裝，測試， 而當中的蝕刻工序是CPU生產的重要工作，也是重頭技術，簡單來說蝕刻就是用鐳射在矽晶圓製造電晶體的過程，蝕刻這個過程是由光完成的，所以用於蝕刻的光的波長就是該技術提升的關鍵，它影響著在矽晶圓上蝕刻的最小尺寸，也就是線寬。

現在半導體工藝上所說的多少nm工藝其實是指線寬，也就是晶片上的最基本功能單位閘電路的寬度，因為實際上閘電路之間連線的寬度同門電路的寬度相同，所以線寬可以描述製造工藝。縮小線寬意味著電晶體可以做得更小、更密集，而且在相同的晶片複雜程度下可使用更小的晶圓，於是成本降低了。

更先進半導體制造工藝另一個重要優點就是可以提升工作頻率，縮減元件之間的間距之後，電晶體之間的電容也會降低，電晶體的開關頻率也得以提升，從而整個晶片的工作頻率就上去了。

另外電晶體的尺寸縮小會減低它們的內阻，所需導通電壓會降低，這代表著CPU的工作電壓會降低，所以我們看到每一款新CPU核心，其電壓較前一代產品都有相應降低。另外CPU的動態功耗損失是與電壓的平方成正比的，工作電壓的降低，可使它們的功率也大幅度減小。

另外同種工藝的機率也是相當重要的，Intel自2015年14nm工藝投產以來已經發展到了第三代，Intel一直在改進工藝，在不提升功耗的情況不斷提升效能，14nm++工藝比初代14nm工藝效能提升26%，或者功耗降低52%。

實際上AMD Ryzen處理器現在所用的12nm工藝本質上也只是GlobalFoundries的14nm工藝的改良版，也就是原計劃的14nm+，電晶體密度並沒有提升，但在效能方面有所改善，最高工作頻率提升了250MHz，而同頻下Vcore下降了50mV。

多年前Intel對自家半導體工藝的進展預期，此處應該有個滑稽的表情。

總的來說半導體工藝是決定各種積體電路效能、功耗的關鍵，線寬的縮小電晶體密度得以提升從而降低了成本，其次就是電晶體頻率提高，效能提升而功耗降低

製造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發展，密度愈高的IC電路設計 ，意味著在同樣大小面積的IC中，可以擁有密度更高、功能更復雜的電路設計。 微電子技術的發展與進步，主要是靠工藝技術的不斷改進，使得器件的特徵尺寸不斷縮小，從而整合度不斷提高，功耗降低，器件效能得到提高。晶片製造工藝在1995年以後，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90奈米、65奈米一直髮展到目前最新的5奈米，而3奈米的製造工藝將是下一代CPU的發展目標。 提高處理器的製造工藝具有重大的意義，因為更先進的製造工藝會在CPU內部整合更多的電晶體 ，使處理器實現更多的功能和更高的效能；更先進的製造工藝會使處理器的核心面積進一步減小，也就是說在相同面積的晶圓上可以製造出更多的CPU產品，直接降低了CPU的產品成本

限制CPU頻率的一個主要物理限制條件是：主頻與訊號在電晶體之間傳輸的延遲成反比，所以電晶體密度越大,時鐘頻率越高，而這個也是在2003年之前，半導體行業透過提升CPU工藝可以有效提升CPU頻率。