在自然的生长过程中探索芯片工艺制程多层次结构

  • 科研动态
  • 2024年12月15日
  • ,芯片有几层。从最初的0.35微米到0.25微米,再到0.18微米、0.13微米、90nm、65nm、45nm和32nm,以及14nm,后续还有10nm甚至7nm。在提高芯片工艺制程的过程中,大约需要缩小十倍的几何尺寸及功耗,才能达到更高的性能。苹果与台积电合作至宣布实现5nm芯片仅短短几个月时间,但真正的问题在于强调纳米级制程是否重要?

在自然的生长过程中探索芯片工艺制程多层次结构

,芯片有几层。从最初的0.35微米到0.25微米,再到0.18微米、0.13微米、90nm、65nm、45nm和32nm,以及14nm,后续还有10nm甚至7nm。在提高芯片工艺制程的过程中,大约需要缩小十倍的几何尺寸及功耗,才能达到更高的性能。苹果与台积电合作至宣布实现5nm芯片仅短短几个月时间,但真正的问题在于强调纳米级制程是否重要?

几乎人人都专注于较小的数字且在我们的意识中7nm比10nm或14nm更好,但真实情况比这一逻辑要复杂得多。

理论上而言,许多因素都在工艺制程上发挥作用。以7nm为例,更小的几何尺寸意味着每平方毫米有更多的晶体管,意味着更高的密度、时钟速度设计功耗以及更低晶体管电压。

台积电和英特尔命名法

看似相同但实际存在差别。台积电所称10NM对应于英特尔所称14NM,而台积电及其合作伙伴称之为7NM技术,在对于英特尔而言却是接近10NM。

大约18个月前,英伟达推出Nvidia Turing,该芯片是基于12NM制造。如果纳米是唯一度量标准,它就不应与大型Vega Radeon VII卡相抗衡。但事实并非如此,因为尽管英伟达在晶体管尺寸、电压和密度上都存在缺点,但仍设法提高了IPC(每周期执行指令)比率。架构对芯片成功起着关键作用。在12NM波长范围内获得了更好的性能的是AMD Navi,而AMD拥有最高功率Navi,这就意味着想要打败英伟达GPU工程高级副总裁Jonah Alben,是十分困难的事。

现在Nvidia Ampere已经是7纳米,一旦英伟达宣布推出消费类GPU,该如何与7NA制造的大型Navi GPU进行比较将会很有趣。在这种情况下两家公司制造几何尺寸相同,但终有一家的速度会更快。这一切都将取决于架构,使得栅极和模块能够在给定的晶体管数量和总功率下更快地运行工作负载。

预计苹果将于2020年9月发布5NA A13,而高通Snapdragon 875预计将使用相同工艺制程并于今年晚些时候(最有可能是在12月)发布。由于禁令华为可能被排除在采用5NA芯片之外。但通常情况下华为是第一批寻求最小晶体管客户之一。

由于手机设计受功耗限制,使得苹果朝向最小几何尺寸发展。而iPhone中的TDP2W也不是很多,这也是为什么苹果、高通和华为允许的情况下首先追求最小晶体管关键原因之一。

较小几何尺寸可以随着晶体管获得更多力量增加电池寿命,并且从几何学角度讲,可以同一表面放置更多晶体管。

过去,由於功率TDP限制,最早追求最小晶体.pipe公司為ATI/AMD與nVIDIA。一旦納米成為唯一標準,它就應該與Full HD 1920x1080 60 Hz分辨率相抗衡。不過情況並非如此,因為儘使nVIDIA 在幾個方面落後於其競爭對手,即可通過提高IPC比例來克服這些不足。此外,就算nVIDIA 在12 nm波長範圍內獲得較佳效能,那麼它仍然無法超越由Intel設計製造的大型Vega Radeon VII卡。

此刻已經發現一個新的現象:即使兩家公司使用相同製造技術,也會有不同的產品效能,這主要歸因於不同核心設計與架構優化。此外,由於市場需求改變,以及專利權問題等因素影響,這種趨勢將繼續演進。

總結來說,我們必須從宏觀視角去理解這個問題,並從各個層面進行深入分析。我們不能僅僅關注數字本身,而應該考慮整體技術發展趨勢以及市場動態,以便我們能夠準確預測未來發展方向,並作出適當決策。此外,我們還需要注意新興技術如AI、大数据等對傳統計算機硬件能力要求帶來的一系列挑戰及機遇,以便我們可以做出既符合當下的商業需求又具有遠見卓識的地方性調整。

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