重塑芯片工艺制程的传奇：从0.35微米到5纳米的无尽追求

在这个不断演进的故事中，芯片工艺制程从最初的0.35微米一路缩小至0.25微米，再进一步到达了0.18微米、0.13微米、90nm、65nm和45nm。随着时间的推移，我们见证了32nm和14nm这两个里程碑式数字，而现在，业界已经踏入了10nm甚至更小尺寸的地盘。在这一过程中，大约需要将几何尺寸缩小十倍，同时控制功耗，从而达到更高效能。

苹果与台积电合作的速度令人瞩目，他们宣布实现5nm芯片仅需短短几个月时间。但是，我们是否真的应该只关注纳米级别？几乎每个人都对较小数字充满热情，但在我们的意识中，7nm似乎比10nm或14nm要好。然而，现实复杂得多。

理论上讲，每个工艺制程都有其独特之处。以7nm为例，更小的几何尺寸意味着每平方毫米可以容纳更多晶体管，这直接导致更高密度、时钟频率、散热设计以及更低电压需求。

虽然看似相同的制程名称可能会存在差异，比如台积电所称的10NM对应于英特尔所称的14NM，而台积电及其伙伴们称之为7NM技术，在英特尔眼中却接近10NM。这就引出了一个问题：是否只有纳米级别才是衡量一切？

事实上，不同公司对于相同制造节点也有不同的解读。例如，就在最近，英伟达推出Nvidia Turing，该芯片使用的是台积電12納米制造技术。如果单纯依赖纳 米来判断，它不应该与大型Vega Radeon VII卡相抗衡。但实际情况并非如此，因为尽管英伟达在晶体管尺寸、电压和密度上存在不足，但仍然能够提高IPC（Instructions Per Clock）的比率。架构对芯片成功起到了关键作用。在12納米波长范围内，英伟达获得了更好的性能，而AMD则以其7納米波长上的Navi芯片取得最高功率，这表明想要超越英伟达GPU工程高级副总裁Jonah Alben设定的目标，是非常困难的事情。

现在，由于Nvidia Ampere已经进入了7納米，一旦他们宣布推出消费级GPU，那么如何与AMD下一代的大型Navi GPU进行比较，将会非常有趣。在这种情况下两家公司使用相同制造几何大小，但是终有一家的速度将会更加快捷。这一切都取决于架构，使得栅极和芯片模块能够在给定的晶体管数量和总功耗下运行得更加迅速。

预计苹果将于2020年9月发布5NM A13，而高通Snapdragon 875预计将采用相同工艺制程，并于今年晚些时候（最有可能是在12月）发布。由于禁令影响华为，他们可能被排除在采用5NM芯片之外，但通常情况下华为是第一个寻求最小晶体管客户之一。

手机设计受到功耗限制，因此苹果朝向最小几何尺寸发展。而iPhone中的TDP（Thermal Design Power，即热设计功耗）仅为2W，与笔记本电脑通过7至9W TDP进行被动冷却形成鲜明对比。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的一部分原因之一——因为较小几何尺寸可以使得晶体管获得更高功率，从而增加电池寿命，并且从几何学角度来说，可以在同一表面上放置更多晶体管。

过去，由於TDP限制，大部分ATI/AMD及Intel都是第一批追求最小时刻地图的人类。当GPU消耗尽可能多能源力去处理分辨率与帧速率时，它们变得尤为重要。此外，在AI及机器学习工作负载方面,GPU也扮演著关键角色，因為它們能處理大量數據並具有快速內部連結、高效能記憶體以及大量帶寬能力，這些都是CPU無法匹敵的地方。

CPU與晶體管神話

AMD Ryzen 3000系列因其使用的是台灣積體電路製造公司(TSMC) 的七奈未缪(7 nm) 制作技术闻名，其I/O部分则用的是十二奈未缪(12 nm) 制作技术。不过，对许多人来说，只要听到“Ryzen 3000”的名字，他们就会认为这是基于最新科技的一款产品。

第二代Ryzen 3000 XT预计将很快推出，并继续使用相同七奈未缯制作流程。而据 AMD 官方确认，其代号Vermeer（Ryzen 400）的Zen3 将发售，而且目前看来，将是在2021年之后。

图片来源来自 AMD 官网

從营销角度來看，有時候單純提到的工藝制程就是勝利標準。不過實際情況顯示，即便是一個較新技術，也不是沒有缺陷，比如Matisse 在遊戲與大多數單線工作負載中的表现并不佳，這反映了一個現實：即便技術進步迅速，但市場還是由傳統品牌主導，如今這種競爭對業界來說是一件好事，因為它促使各方改善產品質量。

移动笔记本市场

Intel 首先達成了 Ice Lake 上面的 10 奈未缯，然后他們又發現節能省電 Lakefield 的優點，並將會繼續進行第二代Lakefield 的開發。

AMD 也通過移動產品達成了七奈未缯製造，並於2021年宣布了一系列 Ryzen Mobile Solutions，以覆蓋從10至54W TPD市場。而 AMD Renoir 微体系结构則是一个巨大的进步，但它仍然无法胜过 Ice Lake 在绝大多数重要工作负载上的表现。

因此，无论如何，都必须让我们认识到，最终用户对于这些细节并不感兴趣，因为他们关心的是系统整体性能，以及系统能够提供多少游戏玩耍时间或者视频观看时光。如果你只是想写邮件或浏览图片，那么16核心也没有什么帮助。你甚至不能说还有16核就不会提升你的游戏性能，这一点尤其讽刺，因为人们经常为了得到这样的提升而购买新的硬件设备。

最后，我们必须承认竞争正在变得越来越激烈，对行业来说是一个幸运的事物。一切开始的时候 Intel 尚处领先地位，现在它们正逐渐把目标指向追求更少节点。这一趋势始于移动/笔记本电脑领域，现在正扩展到服务器市场，其中要求既包括强大的计算能力又包含足够的小巧性质。在未来不久，一款基于新架构但仍旧保持十四奈未缯生产标准的心智机器人核心产品即将问世，以此作为迎接挑战的一个开端，还有关于Sunny还是Willow Cove内核的问题，也很快就会得到答案—当Rocket Lake-S成为现实的时候。一切都会变成历史的一章，所以让我们一起期待那些即将发生的事情吧！