用新的思維方式看待芯片工藝制程

芯片的制程從最初的0.35微米到0.25微米，后來又到0.18微米、0.13微米、90nm、65nm、45nm、32nm和14nm。在提高芯片工藝制程的過程中，大約需要縮小十倍的幾何尺寸及功耗，才能達(dá)到10nm甚至7nm。從蘋果與臺(tái)積電合作到宣布實(shí)現(xiàn)5nm芯片只有短短幾個(gè)月的時(shí)間，但真正的問題在于，強(qiáng)調(diào)納米級(jí)制程真的重要嗎？

幾乎人人都專注于較小的數(shù)字且在我們的意識(shí)中7nm比10nm或14nm更好，但真實(shí)情況比這一邏輯要復(fù)雜的多。

理論上而言，許多因素都在工藝制程上發(fā)揮作用。以7nm為例，更小的幾何尺寸意味著每平方毫米有更多的晶體管,意味著更高的密度、時(shí)鐘、散熱設(shè)計(jì)功耗以及更低的晶體管電壓。

臺(tái)積電和英特爾命名法

看似相同的制程可能也存在差別。臺(tái)積電所稱的10nm對(duì)應(yīng)于英特爾所稱的14nm，臺(tái)積電及其合作伙伴稱之為7nm的技術(shù)在對(duì)于英特爾而言卻是接近10nm。

大約18個(gè)月前，英偉達(dá)推出Nvidia Turing，該芯片是臺(tái)積電12nm芯片。如果納米是唯一的度量標(biāo)準(zhǔn)，它就不應(yīng)與大型Vega Radeon VII卡相抗衡。當(dāng)然，情況并非如此，因?yàn)楸M管英偉達(dá)在晶體管尺寸、電壓和密度上都存在缺點(diǎn)，但仍設(shè)法提高了IPC的比率。架構(gòu)對(duì)芯片的成功起著關(guān)鍵的作用。英偉達(dá)在12nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得了更好的性能，而AMD在7nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)擁有最高功率的Navi芯片，這就意味著，想要打敗英偉達(dá)GPU工程高級(jí)副總裁Jonah Alben ，是十分困難的。

Nvidia Ampere現(xiàn)在是7納米，一旦英偉達(dá)宣布推出消費(fèi)類GPU，該如何與7nm制造的AMD下一代大型Navi GPU進(jìn)行比較將會(huì)很有趣。在這種情況下，兩家公司的制造幾何尺寸相同，但終有一家的速度會(huì)更快。

這一切都將取決于架構(gòu)，使得更好的柵極和芯片模塊能夠在給定的晶體管數(shù)量和總功率下更快地運(yùn)行工作負(fù)載。

預(yù)計(jì)蘋果將于2020年9月發(fā)布5nm A13，而高通Snapdragon 875預(yù)計(jì)將使用相同的工藝制程并于今年晚些時(shí)候（最有可能在12月）發(fā)布。由于禁令，華為可能會(huì)被排除在采用5nm芯片之外，但通常情況下，華為是第一批尋求最小晶體管的客戶之一。

由于手機(jī)設(shè)計(jì)受功耗的限制，使得蘋果朝著最小的幾何尺寸發(fā)展。iPhone中，芯片的TDP為2W。相比之下，筆記本電腦可能仍然會(huì)通過7至9W TDP進(jìn)行被動(dòng)冷卻。2W TDP不是很多，這也是為什么蘋果、高通和華為在允許的情況下首先追求最小的晶體管的關(guān)鍵原因之一。

較小的幾何尺寸可以隨著晶體管獲得更高的功率而增加電池壽命，并且從幾何學(xué)上講，可以在同一表面上放置更多的晶體管。

過去，由于功率TDP的限制，ATI / AMD和英偉達(dá)是最早追求最小晶體管的公司。GPU可能會(huì)消耗盡可能多的電量，因?yàn)榭偸切枰叩姆直媛屎蛶俾?。例如，?0Hz時(shí)4K 3840x2160分辨率是Full HD 1920x1080 60 Hz的四倍，計(jì)算需求是之前的4倍，而到了8K，其計(jì)算需求將比Full HD高四倍，即4倍4K或16倍。

GPU被用于AI和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的原因之一是它們能夠處理大量數(shù)據(jù)且具有快速的內(nèi)部互連、快速的內(nèi)存和大量的帶寬。

CPU與晶體管的神話

代號(hào)為Matisse的AMD Ryzen 3000系列以7nm 臺(tái)積電制造而聞名，盡管該芯片的I / O部分以12nm制造。事實(shí)上，該芯片的重要組成部分不是7nm，但是幾乎每個(gè)人都將其CPU稱為7nm。I / O控制器包括雙通道DDR4內(nèi)存控制器、PCI Express gen 4.0，集成南橋。南橋部分單獨(dú)負(fù)責(zé)兩個(gè)SATA 6 Gbps端口、四個(gè)USB 3.1gen 2端口、LPCIO（ISA）和SPI（用于UEFI BIOS ROM芯片）。

第二代Ryzen 3000（稱為Ryzen 3000 XT）將在大約兩周內(nèi)交付，并使用相同的7nm工藝制程。A經(jīng)AMD證實(shí)，其代號(hào)為Vermeer（Ryzen 4000）的Zen 3將在2020年

推出，目前看來，將在今年晚些時(shí)候推出。

圖片源自AMD官網(wǎng)

僅從營(yíng)銷上所提及工藝制程上看，英特爾最新的臺(tái)式機(jī)芯片Comet Lake – S為14nm，考慮到英特爾的14nm主要對(duì)應(yīng)于TSMC的10nm，所以Ryzen 3000 Matisse處理器將更具優(yōu)勢(shì)，但是Matisse在游戲和每時(shí)鐘指令都很重要的大多數(shù)單調(diào)工作負(fù)載中表現(xiàn)不佳，AMD在諸如內(nèi)核數(shù)量更多的渲染等工作負(fù)載中勝出。Ryzen 9 3950X有16個(gè)內(nèi)核，并且在渲染上曾擊敗過的Core i9 10900K（10內(nèi)核）解決方案。

營(yíng)銷策略在這里起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)槭聦?shí)上，有一定比例的人使用渲染，但是在營(yíng)銷中，關(guān)鍵在于誰獲得了最高的CineBench分?jǐn)?shù)。對(duì)于最終用戶答復(fù)電子郵件，編寫文檔以及觀看圖片和Netflix而言，16核也起不了多少作用。尤其諷刺的是，再多的內(nèi)核也無法提升游戲性能。

與英特爾的Comet Lake-S相比，AMD的XT處理器可能會(huì)提高單線程和游戲性能，但預(yù)計(jì)英特爾將隨著Rocket Lake-S的發(fā)展采用新架構(gòu)。關(guān)于X86架構(gòu)中Alder Lake異步大小核心方法的第一個(gè)傳聞，聽起來具有開創(chuàng)性。

移動(dòng)筆記本電腦市場(chǎng)

英特爾首先在Ice Lake上達(dá)到10nm，現(xiàn)在追求節(jié)能省電的Lakefield，很快就會(huì)出現(xiàn)第二代10nm + Tiger Lake。

AMD憑借其移動(dòng)產(chǎn)品達(dá)到7nm制程并于2020年宣布了一系列Ryzen 3至9筆記本電腦解決方案，覆蓋10至54W TPD市場(chǎng)。對(duì)于AMD而言，7 nm雷諾阿（Renoir）微體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)巨大的進(jìn)步，但在大多數(shù)重要工作負(fù)載上，它仍然無法勝過Ice Lake。

AMD將會(huì)繼續(xù)改善，但是10nm以上的Tiger Lake的初步跡象以及其可以在AAA級(jí)游戲（如《戰(zhàn)地風(fēng)云5》）中以1080P運(yùn)行得很好的事實(shí)將給AMD筆記本電腦的研發(fā)工作帶來更多壓力。Tiger Lake已經(jīng)贏得了50多個(gè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)項(xiàng)。

最重要的是，它使用了新的Willow Cove CPU內(nèi)核，可以更好地針對(duì)AI和當(dāng)今的工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化。

因此，筆記本電腦中Intel的10nm優(yōu)于7nm AMD解決方案，證明了7nm只是臺(tái)積電的一個(gè)看起來不錯(cuò)的數(shù)字。

尷尬的是，7nm的第二代Ryzen不能擊敗Comet Lake – S，這是14nm的一個(gè)巨大改進(jìn)，但具有普通Skylake DNA的歷史已經(jīng)超過五年。英特爾找到了一種優(yōu)化5GHz以上的晶體管、工作負(fù)載和時(shí)鐘的方法，這足以幫助它們?cè)诖蠖鄶?shù)游戲和單線程應(yīng)用程序中獲勝。

目前的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，英特爾甚至讓AMD喘不過氣來，對(duì)業(yè)界而言是一個(gè)好現(xiàn)象。在合理的情況下，英特爾似乎逐漸將目標(biāo)指向追求更小的節(jié)點(diǎn)。這一目標(biāo)始于移動(dòng)/筆記本電腦，現(xiàn)在在功率和密度起著重要作用的服務(wù)器市場(chǎng)也將采取同樣的措施。明年可能會(huì)推出首款10nm臺(tái)式機(jī)。

值得注意的是，關(guān)于英特爾的Rocket Lake-S是否采用了新架構(gòu)并仍在14nm制程的傳言是否暗示著英特爾的重大變化。最初為10nm設(shè)計(jì)的內(nèi)核可能會(huì)發(fā)展到14nm。尚且不清楚該核心是否來自Sunny或Willow Cove，但這一問題也將很快就有答案，今年下半年，新的核心架構(gòu)將與Zen 3 Vermeer對(duì)抗。

總之，芯片制造商應(yīng)該專注于性能而不是制造納米營(yíng)銷，問題的關(guān)鍵在于給定工作負(fù)載的性能。

本文編譯自https://www.fudzilla.com/news/pc-hardware/51069-do-nanometer-matter

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