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cpu的nm級越來越小,為什么不通過增大面積來提高性能?

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關鍵詞: cpu,性能,nm級

    通過增大芯片面積,一個芯片中可以放下更多的晶體管,更多的晶體管可以實現功能更復雜,性能更高的芯片呢。這是一個比較有意思的問題。乍一看貌似很有道理的樣子,那么為什么半導體行業卻沒有這么發展呢?

    首先我們看一下,一顆芯片是怎樣制造出來的呢?在半導體制造中,先將單晶硅棒經過拋光、切片之后,成為了晶元(wafer)。而每一片wafer經過摻雜、光刻、等步奏后形成一個個芯片。

    cpu的nm級越來越小,為什么不通過增大面積來提高性能?

    成品的wafer一般長成下圖,wafer內一小塊一小塊的正方形我們稱之為die,即未封裝的芯片。

    那么如果晶元的尺寸不變而增大單個芯片的大小會有什么后果呢?1)一片wafer中芯片個數變少 這一點很好理解,比如下圖,圓形是wafer的范圍,正方形為一個die。隨著芯片面積的增大,相同大小一片wafer中包好的芯片個數從16變成4再到1。這樣就會造成制造成本很高。 2)良率變差 良率可以簡單理解為,一片wafer中可以正常工作的芯片。在芯片制造中由于灰塵或者切割或工藝等問題,會使同一片wafer中若干區域損壞,造成芯片報廢。我們還是一下圖為例。黑色點為損壞點。單個芯片面積越大良率越低。

    那如我們同時將晶元的面積變大,這樣是不是就可以解決以上兩個問題了? 下圖為晶元面積的發展史,很可惜晶元面積的增長速度較慢。如果不進行晶體管尺寸縮小,僅僅依靠晶元變大,那么半導體發展將遠遠的落后于摩爾定律。

    選用更先進的工藝除了成本和良率的好處之外還有哪些方面的優勢呢?一個MOS管的基本結構如下:

    每一代新工藝節點,晶體管的溝道長度L變小。溝道長度變小后,晶體管有更快的反應速度,更低的控制電壓。

    1)更快的頻率 隨著工藝節點的不斷縮小,芯片的頻率越來越高。

    2)更低的電壓 而芯片的功耗是與電壓成平方關系,電壓的降低,可以極大的減少功耗。

    由上可知,芯片的性能(頻率、面積、功耗)與芯片中集體管個數并沒有必然聯系,而僅僅通過增大面積無法達到提高性能的目的。 下圖是近40年來芯片發展圖,由圖可知通過不斷縮減晶體管尺寸,確保了近40年來半導體業高速的發展。

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    但是進入28nm以后再按照以往的經驗來縮減晶體管尺寸,將會失效。短溝道效應造成晶體管無法關斷。目前業內通過Fin-FET, SOI等技術來解決這個問題。

    (審核編輯: 林靜)

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