國產CPU製造工藝與部分性能總結
背景
最近一段時間驗證了很多國產CPU的性能.
感覺很多地方與之前的理解有一些偏差.
前幾天總結了部分架構和指令集相關的差異
今天想着總結一下製造相關的部分.
希望能夠更全面的瞭解國產化的相關內容.
頻率相關
想到製程, 第一反應就是會影響主頻這一重要屬性
第一款打到2Ghz的x86 CPU在22年前就已經出現.
當時是 Pentium 4 2.0 180nm的製程.
現在最高主頻的CPU, 超頻可以到5Ghz 以上.
但是量產的最高基頻的CPU不會超過4.5Ghz
Intel和AMD基本上都 4.1Ghz的CPU打底 通過睿頻的方式來提高瞬時性能.
國產的CPU 一般基礎頻率都不會超過3Ghz
按照官方資料, 兆芯和鯤鵬的有3Ghz的CPU,但是市面上減少看到
國產的CPU一半也沒有睿頻的技術. 這一塊軟方面實現應該要小於硬件製造.
所以這一塊也還是由於製造工藝不足導致的.
國產CPU一般都在2.5Ghz附近徘徊.
製造工藝的進步
通過頻率的瞭解, 可以看到
20年來頻率僅僅增長了100%
但是性能的發展卻不單純是這樣子的. 是有突飛猛進的發展.
這方面性能的提升離不開架構的升級,更離不開製造工藝的優化.
主要體現在:
製造工藝越來越精細, 核心面積越來越小,並且能夠支持將更多的內存添加進die
可以CPU的性能提升明顯.
比如之前必須使用主板的北橋連接內存
現在CPU都自帶 內存控制器, 不需要跟北橋搶FSB, 可以通過多通道內存來提高訪存效率和帶寬.
國產CPU也隨着製造工藝的發展有了長足的進步. 只不過還存在一些差距.
國產製造工藝的情況
第一種是:
全部國產化
現階段應該在 130nm 到 65nm 之間 浮動.
並且良率估計不高. 上海微電子應該是核心企業, 自主研發光刻機.
但是精度應該沒有到達 DUV的檔次,生產效率也較低
第二種是:
去A化 就是不考慮美國的設備和技術以及原材料.
可以採用部分國外的但是不是美國的企業的軟硬件以及耗材,
這種情況下理論上最高可以做到28nm, 青島的恩芯半導體一直在做這方面的努力
理論上可以採用 二手設備方式來實現, 不一定全部採用全新設備.
第三種是:
可以使用部分A的技術. 可以做到14nm
使用最高級的DUV光刻機(荷蘭ASML)以及部分美國的技術,
多重曝光之後理論上可以做到 7nm 但是估計良率感人.
2020年時宣佈過, 但是佔中芯國際的營收一直很低.
其實還有第四種:
就是華宏半導體和長江存儲爲代表的存儲廠商
京東方爲代表的屏幕相關廠商,
他們對工藝要求不是非常高,
可能做到1xnm 或者是合適的分辨率.
存儲是半導體裏面比較重要的一個組成部分, 但是他的技術含量其實要小於CPU部分.
CPU如果能夠突破. 存儲的就可以實現很塊的突破.
CPU內既有比較複雜的 Core 計算核心, 也有很多稍微簡單一些的 cache 以及很多 IO控制單元.
所以CPU的工藝其實非常好多種, 現在最流行的chiplet 就是基於這種考慮.
製造工藝發展與性能
半導體的發展也是從 fab 到 fabless
從設計,製造,封測一體化 變成了臺積電爲首的代工業, 以及很多封測廠
技術的複雜度也也來越高.
Intel的架構其實還是要比AMD要先進的.
但是因爲AMD使用了更好的臺積電的代工工藝. 在性能表現上要比Intel要好很多.
甚至超過頻率的優勢.
不同代數的CPU也完全不一樣的性能提升.
不能單純看主頻和核心數
製造工藝和架構的提升非常了得.
技術的發展離不開架構和製造的雙重提升
下圖可以看出20年來.
單核算力提升了 7倍
同頻性能提升了 5.5倍
同頻性能的提升更多的是依賴: 架構升級以及在製程工藝的支持下能夠放進去更多的晶體管
做預取,亂序,多發射等.
也可以看到, 國產的龍芯同頻性能的確有了提高. 但是因爲製造工藝以及兼容性還有架構的劣勢.
其實依舊比較卡頓.
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CPU圓周率對比-時間越短越好
| CPU型號 |
1萬位精度圓周率(單位秒) |
2萬位精度圓周率(單位秒) |
| AMD 9T34 3.4Ghz |
72 |
431 |
| Inetl 8369 3.3Ghz |
84 |
505 |
| Inetl 6150 2.7Ghz |
113 |
671 |
| Inetl 5218 2.3Ghz |
132 |
784 |
| 海光7285 2.5Ghz |
143 |
851 |
| 鯤鵬920 2.6Ghz |
143 |
853 |
| 飛騰S2500 2.1Ghz |
186 |
1106 |
| SW3231 2.4Ghz |
233 |
1376 |
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