芯片的运行速度是由什么决定的？ 第1页

这是一个很好的问题，我觉得有必要来点科普

既然是科普，我就不一开始搬出一堆术语

咱们慢慢来，我尽量类比到生活，用人话，从最底层一点点往上聊。我猜一开始就说STA估计会吓跑一堆人。

——————————— 写在最前面 ——————

首先得了解芯片里最基本的结构，这对理解芯片的原理包括速度是很有帮助的

总的来讲，芯片里最基本的结构类似于一个有阀门的水管

具体可以看写篇：

——————————— 1.水桶怎么才能快速的装满水？—————————

如果你看明白了上篇，你大概就知道，芯片快慢最底层的本质是如何快速的灌满水桶。

1.水流得大（Idsat）

2.水压得大（power supply voltage）

3.阀门得容易开（Vth）

4.桶得小（load cap）

5.水管得短（wire rc）

但这些都不是免费的，#1,2,3都有副作用，就是漏水(leakage power)会增加，所以在某个具体的工艺条件下，其实是速度和功耗的平衡。（现实远比这个复杂，但科普这些应该就够了）

但#4,5基本没什么副作用，除了贵

所以人们不断研发更先进的工艺，更小的尺寸，7nm 5nm 3nm什么的，一方面可以在单位面积放更多的管子(原先4 core，我现在放的下8core)，另一方面，对频率（速度）的提高也会很有帮助，除了贵，没毛病。

之后，我们就可以用合适大小，阀门松紧，合适水流快慢的管子搭成逻辑门，来表达“与，或，非”

以上的层级是芯片晶体管，门级的加快速度的办法。

———————— 2. 工厂怎么更加快速？———————

现在我们换个比方，假如芯片是个大工厂。这个工厂非常复杂，有很多的机器（combinational logic），货架（register），仓库（sram）。他们互相之前有极其复杂的工序。例如机器1从货架a上取了东西生产了半成品甲，机器2从仓库B上取了东西的某生产了半成品乙，机器3拿到半成品甲和乙生产出丙，放到了货架b上

这些机器，货架，包括仓库（原理稍有不同）都是由之前说的管子组成的。

（如果你好奇究竟有多复杂，最大的芯片工厂里大概有十亿个机器（billion instance count），几千万个货架，几亿个仓库货仓。

为了防止生产出错，一般需要大家统一节奏，即，同一拍货架或者仓库发出东西，下一拍得在中途的机器上生产好，按时把货放到下一个货架或者仓库。

从货架到下一个货架之间有若干个机器，这个我们暂时把它叫做机器链路（timing path）

所以想把生产搞的快快的还不出错，得

1.在关键的地方机器得快，用#1里说过的，用水流最大，水压最大，开关最容易开的管子做机器。

2.把关系紧密的机器和货架们放一起，别搞太远，时间都浪费在运货上了

3.对于两个货架间距离太远的，或者机器链路上机器数量太多，我们就在中间合适的地方增加一个货架。思路是，反正它一拍到不了，就允许这个慢点，不要为了它把整个工厂的生产节奏拖慢（当然，实际上这种也不是想加就能加的）

以上层级是门级和电路级提高芯片速度的办法。一般在这个层级，芯片的频率就定了，就是你看到的，这个2GHz，那个3GHz的了

到3GHz一定比2GHz牛吗？请看#3

———————— 3. 你的城市堵车吗 ——————

如果我上班距离5公里，

我坐公交可能需要1个小时，因为要等车，要走路

我开车可能45分钟，因为要出入地库，可能路上还堵车

我骑车可能30分钟

所以，可能用最慢的交通工具可能反而最快。

之前我们把芯片当工厂，现在我们再往上一层，我们来设计城市，哪里放工厂，哪里放居民，哪里用高速路，哪里开条运河，哪里可能堵车，用什么办法处理堵车，哪里设计港口和仓储，把慢速的水运大宗货物用汽车运走。。。

设计的不好，这里堵车那里爆仓，工厂拿不到原材料或者生产的货物运不出去。或者另一个极端，浪费大量土地建的全是路，没什么工厂，提高不了GDP。

设计好了，单位土地变量最高而且进货出货都顺畅，才能让终端用户感觉，真的是快。

以上是架构/soc设计

———————— 4. 以上都是芯片层级，但实际上影响芯片速度的还包括系统层级，包括封装，散热，供电。。。我还没想好怎么做比喻，有没有人有想法？

———————— 5.以上都是技术层面，实际上，芯片跑多快应该是市场部门根据市场需求，产品定位等等在设计之初就差不多定下来的，然后技术部门去评估做不做得到，以及资源成本。这个太不技术了，我就不聊了———————