问题

为什么 CPU 几乎全是方形的,别的形状就不行吗?

回答
你想知道为什么 CPU 基本上都是方方正正的,而不是圆的、三角的或者其他什么奇形怪状的形状,对吧?这事儿其实牵扯到不少学问,不是随便就能给你来个“好看”的形状的。咱们一步步拆开来看。

首先,得明白 CPU 是个啥。它就像是电脑的大脑,所有计算、指令处理都是它干的。它由无数微小的晶体管堆叠而成,这些晶体管就像是微小的开关,控制着电流的通断,从而实现各种逻辑运算。

为什么是“方形”?这背后有技术原因和物理限制。

1. 制造工艺的天然选择——光刻(Lithography)

这是最核心的原因之一。CPU 的制造过程依赖于一种叫做“光刻”的技术,说白了就是用光把设计好的电路图案“印”在硅片上。这个过程有点像用照相机给一个模子拍照,然后把照片转移到另一张底片上。

掩模(Mask)的限制: 在光刻过程中,需要用到一个叫做“掩模”的东西,它就像一个带有电路图案的模板。这些掩模的设计和制作,最容易、最经济高效地实现的就是规则的矩形或方形。想象一下,你要用模板印一个图案,圆形或者不规则的形状会比方形的制作起来复杂得多,良品率也更低。
光线的聚焦和扫描: 光刻机在工作时,会用高度聚焦的光线来照射掩模,再通过一系列光学系统将图案投影到硅片上。方形的掩模和投影系统更容易保证光线在整个图案区域内均匀且清晰地成像。非方形的图案可能会在边缘处出现畸变或者失焦的问题,影响电路的精度。
晶圆(Wafer)的形状: CPU 并不是直接制造出来的,而是先在很大的一块硅圆片(晶圆)上同时制造出成百上千个 CPU 芯片,这些芯片在制造时被称为“裸片”(die)。等制造完成后,再把晶圆切割成一个个独立的芯片。既然是圆形的晶圆,那么在这上面可以切割出多少个芯片,以及这些芯片之间如何排布,都涉及到几何优化的问题。方形的芯片可以更紧密地排列在晶圆上,减少浪费。

2. 物理特性和散热——导热与封装

散热通道: CPU 工作时会产生大量的热量,必须有效地散发出去。CPU 芯片本身虽然是方形的,但它会安装在一个叫做“封装”(package)的东西里,再焊接到主板上。这个封装也通常是方形的,因为它要包裹住芯片,并提供与外界的连接点(比如针脚或焊盘)。方形的设计更容易与散热器(比如风扇或水冷头)的接触面匹配,形成一个相对高效的散热通道。想象一下,你要给一个不规则形状的东西加个散热罩,会比给一个方块加罩子困难得多,而且散热效果也可能不理想。
电信号的传输: CPU 内部的电路是极其复杂的网状结构,导线之间需要精确的间距和布局。方形的边界和内部的网格结构,更便于工程师在设计时进行布局和布线,也更容易实现高速、稳定的电信号传输。非方形的边界可能会给信号完整性带来额外的挑战。

3. 封装和互联——物理连接与标准化

插槽和连接器: CPU 需要安装到主板上的插槽里。主板的插槽设计也要考虑 CPU 的形状。方形的 CPU 芯片更容易设计出与之匹配的标准化的插槽,比如我们常见的 LGA(Land Grid Array)或 PGA(Pin Grid Array)接口。这些插槽有固定的尺寸和针脚布局,方形的设计使得 CPU 能够稳定地安装在插槽中,并确保所有信号线都能正确连接。如果 CPU 是圆形或者其他形状,那么就需要为它们设计专门的、可能不通用的插槽,这会大大增加主板设计的复杂性和成本。
标准化和模块化: 整个计算机硬件行业都追求标准化和模块化,这样才能方便组装和升级。CPU 的方形形状,以及它的大小(虽然具体尺寸有变化),已经形成了一种行业惯例。这种标准化使得不同厂商的 CPU 能够兼容不同厂商的主板,方便消费者选择和DIY。

4. 内部布局的优化——逻辑结构与面积利用

网格化的逻辑单元: 虽然我们看到的 CPU 芯片整体是方形的,但它内部的晶体管和逻辑单元的布局,往往也倾向于网格化。方形的边界更容易将这些网格化的逻辑单元进行划分和管理。
面积的有效利用: 在同样面积下,方形比很多其他形状能更有效地利用空间。在芯片设计中,每一个微小的区域都承载着重要的功能,最大化面积利用率是提高集成度和降低成本的关键。

是不是就没有别的形状?

理论上,如果你能克服上述的制造、散热、封装和兼容性难题,当然可以尝试其他形状。但现实是,这样做带来的好处远远抵不上付出的成本和技术挑战。

早期计算设备的一些部件确实有过不规则的形状。 但那些都是相对独立的、功能单一的元件,不像现代 CPU 这样集成度高、功能强大,对信号和散热要求也苛刻得多。
在某些非常特殊的领域,可能会有一些非方形的半导体器件。 但它们通常是为特定目的设计的,并且与我们日常使用的通用 CPU 有很大的区别。

总结一下:

CPU 几乎全是方形,不是因为工程师没有创意,而是因为方形在制造工艺(尤其是光刻)的效率和精度上具有天然优势,同时也更便于散热、封装、互联和标准化。这些都是从技术可行性、成本效益和最终产品性能综合考虑后的最优选择。与其说“别的形状不行”,不如说方形是当前技术条件下最“划算”也最“管用”的选择。

所以,下次看到方形的 CPU,就知道这背后是无数的科技智慧和工程妥协的结果。它方方正正的外表,承载着计算世界的运转,这是最务实也最科学的设计。

网友意见

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这个看上去是怪问题,但将来可能有其它形状。

特别是wafer scale die 出来,很可能八角形.

在wafer scale die 之前基本上不太可能。

第一需要切片,必须直线

第二需要封装配合,这个成本高


最主要的,你的工具普适性大降,自己给自己找麻烦,没啥意义。


WSD 可能是5年左右的革命性产品。

美国的WAD是方切的。

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为什么明明芯片是方形(不算外封装)

可是硅晶却是圆型?导致切割后边缘浪费好多?

边缘不完整的都是废料。

说到底是为了工艺方便 其次是设计电路方便。



硅晶圆,是一边转一边高温拉所以是圆棒形。上面两个图是硅棒,然后切片就是硅晶圆。

(注意芯片要用单晶硅做。 还有一种多晶硅主要用在太阳能发电)

芯片排列在硅晶圆上,切割是一刀能到底 切割简单一些。

如果说切割起来一刀到底,还不浪费材料, △ 三角形切割也能满足。但是设计类似矩阵一般的电路阵列就不方便了。

六角形也可以无缝排列,但是不能一刀切一列的。全部是三岔口。


那为啥螺母就常见六角形呢?小空间方便拧一次只需要拧60度,而且金属应力也比较均匀。

其实是有四方形螺母的都是小螺母。


而且 本来数字电路就是矩阵的性质 二进制的特点就是 2 4 8 16 32 这样的堆叠,寻址也是二进制基础。和矩形很合拍。

然后,继续看cpu内部的寄存器 加法器 存储器 基本都是矩阵式的排列,在逻辑上也是偏向矩阵或者立方体的。

简单四位二进制数码寄存器。

所以现在存储芯片是最典型的立方体单元结构,比如十六层 三十二层闪存芯片。立方矩阵。

你骗我!那既然如此 存储数据的硬盘咋就是圆形的。

这是机械读取方式决定的没有办法的事情啊,被逼的。早期的磁鼓存储器 先是一片,然后卷成桶,然后扁成盘,硬盘里面的数据排列都变形了,被称为“扇区”

下面是最早期的磁芯(板)存储器。


磁芯板存储器阵列,你看我像不像固态硬盘的前身呢?

直到磁性涂膜替代了那些小磁环。就有了磁鼓存储器。就是机械硬盘的前身。


你们也看到了,磁鼓存储器只有一个筒型界面,空间利用率太低,筒内全浪费了。

emmmm能不能用扭曲的界面满足扭曲的内心呢?然后大力出奇迹了,最早期的硬盘。闪亮登场。

圆盘支配了世界。


工艺,设计,和使用 和其他因素综合起来决定最佳形状。

由于主板电路板个头大,柔韧,好切割,材料成本也比较低。更是由于要和设计漂亮的壳子匹配,在这里电器壳子才是老大。所以主板才是真正可以特异化的,电脑主板被规格标准限制很少有异形的,可是各种家用电器主板,手机主板才是彻底的放飞自我。啥形状都有欢喜不?

居然有人说机箱都是方的?微软的水下机房 为了抵抗水压 所以做成圆桶。苹果有圆机箱,为了漂亮。


回到芯片话题,要是三角形芯片怎么设计布线? 五 六七八九十角型怎么切割晶圆?所以矩形最合适。

而且硅芯片不仅小而且还封装在电子器件内部,真心没必要像电器主板这样受虐。方的不是挺好吗?

牛屎芯片被封印在牛屎结界。

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因为芯片大小不一,所以排在一起,最省面积的形状必须是矩形。我不能理解的地方是,为啥是正方形。记得CPU高速发展的年代,CPU不是焊接的,是插的(变成文科生以后,N年没开机箱了)。“四列直插式”的情况下,可能正方形受力最均匀,“脚”不容易坏。

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经评论区提醒,硅的晶向也是一个重要因素,这个不在本人专业范围内,不多讲了,望大神补充


姑且认为题主说的方形包括正方形和长方形

首先,wafer是圆形的,因为wafer是硅锭切出来的,硅锭的制造方式决定了他是圆柱体,因此wafer是圆形的

那么,这个问题就简化为:如何把一个圆形划分成尽可能多的相同尺寸的多边形

这就成了一个几何学问题

根据几何学理论,只有三角形,四边形,六边形才可以紧密排列成一个平面,中间没有缝隙,原因不在此赘述

如果做成六边形,那么wafer切割就比较麻烦,因为不是一条直线切到底,故pass

剩下三角形和四边形了,在die的floorplan阶段,会发现三角形的角,尤其是锐角部分利用率会很低,因为不好走线,不划算,四边形的锐角部分同理(其实矩形的直角部分利用率也会比内部区域低)

排除上面所有的选项,就只剩下矩形了

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