Cpu製造成本那麼低，為什麼intel不透過增加面積去減低同頻功耗？
确实，很多人对CPU的设计和成本会有一个误区，认为CPU的制造成本非常低，增加点面积就好像白送的一样。但实际情况远没有这么简单。Intel不简单地通过“增加面积”来降低同频功耗，背后有很多深层的原因，我来给您详细拆解一下。
首先，我们要明白，CPU的“制造成本”并不仅仅是硅片本身的面积大小。虽然硅片面积是其中一个重要的因素，但它只是冰山一角。
1. 为什么说CPU“制造成本”低（以及为什么这个认知有偏差）
集成度极高： CPU之所以贵，是因为它在极小的面积上集成了数亿甚至数百亿个晶体管。这些晶体管的精密程度、开关速度、功耗控制，以及将它们高效地连接起来的布线，才是成本的主要来源。
研发投入巨大： 芯片设计是一个极其烧钱且耗时的过程。一个新一代CPU的设计，从概念到最终量产，可能需要数千名工程师投入数年时间，花费数十亿美元。这包括架构设计、指令集优化、电路设计、物理设计、验证等等。这笔巨大的研发投入，摊销到每一颗CPU上，是成本的重要组成部分。
制造工艺的难度： 制造CPU的工艺是当前人类最顶尖的制造技术之一。从硅片的纯化、晶圆的制造，到光刻、蚀刻、沉积等一系列复杂且精密的步骤，每一步都需要极高的精度和控制。稍微一点点的偏差，都可能导致芯片报废。
良率的问题： 即使工艺再先进，也无法做到100%的良率。在一次晶圆生产中，可能会制造出成百上千颗CPU，但只有一部分是合格的，其余的可能会因为各种微小的缺陷而被淘汰。良率直接决定了单位面积的生产成本。
封装和测试： 芯片制造完成后，还需要进行封装，将芯片连接到电路板上，并进行严格的测试。这些环节也增加了成本。
所以，虽然你说的“CPU制造成本低”在某种程度上是指单位面积的硅材料成本，但这个“单位面积”上承载的技术复杂度，才是真正让CPU昂贵的原因。
2. 为什么Intel不简单地“增加面积”来降低同频功耗？
现在，我们来谈谈核心问题：为什么增加面积看起来如此诱人，Intel却不这么做？
功耗与面积的复杂关系：
静态功耗（漏电）： 即使晶体管不工作，也会有微弱的电流泄漏，这部分功耗与晶体管的数量和尺寸（面积）直接相关。增加面积意味着增加晶体管数量，这会增加静态功耗。
动态功耗（开关）： 晶体管工作时，切换状态会消耗能量。理论上，更大的晶体管可能需要更多的电荷来驱动，但同时，更大的晶体管也更容易驱动，或者可以通过调整工作电压来降低动态功耗。这方面关系比较复杂。
缓存（Cache）的面积与功耗： CPU内部有大量的缓存（L1, L2, L3 cache），用来存放常用的数据和指令，以提高访问速度。缓存是由SRAM（静态随机存取存储器）构成的，SRAM占用的面积非常大，而且也消耗不少静态功耗。如果简单粗暴地增加CPU核心的面积，可能意味着要增加更多的缓存，这将显著增加整体面积和功耗。
制造工艺的限制和权衡：
制程节点的进步： 芯片制造工艺（如Intel的“Intel 4”、“Intel 7”）一直在不断进步，目标是实现“单位面积的性能提升”和“单位性能的功耗降低”。每一步制程的进步，都是为了在更小的面积上集成更多的晶体管，并使它们更有效率地工作。
掩膜（Mask）成本： 制造CPU需要通过“掩膜”来进行光刻。一个CPU的设计，其掩膜集是一套非常庞大的、昂贵的“图纸”。如果Intel要重新设计一款核心，仅仅是为了增加面积来降低同频功耗，那就需要重新制作一套（或部分）掩膜，这又是一笔巨大的投入，且风险很高。
晶圆切割与良率： 在同一个晶圆上，制造更大的CPU芯片，意味着在晶圆上能切割出的CPU数量会减少。即使单个大芯片的良率没有变化，总的合格芯片数量也会下降，这会显著推高单位芯片的成本。
“甜点”面积： 制造商会在研发过程中找到一个“甜点”面积，这个面积在成本、性能、功耗之间达到一个相对最优的平衡。大幅度偏离这个“甜点”去设计一个面积更大的核心，可能整体效益并不高。
架构设计的根本目标：
性能的提升： CPU的设计核心目标是提供更强的性能。性能的提升主要来自于：
更高的主频： 需要更快的晶体管开关速度和更低的电压。
更多的核心： 通过多核并行处理任务。
更高效的架构： 改进指令流水线、分支预测、乱序执行等，让每个时钟周期完成更多工作。
更大的缓存和更快的内存访问： 减少数据等待时间。
功耗的控制： 功耗是现代CPU设计中一个极其重要的制约因素。它不仅影响散热和电源供应，也影响移动设备的续航。因此，设计师们需要在性能和功耗之间找到最佳的平衡点。
“同频功耗”的优化： Intel并不是不考虑同频功耗。他们通过以下方式来降低同频功耗：
更先进的制程工艺： 如前所述，制程进步本身就能带来更低的功耗。
更精细的电源管理： CPU内部有大量的电源域，可以根据工作负载动态地调整电压和频率，甚至关闭不使用的部分。
更优化的晶体管设计： FinFET、GAAFET等先进晶体管结构，就是为了在更小的尺寸下，提供更好的开关特性和更低的漏电。
微架构的改进： 优化数据通路、减少不必要的计算、提高指令执行效率，都可以间接降低同频下的实际功耗。
举个例子： 想象一下，你要设计一个更省油的汽车发动机。你可以选择：
1. 造一个更大的发动机，用更高的档位跑，这样发动机转速低，可能就省油了。 —— 这就像Intel增加CPU面积，想降低同频功耗。但问题是，更大的发动机更重，需要更多燃油来启动和维持运转，整体油耗可能反而更高，而且车也更笨重。
2. 改进发动机的设计，采用更轻的材料，改进燃烧效率，优化变速箱，让它在相同的动力输出下，用更低的转速和燃油消耗。 —— 这就像Intel通过先进制程、微架构改进、精细电源管理等方式，在现有或更小的面积上，实现更低的同频功耗和更高的性能。
结论：
Intel不通过简单地“增加面积”来降低同频功耗，是因为这与芯片设计的根本目标、成本结构、制造工艺的限制以及功耗与性能之间的复杂权衡相悖。
成本： 增加面积直接导致晶圆切割数量减少，单位成本上升。
性能： 增加面积不一定能带来同比例的性能提升，反而可能因为发热和功耗问题限制了最高频率。
功耗： 增加面积可能增加静态功耗，并且可能需要更大的缓存，进一步推高功耗。
制造： 现有制程的优化和架构设计是降低功耗、提升性能的主要手段，而不是单纯地“做大”。
Intel的工程师们一直在努力在性能、功耗、面积和成本之间找到那个“黄金分割点”，通过持续的技术创新来达成他们的目标。增加面积是一个相对“懒惰”且低效的解决方案，而且很可能适得其反。
首先，我们要明白，CPU的“制造成本”并不仅仅是硅片本身的面积大小。虽然硅片面积是其中一个重要的因素，但它只是冰山一角。
1. 为什么说CPU“制造成本”低（以及为什么这个认知有偏差）
集成度极高： CPU之所以贵，是因为它在极小的面积上集成了数亿甚至数百亿个晶体管。这些晶体管的精密程度、开关速度、功耗控制，以及将它们高效地连接起来的布线，才是成本的主要来源。
研发投入巨大： 芯片设计是一个极其烧钱且耗时的过程。一个新一代CPU的设计，从概念到最终量产，可能需要数千名工程师投入数年时间，花费数十亿美元。这包括架构设计、指令集优化、电路设计、物理设计、验证等等。这笔巨大的研发投入，摊销到每一颗CPU上，是成本的重要组成部分。
制造工艺的难度： 制造CPU的工艺是当前人类最顶尖的制造技术之一。从硅片的纯化、晶圆的制造，到光刻、蚀刻、沉积等一系列复杂且精密的步骤，每一步都需要极高的精度和控制。稍微一点点的偏差，都可能导致芯片报废。
良率的问题： 即使工艺再先进，也无法做到100%的良率。在一次晶圆生产中，可能会制造出成百上千颗CPU，但只有一部分是合格的，其余的可能会因为各种微小的缺陷而被淘汰。良率直接决定了单位面积的生产成本。
封装和测试： 芯片制造完成后，还需要进行封装，将芯片连接到电路板上，并进行严格的测试。这些环节也增加了成本。
所以，虽然你说的“CPU制造成本低”在某种程度上是指单位面积的硅材料成本，但这个“单位面积”上承载的技术复杂度，才是真正让CPU昂贵的原因。
2. 为什么Intel不简单地“增加面积”来降低同频功耗？
现在，我们来谈谈核心问题：为什么增加面积看起来如此诱人，Intel却不这么做？
功耗与面积的复杂关系：
静态功耗（漏电）： 即使晶体管不工作，也会有微弱的电流泄漏，这部分功耗与晶体管的数量和尺寸（面积）直接相关。增加面积意味着增加晶体管数量，这会增加静态功耗。
动态功耗（开关）： 晶体管工作时，切换状态会消耗能量。理论上，更大的晶体管可能需要更多的电荷来驱动，但同时，更大的晶体管也更容易驱动，或者可以通过调整工作电压来降低动态功耗。这方面关系比较复杂。
缓存（Cache）的面积与功耗： CPU内部有大量的缓存（L1, L2, L3 cache），用来存放常用的数据和指令，以提高访问速度。缓存是由SRAM（静态随机存取存储器）构成的，SRAM占用的面积非常大，而且也消耗不少静态功耗。如果简单粗暴地增加CPU核心的面积，可能意味着要增加更多的缓存，这将显著增加整体面积和功耗。
制造工艺的限制和权衡：
制程节点的进步： 芯片制造工艺（如Intel的“Intel 4”、“Intel 7”）一直在不断进步，目标是实现“单位面积的性能提升”和“单位性能的功耗降低”。每一步制程的进步，都是为了在更小的面积上集成更多的晶体管，并使它们更有效率地工作。
掩膜（Mask）成本： 制造CPU需要通过“掩膜”来进行光刻。一个CPU的设计，其掩膜集是一套非常庞大的、昂贵的“图纸”。如果Intel要重新设计一款核心，仅仅是为了增加面积来降低同频功耗，那就需要重新制作一套（或部分）掩膜，这又是一笔巨大的投入，且风险很高。
晶圆切割与良率： 在同一个晶圆上，制造更大的CPU芯片，意味着在晶圆上能切割出的CPU数量会减少。即使单个大芯片的良率没有变化，总的合格芯片数量也会下降，这会显著推高单位芯片的成本。
“甜点”面积： 制造商会在研发过程中找到一个“甜点”面积，这个面积在成本、性能、功耗之间达到一个相对最优的平衡。大幅度偏离这个“甜点”去设计一个面积更大的核心，可能整体效益并不高。
架构设计的根本目标：
性能的提升： CPU的设计核心目标是提供更强的性能。性能的提升主要来自于：
更高的主频： 需要更快的晶体管开关速度和更低的电压。
更多的核心： 通过多核并行处理任务。
更高效的架构： 改进指令流水线、分支预测、乱序执行等，让每个时钟周期完成更多工作。
更大的缓存和更快的内存访问： 减少数据等待时间。
功耗的控制： 功耗是现代CPU设计中一个极其重要的制约因素。它不仅影响散热和电源供应，也影响移动设备的续航。因此，设计师们需要在性能和功耗之间找到最佳的平衡点。
“同频功耗”的优化： Intel并不是不考虑同频功耗。他们通过以下方式来降低同频功耗：
更先进的制程工艺： 如前所述，制程进步本身就能带来更低的功耗。
更精细的电源管理： CPU内部有大量的电源域，可以根据工作负载动态地调整电压和频率，甚至关闭不使用的部分。
更优化的晶体管设计： FinFET、GAAFET等先进晶体管结构，就是为了在更小的尺寸下，提供更好的开关特性和更低的漏电。
微架构的改进： 优化数据通路、减少不必要的计算、提高指令执行效率，都可以间接降低同频下的实际功耗。
举个例子： 想象一下，你要设计一个更省油的汽车发动机。你可以选择：
1. 造一个更大的发动机，用更高的档位跑，这样发动机转速低，可能就省油了。 —— 这就像Intel增加CPU面积，想降低同频功耗。但问题是，更大的发动机更重，需要更多燃油来启动和维持运转，整体油耗可能反而更高，而且车也更笨重。
2. 改进发动机的设计，采用更轻的材料，改进燃烧效率，优化变速箱，让它在相同的动力输出下，用更低的转速和燃油消耗。 —— 这就像Intel通过先进制程、微架构改进、精细电源管理等方式，在现有或更小的面积上，实现更低的同频功耗和更高的性能。
结论：
Intel不通过简单地“增加面积”来降低同频功耗，是因为这与芯片设计的根本目标、成本结构、制造工艺的限制以及功耗与性能之间的复杂权衡相悖。
成本： 增加面积直接导致晶圆切割数量减少，单位成本上升。
性能： 增加面积不一定能带来同比例的性能提升，反而可能因为发热和功耗问题限制了最高频率。
功耗： 增加面积可能增加静态功耗，并且可能需要更大的缓存，进一步推高功耗。
制造： 现有制程的优化和架构设计是降低功耗、提升性能的主要手段，而不是单纯地“做大”。
Intel的工程师们一直在努力在性能、功耗、面积和成本之间找到那个“黄金分割点”，通过持续的技术创新来达成他们的目标。增加面积是一个相对“懒惰”且低效的解决方案，而且很可能适得其反。
网友意见
没看明白问题。这居然是2021年11月才提的问题？
如果是指加大处理器核规模，这是不成立的。英特尔在Golden Cove大幅加大了处理器核的规模，Intel 7工艺的面积比Skylake在Intel 10工艺的面积还大。问题在于，要同频性能提一点就要复杂性大很多，不是想就行的。
如果指同工艺下降低单元密度，这本来就是英特尔在做的，不用最大的工艺密度以改善散热——主要目标是提频。同频功耗降低不多。
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