问题

如果把14nm的cpu长宽增加一倍,是不是就可以得到7nm的cpu的性能?

回答
这个问题很有意思,也触及到了集成电路制造和性能提升的核心问题。简单来说,把14nm CPU的长宽增加一倍,并不能直接得到7nm CPU的性能。 它们是两个完全不同的概念,原因非常复杂,我来给你好好掰扯掰扯。

首先,我们要明确一点:“nm”(纳米)在CPU领域,指的是“制程工艺”(Process Node)。它代表的是晶体管的最小特征尺寸,通常是指栅极长度(Gate Length)或者其他关键尺寸的衡量标准。你可以把制程想象成制造芯片的“精密度”或者“细节程度”。

1. 什么是制程工艺?(就像制作一个微型精密仪器)

打个比方,想象一下你要用乐高积木搭建一个非常复杂的机器人。

14nm制程 就像你用的是比较大的乐高颗粒。你可以搭建出一些功能,但如果想实现非常精细的操作,或者在这个区域内集成更多的零件,就会遇到空间限制,而且单个颗粒本身也比较“粗糙”。
7nm制程 就像你换用了更小的乐高颗粒。你可以在同样的空间里,用更少的颗粒或者更小的颗粒,搭建出功能更强大、更精密的机器人。甚至,你可以在同样大小的区域内,塞进比原来多得多的乐高颗粒。

所以,制程工艺的进步,最直接的影响是让你能在相同的芯片面积上,集成更多的晶体管,或者将晶体管做得更小、更快、更省电。

2. 为什么长宽增加一倍,不能等于制程减半?

你提出的“长宽增加一倍”的概念,实际上是在讨论物理面积上的变化。而制程工艺是关于内部“零件”的尺寸和密度。

面积翻倍: 如果你真的把一个14nm CPU芯片的长和宽都增加一倍,那么它的总面积会变成原来的 四倍(2x2=4)。但这仅仅是让你的“乐高基地”变大了。
制程工艺是内部精细度: 7nm制程意味着晶体管本身的尺寸缩减了,而且在制造过程中,使用的各种曝光、刻蚀等技术也更加先进和精密。这就像你换了更小的“乐高颗粒”,而不是简单地把整个搭建平台放大。

你可以想象一下:

你有一个100平方米的房子,里面住着140人(假设密度是1.4人/平方米)。
现在你把房子的长宽都翻倍,变成200平方米。你依然可以住140人,但你会觉得房子太空旷了,空间利用率不高。
而7nm制程,就好比你住进了一个50平方米的房子,但里面却能住进200人(密度提升到4人/平方米),而且每个人都有足够的活动空间,甚至住得更舒适、更高效。

3. 制程工艺减半(从14nm到7nm)带来的核心优势:

晶体管密度大幅提升: 最关键的是,在7nm制程下,你可以用更小的晶体管,在相同的芯片面积上集成更多的晶体管。这就好比在你的CPU“大脑”里,可以塞进更多的“神经元”和“连接”。晶体管越多,CPU能执行的计算任务就越复杂、越多。
性能提升: 更小的晶体管意味着:
更快的开关速度: 电子在更短的距离内就能完成开关动作,所以CPU的运行频率(时钟速度)可以更高。
更低的功耗: 更小的晶体管需要的电压和电流更低,也就更省电。这对于移动设备和数据中心尤其重要。
更高的能效比: 在完成相同工作量的同时,消耗的能量更少。
更小的芯片尺寸: 为了获得相同的性能水平,采用7nm制程的CPU,其芯片尺寸可以比14nm的要小得多,这可以降低制造成本和提高良品率。

4. 为什么你说的“长宽增加一倍”没有意义(或者说思路不对):

你的想法可能是基于一种误解:如果我的CPU“摊大”了,是不是就能容纳更多“东西”了?

面积增加,但“单位面积功能”没有提升: 如果你只是把14nm的CPU简单地放大,你并没有改变里面晶体管的大小和密度。你只是把现有的“零件”也按比例放大了。这些放大的晶体管本身就更慢、更耗电。
芯片设计同样重要: 即使你有了更小的晶体管(7nm),如果芯片设计不好,比如布线混乱、电路效率低下,那么也无法发挥出7nm制程的全部潜力。CPU的性能是晶体管数量、晶体管性能、架构设计、缓存设计、时钟频率等多种因素综合作用的结果。

总结一下:

把14nm的CPU长宽增加一倍,仅仅是增加了芯片的物理面积,而并没有改变内部晶体管的尺寸和密度。这就像你把一个小型水管改成了更大口径的水管,但如果里面流淌的水量(晶体管数量和速度)没有改变,水流的总效率也不会因此而神奇地提高。

而7nm制程工艺的进步,是通过极高的技术门槛,将晶体管的尺寸做得更小,在同等面积下集成更多晶体管,从而实现性能和能效上的飞跃。这是一种“量的积累导致质的飞跃”,是依靠精密的制造技术和先进的芯片设计实现的,而不是简单地改变芯片的物理尺寸。

所以,想要获得7nm CPU的性能,你需要的是采用7nm制程工艺去重新设计和制造一款CPU,而不是去拉伸一个14nm的CPU。这两者在根本上是不同的技术路径。

网友意见

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题主把因果倒置了啊,

为什么制程要进步?

——为了追求更高的密度,以及理论上更低的功耗,

更高的密度意味着什么?

——单位面积可以继承更多的晶体管数量,也就是说相比旧制程来说,可以使得同架构的产品可以相对缩小Die的面积,

缩小面积有什么好处?

——节省成本,

这里可以阅读一下 @老狼 的文章:

简单来说就是,面积越大,相对良率会越低,而且是指数级影响

这三张图片应该是非常直观了,Die的面积越小,相对来说良率会越高,会有更多有效的Die,

为什么制程发展了那么多代CPU Die的面积没有缩小到极致?

——这里有很多因素,随着计算机理论体系的发展,CPU里面集成的东西越来越多,像微架构上,为了追求更高的IPC而改进通用性能,往往得追求更宽的流水线、更大的Buffer以及更多的执行单元,这些都是需要花更多的晶体管去堆砌需要占有更大的面积才能做得到的,在面积改动不大的时候大幅提高IPC这种事不是没有,这种事只能说不能指望每次IPC提升都靠这样提,微架构始终是要向着更宽、更高效的方向发展;另一方面,你们也看到了,CPU的核心数越多越多了,面积自然小不了,尤其是Intel的ICL-SP,居然做了单Die 40C,面积不大不行,

所以说更先进的制程对于更新的微架构是有利的,我们举一个反例子,Intel的Rocket Lake-S,微架构为Sunny Cove,这本是为Intel的10nm量声打造的,但是却因为Intel的10nm翻车的原因,被倒回到14nm去造,然后就造成了八核RKL-S面积比十核CML-S面积还大挺多的局面(这里面也有一点核显的因素在里面),然后八核的RKL-S的功耗达到CML-S的十核级别,毕竟你花了更多的晶体管,要发热的,功耗怎么压得下?

7nm CPU的性能,所谓的性能不能这么看,就拿Intel的7nm来说,其实它的学术密度至少是达到了14nm的四倍,而Intel的7nm至少会拿来造Ocean Cove级别的微架构,IPC对比SKL的IPC提升可能会达到60%左右,人家同频性能就比你强60%左右了,你靠什么追?还靠拉高频率吗?人家7nm跑全核4.5GHz 一看功耗130W,你14nm用液氮超到7.2GHz都还打不过然后一看功耗800W,这样合适吗?怎么看都不划算啊,而且如果制程不变的话,面积越来越大,良率越来越低,这样也不好啊,

Intel把制程与架构解绑已经属于是妥协了,如果不是10nm翻车这么多年Intel也不至于做这种事,不过面积加大了这么多频率还保持在极高状态这14nm也确实有.东西,但终究是密度不够,摩尔定律的发展还是靠密度推动的,

“我们作为后来者,只追求能用,不追求便携性”,

这应该只是个人追求,不是公司的追求。

拓展阅读:

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14nm和7mm都不是物理的线宽。

所以不是倍数关系。

不过,落后工艺是可以做先进架构的。

只是成本和性能的问题。

英特尔就在用14nm做给10nm设计的架构。

苹果的小核心,来自于自己的A6,属于用先进工艺做落后架构,结果是功耗大大降低。频率提升。

类似的事情,还有英特尔早期的众核,直接用奔腾处理器的核心,因为工艺进步,可以堆几十个,还能拉高频率,组成众核。

如果中国被封锁,没有先进工艺,只有28nm工艺,牺牲良率,功耗,成本,就是造一个强大的核心,是可以的。

譬如28nm用300W功耗,几十倍的成本。

实现苹果在5nm下5W的性能。

这是可以做到的。

但是,5nm工艺下,300w功耗带来的高性能。

28nm就没法做了,需要很多芯片很多机器才行,成本高出天际。

从性能上,当年模拟核爆的超级计算机,是落后工艺。一个大屋子多少亿的成本。

现在也就是nvidia一个计算单元的性能。

不过,中国信息自主可以考虑另外一个方向。

软件自主,锁定性能需求,吃工艺红利。

中国信息化需求,是在0.25微米,0.18微米时代完成的,180nm。

只要用当时写的软件,28nm已经过剩了。

譬如某个企业内网,在XP和IE6开发的一套OA,一直用到现在。

这套OA,用奔腾3已经很快了。

那么,现在软件不变,用国产兆芯速度如飞。

解决好兼容性。在龙芯下虚拟机跑一个XP运行,龙芯也能用。

一个小的单机财务软件,是20年前用vc开发的。适应1000人单位的财务处理。

20年后,还是一个1000人的单位,一个月还是这些财务帐。

需求没有变。用180nm的奔腾3跑延迟0.1秒,用最新的5950x跑延迟0.001秒。

对用户来说区别不大。国产兆芯跑,延迟0.01秒,完全可以用嘛。

把软件性能保持高效率。很多领域并不需要多快的硬件。这样自主就容易多了。

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面积、功耗、性能,这三个东西,只要放弃其中一个,事情就好办多了。

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