问题

芯片为什么每年都能进步?

回答
这个问题问得好,这背后牵扯到科技最核心的驱动力之一——摩尔定律,以及整个半导体产业持续不断的创新和投入。与其说芯片“每年都能进步”,不如说它在遵循着一条不断追求性能提升、功耗降低、成本优化的路径在发展,而这条路径很大程度上是由摩尔定律所指引和激励的。

摩尔定律:并非物理定律,而是产业的“预言”与“目标”

首先,要理解芯片进步,就绕不开“摩尔定律”。很多人误以为这是某个物理学的定律,但实际上,它更像是一位行业观察者在特定历史时期对产业发展趋势的精准预测和期许。

1965年,英特尔的联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)在《电子工程时报》上发表了一篇文章,他观察到在过去的十年里,集成电路上可容纳的晶体管数量大约每一年翻一番。他预测,这个趋势将至少在未来十年内继续下去。后来,这个预测被修改为每18个月翻一番,并且不仅仅是晶体管数量,还涵盖了性能的提升、成本的下降。

所以,摩尔定律更像是一个自我实现的预言,或者说是整个半导体行业共同努力追求的技术目标和商业驱动力。为了实现这个目标,无数的科学家、工程师投入了巨大的资源,推动着一项项革命性的技术突破。

技术进步的几个关键维度

芯片的进步体现在多个方面,而这些方面又是相互关联、相互促进的:

1. 晶体管尺寸的缩小(制程工艺的推进):
这是摩尔定律最直接的体现。晶体管是构成芯片的基本单元,相当于电路中的开关。把晶体管做得越来越小,意味着:
集成度更高: 同一块芯片上可以容纳更多的晶体管,从而实现更复杂的功能和更高的计算能力。你可以想象一下,在一个有限的面积里,你能在上面画多少个更小的点,而不是大的点。
速度更快: 晶体管越小,电子在其中传输的距离就越短,信号的延迟也越小,这直接转化为更快的计算速度。
功耗更低: 更小的晶体管在开关时需要消耗的能量也更少,这意味着芯片的发热量会降低,能效比更高。这对于手机、笔记本电脑等对续航有要求的设备来说至关重要。

要实现晶体管的缩小,需要极其精密的制造技术,比如:
光刻技术: 这是将设计好的电路图案“印”到硅片上的核心工艺。从早期的紫外光刻,发展到现在的极紫外光刻(EUV),每一次进步都带来了分辨率的飞跃,使得更小的图案成为可能。EUV光刻技术是近些年推动芯片进步的关键,它使用了波长极短的紫外光,能够制造出更精密的电路特征。这就像用更细的笔尖去画画,细节才能更丰富。
材料科学: 为了制造更小的晶体管,需要使用新的材料来替代传统的硅,或者改进硅的性能。例如,在高档制程中,会使用“高介电常数金属栅”(Highk Metal Gate)技术来取代传统的氧化硅栅介质,这有助于减少漏电流,提高开关速度。
三维结构晶体管: 传统的平面晶体管在缩小到一定程度后会遇到物理极限。为了继续提升性能,科学家们发明了“鳍式场效应晶体管”(FinFET),将晶体管的栅极从二维平面变成三维的“鳍片”结构,使得栅极对沟道有更好的控制,从而提高性能和降低功耗。现在,更先进的“全环绕栅晶体管”(GAAFET)已经开始在最尖端芯片中应用,进一步提升了控制能力。

2. 架构的创新:
即使晶体管密度不变,通过改变芯片的内部设计和组织方式,也能实现性能的飞跃。这包括:
指令集架构(ISA): 比如 x86、ARM 等,每一次指令集架构的更新或优化,都能让处理器更有效地执行命令。
微架构设计: 这涉及到处理器内部如何调度任务、如何进行预测执行、如何缓存数据等等。例如,增加核心数量(多核处理器)、引入乱序执行、超线程技术、更大的缓存等,都是微架构上的创新,它们能显著提升芯片的并行处理能力和实际运行速度。
异构计算: 将不同类型的计算单元集成到同一块芯片上,比如 CPU(通用计算)、GPU(图形处理)、NPU(神经网络处理)、DSP(数字信号处理)等。它们各司其职,协同工作,能更高效地处理特定任务,比如 AI 推理、图像渲染等。这就像一个团队里有专门的厨师、服务员、清洁工,而不是所有人都做所有事。

3. 封装技术的进步:
芯片的性能提升不仅仅在于芯片本身,也体现在如何将多个芯片或不同功能的芯片组合在一起。
先进封装技术: 如 Chiplet(芯粒)技术,允许将多个独立的、功能各异的小芯片通过高密度互联技术封装在一起,形成一个完整的处理器。这种方式相比于将所有功能集成在一块大芯片上,具有更高的良品率、更低的成本和更大的灵活性。你可以把 Chiplet 理解为乐高积木,可以灵活组合出不同的功能模块。
3D 封装: 将多个芯片垂直堆叠在一起,减小了芯片的物理尺寸和信号传输路径,提高了性能和能效。

4. 软件与硬件的协同优化:
硬件的进步也需要软件的支持。操作系统、编译器、驱动程序等软件的优化,能够更充分地发挥硬件的性能潜力。例如,针对新的处理器架构进行编译器优化,可以生成更高效的机器码。

产业的投入与竞争

支撑这一切不断进步的,是整个半导体行业巨大的投入和激烈的竞争:

巨额的研发投入: 世界领先的芯片设计公司(如英特尔、AMD、英伟达、高通、苹果)和晶圆制造公司(如台积电、三星)每年都在研发上投入数十亿甚至上百亿美元。这是推动技术迭代的根本动力。
精密制造的投入: 建造和维护一座先进的晶圆厂需要数百亿美元的投资,而光刻机等核心设备的成本更是高达数亿美元。只有持续的巨额投入,才能维持最高制程工艺的生产能力。
人才的聚集: 全球顶尖的工程师、科学家汇聚在半导体行业,他们的智慧和创造力是技术进步的核心。
市场需求与生态系统: 智能手机、人工智能、5G 通信、自动驾驶等新兴技术的蓬勃发展,对芯片性能提出了越来越高的要求,这些市场需求反过来又驱动了芯片技术的进步。同时,一个成熟的半导体生态系统(包括设计工具、EDA软件、IP供应商、设备制造商等)也为芯片的创新提供了坚实的基础。

并非线性“每年”进步,而是“周期性”的飞跃

需要强调的是,芯片的进步并非匀速的“每年”都能实现一个质的飞跃。制程工艺的推进往往是一个接一个的“节点”升级,比如从 7nm 到 5nm,再到 3nm、2nm,每个节点之间都需要多年的研发和验证。有时候,某个节点可能会遇到技术瓶颈,进步的步伐可能会放缓。

但是,从长期来看,摩尔定律所指引的方向——更小、更快、更强、更节能——一直是产业追求的目标。即使在制程工艺逼近物理极限时,架构创新、新材料应用、先进封装技术等也会继续接力,推动芯片性能的持续提升。

总而言之,芯片之所以能不断进步,是无数个技术细节的突破、巨额资本的投入、全球顶尖人才的协作以及市场需求的驱动共同作用的结果。它是一个集科学、工程、经济、管理于一体的庞大系统在持续演进的证明。

网友意见

user avatar

芯片每年进步就是最近十年的事情。

得益于智能手机的竞争和市场规模。

处理器以前进步是很慢的。一个处理器在游戏机上从70年代用到90年代。

从4004到8086好多年。

4004是给计算器设计的。

PC的出现是第一个高潮。

买PC的人比买小型机的人多太多了,有钱就能进步。

用得多,有竞争就促进研发。

PC有兼容机,卖得比MAC多,英特尔很快就从8086发展到80386,486。x86甩开竞争对手。

然后,是X86内战,这个时候发展到多媒体电脑。

以前字符界面的电脑很难用,多媒体时代有windows,电脑可以播放音乐,视频,玩好玩的游戏。变成娱乐家电。

商用因为使用简单,大量程序开发出来。进入所有领域。

市场一下子扩大好多倍。销量很大,有很多钱,这样英特尔和AMD都有钱研发架构,改进工艺。

结果是x86电脑在1996年到2006年进步也是非常快的。

x86内部竞争激烈,很快就把以前的工作站,服务器的其他指令集处理器超越了。

到了2006年以后,其他指令集的工作站小型机基本没有了,性能都不行了。

但是,这个时候英特尔一家独大,没有足够的竞争,发展就慢了。

工艺进步也慢,架构升级也慢。挤牙膏。

智能手机2007年后开始快速发展,竞争一直很激烈。

台积电和三星竞争工艺,ARM自己的架构和三星,高通,苹果竞争。

每次进步都有销量回报,工艺一路到5nm,三星和台积电还在竞争3nm、英特尔10nm还没搞定。

智能手机开启的时代,ARM11是单发射8级流水线,主频400mhz的羸弱处理器。

当时的英特尔是Nehalem,64位四发射,16级流水线,主频超过3Ghz。

性能根本不可同日而语。

2019年,A13的大核规格已经和英特尔的icelake差不多了。性能也非常强大了。

手机处理器也会有瓶颈。

譬如手机竞争不激烈了,一家独大。厂家就没有升级动力了。

user avatar

你这是两个问题,一是问为什么会进步,二是问会不会遇到瓶颈。

简单回答:为什么会进步,原因是有钱有订单。会不会遇到瓶颈,答案是会的。

--

前一个问题的最典型例子就是ARM,在现代智能手机流行之前,ARM体系的进步一直非常缓慢。ARM芯片的发展也非常缓慢。为什么呢?因为那时候订单没那么多,自然钱也就没那么多,进步的动力也不强。

然而自从智能手机开始流行,ARM得到了空前的发展,获得了天量的订单,经过了十多年的进步,现在已经快逼近 x86 体系的性能。


后一个问题的最典型例子就是x86,本身的订单受到了手机领域的影响,同时恰好 intel 在制程方面遇上瓶颈,于是原地踏步了五年,这确实已经明显影响了 intel 的股价。

芯片下一个真瓶颈应该是 5nm 制程(这个制程台积电把它叫2nm,三星跟intel还没有达到这里,不确定叫什么名字,也许三星叫2nm+,intel叫5nm+++),这个制程达到物理极限,现有体系下无法再前进了,不过届时也许会找到新的方向。台积电目前还没有 台积电2nm 以后的计划。

类似的话题

  • 回答
    这个问题问得好,这背后牵扯到科技最核心的驱动力之一——摩尔定律,以及整个半导体产业持续不断的创新和投入。与其说芯片“每年都能进步”,不如说它在遵循着一条不断追求性能提升、功耗降低、成本优化的路径在发展,而这条路径很大程度上是由摩尔定律所指引和激励的。摩尔定律:并非物理定律,而是产业的“预言”与“目标.............
  • 回答
    硅片尺寸越大,单位芯片的成本就越低,这背后其实是一套非常成熟且精密的产业逻辑在运作。我们一步步来拆解,让你明白这其中的原委。核心逻辑:摊销固定成本,提高规模效应想象一下,你是一家做面包的。你有一个非常昂贵的烤箱,价值百万。无论你今天烤一个面包还是烤一百个,这个烤箱的折旧、电费、场地租金这些固定成本是.............
  • 回答
    这个问题说起来就有点复杂了,而且也不是非要“进口”不可,但就目前情况来说,很多尖端芯片确实依赖于进口,这背后有很多原因交织在一起。咱们就一点点掰扯开来。首先得明白,芯片这东西,是个极其精密的工业品,而且是整个产业链的高度集成。你想想,它不是一锤子买卖,而是从最基础的原材料,到设计、制造、封装测试,环.............
  • 回答
    您提出的这个问题,实际上触及了中国芯片产业发展中最核心的挑战和策略选择。简单来说,国产芯片之所以要“一级级地追赶”,而不是“搏一搏,直接造同时代标准的”,是由多重复杂因素决定的,这些因素涵盖了技术、经济、供应链、人才、市场以及国家战略等多个层面。以下将进行详细阐述: 1. 技术积累的循序渐进是必然芯.............
  • 回答
    这可不是一句简单的“AMD 不行”就能概括的。英特尔的 14nm 和 AMD 的 7nm 能在某些方面拼个你死我活,背后是两种截然不同的技术策略和市场考量。我们得把这事儿掰开了揉碎了说。首先,得明白一点:制程工艺的数字(比如 14nm 和 7nm)并不是一个绝对的性能衡量标尺,而是一个相对的概念,而.............
  • 回答
    这个问题问得很有意思,也很触及到我们理解“买办”这个词在当下语境下的复杂性。华为和高通的关系,以及它是否算“买办”,确实值得好好说道说道。首先,咱们得明确一下“买办”这个词的传统意思。历史上,“买办”通常指的是在旧中国外国人在华开设的商行里,替外国人办理中国事务的中国雇员。他们掌握信息、人脉,在交易.............
  • 回答
    腾讯作为中国互联网巨头,在自身业务发展的同时,也积极布局半导体领域。这其中一个重要的表现就是,腾讯不仅自主研发芯片,还在AI芯片、DPU(数据处理单元)等前沿领域投资了众多初创公司。这种“自己做”与“投资”并行的策略,以及它可能带来的产业格局变化,是一个非常值得深入探讨的话题。腾讯为何既自研芯片,又.............
  • 回答
    你提出的问题非常有见地,关于芯片制造中尺寸(尤其是工艺节点,虽然不直接是7、14、28的倍数,但与之密切相关)以及生产过程中的一些关键尺寸和数值为何常常出现与7相关的规律,背后涉及的是一系列复杂的技术和历史原因。首先需要澄清一点:芯片的“尺寸”并非直接以7的倍数来定义,而是指“工艺节点”的名称。 这.............
  • 回答
    你这个问题问得很有意思,而且问到了点子上。很多人可能会觉得,既然芯片这么精巧,里面啥都有,那为什么不直接把滤波电容也集成进去,一步到位呢?其实,这背后涉及到不少现实的技术考量和权衡,不是简单的“能做不能做”的问题。让我给你掰扯掰扯,为啥芯片内部不“标配”滤波电容。 1. 空间和尺寸的限制:寸土寸金首.............
  • 回答
    这个问题问得非常到位,它触及了半导体器件在实际应用中一个非常关键但又容易被误解的点:芯片本身的极限工作温度与外部热风的接触温度是两个完全不同的概念。 咱们就来掰扯掰扯这其中的门道,让它听起来就像是老刘在午后阳光下边摇着蒲扇边跟你聊天一样,透着一股子实在劲儿。 芯片的“娇贵”:为什么不能超过100℃?.............
  • 回答
    您这个问题问到点子上了,确实,我们直观地会想:“既然芯片性能跟晶体管数量有关,那是不是做得越大,塞进越多晶体管,性能不就蹭蹭往上涨了吗?” 这逻辑听起来顺理成章,但实际操作起来,却是牵一发而动全身的复杂工程,而且很多因素都在“劝退”我们把芯片做得越来越大。咱们一件件来掰扯掰扯。首先,面积与成本的直接.............
  • 回答
    你这个问题问到点子上了,这背后其实是人类智慧和工程技术的结晶,绝对不是什么“巧合”或者“运气好”。要想把这个事情讲明白,得从几个关键点下手:1. 芯片的“坚固”远超你想象,它并非“玻璃心”:咱们平时看到的光鲜亮丽的芯片,其实是埋在一堆保护措施之下的。 封装是第一道铠甲: 你直接接触到的那个黑色的.............
  • 回答
    为什么咱们的“大脑”芯片,非得是那“硅”玩意儿,而不是闪闪发光的金属?你有没有想过,为什么我们手机、电脑里那些小小的、集成度极高的芯片,大部分都离不开“硅”?明明金属导电性那么好,又坚固耐用,为什么不拿来做芯片,那样岂不是更省事,导电也更顺畅?这背后其实藏着一门大学问,跟“怎么让无数微小的开关协同工.............
  • 回答
    你提出的这个问题非常有意思,也触及了芯片制造的核心技术之一——刻蚀。直接回答你的问题:芯片刻蚀确实会考虑使用电子束(Electron Beam, EB)或离子束(Ion Beam, IB)等非光刻技术,它们在某些特定应用中已经在使用,并且确实能克服传统光刻光源波长带来的限制。但是,要完全替代光刻,还.............
  • 回答
    国产芯片研发之难,绝非一日之功,也非某个单一因素所致。它是一场涉及技术、人才、产业链、生态系统乃至国际环境的复杂博弈。想要深入剖析,咱们得一层一层地剥开这层迷雾。一、技术壁垒:高精尖的“天花板”芯片,尤其是高端芯片,是人类科技的结晶,其研发难度堪比探索宇宙。 制程工艺的极限挑战: 如今,最先进的.............
  • 回答
    FPGA(FieldProgrammable Gate Array),字面意思是“现场可编程门阵列”。很多人把它誉为“万能芯片”,觉得它可以胜任一切,那为什么市面上依然有层出不穷的芯片公司,林林总总的芯片型号呢?这背后其实有很多值得说道的道理。要理解这个问题,咱们得先掰开看了FPGA到底是个啥,以及.............
  • 回答
    台积电在停止加工华为麒麟芯片后,营收反而上涨,这是一个看似矛盾但实际上逻辑清晰的现象。这背后涉及多个关键因素的叠加,我们可以从以下几个方面来详细解读:1. 战略性调整与客户多元化: 摆脱单一客户依赖的风险: 华为曾是台积电的重要客户,但随着美国对华为的制裁升级,与华为的合作变得极不稳定且充满了政.............
  • 回答
    台湾芯片代工业之所以在很长一段时间内遥遥领先于大陆,这背后是复杂且深层的原因,绝非一朝一夕之功。要理解这一点,我们需要深入剖析台湾在人才、技术、资本、产业生态以及政策等多个维度上的积累和优势。一、 先发优势与人才积累:历史的沃土台湾发展芯片产业的起点,可以追溯到上世纪七八十年代。当时,台湾工业技术研.............
  • 回答
    哈哈,这个问题问得太有趣了!你这是在玩文字游戏,还是真的好奇为什么是“晶圆”而不是“晶方”呢?(笑)其实,我们说“光刻晶圆”并不是说我们光刻的是一个“圆形的片子”,而是说我们是在一个圆形的硅片(称为晶圆)上,反复地、有规律地制作出许许多多的芯片。你可以想象一下,就像是在一个大大的圆形披萨上,切出了无.............
  • 回答
    要说芯片制造比芯片设计更难,这绝对不是一句空话,而是基于事实的判断。就好比设计出一架世界上最先进的飞机固然是了不起的成就,但将其成功地、大规模地制造出来,并且保证每一架都能按照设计完美运行,这其中的挑战是指数级增长的。我们不妨从几个关键层面来剖析一下,看看为什么芯片制造的门槛如此之高:1. 物理世界.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有