国产CPU制造工艺与部分性能总结

最近一段时间验证了很多国产CPU的性能. 
感觉很多地方与之前的理解有一些偏差.
前几天总结了部分架构和指令集相关的差异
今天想着总结一下制造相关的部分. 
希望能够更全面的了解国产化的相关内容.

想到制程, 第一反应就是会影响主频这一重要属性
第一款打到2Ghz的x86 CPU在22年前就已经出现. 
当时是 Pentium 4 2.0 180nm的制程. 

现在最高主频的CPU, 超频可以到5Ghz 以上. 
但是量产的最高基频的CPU不会超过4.5Ghz
Intel和AMD基本上都 4.1Ghz的CPU打底 通过睿频的方式来提高瞬时性能. 

国产的CPU 一般基础频率都不会超过3Ghz
按照官方资料, 兆芯和鲲鹏的有3Ghz的CPU,但是市面上减少看到
国产的CPU一半也没有睿频的技术. 这一块软方面实现应该要小于硬件制造.
所以这一块也还是由于制造工艺不足导致的. 

国产CPU一般都在2.5Ghz附近徘徊.

通过频率的了解, 可以看到
20年来频率仅仅增长了100%
但是性能的发展却不单纯是这样子的. 是有突飞猛进的发展.
这方面性能的提升离不开架构的升级,更离不开制造工艺的优化. 

主要体现在:
制造工艺越来越精细, 核心面积越来越小,并且能够支持将更多的内存添加进die
可以CPU的性能提升明显. 

比如之前必须使用主板的北桥连接内存
现在CPU都自带 内存控制器, 不需要跟北桥抢FSB, 可以通过多通道内存来提高访存效率和带宽. 

国产CPU也随着制造工艺的发展有了长足的进步. 只不过还存在一些差距.

第一种是:  
全部国产化
现阶段应该在 130nm 到 65nm 之间 浮动. 
并且良率估计不高. 上海微电子应该是核心企业, 自主研发光刻机. 
但是精度应该没有到达 DUV的档次,生产效率也较低

第二种是: 
去A化 就是不考虑美国的设备和技术以及原材料.  
可以采用部分国外的但是不是美国的企业的软硬件以及耗材, 
这种情况下理论上最高可以做到28nm, 青岛的恩芯半导体一直在做这方面的努力 
理论上可以采用 二手设备方式来实现, 不一定全部采用全新设备. 

第三种是:
可以使用部分A的技术. 可以做到14nm 
使用最高级的DUV光刻机(荷兰ASML)以及部分美国的技术,
多重曝光之后理论上可以做到 7nm 但是估计良率感人. 
2020年时宣布过, 但是占中芯国际的营收一直很低. 

其实还有第四种:
就是华宏半导体和长江存储为代表的存储厂商 
京东方为代表的屏幕相关厂商, 
他们对工艺要求不是非常高, 
可能做到1xnm 或者是合适的分辨率.  
存储是半导体里面比较重要的一个组成部分, 但是他的技术含量其实要小于CPU部分. 
CPU如果能够突破. 存储的就可以实现很块的突破.
CPU内既有比较复杂的 Core 计算核心, 也有很多稍微简单一些的 cache 以及很多 IO控制单元. 
所以CPU的工艺其实非常好多种, 现在最流行的chiplet 就是基于这种考虑.

半导体的发展也是从 fab 到 fabless
从设计,制造,封测一体化 变成了台积电为首的代工业, 以及很多封测厂
技术的复杂度也也来越高. 

Intel的架构其实还是要比AMD要先进的. 
但是因为AMD使用了更好的台积电的代工工艺. 在性能表现上要比Intel要好很多. 
甚至超过频率的优势. 
不同代数的CPU也完全不一样的性能提升. 
不能单纯看主频和核心数
制造工艺和架构的提升非常了得. 

技术的发展离不开架构和制造的双重提升

下图可以看出20年来.
单核算力提升了 7倍 
同频性能提升了 5.5倍

同频性能的提升更多的是依赖: 架构升级以及在制程工艺的支持下能够放进去更多的晶体管
做预取,乱序,多发射等. 

也可以看到, 国产的龙芯同频性能的确有了提高. 但是因为制造工艺以及兼容性还有架构的劣势. 
其实依旧比较卡顿.