每當(dāng)我們購(gòu)買新款手機(jī)或電腦，總會(huì)被提及新一代芯片的強(qiáng)大性能，但為什么芯片公司不將CPU的面積做大一些，以此來(lái)?yè)Q取更高的性能呢？在這里給大家?guī)?lái)一個(gè)關(guān)于芯片公司的熱門話題。你也曾經(jīng)好奇過為什么芯片公司不把CPU面積做大一些，以此來(lái)?yè)Q取更高的性能嗎？

擴(kuò)展CPU的空間，為什么不利用更大的晶圓來(lái)容納更多的內(nèi)核，從而以速度換取空間？例如考慮一下將組件分割成小塊而不是維護(hù)整體設(shè)計(jì)的基本原理。為什么不選擇單芯片來(lái)節(jié)省芯片間通信消耗的能量，就像GPU的單芯片大得多一樣？

在單個(gè)核心中進(jìn)行放大，我們是否可以在一個(gè)單獨(dú)的核心中堆疊更多更廣泛的執(zhí)行單元以換取速度？例如為什么SIMD寬度不能擴(kuò)展到1024位或更高？為什么主流大核CPU中的SIMD FPU數(shù)量會(huì)驚人地相互呼應(yīng)？難道再增加一些不是有益的嗎？


1、CPU面積和性能的關(guān)系

芯片公司考慮到多個(gè)方面因素，決定不簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)大CPU的面積，而是采取了更加精細(xì)的方法來(lái)提升性能。以下是幾個(gè)原因：


1. 熱量管理

隨著CPU面積的增大，功耗也隨之增加。面積越大，電子元件之間的距離也會(huì)變長(zhǎng)，導(dǎo)致電子信號(hào)的傳輸時(shí)間增加，進(jìn)而造成功耗上升。如果不加以適當(dāng)?shù)奶幚恚@些問題將導(dǎo)致CPU過熱，并可能損壞芯片。

芯片公司為了保持CPU的正常工作溫度，需要在面積的增大和散熱的平衡上做出妥協(xié)。他們投入了大量的時(shí)間和資源來(lái)設(shè)計(jì)更高效的散熱系統(tǒng)，例如采用先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，以確保CPU在高工作負(fù)載下依然保持穩(wěn)定的溫度。


2. 成本和制造

隨著面積的增加，芯片生產(chǎn)的成本也會(huì)隨之增加。更大的面積意味著需要更多的硅材料，更多的工藝步驟和更復(fù)雜的制造工藝。此外，制造過程中的缺陷率也可能增加，導(dǎo)致芯片成品率下降，進(jìn)一步提高了成本。

因此，芯片公司需要仔細(xì)考慮面積與性能之間的平衡。他們必須在保證性能的同時(shí)控制成本，以便能夠生產(chǎn)出更多的芯片，滿足市場(chǎng)需求。


3. 動(dòng)力和效能

除了熱量管理和成本問題外，芯片公司還要考慮CPU的動(dòng)力和效能。盡管增大面積可以提升性能，但也會(huì)帶來(lái)更高的功耗和能源消耗。這對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的電池壽命和散熱系統(tǒng)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

為了提供更長(zhǎng)的電池壽命和更好的散熱性能，芯片公司需要在面積和功耗之間做出權(quán)衡。他們通過優(yōu)化架構(gòu)、改進(jìn)制造工藝和引入先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)來(lái)平衡這些因素，從而提供高性能的芯片同時(shí)確保低功耗和高效能。

綜上所述，盡管增大CPU面積可以在一定程度上提升性能，但芯片公司需要考慮熱量管理、成本和制造、功耗和能源消耗等多個(gè)因素。他們必須在這些因素之間取得平衡，以確保生產(chǎn)出高性能、高效能且經(jīng)濟(jì)合理的芯片，滿足用戶的需求。


2、小晶片難題，是什么阻止我們堆積大量小晶片，以數(shù)量換取效率？

想象一下主板上滿是CPU，一塊主板相當(dāng)于100個(gè)CPU。這些核心被制作在硅片上，在硅片上蝕刻精心設(shè)計(jì)的晶體管電路，然后將硅片切割成所需的CPU。因此考慮到晶圓片的固定尺寸和成本，擴(kuò)大單個(gè)晶圓片的表面積將導(dǎo)致每個(gè)晶圓片上的晶圓片數(shù)量減少，從而導(dǎo)致每個(gè)芯片的成本膨脹。

GPU和CPU的架構(gòu)原理截然不同。GPU通常更大，在單個(gè)PCB上容納許多組件，但它們的核心GPU與CPU沒有太大區(qū)別。升級(jí)CPU除了可能增加成本外，還可能加劇冷卻方面的挑戰(zhàn)。由于集成電路的規(guī)模和每單位面積的晶體管數(shù)量并不嚴(yán)格相關(guān)，僅僅增加尺寸并不一定轉(zhuǎn)化為性能的提高。

晶片設(shè)計(jì)的出現(xiàn)是為了增強(qiáng)集成和效率。通過分離各種功能模塊，每個(gè)功能模塊都可以優(yōu)化性能和功耗。此外高速接口減少了小芯片之間的通信延遲和能量消耗。

對(duì)于GPU來(lái)說，它們更大的芯片迎合了廣泛的并行處理任務(wù)，提高了并行計(jì)算的能力。然而，擴(kuò)展SIMD寬度需要平衡指令集架構(gòu)、資源利用和熱/電源管理等因素。矛盾的是，將SIMD擴(kuò)展到1024位可能會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)和功耗增加。

桌面CPU中SIMD FPU的數(shù)量是性能和功耗的微妙平衡。更多的FPU可能會(huì)促進(jìn)某些應(yīng)用，但代價(jià)是更大的功率和冷卻需求。

集成額外的Chiplets可以提升集成和性能，但也會(huì)增加功率和冷卻需求。此外它還增加了芯片間通信的延遲和復(fù)雜性。因此晶片數(shù)量必須在性能、功耗和成本之間進(jìn)行明智的平衡。

CPU的設(shè)計(jì)和優(yōu)化包含了許多因素，成本、功率、冷卻、集成和性能。因此提高性能并不像僅僅擴(kuò)大大小或數(shù)量那么簡(jiǎn)單。