国产CPU制造工艺与部分性能总结

国产CPU制造工艺与部分性能总结

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背景

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.

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频率相关

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.

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制造工艺的进步

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.

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国产制造工艺的情况

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.

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制造工艺发展与性能

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.

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CPU圆周率对比-时间越短越好

CPU型号	1万位精度圆周率(单位秒)	2万位精度圆周率(单位秒)
AMD 9T34 3.4Ghz	72	431
Inetl 8369 3.3Ghz	84	505
Inetl 6150 2.7Ghz	113	671
Inetl 5218 2.3Ghz	132	784
海光7285 2.5Ghz	143	851
鲲鹏920 2.6Ghz	143	853
飞腾S2500 2.1Ghz	186	1106
SW3231 2.4Ghz	233	1376

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