處理器制程工藝尺寸對(duì)設(shè)備意味著什么？

每當(dāng)有新的處理器發(fā)布時(shí)，制造商都要站出來強(qiáng)調(diào)，他們的設(shè)備搭載的是更小納米制程工藝芯片，因此他們最新設(shè)備相比前一代更強(qiáng)大、更節(jié)能。

不過，這種說法有些“反直覺”：處理器確實(shí)變小了，但是它們卻變得更強(qiáng)大，難道能耗還能降低?我們可能習(xí)慣性認(rèn)為，尺寸更大，意味著更強(qiáng)勁，更強(qiáng)勁自然就需要更多的能耗。這種想法是否準(zhǔn)確呢?你可能還不知道不同納米工藝具體意味著什么，以及它們對(duì)你智能手機(jī)運(yùn)行游戲或者電池續(xù)航時(shí)間有何影響。

為了弄清楚這些問題，首先，就讓我們解釋一下處理器制程工藝概念吧。

納米是什么?從本質(zhì)上講，一款微處理器也就是由不同材質(zhì)組成的幾個(gè)疊層構(gòu)成。將它們以一種特殊的方式堆積在一起就生成了電子元件，比如晶體管、電阻器和電容器。這些都是我們很難用肉眼看到東西，它們只有在顯微鏡下才能觀察出來。這些微型電子元件躺在方形網(wǎng)格中充當(dāng)著打開、關(guān)閉按鈕。電子元件之間的距離就是用納米來計(jì)算。我們都知道，一納米等于十億分之一米。電子元件彼此之間的距離越小，我們?cè)谛酒蟹胖玫臇|西就越多。

目前有很多種縮減電子元件距離的方法，以此獲得更高效的芯片?？s小微處理器電子元件距離將導(dǎo)致不同晶體管終端電流容量降低，這樣就會(huì)提升他們的交換頻率。每個(gè)晶體管在切換電子信號(hào)時(shí)，其所消耗的動(dòng)態(tài)功耗直接與電流容量相關(guān)，這樣晶體管就變得運(yùn)行速度快、且能耗小。

是的，這樣肯定會(huì)變得更好。這些小型晶體管需要低壓來打開，因此它們也就需要低壓來驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)功耗損失跟電壓的平方成正比。當(dāng)你降低了驅(qū)動(dòng)通過晶體管電流所需要的電壓時(shí)，你最終也就降低功耗。

最后要說的是，半導(dǎo)體生產(chǎn)商偏愛更小工藝尺寸處理器的另一個(gè)因素就是成本。電子元件越小，你在晶片所放置的元件就越多。不過，盡管更小工藝尺寸需要更多昂貴設(shè)備，但這些投資成本會(huì)被每個(gè)晶片成本所沖銷。

為何縮小處理器工藝尺寸平均要花2年時(shí)間?這其中自然包括對(duì)各個(gè)方面的平衡。這也是為什么上文提及的小型、強(qiáng)勁、有效的晶體管容易漏電流的原因。電壓在四方形中偶爾會(huì)發(fā)生泄漏，這就導(dǎo)致即便是芯片什么也沒做，也會(huì)發(fā)生功耗。在一個(gè)理想的狀態(tài)下，在隔層網(wǎng)格中所有元件保持穩(wěn)定狀態(tài)，但是，如果電子元件體積太小，電流將變得更不穩(wěn)定。

電子元件的極限尺寸是多少?目前比較流行、且功能強(qiáng)勁的移動(dòng)處理器都是在20納米-28納米之間，但仍處在開發(fā)狀態(tài)下的最小處理器工藝尺寸為14納米，它是由英特爾公司打造，應(yīng)用在臺(tái)式和筆記本CPU中。這家公司的目標(biāo)是在2020年開發(fā)出5納米工藝的處理器。行業(yè)專業(yè)人士預(yù)期在2028年將出現(xiàn)1納米工藝處理器。

從某種程度上講，這將打破我們目前所使用的處理器生產(chǎn)技術(shù)限制，行業(yè)參與者將不得不考慮使用其他開發(fā)途徑和原料。鑒于我們已經(jīng)在2012年開發(fā)出了只有單原子大小的晶體管，因此我們可以大膽地說，芯片制造商未來肯定能夠?qū)ふ业嚼^續(xù)開發(fā)更優(yōu)秀的產(chǎn)品方法。