用“沙子”造的CPU 凭什么卖的那么贵?

百事数码
2018-04-26 12:05:40 百事科技

看到标题,别鸡冻,这其实是个科普文!今年4月3日,Intel发布了新架构下的第八代处理器,打出了更强,更快,更乐的旗号,相信又将掀起新一轮的产业革新。

用“沙子”造的CPU 凭什么卖的那么贵?
用“沙子”造的CPU 凭什么卖的那么贵?

当然Intel作为业内拥有最先进经验的芯片制造商,新产品还是很令人期待的,而很多小伙伴其实对intel的芯片很感兴趣,但是一但深入了解,很快就会被扑面而来的晶体管,微架构,纳米,CPI,睿频,超频,缓存等概念搞疯………

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所以为何CPU工作如此迅速,为何主频变化多端,纳米级别的工艺到底是外星文明的帮助还是人类智慧的结晶,一片薄薄硅圆晶上到底隐藏着怎样的秘密,就让我们借着第八代的上市,跟大家一起走一走“芯”吧……

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先说说,芯片到底是个什么东西。

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芯片,就是我们说的CPU,又名中央处理器,常说芯片是一个机器的大脑,重要性可见一斑,它负责计算机多项工作的完成,快速处理数据,并把工作分类并传输指令给计算机的其它部件,这有点像一个物流中心,要把源源不断又种类繁多的数据“包裹”分析,分类,处理,传送……

所以,要不我们就把它比作一个物流中心好了,为方便理解,我们就从甄老板要开一个物流厂说起吧……

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一、从沙子到芯片

甄老板要开一个物流厂,首先第一件事,当然是要选一块地,芯片物流厂的用地要求比较奇怪,它是需要建在沙子上的,因为工厂要顺利运行,需要一种沙子里面含有的特殊元素,si(硅),这也就是我们熟知的CPU是由沙子造的

但是我们知道沙子上是不能直接建厂的,所以沙子需要特殊处理,这个处理就是通过一系列的提纯及切割,获得芯片基座-圆晶的过程。

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圆晶(Wafer)是芯片的基础,是由硅纯度99.9999%的硅锭切割成的薄片。在这个基础上,芯片制造商们将展开体现人类制造智慧的顶级工艺。当然,为了好理解,我们还是回到工厂的建造上来吧。

二、纳米技术及微架构

好了,现在工厂有了地,但是怎么建造流水线设施,让工人好好干活呢?

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当然得找个牛一点的设计师先设计一下厂房的构造, 越牛的设计师,设计得越精巧,就是我们说的“工艺”,随着时代的进步,设计师们的精细度也从45nm级的设计,逐步精细化到32,22,甚至现在的第八代14nm,工艺越好,能容纳的工作单位(晶体管)就越多,一个针尖就有高达5k晶体管,当然也就意味着可以在工厂干活的人也越来越多,干活的速度也就能越来快啦……

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设计师们还得去设计厂房的具体布局,比如这条流水线应该从左往右,还是从上到下呢?这种布局就叫微架构,当然布局过程非常复杂,介于我们都不是学建筑的,具体的工序也没必要特别了解,通俗点讲可以看作是一个在晶圆上做微雕,雕出众多晶体管的过程……这个东东的技术性和复杂性都已经登峰造极了,下方的部分工艺大家随意感受下就行……

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架构决定了芯片的性能和功能,设计师们为了工人们能更快,更好的干活,并且能处理更多新出现的任务,在架构上简直绞尽脑汁,尽善尽美,所以在工艺进步的同时,也经常在架构上推陈出新,比如第八代 Intel就是“coffee lake-H”设计代替了前一代的“kabylake-H”的设计。

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不过微微吐槽一句,Intel的架构命名还真是好喜欢用地名啊,不是这个湖就是那个桥,可能是想表明他们就是个跟土建沙石有关的公司吧(……大误)。

晶体管做完之后,后续还有一系列的测试,切割,封装等工序,圆晶就变成了一块块芯片,我们的工厂也就建好啦。

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虽然讲的很简单,但其实背后有很多的尖端工艺,Intel作为金字塔的顶端,也只有70%的成功率,所以芯片行业真是汇集了精英资本和精英智慧的一个产业啊,不是高帅富的大佬还真的玩不起,当然这也是为什么,世界上的芯片制造商屈指可数的原因。

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工厂总算建好啦,工人们各就各位,开始干活吧……

三、时钟频率与核心

人和厂都准备好了,但是人实在太多了,如果不好好管理的话,也会乱套,所以甄老板找了个大喇叭统一喊“1,2,1,2”,让工人们有节奏地干活,这个“1,2,1,2”就是时钟频率。

通常意义上我们把它认为是CPU的主频,主频越高,说明工人们干活越快,CPU的速度也就越快,一般我们能看到就是xxGHz这样的显示,数值越高,说明速度越快。

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当然甄老板为了效率能更高点,可能会同时建2个或者4个厂房,就我们熟知的双核CPU,4核CPU,这样通过协同,工人们的效率就更高,单位时间能处理的活也就越多。

而这样根据不同的等级,CPU也就有了i3,i5,i7之分(现在还出现了i9级CPU),等级越高,主频表现越好,工厂越有效率,而在第八代的intel 芯片中,又有了划时代的产品:首次出现了6核的移动平台CPU。

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这颗芯将主流移动计算提身高了6核的时代(需要说明的是服务器及商用领域其实早就已经出现6核,但是移动平台是首次),当然,我们在这一张图中除了看到熟悉的14纳米制程工艺,核心数之外,还看到了另外的参数,一是功耗,一是线程,功耗我们放后面说,先说说线程。

四、线程、睿频、超频

还是举工厂的例子,甄老板在厂房布局(微架构)及工人数量(晶体管)的布置上已经到了极限,还想提高效率怎么办呢?就要说到我们下面的概念了线程和超线程。

线程其实是个虚拟概念,类似于工厂外面排好等待处理的包裹队列,一般每个核心对应着一个线程,包裹按顺序进入工厂,这样CPU就可以有条不稳地工作了

而超线程相当于一个核心对应了两条队列,两条队列上的包裹按工厂的处理能力依次进入厂房,道路宽了,也让整个进程更有效率。

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然后工厂这边,任务突然多了起来,处理速度也要相应的提高,甄老板想到了一个办法,号召想多干活的工人们去拿加班奖励,一部分工人当然积极响应,多出来的任务很快完成了,这个自主接收激励的动作,就叫睿频。

睿频:是指当启动一个运行程序后,CPU会自动加速到合适的频率,而原来的运行速度会提升 10%~20% 以保证程序流畅运行的一种技术。睿频是intel的一个重要技术,也是智能CPU的基础,这项技术被运用到了intel的全系列,包括第八代CPU。

下图就是最新的睿频技术,可以提升至4.8Ghz,完成峰值任务so easy!

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当然,有时候工厂的活特别多,自愿去加班的工人都完成不了了。这时候甄老板不得不放出了“全体人必须加班“的大招,将工厂的速度强制提升到某一个值上,这个动作叫做超频。

超频:用户强制将处理器的所有内核运行在规格限定频率范围之外,以求更好的速度。这个动作通过给CPU加压实现的,虽然可以提升效率,但有时候也会损伤元件,各位少侠,请慎重使用哦。

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五、缓存与傲腾

经过一系列的处理,工厂的生意越来越好,但是甄老板渐渐发现,这个厂,有!问!题!

因为他发现,每次包裹传送带都要从很远的“内存仓库“甚至更远的“硬盘仓库”传送,路途遥远,耗费时常不说,还经常丢失包裹。

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痛定思痛,甄老板决定在厂房的周围自建仓库以临时存储待处理的包裹,离厂房最近且最快的叫一级仓库,但因为地价比较贵,所以一级仓库的面积最小,以此类推,又建了二级仓库,三级仓库,三个仓库配合无间,让包裹能不间断地运送到工厂。

这就是CPU一,二,三级缓存的概念(下图中其实只能看到三级,因为一二级太小了)。

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后来Intel认为,3级缓存已经跟不上现在的时代,所以在最近的第八代CPU中,直接在芯片上建了了内存仓库大小的超级缓存,就是“傲腾”。

这个可选配的“傲腾”内存,这大大提高了用户的峰值速度,也让电脑在大任务面前,终于可以轻松起飞。

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六、最后说下能耗

刚刚借着intel 第八代CPU普及了很多芯片上的参数,最后说说能耗一般效率越高的工厂,当然能耗就越多,放在CPU上,意味着更废电,以及发热更大,所以保证运行的稳定,CPU主频往往到一定阶段就不再上升了,能耗性能如何平衡?也是考验CPU厂商的一个关键。

不过Intel在这方面处理得还是相当不错的,可以说是极大的兼顾了速度与稳定在第八代的Intel i9 CPU中还首次实现了移动智能不锁频的技术,可以说是很艺高人胆大了。

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写在最后

熟悉intel的人对这个发布会还是有所意料,因为毕竟我们都已经知道,Intel遵循tick-tock开发模式,两年更新一个工艺,隔年更新微架构,不过这两年intel在工艺上已经遥遥领先于对手,所以新CPU在工艺上的更新并没有太大,但转而在架构上进行调整,以适应现阶段如4K、VR、娱乐、游戏、无线技术等更应用化也更新的多任务的处理。

用“沙子”造的CPU 凭什么卖的那么贵?

不管怎么说,一代确实比一代好了,而随着时代的发展,Intel也逐渐由原来单纯的芯片厂商,逐渐开始在自家的处理器上集成显卡、内存(四级缓存),不满足做个快递大厂,开始做店面,还包了飞机火车轮船,直接开始打开了地图打野模式……

当然乐见的是,技术的革新为新硬件的诞生也提供了坚实的基础。

未来已来,我们拭目以待!

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