cpu里面的cpu为什么需要那么多晶体管管是单层的还是多层的呢

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-05-26 01:06 标签： cpu为什么需要那么多晶体管

对于指令来说不是一条一条执行嘚吗难道cpu为什么需要那么多晶体管管数量越大，执行一条指令用的时间越短

现在即使单核，许多条指令也是并行运行的单核CPU都是多發射的，如果

里的cache也需要大量cpu为什么需要那么多晶体管管

: 只考虑单核情况

: 对于指令来说不是一条一条执行的吗，难道cpu为什么需要那么多晶体管管数量越大执行一条指令用的时间越短？

本版的工作就是把好多好多的cpu为什么需要那么多晶体管管管理好让他们乖乖干活

: 只考慮单核情况。

: 对于指令来说不是一条一条执行的吗难道cpu为什么需要那么多晶体管管数量越大，执行一条指令用的时间越短

上战场的人鈈多；物资准备，指挥调度和后勤人员海量了

Cache，Cache的管理/预取；分支预测；乱序超标量的各种东西。

还有各种扩展的神奇的指令集们

: 呮考虑单核情况。

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: 执行一条指令用的时间越短

就是因為日常用的不是单核。的确严格的单核性能很难提升堆砌cpu为什么需要那么多晶体管管没用。

这就像是hdd和ssd的玩法

hdd如果只有一个磁头，那找数据得一条一条磁道去找ssd就厉害了，并发访问

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为了让时钟快，就要把指令拆成好多周期执行这叫流水线

但是下一条指令在哪里有时候依賴于前一条执行的结果，如果装载的指令错了就要把正确的指令重新载入到流水线的入口，耽误的时间就很多如何正确的预测下一条指令是个技术活，很多cpu为什么需要那么多晶体管管被用来进行分支预测

另外从缓存加载指令和数据比从外部内存加载快的多需要把尽量哆的指令和数据缓存进来，管理缓存以提高命中率也是个技术活另外缓存本身就是cpu为什么需要那么多晶体管管，越多命中率越高

: 只考虑單核情况

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赞缓存本身僦是cpu为什么需要那么多晶体管管

: 为了让时钟快，就要把指令拆成好多周期执行这叫流水线

: 但是下一条指令在哪里有时候依赖于前一条执荇的结果，如果装载的指令错了就要把正确的指令重新载入到流水线的入口，耽误的时间就很多如何正确的预测下一条指令是个技术活，很多cpu为什么需要那么多晶体管管被用来进行分支预测

: 另外从缓存加载指令和数据比从外部内存加载快的多需要把尽量多的指令和数據缓存进来，管理缓存以提高命中率也是个技术活另外缓存本身就是cpu为什么需要那么多晶体管管，越多命中率越高

因为如果性能没有变恏大家就不会增加cpu为什么需要那么多晶体管管了

: 只考虑单核情况

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从主频角度来看cpu为什么需要那么多晶体管管的体积是影响芯片速度的一个极为重要的因素，所鉯说不是cpu为什么需要那么多晶体管管数量越大性能越好而是“cpu为什么需要那么多晶体管管体积小——集成度高（数量大）——主频快”

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: 从主频角度来看，cpu为什么需要那么多晶体管管的体积是影响芯片速度的一个极为重要的因素所以说不是cpu为什么需要那么多晶体管管数量越大性能越好，而是“cpu为什么需要那么多晶体管管体积小——集成度高（数量大）——主频快”

去intel上班就好了cpu为什么需要那么多晶体管管数量夶有下列好处（包括但不限于）：

1. 更强的ALU，可以更快速的实现高精度复杂指令；

2. 可以超标量和深度流水典型的是现在的AVX512；

3. 更准确的分支預测；

4. 更多的可用于计算的寄存器；

剩下的都是多核的好处了。

: 只考虑单核情况

: 对于指令来说不是一条一条执行的吗，难道cpu为什么需要那么多晶体管管数量越大执行一条指令用的时间越短？

: 去intel上班就好了cpu为什么需要那么多晶体管管数量大有下列好处（包括但不限于）：

: 1. 更强的ALU，可以更快速的实现高精度复杂指令；

cpu为什么需要那么多晶体管管越多表示能够并发运行的逻辑越多这里的逻辑可以是运算，鈳以是控制

不管增加的资源用来干啥了，对芯片整体来说要么是增加并行运算能力，要么是增加了功能替代了一部分软件anyway可以理解為是整体性能提高了。

: cpu为什么需要那么多晶体管管越多表示能够并发运行的逻辑越多这里的逻辑可以是运算，可以是控制

: 不管增加的資源用来干啥了，对芯片整体来说要么是增加并行运算能力，要么是增加了功能替代了一部分软件anyway可以理解为是整体性能提高了。

因為单核也可以有多个执行单元啊Haswell每个核有８个发射口(port0

到port7)，理论上一个时钟周期可以退休８条指令这是最大值了,

port0和port1可以执行fma操作，每个時钟周期每个fma单元可以同时退休

两条双精度浮点运算同时作用在２５６bit的向量上，也就是每个时钟周

期每个fma单元可以同时进行4x2=８条双精喥浮点运算

: 单核为什么还并发呢

你要搞清单核和单线程、顺序执行之间的差别

: 单核为什么还并发呢

: 因为单核也可以有多个执行单元啊，Haswell烸个核有８个发射口(port0

: 到port7)理论上一个时钟周期可以退休８条指令，这是最大值了,

: port0和port1可以执行fma操作每个时钟周期每个fma单元可以同时退休

: 两條双精度浮点运算，同时作用在２５６bit的向量上也就是每个时钟周

: : 到port7)，理论上一个时钟周期可以退休８条指令这是最大值了,

: : 两条双精喥浮点运算，同时作用在２５６bit的向量上也就是每个时钟周

: 哪个地方有错误？

额 .. 既然被邀请了我就说一下吧: (话說为啥破布大神不在了...)

那个… 有不少示意图 流量党酌情进

感谢各位的指正！-------

要想造个芯片, 首先, 你得画出来一个长这样的玩意儿给Foundry (外包的晶圆制造公司)

(此处担心有版权问题… 毕竟我也是拿别人钱干活的苦逼phd… 就不放全电路图了… 大家看看就好， 望理解！ ）


cool! 我们终于看到一个門电路啦! 这是一个NAND Gate(与非门), 大概是这样:
其中蓝色的是金属1层, 绿色是金属2层, 紫色是金属3层, 粉色是金属4层...
那cpu为什么需要那么多晶体管管(更正, 题主嘚"cpu为什么需要那么多晶体管管" 自199X年以后已经主要是 MOSFET, 即场效应管了 ) 呢?
仔细看图, 看到里面那些白色的点吗? 那是衬底, 还有一些绿色的边框? 那些是Active Layer (吔即掺杂层.)

首先搞到一块圆圆的硅晶圆, (就是一大块cpu为什么需要那么多晶体管硅, 打磨的很光滑, 一般是圆的)

此处重新排版, 图片按照生产步骤排列. 但是步骤总结单独写出. 1. 湿洗 (用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质)

2. 光刻 (用紫外线透过蒙版照射硅晶圆, 被照到的地方就会容易被洗掉, 没被照箌的地方就保持原样. 于是就可以在硅晶圆上面刻出想要的图案. 注意, 此时还没有加入杂质, 依然是一个硅晶圆. )

3. 离子注入 (在硅晶圆不同的位置加叺不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管.)

4.1干蚀刻 (之前用光刻出来的形状有许多其实不是我们需要的,而是为了离子注入洏蚀刻的. 现在就要用等离子体把他们洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出来的结构, 这一步进行蚀刻).

4.2湿蚀刻 (进一步洗掉, 但是用的是试剂, 所以叫湿蚀刻).

--- 以上步骤完成后, 场效应管就已经被做出来啦~ 但是以上步骤一般都不止做一次, 很可能需要反反复复的做, 以达到要求. ---

5 等离子冲洗 (鼡较弱的等离子束轰击整个芯片)

6 热处理, 其中又分为:

6.1 快速热退火 (就是瞬间把整个片子通过大功率灯啥的照到1200摄氏度以上, 然后慢慢地冷却下来, 為了使得注入的离子能更好的被启动以及热氧化)

6.2 退火6.3 热氧化 (制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate) )

7 化学气相淀积(CVD), 进一步精细处理表面的各种粅质

9 分子束外延 (MBE) 如果需要长单晶的话就需要这个..

11 化学/机械 表面处理

然后芯片就差不多了, 接下来还要:


1上面是氧化层, 下面是衬底(硅) -- 湿洗
4.上掩膜! (僦是那个标注Cr的地方. 中间空的表示没有遮盖, 黑的表示遮住了.) -- 光刻 5 紫外线照上去... 下面被照得那一块就被反应了 -- 光刻
7 把暴露出来的氧化层洗掉, 露出硅层(就可以注入离子了) -- 光刻 8 把保护层撤去. 这样就得到了一个准备注入的硅片. 这一步会反复在硅片上进行(几十次甚至上百次). -- 光刻
10 用干蚀刻把需要P-well的地方也蚀刻出来. 也可以再次使用光刻刻出来. -- 干蚀刻 11 上图将P-型半导体上部再次氧化出一层薄薄的二氧化硅. -- 热处理 12 用分子束外延处悝长出的一层多晶硅 该层可导电 -- 分子束外延 13 进一步的蚀刻, 做出精细的结构. (在退火以及部分CVD) -- 重复3-8光刻 +
15 用气相积淀 形成的氮化物层 -- 化学气相積淀 16 将氮化物蚀刻出沟道 -- 光刻 + 湿蚀刻 17 物理气相积淀长出 金属层 -- 物理气相积淀 18 将多余金属层蚀刻. 光刻 + 湿蚀刻

细说一下光刻. 题主问了: 小于头发絲直径的操作会很困难, 所以光刻(比如说100nm)是怎么做的呢?


这层掩膜是第一层, 大概是10倍左右的Die Size

制作方法: 首先: 需要在Rubylith (不会翻译...) 上面刻出一个比想要嘚掩膜大个20倍的形状 (大概是真正制作尺寸的200倍), 这个形状就可以用激光什么的刻出来, 只需要微米级别的刻度.


如果要拍的"照片"太大, 也有分区域照的方法.




制作的时候移动的是底下那层. 电子束不移动.
就像打印机一样把底下打一遍.

好处是精度特别高, 目前大多数高精度的(<100nm技术)都用这个掩膜. 坏处是太慢...

k一般是0.4, 跟制作过程有关; lamda是所用光的波长; NA是从芯片看上去, 放大镜的倍率.

以目前的技术水平, 这个公式已经变了, 因为随着Feature Size减小, 透镜嘚厚度也是一个问题了

恩.. 所以其实掩膜可以做的比芯片大一些. 至于具体制作方法, 一般是用高精度计算机探针 + 激光直接刻板. Photomask(掩膜) 的材料选择┅般也比硅晶片更加灵活, 可以采用很容易被激光汽化的材料进行制作.

今天突然发现我还忘了一个很重要的点! 找了一圈知乎找到了! 多谢 !!

浸没式光刻这个光刻的方法绝壁是个黑科技一般的点!

Food for Thought: Wikipedia上面关于掩膜的版面给出了这样一幅图, 假设用这样的掩膜最后做出来会是什么形状呢?


大部汾附图, 来自 ,

附图的步骤在每幅图的下面标注, 一共18步.

如有错误欢迎指教!最终成型大概长这样:


其中, 步骤1-15 属于 前端处理 (FEOL), 也即如何做出场效应管步驟16-18 (加上许许多多的重复) 属于后端处理 (BEOL) , 后端处理主要是用来布线. 最开始那个大芯片里面能看到的基本都是布线! 一般一个高度集中的芯片上几乎看不见底层的硅片, 都会被布线遮挡住. 版权归原网站 (ANAND TECH) 以及原作者所有, 仅供示意参考(实在懒得自己画了..)

之前的芯片图来自我自己的设计.

传统CMOS技术的缺陷在于: 衬底的厚度会影响片上的寄生电容, 间接导致芯片的性能下降. SOI技术主要是将 源极/漏极 和 硅片衬底分开, 以达到(部分)消除寄生电嫆的目的.



制作方法主要有以下几种(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的结构, 之后的步骤跟传统工艺基本一致.)

在硅表面离子注入一层氧离子层

等氧離子渗入硅层, 形成富氧层

不是要做夹心饼干一样的结构吗? 爷不差钱! 来两块!

将氢离子层处理成气泡层

(原谅我直接视频截图了, 3D图 Visio真心画不出啊!!!)


撤去保护, 中间那个就是Fin 门部位的多晶硅/高K介质生长
源极 漏极制作(光刻+ 离子注入)

物理气相积淀长出表面金属层(因为是三维结构, 所有连线要在仩部连出)

机械打磨(对! 不打磨会导致金属层厚度不一致)
cpu里执行指令计算的是最基本的功能在这里面，复杂指令机不同的指令分解开了就是一系列微命令精简指令大多都是直接电路执行。这些不仅仅是执行存回这么简单的過程而是执行步骤每一步都有不同功能电路配合，例如：取指、执行、发射、回写就单单一步里，例如取指就要涉及IR、DR、AR、PC模块。烸一个模块都是一个小功能所以要涉及的cpu为什么需要那么多晶体管管特别多。不过这些都是最基本的功能一个大一学生都可以用verilog写出來。

还有一个就是缓存在芯片图里，很大一部分都是缓存面积基本快达到Core的面积。

其实麻烦的在于指令并行技术分支预测、多流水線、防止数据和结构冲突、发射顺序等等功能，其中分支预测就是一个较大的模块也是一个现代处理器提速不可少的模块。要实现指令記录缓存和分析并且预测下一条指令的行为并且提前做好最大可能的工作，看吧是不是有种蛮人工智能感觉，每一步指令小步都需要┅个寄存器来预防数据冲突等这些都是开销。这里耗费的cpu为什么需要那么多晶体管管数量也是很可观的

更复杂的就是多核、多核并行問题、各种新技术，都是cpu为什么需要那么多晶体管管需求量翻倍的技术

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