5nm工艺问世，CPU工艺与性能是一种什么样的关系

最新的工艺技术已经能够达到5纳米，而下一步就是3纳米。一般来说，制程工艺越先进，芯片晶体管集成度越高、核心面积越小、成本越低，而性能则会更加强大。不过这个说法一般是针对单个芯片而言的。如果考虑到整体性能则情况可能会有所不同。

台积电和三星都宣布了5纳米的EUV（Extreme Ultraviolet）工艺。据悉，苹果明年的A14处理器将采用5纳米EUV工艺，并有可能在下一代产品中使用3纳米工艺。

那么，CPU的工艺越先进，它的性能是不是越好呢？事实上这并非一定如此。回顾过去，1978年英特尔推出的第一款CPU——8086，采用的是3微米（3000纳米）工艺生产，仅有29000个晶体管，而其工作频率也仅有5MHz。现在，拥有最多晶体管的单芯片CPU大概是英特尔的28核Skylake-SP Xeon处理器，其晶体管数量超过80亿个。而频率最高的处理器则是Intel的Core i9-9900K，最大睿频可达到5GHz，而它们都是使用英特尔的14纳米工艺生产的。

Intel 14nm工艺在性能、功耗方面继续改进

CPU的生产是需要经过7个工序的，分别是：硅提纯，切割晶圆，影印，蚀刻，重复、分层，封装，测试， 而当中的蚀刻工序是CPU生产的重要工作，也是重头技术，简单来说蚀刻就是用激光在硅晶圆制造晶体管的过程，蚀刻这个过程是由光完成的，所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键，它影响着在硅晶圆上蚀刻的最小尺寸，也就是线宽。

现在半导体工艺上所说的多少nm工艺其实是指线宽，也就是芯片上的最基本功能单位门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。

更先进半导体制造工艺另一个重要优点就是可以提升工作频率，缩减元件之间的间距之后，晶体管之间的电容也会降低，晶体管的开关频率也得以提升，从而整个芯片的工作频率就上去了。

另外晶体管的尺寸缩小会减低它们的内阻，所需导通电压会降低，这代表着CPU的工作电压会降低，所以我们看到每一款新CPU核心，其电压较前一代产品都有相应降低。另外CPU的动态功耗损失是与电压的平方成正比的，工作电压的降低，可使它们的功率也大幅度减小。

另外同种工艺的概率也是相当重要的，Intel自2015年14nm工艺投产以来已经发展到了第三代，Intel一直在改进工艺，在不提升功耗的情况不断提升性能，14nm++工艺比初代14nm工艺性能提升26%，或者功耗降低52%。

实际上AMD Ryzen处理器现在所用的12nm工艺本质上也只是GlobalFoundries的14nm工艺的改良版，也就是原计划的14nm+，晶体管密度并没有提升，但在性能方面有所改善，最高工作频率提升了250MHz，而同频下Vcore下降了50mV。

总的来说半导体工艺是决定各种集成电路性能、功耗的关键，线宽的缩小晶体管密度得以提升从而降低了成本，其次就是晶体管频率提高，性能提升而功耗降低。

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