处理器制程工艺尺寸越来越小的意义

小罗

 

每当有新的处理器发布时，制造商都要站出来强调，他们的设备搭载的是更小纳米制程工艺芯片，因此他们最新设备相比前一代更强大、更节能。

不过，这种说法有些“反直觉”：处理器确实变小了，但是它们却变得更强大，难道能耗还能降低？我们可能习惯性认为，尺寸更大，意味着更强劲，更强劲自然就需要更多的能耗。这种想法是否准确呢？你可能还不知道不同纳米工艺具体意味着什么，以及它们对你智能手机运行游戏或者电池续航时间有何影响。

为了弄清楚这些问题，首先，就让我们解释一下处理器制程工艺概念吧。

 

纳米是什么？从本质上讲，一款微处理器也就是由不同材质组成的几个叠层构成。将它们以一种特殊的方式堆积在一起就生成了电子元件，比如晶体管、电阻器和电容器。这些都是我们很难用肉眼看到东西，它们只有在显微镜下才能观察出来。这些微型电子元件躺在方形网格中充当着打开、关闭按钮。电子元件之间的距离就是用纳米来计算。我们都知道，一纳米等于十亿分之一米。电子元件彼此之间的距离越小，我们在芯片中放置的东西就越多。

目前有很多种缩减电子元件距离的方法，以此获得更高效的芯片。缩小微处理器电子元件距离将导致不同晶体管终端电流容量降低，这样就会提升他们的交换频率。每个晶体管在切换电子信号时，其所消耗的动态功耗直接与电流容量相关，这样晶体管就变得运行速度快、且能耗小。

是的，这样肯定会变得更好。这些小型晶体管需要低压来打开，因此它们也就需要低压来驱动。动态功耗损失跟电压的平方成正比。当你降低了驱动通过晶体管电流所需要的电压时，你最终也就降低功耗。

最后要说的是，半导体生产商偏爱更小工艺尺寸处理器的另一个因素就是成本。电子元件越小，你在晶片所放置的元件就越多。不过，尽管更小工艺尺寸需要更多昂贵设备，但这些投资成本会被每个晶片成本所冲销。

 

为何缩小处理器工艺尺寸平均要花2年时间？这其中自然包括对各个方面的平衡。这也是为什么上文提及的小型、强劲、有效的晶体管容易漏电流的原因。电压在四方形中偶尔会发生泄漏，这就导致即便是芯片什么也没做，也会发生功耗。在一个理想的状态下，在隔层网格中所有元件保持稳定状态，但是，如果电子元件体积太小，电流将变得更不稳定。

电子元件的极限尺寸是多少？目前比较流行、且功能强劲的移动处理器都是在20纳米-28纳米之间，但仍处在开发状态下的最小处理器工艺尺寸为14纳米，它是由英特尔公司打造，应用在台式和笔记本CPU中。这家公司的目标是在2020年开发出5纳米工艺的处理器。行业专业人士预期在2028年将出现1纳米工艺处理器。

从某种程度上讲，这将打破我们目前所使用的处理器生产技术限制，行业参与者将不得不考虑使用其他开发途径和原料。鉴于我们已经在2012年开发出了只有单原子大小的晶体管，因此我们可以大胆地说，芯片制造商未来肯定能够寻找到继续开发更优秀的产品方法。