CPU的制造和概念

相关概念:多核、超线程、NUMA、睿频、功耗、GPU、大小核、分支预测、cache_line失效、加锁代价、IPC等各种指标

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几个重要概念

  • Wafer
    晶圆,一片大的纯硅圆盘,新闻里常说的12寸、30寸晶圆厂说的就是它,光刻机在晶圆上蚀刻出电路

  • Die
    从晶圆上切割下来的CPU(通常一个Die中包含多个core、L3cache、内存接口、GPU等,core里面又包含了L1、L2cache),Die的大小可以自由决定,得考虑成本和性能, Die做成方形便于切割和测试,服务器所用的Intel CPU的Die大小一般是大拇指指甲大小。

  • 封装
    将一个或多个Die封装成一个物理上可以售卖的CPU


  • 就是socket、也就是封装后的物理CPU

  • node
    同一个Die下的多个core以及他们对应的内存,对应着NUMA

CPU实物

一般是40mm X 50mm大小、可以看出一个CPU比一个Die大多了

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硅晶柱

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直径为 300 毫米的纯硅晶圆(从硅柱上切割下来的圆片),俗称 12 寸晶圆,大约是 400 美金。
但尺寸并不是衡量硅晶圆的最重要指标,纯度才是。日本的信越公司可以生产 13 个 9 纯度的晶圆。
高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资),中国任重而道远。

太阳能级高纯硅要求是99.9999%,低纯度的硅全世界超过一半是中国产的,但是不值钱。

而芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%,几乎全赖进口,直到2018年江苏鑫华公司才实现量产,目前年产0.5万吨,而中国一年进口15万吨。

芯片设计

主要依赖EDA,EDA工具是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的,是IC基础设计能力。利用EDA工具,工程师将芯片的电路设计、性能分析、设计出IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成。

EDA软件三大巨头:Synopsys、Cadence、Mentor;国内IC设计公司几乎100%采用国外EDA工具

光刻

使用特定波长的光,透过光罩(类似印炒里面的母版),照射在涂有光刻胶的晶圆上,光罩上芯片的设计图像,就复制到晶圆上了,这就是光刻,这一步是由光刻机完成的,光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备。你可以把光刻理解为,就是用光罩这个母版,一次次在晶圆上印电路的过程。

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光刻是最贵的一个环节,一方面是光罩越来越多,越来越贵,另一方面光刻机也很贵。光刻机是半导体制造设备中价格占比最大,也是最核心的设备。2020 年荷兰公司 ASML 的极紫外光源(EUV)光刻机每台的平均售价是 1.45 亿欧元,而且全世界独家供货,年产量 31 台,有钱也未必能买得到。

北桥和南桥

早期CPU core和内存硬盘的连接方式(FSB 是瓶颈):

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现代CPU的基本架构

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Core的典型结构

Intel skylake 架构图


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多核和多个CPU

如果要实现一台48core的计算能力的服务器,可以有如下三个方案

方案1:一个大Die集成48core:


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方案2:一个CPU封装8个Die,也叫MCM(Multi-Chip-Module),每个Die 6个core

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方案3:四个物理CPU(多Socket),每个物理CPU(Package)里面一个Die,每个Die12个core:


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