每當我們購買新款手機或電腦，總會被提及新一代芯片的強大性能，但為什么芯片公司不將CPU的面積做大一些，以此來換取更高的性能呢？在這里給大家?guī)硪粋€關于芯片公司的熱門話題。你也曾經(jīng)好奇過為什么芯片公司不把CPU面積做大一些，以此來換取更高的性能嗎？

擴展CPU的空間，為什么不利用更大的晶圓來容納更多的內(nèi)核，從而以速度換取空間？例如考慮一下將組件分割成小塊而不是維護整體設計的基本原理。為什么不選擇單芯片來節(jié)省芯片間通信消耗的能量，就像GPU的單芯片大得多一樣？

在單個核心中進行放大，我們是否可以在一個單獨的核心中堆疊更多更廣泛的執(zhí)行單元以換取速度？例如為什么SIMD寬度不能擴展到1024位或更高？為什么主流大核CPU中的SIMD FPU數(shù)量會驚人地相互呼應？難道再增加一些不是有益的嗎？


1、CPU面積和性能的關系

芯片公司考慮到多個方面因素，決定不簡單地擴大CPU的面積，而是采取了更加精細的方法來提升性能。以下是幾個原因：


1. 熱量管理

隨著CPU面積的增大，功耗也隨之增加。面積越大，電子元件之間的距離也會變長，導致電子信號的傳輸時間增加，進而造成功耗上升。如果不加以適當?shù)奶幚?，這些問題將導致CPU過熱，并可能損壞芯片。

芯片公司為了保持CPU的正常工作溫度，需要在面積的增大和散熱的平衡上做出妥協(xié)。他們投入了大量的時間和資源來設計更高效的散熱系統(tǒng)，例如采用先進的材料和設計，以確保CPU在高工作負載下依然保持穩(wěn)定的溫度。


2. 成本和制造

隨著面積的增加，芯片生產(chǎn)的成本也會隨之增加。更大的面積意味著需要更多的硅材料，更多的工藝步驟和更復雜的制造工藝。此外，制造過程中的缺陷率也可能增加，導致芯片成品率下降，進一步提高了成本。

因此，芯片公司需要仔細考慮面積與性能之間的平衡。他們必須在保證性能的同時控制成本，以便能夠生產(chǎn)出更多的芯片，滿足市場需求。


3. 動力和效能

除了熱量管理和成本問題外，芯片公司還要考慮CPU的動力和效能。盡管增大面積可以提升性能，但也會帶來更高的功耗和能源消耗。這對于移動設備的電池壽命和散熱系統(tǒng)都是一個挑戰(zhàn)。

為了提供更長的電池壽命和更好的散熱性能，芯片公司需要在面積和功耗之間做出權衡。他們通過優(yōu)化架構、改進制造工藝和引入先進的節(jié)能技術來平衡這些因素，從而提供高性能的芯片同時確保低功耗和高效能。

綜上所述，盡管增大CPU面積可以在一定程度上提升性能，但芯片公司需要考慮熱量管理、成本和制造、功耗和能源消耗等多個因素。他們必須在這些因素之間取得平衡，以確保生產(chǎn)出高性能、高效能且經(jīng)濟合理的芯片，滿足用戶的需求。


2、小晶片難題，是什么阻止我們堆積大量小晶片，以數(shù)量換取效率？

想象一下主板上滿是CPU，一塊主板相當于100個CPU。這些核心被制作在硅片上，在硅片上蝕刻精心設計的晶體管電路，然后將硅片切割成所需的CPU。因此考慮到晶圓片的固定尺寸和成本，擴大單個晶圓片的表面積將導致每個晶圓片上的晶圓片數(shù)量減少，從而導致每個芯片的成本膨脹。

GPU和CPU的架構原理截然不同。GPU通常更大，在單個PCB上容納許多組件，但它們的核心GPU與CPU沒有太大區(qū)別。升級CPU除了可能增加成本外，還可能加劇冷卻方面的挑戰(zhàn)。由于集成電路的規(guī)模和每單位面積的晶體管數(shù)量并不嚴格相關，僅僅增加尺寸并不一定轉(zhuǎn)化為性能的提高。

晶片設計的出現(xiàn)是為了增強集成和效率。通過分離各種功能模塊，每個功能模塊都可以優(yōu)化性能和功耗。此外高速接口減少了小芯片之間的通信延遲和能量消耗。

對于GPU來說，它們更大的芯片迎合了廣泛的并行處理任務，提高了并行計算的能力。然而，擴展SIMD寬度需要平衡指令集架構、資源利用和熱/電源管理等因素。矛盾的是，將SIMD擴展到1024位可能會導致資源浪費和功耗增加。

桌面CPU中SIMD FPU的數(shù)量是性能和功耗的微妙平衡。更多的FPU可能會促進某些應用，但代價是更大的功率和冷卻需求。

集成額外的Chiplets可以提升集成和性能，但也會增加功率和冷卻需求。此外它還增加了芯片間通信的延遲和復雜性。因此晶片數(shù)量必須在性能、功耗和成本之間進行明智的平衡。

CPU的設計和優(yōu)化包含了許多因素，成本、功率、冷卻、集成和性能。因此提高性能并不像僅僅擴大大小或數(shù)量那么簡單。