电科“答”人

　　Q｜A

　　“答”人 | 王艳

　　中国电科58所

　　工程师，长期从事智算处理器芯片前端设计与验证技术

　　Q：

　　CPU为什不把面积做大一些，用面积、数量换性能？

    　A：

　　这个想法听起来很直观，但实际操作起来，真的不划算，几乎是条越走越亏的路。简单说，确实可以用面积换取性能，但CPU的面积不是想做多大就做多大，是有严格上限的，它背后受到性能规律、物理发热、制造成本和市场需求等多方面限制，我们来展开说说。

　　QUESTION ONE

　　面积翻倍，性能可不会翻倍

　　1.光速是有上限的

　　在芯片内部，电信号的光传输速度可不是无限大的。芯片面积越大，一个信号从这头传到那头的时间就越长。现代CPU的主频动辄3GHz、5GHz，意味着每秒钟要完成几十亿次运算。在一个时钟周期里，电信号能跑多远呢？粗略算一下：光速大约每秒30万公里，3GHz的一个周期只有三亿分之一秒，电信号在这段时间里只能前进大约10 厘米。而CPU内部的信号不是走直线的，要经过各种电路、缓存、运算单元。

　　如果把芯片做的特别大，比如从一端到另一端距离增加，那么信号从CPU的一个角落传到另一个角落，可能需要好几个时钟周期才能到达。这就会引入延迟问题——运算单元准备好了，数据还在路上，那只能干等着了。这就变成，面积变大带来的通信成本，远高于数量堆积的那点优势。

　　2.数据搬运比计算本身更难

　　芯片越大，还有一个隐形的问题，数据怎么高效地运来运去。现代CPU的运算单元其实算得很快，真正拖后腿的往往是从内存里把数据取过来。于是CPU里做了大量的缓存（Cache）离运算单元越近越快，越远越慢。芯片面积变大后，各个核心之间、核心和缓存之间的距离都被拉长了。访问远处缓存的延迟会显著增加，核心之间共享数据也变得更慢。工程师花了大量精力设计复杂的互联总线、缓存一致性协议，这些东西本身又要吃掉不少晶体管和功耗。

　　简单说就是，芯片小的时候，大家住一个小区，串门两分钟就到；芯片做大了，大家分散在各个城市，得坐高铁才能见面，沟通成本指数级上升。

　　QUESTION TWO

　　功耗与发热也是个大问题

　　如果说性能瓶颈还可以靠架构设计慢慢优化，那发热就是一道更硬的物理墙。

　　1.功耗密度已经接近极限

　　晶体管工作需要通电，通电就会发热。如果CPU面积翻倍，晶体管数量也会翻倍，总功耗就会暴涨。你可以把 CPU 想象成一块电热板。现在高端桌面CPU的功耗已经能达到200-300瓦，而它的核心面积也就两百多平方毫米。如果每平方厘米的功率有上百瓦，这个密度比电磁炉的加热面板还要高。温度一高，芯片就会自动降频保护自己，结果就是你花了大价钱堆了更多晶体管，结果因为太热跑不动，全都降频运行，性能没涨多少，电费和噪音先涨上去了。

　　2.散热成本跟着飙升

　　芯片发热多了，散热方案也得跟着升级，散热器的体积、价格、噪音都在涨。服务器领域更是夸张，机房的空调、供电、机柜密度，全都跟CPU功耗挂钩。如果CPU面积再翻几倍，功耗再翻几倍，普通机箱可能根本压不住，用户买到的就不是一颗CPU，而是一台附带 CPU的暖气机。

图：大型散热器（来自unsplash图库网）

　　QUESTION THREE

　　芯片面积和成本可不是线性关系

　　芯片的成本随面积增长是指数级的，可不是线性的，这几乎是最现实最残酷的一个因素。

　　1.晶圆是圆的，芯片是方的

　　制造CPU用的是圆形的硅晶圆，现在主流是12英寸（300mm直径）。一片晶圆上能切出多少颗芯片，取决于每颗芯片的面积。

图：晶圆

　　假设一颗芯片面积是100平方毫米，一片晶圆大概能切出好几百颗；如果面积翻一倍变成200平方毫米，数量可不是减半那么简单。因为晶圆是圆的，边缘浪费的部分会更多，实际产出下降得更快。

　　芯片是在晶圆上切出来的，而晶圆难免会有灰尘、杂质等缺陷。假设一片晶圆上随机分布着几个“坏点”，那芯片面积越大，切到坏点的概率就越高。

　　假如一片晶圆上有五个缺陷点，如果要切割成硬币大小的芯片，绝大部分芯片都可以避开缺陷点；但是如果切成两颗芯片，很大概率两颗都命中缺陷点，成为废片。所以随着芯片面积变大，良品率会断崖式下跌。即便侥幸做出来，因为面积很大，所以一片晶圆切出的芯片颗数会很少，最终单颗芯片的成本可能会更高，大致和面积的平方成正比，面积翻一倍，成本可能翻三四倍甚至更多。这不是“用面积换性能”，是纯烧钱。

　　2.封装和周边成本一起涨

　　芯片变大了，封装也要跟着做大，基板、引脚、散热顶盖全要升级，主板上的CPU插槽也要更大，PCB布线更复杂，供电相数更多。这些成本最终都会转嫁到消费者头上。

　　所以，服务器级别的大芯片（比如英特尔至强、AMD EPYC）一颗动辄几千上万美元，不是因为它性能是桌面CPU的十倍，很大程度上是因为面积大、良率低，制造成本本身就高。

　　QUESTION FOUR

　　不是所有人都需要“最强最大”

　　市场需求是分层的，这决定了 CPU 不可能一味追求大面积。

　　1.对移动端来说，面积和功耗是生命线

　　手机、平板、笔记本这些移动设备，对芯片面积和功耗的敏感程度远高于性能。手机里空间寸土寸金，芯片大一点，电池就要小一点，续航就短一截。而且手机没有风扇，全靠被动散热，功耗稍微高一点就会发烫降频。所以手机芯片都在拼命追求小和强，用更先进的工艺压缩面积，而不是反过来做大。

　　2.对桌面端来说，性价比才是王道

　　普通家用、办公、游戏，其实用不到那么多核心。对大多数人来说，8核、16核的CPU 已经绰绰有余。厂商如果做一颗超级大芯片，价格翻几倍，性能只提升百分之几十，绝大多数消费者不会买单。

　　3.对服务器和数据中心来说，要大，但也有极限

　　服务器领域确实需要更多核心、更大的芯片，因为云计算、数据库、科学计算这些场景天然吃并行性能。AMD的EPYC、英特尔的至强，还有亚马逊、谷歌自研的数据中心芯片，面积都比桌面CPU大得多。

　　但即便如此，它们也不是无限做大。现在的做法更多是多芯片封装，就是把好几颗小芯片封装在一起，从外面看像一颗大芯片，里面其实是几个小芯片通过高速总线互联。这样做的好处是小芯片良率高、成本低，坏一颗换一颗就行，不用整颗报废。这从侧面也印证了，单颗芯片做太大不划算，不如用多颗小的拼起来。

　　其实，我们已经很努力在“用面积换性能”了！

　　我们每天都在思考怎么“用面积换性能”。比如越来越大的三级缓存，就是拿面积换更低的访存延迟。再比如堆多核，一个芯片里塞进多个相同核心，这也是用面积换并行性能。还有工程师们偷偷加宽流水线、增大缓冲区、用更巨大的分支预测器——这些统统都是拿面积换一点点性能提升。

　　奈何，还是有很多问题卡在那里，每多堆一点点面积，都要经过反复地权衡。现在的CPU尺寸，其实只有拇指甲盖大小，这已经是精心计算后，站在性价比与性能交叉点上的最优解。

　　所以，

　　不是不想用面积换性能，而是我们只能在目前技术框架下疯狂试探。等新的封装技术、光学互联甚至量子计算取得突破那天，CPU的面积也会突破枷锁。在那之前，巴掌大的CPU，只能停留在理论中。

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