为什么cpu制程工艺非要追求7nm、5nm甚至2nm，为什么要追求这么小

为什么cpu制程工艺非要追求7nm、5nm甚至2nm，为什么要追求这么小

为什么CPU（特别是智能手机的SoC）制程工艺非要不断追求7nm、5nm、2nm，甚至还要更小呢？那还不是因为你！

我们每个人对于手机的要求都在不断的提高：更高的性能、更长的待机时间、更轻的重量、更薄的体积、更多的功能、更大的存储容量、更强悍的拍照性能。你是否也是这样？那么既然你有这么多的要求，手机厂商当然就要更加努力的去满足你。

要达到这些要求最关键的一个核心部件，那就是CPU。在手机上更是因为要求苛刻，而以集成更多模组于一个SoC芯片上优佳。对这个CPU（SoC）本身的要求，那就是性能更强、功能更多、耗电还要更低、芯片体积也要更小，这就是要不断追求更小的制程工艺的根本原因。因为制程工艺越小，意味着同样的体积下，芯片可以容纳更多的晶体管、内部的连接距离也更短、耗电量相比也可以更小。

所以，只要我们还在追求更好的手机，就意味着CPU（SoC）要继续追求更低的7nm、5nm甚至2nm的制程工艺。本文附图是华为今年横扫智能手机市场的麒麟SoC三件套：麒麟990、麒麟985、麒麟820，连移动芯片大佬高通都不得不叹服华为这强大的芯片梯队，可见更先进的制程工艺和更高的集成度，确实重要。

结论：正是我们对于手机各种持续不断的、更高的苛刻要求，不断推动CPU的制程工艺更小。

这个道理很简单，单位面积内，制程工艺越小，能放的东西就越多。从CPU的角度来看，就是制程工艺越小，单位面积内可以放入的晶体管数量就越多。

现代的CPU，都是朝着速度快，体积小的方向去发展的。为什么呢，因为现在的移动设备已经成为市场的主体，而这些移动设备是不可能给你太大的空间去放CPU。还有个人电脑，在追求速度的前提下，也是希望能够在CPU上尽可能多的放入晶体管，以此来提高其运算速度。特别是现在的一体机，笔记本电脑，平板电脑的流行，更加剧了这种趋势。

不要忘了IT领域著名的摩尔定律，就是根据英特尔创始人摩尔的经验来看，集成电路内，可以容纳的晶体管数量，在大约每经过24个月，就会增加一倍。简单来说，就是处理器的性能每隔两年就会翻一倍。既然摩尔定律指出了晶体管数量的增加速度，那么在面积不变的情况下，只能是让晶体管的制程工艺尽量缩小了，这也是制造CPU公司的科技实力的体现。

所以，理论和现实都向我们表明，制造CPU的公司，设计和生产CPU的时候，在其竞争压力的驱使下，只能不断加大芯片研发的投入，以此来缩小CPU的制程工艺。只有不断的缩小CPU的制程工艺，生产CPU的企业才能符合市场的需求，才能符合消费者的需求，让自身在激烈的芯片市场竞争中，立于不败之地。

大家说的10nm和7nm工艺，其实就是指可控的晶体管蚀刻工艺，数字越小，工艺难度越大，成本越高，同样面积下可容纳的晶体管数量越多，越能实现更多更复杂的运算内容。举个粗暴的例子，电视机最开始走进大众的时候，拆开会发现很大两块电路板，上面密密麻麻的插满了很多二极管三极管和多级管，电容器，电感线圈，但是它只有一个最简单的功能，就是将高频头接受到的信号转化成电子信号，分辨率低还低。换个频道还得手拧，音量也要手动调整，整台电视的功率动不动就是150瓦！现在的电视机只需要很小一块数字芯片就能实现非常复杂的运算（电感和电容器还是没能小型化）拥有超高分辨率的同时，还能接受高频信号，多个HDMI信号，多个USB接口，WIFI信号，以及智能平台上的游戏等。这些复杂的功能集成在几颗小小的芯片上，体积却比原来小了很多很多，如果只做成以前电视的12寸，功率可能只需要原来的十分之一！

现代的数字化芯片，制程越高，同等数量的晶体管所用的电功率就越小，同等面积的芯片可容纳的晶体管数量就越多。假设某芯片刚好10亿个晶体管，有3个方案：1、用14nm来生产，一片晶圆能做500个芯片，每一个芯片功率3瓦，需要用铝散热器来散热。2、用7nm来生产，可以生产850个芯片，每一个芯片1.6瓦，不需要任何辅助散热。3、升级版芯片改动了一些设计，11亿个晶体管，7nm工艺，一片晶圆可以生产800个芯片，功率1.7瓦，也不需要任何辅助散热。如果是移动设备上，三种单号肯定后面两种更受欢迎，因为可以做到更强大的性能，更低的能耗，更长的续航，更低的温度，你说是不是？

在回答问题之前先科普一下CPU制程中的7nm、5nm是什么？

这里的7nm就是7纳米，代表着制程工艺。在整个芯片电路中，晶体管的栅极是最窄的线条，7nm，5nm工艺中的7nm，指的是晶体管的栅极宽度，通常也认为是晶体管导电沟道的长度，比如7nm指的就是栅极宽度。

可能很多人对纳米这一长度单位没有概念，简单换算一下，1cm（厘米）=10毫米，1厘米大概有多长呢？一个指甲盖都比这还长。然后1mm（毫米）=100万纳米，所以大家觉得，在5nm制程下，指甲盖大小的芯片上有150亿左右晶体管是不是很恐怖了。

那为什么要追求更小的制程工艺？

去年上半年发布的芯片基本上都是7nm，然后到了年底，基本上都过渡到了5nm工艺，大家可以看到，在性能、功耗等方面均有不同程度的提升，除此之外，还有更多好处，这也是为什么大家都这么执着于制程工艺的突破，想进到3nm，甚至1nm的制程工艺。

第一、制程越小，则性能越强

以麒麟980为例，这是7nm工艺，当时集成了69亿个晶体管；然后是7nmEUV时代的麒麟990，集成了103亿个晶体管；到了今年5nm的麒麟9000，晶体管直接升级到153亿个。如果从980到9000来看，5nm制程带来的提升已经翻了一倍不止。

所以单从数量来看，这种数量的暴增就可以带来直观的性能提升，这就是我们所说的堆料，非常简单粗暴，但却异常有效。

第二、能耗降低，减少发热

虽然晶体管数量上5nm比7nm增加了，但是单个晶体管的栅极变小却更节能了。

换句话说，以前两个7nm的晶体管，现在可以放下三个5nm晶体管，面积不变的情况下，栅极更小的晶体管能耗更低。这有点类似于以前的100W的普通灯和50W的节能灯，新款的OLED灯虽然功率更小，“灯芯”更多，但是亮度却更亮。

如果觉得还不够直白，那就把7nm比喻成胖子，5nm比喻成瘦子。一个胖子吃两碗饭，两个就是4碗。而瘦子一人吃一碗，三个人反而只吃了3碗，这就是节能。这也是为什么现在手机性能不断增强，在电池容量没怎么增加的情况下，续航时间还能持平的原因。

第三、减少芯片面积

这就很好理解了，同样的芯片尺寸，单个晶体管越小，那自然就装得越多。这就是为什么麒麟980有69亿颗，但到了麒麟9000就有153亿晶体管。

我们可以看到，在一些对芯片尺寸要求不是那么敏感的设备，更注重的是稳定性，散热和芯片尺寸都不是那么在乎，所以PC上的芯片尺寸就远远大于手机上的，所以散热风扇就越大，这也跟第二点的发热对上号了。

第四、容错率更低，性能更稳定

晶体管数量增加。工艺更先进后，单个晶体管的任务量就会下降，电压就会放低，不会产生超负荷运转的情况。

举个很简单的例子，同样是干活，是麒麟980的69个人干轻松还是麒麟9000的152个人轻松？大家都处于超低压状态工作，使用寿命很长，老化得很慢。这就是为什么往往挖矿的卡一直高性能使用报废得快的原因。

所以这样优势就很明显了，晶体管数量多，且工作负载小，那自然就稳定靠谱。

从科技发展的角度来说，大家对性能的要求是无止境的，所以对制程工艺的进步是无止境的，现在有人说3nm就是当前技术的瓶颈，但3nm显然不能满足社会的高速发展，或许未来几年，又会突破到下一个纪元。

芯片本质上是一个集成电路，制程工艺越小，在同样面积上集成的电路越复杂，电路的性能就越强，这就是人类在制程技术上越走越远的原因。

集成电路

集成电路（IC，Integrated Circuit），就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

1947年美国贝尔实验室制造出世界上第一个晶体管，为集成电路的发明奠定了基础。人类第一块集成电路是美国德州仪器公司（TI）在1958年研制成功的，从此人类进入了集成电路时代。

迄今为止，集成电路的发展已经历经了小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits)、中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits)、大规模集成电路(Large ScaleIntegrated circuits)、超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)、特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits)。

摩尔定律

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。

从摩尔定律可以看出，芯片的性能取决于芯片中集成的元器件（晶体管）的数目。电路中晶体管的数量越多，电路对电流的逻辑控制能力也就越强，芯片的可实现的功能就越多越强大。

芯片制程

从上文内容可以看出，晶体管是芯片中最核心的部分，下图为晶体管的机构示意图：

晶体管由源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）三部分组成。电流从源极流向漏极，栅极可以控制源极和漏极间电流的通断；栅极的宽度决定了电流通过时的损耗。

制程就是指晶体管中栅极的最小宽度，以5nm芯片为例：5nm芯片就是指该芯片中晶体管的栅极最小宽度为5nm。

芯片制造过程中，制程技术越小，晶体管的体积和横截面积就越小，同样体积的芯片内部可容纳的晶体管数量也就越多。

总结：人类对制程技术的不懈追求，其根本目的是为了追求更高性能的芯片。制程越小，芯片的运算性能就越强大，同时功耗也越小。带来最直接的好处就是电脑、服务器和其他大型设备性能提升的同时能耗变小、手机的续航能力越强。

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