提升CPU性能，為什么不能通過增加面積的方式呢？

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？在這里給大家帶來一個關于芯片公司的熱門話題。你也曾經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。如果不加以適當的處理，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。他們投入了大量的時間和資源來設計更高效的散熱系統，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定的溫度。


2. 成本和制造

隨著面積的增加，芯片生產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都是一個挑戰。

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。他們通過優化架構、改進制造工藝和引入先進的節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，以確保生產出高性能、高效能且經濟合理的芯片，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。由于集成電路的規模和每單位面積的晶體管數量并不嚴格相關，僅僅增加尺寸并不一定轉化為性能的提高。

晶片設計的出現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量那么簡單。