為什麼Intel CPU的Die越來越小了？

前面一篇文章（為什麼CPU越來越多地採用硅脂而不是焊錫散熱？）中我提到CPU的Die越來越小了，有些朋友疑惑這是為什麼。一個簡單的回答是製程提高了，但這個答案顯然不能服眾。如果晶體管數目不變，製程提高，則單位面積可以放入更多的晶體管，則Die尺寸的確會變小，似乎很有道理。但是，眾所周知，根據摩爾定律，每年Intel會向Die裡面加入更多的晶體管，則這個推理就不成立了。製程和晶體管數目向兩個方向拉扯Die的大小變化，究竟為什麼最終Die變小佔據了上風呢？我們先列舉所有關鍵知識點，並在最後分析他們造成的影響。

CPU Die越來越小了

Intel CPU Die的尺寸在不斷縮小：

從紅色曲線，我們可以看出從Westmere開始，Die尺寸逐漸變小，在Skylake時達到最小值。

如果這些數字不夠形象的話，我這裡有張比較圖片：

我們可以看出Die越來越小，直到Ivybridge，haswell略有回升但在Broadwell和Skylake又再次下降。

摩爾定律

摩爾定律，是由Intel創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的，其內容為：集成電路上晶體管的數目，約每隔兩年便會增加一倍。到目前為止，這個預測都很好的被事實驗證著（2016年後趨緩）：

圖片和數據出自參考資料1。由於綜合考慮主流半導體廠商，比較晦澀。如果我們單獨摘出Intel晶體管數量，則會簡潔不少：

這裡說句題外話，有同學問我每2年增加一倍不應該是指數函數曲線嗎？就像這樣：

為什麼我們看到的摩爾定律曲線擬合結果是一條斜線，類似線性關係。其實秘密在於Y軸，大家可以仔細觀察和思考一下。

製程

每一次提高製程，單位面積都可以放入更多的晶體管：

可以看出，晶體管密度同樣呈現摩爾定律上升。

分析

聰明的讀者也許已經發現問題所在了。如果晶體管數目和晶體管密度同時呈同樣的冪函數上升，結果不是應該Die大小不變嗎？怎麼和現實情況不符合呢？

合理的答案只有一個，那就是晶體管數目增長落後於晶體管密度增長。總的來看，台式機CPU內核數目增長趨緩，多出來的晶體管往往用於增加Cache和提升核顯，造成CPU Die的向小的方向變化。另外Die越小，一個Wafer上就能裁剪出更多的Die，在商業上更加有利，有可能也是部分原因（純屬個人猜測）。

Whats Next

最後我們來了解一下最新的Coffeelake Die的大小。好消息是Coffeelake Die變大了。

左邊是Coffeelake 8700K，右邊是Kabylake 7700K。肉眼可以看出尺寸增加不少，從125 mm2增加到了151 mm2。除了架構改進提高的原因之外，變大的主要原因有兩個：

• 最主要的原因是內核數目增加了。從4+2變成了6+2，多出了兩個內核。
• 製程從14nm+變成14nm++。對於14nm++,一個有趣的表現是晶體管的密度不增反降：

Pitch從70nm增加到了84nm。在可以提供更高頻率支持的背後，代價就是對Die的大小造成負面影響。

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參考資料：

[1]: https://www.revolvy.com/main/index.php?s=Transistor%20count

[2]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B