CPU的制造和概念

相关概念：多核、超线程、NUMA、睿频、功耗、GPU、大小核、分支预测、cache_line失效、加锁代价、IPC等各种指标

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几个重要概念

• Wafer
  晶圆，一片大的纯硅圆盘，新闻里常说的12寸、30寸晶圆厂说的就是它，光刻机在晶圆上蚀刻出电路

• Die
  从晶圆上切割下来的CPU(通常一个Die中包含多个core、L3cache、内存接口、GPU等，core里面又包含了L1、L2cache），Die的大小可以自由决定，得考虑成本和性能, Die做成方形便于切割和测试，服务器所用的Intel CPU的Die大小一般是大拇指指甲大小。

• 封装
  将一个或多个Die封装成一个物理上可以售卖的CPU

• 路
  就是socket、也就是封装后的物理CPU

• node
  同一个Die下的多个core以及他们对应的内存，对应着NUMA

CPU实物

一般是40mm X 50mm大小、可以看出一个CPU比一个Die大多了

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硅晶柱

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直径为 300 毫米的纯硅晶圆（从硅柱上切割下来的圆片），俗称 12 寸晶圆，大约是 400 美金。
但尺寸并不是衡量硅晶圆的最重要指标，纯度才是。日本的信越公司可以生产 13 个 9 纯度的晶圆。
高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资)，中国任重而道远。

太阳能级高纯硅要求是99.9999%，低纯度的硅全世界超过一半是中国产的，但是不值钱。

而芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%，几乎全赖进口，直到2018年江苏鑫华公司才实现量产，目前年产0.5万吨，而中国一年进口15万吨。

芯片设计

主要依赖EDA，EDA工具是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的简称，从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的，是IC基础设计能力。利用EDA工具，工程师将芯片的电路设计、性能分析、设计出IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成。

EDA软件三大巨头：Synopsys、Cadence、Mentor；国内IC设计公司几乎100%采用国外EDA工具

光刻

使用特定波长的光，透过光罩（类似印炒里面的母版），照射在涂有光刻胶的晶圆上，光罩上芯片的设计图像，就复制到晶圆上了，这就是光刻，这一步是由光刻机完成的，光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备。你可以把光刻理解为，就是用光罩这个母版，一次次在晶圆上印电路的过程。

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光刻是最贵的一个环节，一方面是光罩越来越多，越来越贵，另一方面光刻机也很贵。光刻机是半导体制造设备中价格占比最大，也是最核心的设备。2020 年荷兰公司 ASML 的极紫外光源（EUV）光刻机每台的平均售价是 1.45 亿欧元，而且全世界独家供货，年产量 31 台，有钱也未必能买得到。

北桥和南桥

早期CPU core和内存硬盘的连接方式(FSB 是瓶颈)：

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现代CPU的基本架构

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Core的典型结构

Intel skylake 架构图

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多核和多个CPU

如果要实现一台48core的计算能力的服务器，可以有如下三个方案

方案1：一个大Die集成48core：

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方案2：一个CPU封装8个Die，也叫MCM（Multi-Chip-Module），每个Die 6个core

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方案3：四个物理CPU（多Socket），每个物理CPU（Package）里面一个Die，每个Die12个core：

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