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用分立元件做壹個高端CPU,理論上可行嗎?

用分立元件做壹個高端CPU,這個逆科技潮流的想法,理論上是完全可行的,但實際操作,妳必須得是土豪,而且是鉆石級別的土豪才Hold住,至於原因,後面會詳細說。最終的效果可用四個字概括:酸爽無比!先預告,圖多量大,需要仔細看。

這種級別的土豪才搞得掂用分立式元件造高端CPU,壹是有錢,而是閑的慌。先說用分立元件做壹個高端CPU為何可行。現在高端CPU內的晶體管從外表看,像是壹塊木板上擱了個橫豎大小不壹的十字塊兒,模型見下圖。

這種晶體管有個怪怪的名字——鰭式場效應晶體管,英文名叫Fin

Field-Effect

Transistor,簡稱FinFET。看名字挺唬人,其實中文名已經暗示答案:溝道區域(上圖中灰色豎立的薄板)形狀像豎起的魚鰭。不過說實話,我是怎麽也沒看出和魚鰭的關系,可能理工男的思維就是這麽剛直,說像魚鰭就當魚鰭好了。FinFET在電子顯微鏡下,真實模樣如下圖。

盡管看起來像紗窗格子,其實和下圖中的分立式晶體管在原理上完全相同,都有源極、漏極和柵極,

重點是,分立式晶體管同樣可以打開或關閉電流,表示CPU中的0和1。實際上,集成電路(芯片)的基本思路就是將分立式元件縮小,做到壹塊矽片上並連接起來(見下圖)。

換句話說,分立式晶體管只要搭配電容、電阻、電感等被動元件,按CPU中的線路連接起來,完全可以實現CPU的所有功能。不過,比較大的問題是可靠性不佳,PCB板面積驚人。我們以英特爾發布於2013年的高端桌面處理器酷睿i7-4960X為例,這款CPU有18.6億個晶體管。

這18.6億個晶體管又需要和數以億計的電容、電阻、電感連接在壹起,才能順利工作。焊接幾十億電子元件,很難保證100%無差錯,這就帶來了可靠性問題。實際上,芯片的壹大優勢之壹就是,用光刻的方式保證了電子元件連接的可靠性。將幾十億個電子元件連接到壹起,承接的PCB板面積也將十分驚人。。

按壹個晶體管占用PCB面積20平方毫米計算(最保守的估計),18.6億個晶體管需要372萬平方米的PCB板,由於電容、電阻等被動元件占用面積小,湊個整數,占用面積400萬平米。400萬平米是什麽概念?我國的故宮很大吧,面積有80萬平米。也就是說酷睿i7-4960X用分立式元件制造的話,需要5個故宮面積的PCB板。

目前藍星上還沒有哪個廠家敢拍胸脯說,自己能量產5個故宮大的壹整塊PCB板。只能走私人定制道路,價格將是天文數字。跨過焊接和PCB面積兩大難關後,將迎頭碰上功耗大山。

18.6億個晶體管分立元件,即使每個耗電僅0.5瓦,全功耗運行的功率也將達到9.8億瓦,相當於三峽電站總裝機容量(2250萬千瓦)的4.36%。如此大的耗電量,沒有哪個城市能負擔得起,所以必須為這塊超級CPU建壹座中型發電廠。

折騰這麽多,耗資數以億計,結果這塊CPU的算力和幾千塊的芯片壹樣,這是何苦呢?