CPU 未来的发展方向是什么？

kirin77 · 发表于 2021-12-17 15:49

未来的方向只有两个：性能和效能。
游戏，办公软件，生产力还是服务器领域，单核性能都非常重要，因此对IPC的追求是不会停下来的。去年zen3上市和今年12代酷睿上市都引发了抢购热潮。
效能，顾名思义，保证成本和节能的情况下提供充足的性能。我个人认为效能应该会更多的体现在多核性能上。
英特尔的大小核设计就指明了未来发展方向，四个小核心的规模仅仅相当于一个大核心，而且核心的功耗非常低，甚至可以同ARM这种传统的精简指令集媲美。
给12900K大约65W的功耗，其单核性能就足以吊锤250W功耗的11900K，多核性能也超过11900K大约5%。
AMD的主频调度也是解决方案之一，而且它提供了更强大的理论性能，但随着新工艺成本的攀升，AMD也不可避免的会采用大小核设计，这是当下的最优解。
下一步就是3D封装技术，CPU内部不同的模块对性能和稳定性的要求不一样，比如核显部分就需要高密度工艺，CPU部分需要高性能工艺，其他IP有的需要功耗，有的需要稳定，如果能混合使用，那将会彻底改变现有的格局。

HuldaGnodim · 发表于 2021-12-17 15:50

未来的方向只有两个：性能和效能。
游戏，办公软件，生产力还是服务器领域，单核性能都非常重要，因此对IPC的追求是不会停下来的。去年zen3上市和今年12代酷睿上市都引发了抢购热潮。
效能，顾名思义，保证成本和节能的情况下提供充足的性能。我个人认为效能应该会更多的体现在多核性能上。
英特尔的大小核设计就指明了未来发展方向，四个小核心的规模仅仅相当于一个大核心，而且核心的功耗非常低，甚至可以同ARM这种传统的精简指令集媲美。
给12900K大约65W的功耗，其单核性能就足以吊锤250W功耗的11900K，多核性能也超过11900K大约5%。
AMD的主频调度也是解决方案之一，而且它提供了更强大的理论性能，但随着新工艺成本的攀升，AMD也不可避免的会采用大小核设计，这是当下的最优解。
下一步就是3D封装技术，CPU内部不同的模块对性能和稳定性的要求不一样，比如核显部分就需要高密度工艺，CPU部分需要高性能工艺，其他IP有的需要功耗，有的需要稳定，如果能混合使用，那将会彻底改变现有的格局。

Mecanim · 发表于 2021-12-17 15:57

之前很长一段时间内CPU都在堆核，但现在堆核也到了瓶颈。但CPU的发展不会停止，以下几个方面还有潜力可以挖掘：
工艺、架构（DSA、并行、缓存）、材料、异构、封装、Chiplet、SoC、AI（NPU）
从突破性的技术来看，有以下两个方面：
量子芯片、碳基芯片
<hr/>工艺

工艺依然是未来5-10年影响CPU性能的一个非常重要的方向。我在之前里的回答写过，虽然晶体管在10nm以下会出现短沟道效应和量子遂穿效应，但我们依然可以在晶体管12nmGate Length下实现等效2nm的单位晶体管密度。
工艺方面的现状是目前5nm已经实现量产，3nm已经在研发的路上了，目前主要是台积电和三星两家Foundry。
三星的3nm工艺会使用环绕栅极晶体管(GAA)技术，而不是现在的FinFET，新的技术可以让芯片面积减少35%，功耗下降约50%，与5nm FinFET工艺相比，同样功耗情况下性能提升33%。

三代晶体管的发展

GAA全能门与FinFET的不同之处在于，GAA设计围绕着通道的四个面周围有栅极，从而确保了减少漏电压并且改善了对通道的控制，这是缩小工艺节点时的基本步骤，使用更高效的晶体管设计，再加上更小的节点尺寸，和5nm FinFET工艺相比能实现更好的能耗比。
而台积电依然采用FinFET，预计2022年下半年台积电3nm工艺就会投产。苹果作为台积电最重要的客户，肯定会独占一段时间的产能，其他客户包括英特尔、赛灵思、英伟达、AMD等。
架构

架构是未来CPU除工艺外最重要的方向之一！架构对一个芯片的性能来说也是至关重要的。
相较于X86通用处理器的笨重指令集，DSA（Domain Specific Architecture）是一个非常重要的方向。DSA的优点在于，可以为特定的一类应用或者场景做架构优化，从而实现更好的能效比。相对于传统的通用处理器，DSA需要设计时考虑专用领域的特殊需求，也需要设计者能对该领域有深入的理解。DSA的例子包括为机器学习设计的神经网络处理器，以及为图像和虚拟现实设计的GPU，DSA设计将会成为处理器架构的新趋势。
当然，除了指令集外，多线程并行和缓存也很重要！以AMD的Zen架构举例，利益相关，所以放一点百度上有的。
Zen架构将以四个核心为一个群组，AMD将其称为“CPU Complex”(CCX)。
每一个CPU复合体内包含四个Zen CPU核心，但它们是彼此完全独立的，不像推土机架构那样，彼此不会共享任何单元。

处理器主要架构改进如下：
·SMT多线程，每个核心可支持2个线程
·8MB L3缓存
·容量更大、更统一的L2缓存
·微操作缓存（Micro-op Cache）
·具备2个AES加密单元
·高能效FinFET工艺
“Zen”核心采用了最新缓存层次结构，并改进了分支预测和同步多线程技术 [4] 。这些先进设计将使“Zen”处理器核心极具弹性，以满足广泛的应用需求，其中包括无风扇2合1产品、嵌入式系统、高性能计算和数据中心。
材料

半导体行业经过近六十年的发展，半导体材料经历了三次明显的换代和发展。第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料；第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓、锑化铟；第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN，相比于第一、二代半导体，其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。[1]

碳化硅（SiC）相比于硅基，碳化硅拥有更高的禁带宽度、电导率等优良特性，更适合应用在高功率和高频高速领域，如新能源汽车和 5G 射频器件领域。
随着芯片在不同领域的应用，半导体材料也在随之发展。但如果扣回本题，新材料在CPU上应用概率很小。
异构整合

广义而言，就是将两种不同的芯片，例如记忆体＋逻辑芯片、光电＋电子元件等，透过封装、3D 堆叠等技术整合在一起。换句话说，将两种不同制程、不同性质的芯片整合在一起，都可称为是异构整合。
因为应用市场更加的多元，每项产品的成本、性能和目标族群都不同，因此所需的异构整合技术也不尽相同，市场分众化趋势逐渐浮现。为此，IC 代工、制造及半导体设备业者纷纷投入异构整合发展，2.5D、3D 封装、Chiplets 等现今热门的封装技术，便是基于异构整合的想法，如雨后春笋般浮现。
封装

封装并不能直接提高芯片的性能，但是先进的3D封装工艺相较于传统的2D工艺有很多优势：

3D封装更有效的利用了硅片的有效区域
3D设计替代单芯片封装缩小了器件尺寸、减轻了重量
3D封装的die直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小

台积电的Wafer-on-Wafer(WoW) 3D芯片封装工艺，是通过TSV硅穿孔技术实现了真正的3D封装，和Intel的Foreros 3D封装类似，能把多个芯片像盖房子那样一层层堆叠起来，甚至能把不同工艺、结构和用途的芯片封在一起。
TSV也是非常火的技术，要知道数据的搬运速率对CPU性能的影响是非常大的。

3D封装示意图

Chiplet

Chiplet技术就像拼图一样，把小芯片组成大芯片。
使用Chiplets 有三大好处。因为先进制程成本非常高昂，特别是模拟电路、I/O 等愈来愈难以随着制程技术缩小，而Chiplets 是将电路分割成独立的小芯片，并各自强化功能、制程技术及尺寸，最后整合在一起，以克服制程难以微缩的挑战。
此外，基于Chiplets 还可以使用现有的成熟芯片降低开发和验证成本。

从上面的分析也可以看出来，异构-chiplet-封装也是相辅相成，共同发展的。
SoC

SOC（System-On-Chip), 即片上系统。可以简单的理解为把系统做在一块芯片上。
一个完整的SoC通常包含以下几个模块：
中央处理器（CPU）-- SoC的“大脑”。运行Android 或者IOS和大多数应用程序的大部分代码。
图形处理单元（GPU）-- 处理与图形有关的任务，例如可视化应用程序的用户界面和2D、3D游戏。
图像处理单元（ISP）--将手机摄像头中的数据转换为图像和视频文件，对图像用AI算法进行进阶处理。
数字信号处理器（DSP）-- 处理比CPU更复杂的数学功能。包括解压缩音乐文件和分析陀螺仪传感器数据。

基带处理单元BBU(Building Base band Unite)—用于网络覆盖。
存储器（ROM/RAM）-- 用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。存储器可分为主存储器(简称主存或内存)和辅助存储器(简称辅存或外存)两大类。和CPU直接交换信息的是主存。
神经处理单元（NPU）-- 用于高端智能手机，以加速机器学习（AI）任务。这些包括语音识别和相机处理。
除了以上几个主要单元，还有蓝牙，5G，WI-FI等模块。
SOC技术可以有效地降低电子信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力，是未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。
AI芯片

也就是人工智能芯片，上面再SOC里已经提到了，NPU用于加速神经网络的运算，解决传统芯片在神经网络运算时效率低下的问题。
除了NPU，还有TPU（Tensor Processing Unit）即张量处理单元。
如图是一款为机器学习而定制的人工智能处理器。经过了专门深度机器学习方面的训练，它有更高的计算能力。TPU在经过深度学习方面的训练，执行每个操作所需的晶体管数量更少，自然效率更高。

<hr/>从突破性的技术来看，主要有量子芯片和碳基芯片。
相对来说，这两种技术目前还处在实验室研发阶段，距离商用尚远，从目前的信息来看，顺利的话，量子芯片要十年甚至更久，碳基芯片也要五年左右。
摩尔定律（我认为叫摩尔规律更恰当）放缓，CPU的性能并不会走到尽头。人们为了对抗摩尔定律的失效，不断在研发新技术、新架构、新材料为摩尔定律续命，同时也在不同的方向进行探索，CPU这个跨越世纪的重器，也将在未来十年焕发新春。

super1 · 发表于 2021-12-17 16:07

作为一个硬件开发人员，我希望是CPU能把DDR这部分整合封装进去，按照DDR配置，分出2-3种尾缀的细分型号。
其实一些消费类的广义上的SOC性质的CPU里已经有这样的作法了，比如全志的F133：

这样做的好处有很多：
1、板子的尺寸可以大大缩小，缩小的不仅仅是DDR占用的空间，还有CPU的DDR几十个pin脚的引出，CPU到DDR的庞大的走线，可能可以缩减PCB的层数，降低成本，这些点对一些便携紧凑设备的产品化是非常有好处的。
2、大大降低硬件工程师Layout难度，工作量，缩减开发周期。
3、大大降低在设计中的风险，增加可靠性，一方面是layout性能差异，另一方面是软件底层驱动上，CPU应对不同DDR的参数差异。
森山：60天掌握CADENCE-电路设计原创教程【硬件工程师的自我修养】森山：如何打造自己的低成本电子实验室？

HuldaGnodim · 发表于 2021-12-17 16:13

Intel：我们在数字上要盖过amd，消费者认为数字大就是好，虽然我们的单die拼不过amd的胶水，但是我们营销游戏上一定要盖过对手；你看amd 12核24线程，我们就16核24线程，大过你哟！数学学得好，有没有一夜超AMD的感觉？
<a data-draft-node="block" data-draft-type="mcn-link-card" data-mcn-id="1453355534129213440">amd：我们的胶水还有更大的空间，L3缓存给我加到以GB为单位，我们已经找到感觉了，Intel追上我们至少还要2年；就按 @Harry Zhu 给我们设计的“线程撕碎者”系列制造，我要让Intel哭不出声音；
amd的多核心比intel是不是领先很多？M1：我不是针对谁，我是说在座的各位，all of you，Intel、AMD、Qualcomm，都是**；

Nvidia：（一人一巴掌）超超，超超，叫你们超超，给了Intel一个爆栗子，16核也得瑟，你那是16核吗？我塔玛18432核我超超了吗？低调，做人要低调，我加个风扇就能多卖3000块，我骄傲了吗？
Qualcomm：技术人的事儿，你那不能算…；
Nvidia：还顶嘴，你信不信我把你家祖坟都给刨了（指收购arm）…

ainatipen · 发表于 2021-12-17 16:16

通用CPU集成度不断增加，各种芯片逐渐被CPU拿下，早期的北桥芯片，到后来的集成显卡，以及各种总线以及被CPU统一涵盖。目前内存和硬盘虽然还是单独的，但是早晚也是被替代的。
如果所谓的云计电脑真的来临，用户对于内存硬盘的需求不那么个性化，那么替代时间会早点来临。另一个是苹果最新的CPU，已经将内存集成到了CPU内，以苹果的生态，再集成一个硬盘也是有可能的。
最后，主板就只剩下电源管理之类的芯片，在一个类似usb一拖四的外围扩展io就OK了。

stonstad · 发表于 2021-12-17 16:23

CPU是计算机的运算和控制核心，作为算力基础，是整个科技行业的核心支撑。
1971年11月15日，美国英特尔公司推出世界第一款商用计算机微处理器Intel 4004，被认为是CPU发展史的开端。

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一台计算机的运算和控制核心，其功能主要是完成对计算机指令的执行和对数据的处理，CPU 与内部存储器、输入/输出设备被认为是电子计算机三大核心部件。
CPU的发展史，按照其处理信息的字长，可以分为：4位微处理器8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等等。

5G、云计算、物联网、大数据、人工智能等创新领域的发展，对算力的需求也大幅增加，CPU作为科技领域的算力支撑后续需求有望迎来发展机遇。目前来看，CPU市场仍主要为海外巨头占据，国内CPU厂商起步较晚仍处于劣势，但十四五以来国产CPU自主研发受到高度重视，目前已走出三条独立自主化道路，国家政策层面始终高度重视“卡脖子” 领域自主创新，技术产品层面，政策支持叠加行业发展加快生态建设，国产CPU或迎来重大利好发展的机遇。
@壹只猫的这里，整理了CPU行业报告，或许对这个问题的问题的回答有帮助：

中国长城公司首次覆盖报告：国产CPU巨头，充分受益国产化浪潮.pdf
中国长城：ARM生态大势所趋，飞腾CPU力争市场大份额.pdf
全球半导体观察（5月）：除CPU以外下半年需求能见度均较低.pdf
半导体行业：国产CPU之曙光.pdf
澜起科技公司深度报告：服务器CPU升级，内存接口随风起波澜.pdf
电子元器件服务器系列报告一（计算篇）：CPU平台升级及其影响.pdf
电子元器件行业深度分析：数据中心产业链梳理：CPU平台升级，DRAM周期反转.pdf
电子行业深度报告：CPU研究框架.pdf
科技先锋系列报告174：服务器CPU芯片：Intel&AMD布局.pdf
科技：云计算开启国产CPU和AI芯片的腾飞之路.pdf
计算机应用行业点评报告：电信招国产CPU占比超三成，阿拉斯加交锋提速信创.pdf
计算机行业“智能网联”系列专题之六：汽车“CPU”从ADAS到自动驾驶.pdf
计算机行业研究：国产CPU全对比，飞腾有望异军突起.pdf
计算机软硬件专题研究：信创产业系列报告之一CPU&OS：信创根基，国之重器.pdf
计算机：CPU生态价值与机遇研究.pdf
计算机：运营商提升国产CPU服务器采购比例，行业信创加速落地.pdf

目前CPU主要有两种指令集架构：

复杂指令集架构CISC（Complex Instruction Set Computer）：x86
精简指令集架构RISC（Reduced Instruction Set Computer）：ARM、MIPS和RISC-V

CISC 与 RISC 架构处理器各有千秋，CISC 架构芯片运行速度快、性能优越，但功耗大、价格较贵；RISC 架构芯片体积小、低功耗、性价比高。目前整体来看，在移动芯片领域，以 ARM 为代表的 RISC 架构的芯片占据了 90%以上的市场份额，在计算 CPU 市场上，以英特尔 X86 为代表的 CISC 架构处理器占据超过 90%市场份额。
全球智能手机基本全部采用ARM指令集，截止2021Q1，联发科和高通是最主要的手机CPU供应商，市场份额分别为35%和29%；2021年Q1，联发科市场占有率35% ，比2020Q4增长了3个百分点，同比增加了11%，继续扩大优势。高通市场份额为29%，较2020Q4略有增长（1%），同比却下降了2%。苹果为17%，比2020Q4下降了2%。三星在2021Q1已经降至 9%。由于受到去年5月以来美国升级制裁影响，海思的市场份额出现了快速的下滑，到2021年Q1仅剩5%。
我国自2001年开始启动处理器设计项目，至今将近20年，产生了以中科龙芯、天津飞腾、海光信息、上海申威、上海兆芯等为代表的国产CPU，并且产品的性能逐年提高，应用领域不断扩展，使中国长期以来无“芯”可用的局面得到了极大扭转。
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BlaXuan · 发表于 2021-12-17 16:27

讨论cpu未来发展方向这个问题，我们不妨把视角放的更大一点：未来计算设备会是什么形态？
我认为，未来计算设备应该是以便携设备和各类、多级服务器组成。即，未来家庭、公司可能会配备大量的便携计算设备，运用云计算（包括公有云和私有云）和边缘计算计算进行处理；然后配置一定量的个个级别的服务器进行处理不同问题（通用计算服务器、深度学习服务器甚至服务器集群）。
所以，我认为现在的big-little其实还是更类似一个过渡性的方案，因为实际上大型核心在未来可以很大程度被云计算和边缘计算取代。
所以我倾向于未来cpu有两个方向，即轻负载、低功耗场景下的cpu走向soc化、集成化，重负载、高功耗下的cpu走下模块化、分立化。未来，便携式设备搭载的soc中应该是集成了高性能网络芯片、处理器、内存、GPU的整体，而即冯诺依曼架构图中间部分的所有组件+gpu。然后主板接近于一个扩展板和供电板。而高负载下的设备，应该具有模块化的不同插槽用于接入不同的组件，甚至可以通过高速的光纤网络进行共享。

量子计算9 · 发表于 2021-12-17 16:35

计算平台，而不再只是一个黑盒。会开放更多接口给各类计算单元。真正实现万物互联。

unityloverz · 发表于 2021-12-17 16:39

硬件的发展离不开应用，CPU也是这样。随着元宇宙概念的爆发，大大增加了对CPU更高速度的需求，相信会加快CPU的发展。
我们先简单回顾一下CPU的发展：从1993年起CPU每次更新换代都专注在制造工艺技术的提升，从Pentium的0.6μm （微米），320万个晶体管核心，60MHz 核心频率，直到2021年11月刚出的 Alder Lake 用 10nm （毫微米, 比微米小1000倍)制造工艺, 1000亿个晶体管。
根据摩尔定律，集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。而在12月13日举行的IEEE International Electron Devices Meeting（IEDM）2021，英特尔展示了跟着他们CPU的发展方向：

对基础缩放技术开展重要研究，以在未来产品中引入更多晶体管

发展出针对混合键合互连设计、工艺与组装挑战的解决方案，预计可将封装互连密度提升至 10 倍以上。在 7 月份的 Intel Accelerated 活动上，英特尔就已经宣布了 Foveros Direct 的推出计划。特点是支持亚 10 微米的凸点间距，有望将 3D 堆叠的互连密度再提升一个数量级。
为了让生态合作伙伴也能够从小芯片等先进封装技术上获益，英特尔还呼吁建立新的行业标准与测试程序。
2. 发展新的硅基材料以增加功率以及记忆体
通过在 300mm 晶圆上率先实现基于氮化镓（GaN）的功率开关、结合硅基的 CMOS，英特尔正在推进更高效的功率器件技术。
换言之，这为 CPU 的高速供电和更低能耗损失奠定了基础，同时减少了对主板组件和空间的需求，此外还有行业领先的低延迟读 / 写体验。
得益于新型铁电材料和下一代 DRAM 技术，其有助于提供更大的内存资源，以化解从游戏到人工智能等计算应用程序面临的日益复杂的问题。
3. 量子运算
寻找以晶体硅体管为基础的量子运算的强劲性能，以及与新型室温设备搭配运行，拥有巨量能源效率运算的全新开关。

IEDM 2021英特尔展示室温运行的全球首款实验性磁电自旋轨道（magnetoelectric spin-orbit，MESO）逻辑设备，显示基于开关纳米规模磁铁的新型晶体管制造潜力。

英特尔和IMEC在自旋电子材料研究取得进展，将设备集成研究更进一步带往实现全功能自旋转距（spin-torque）设备。英特尔还展出与CMOS生生产机制造兼容，实现可扩展量子运算的完整300mm量子位元制程流程，确定研究的下一步。

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