CPU为什么不能越做越大？Die的大小和良品率

经常有朋友问我：“为什么Intel或者AMD不出个100核的CPU”，“GPU可以那么多核，CPU为啥就不行呢？”。“质不够，量来凑”似乎是个好主意，顿时感觉摩尔定律有希望了，我们相关行业又可以混几年了。

幻想美妙，现实残酷。CPU制程不变的情况下，堆砌内核必定造成CPU核心Die尺寸的增大，而其对于产品的良率有极大的影响。产品的良率影响到产品的价格，谁也不想看到自己的钱包缩水。下面我们来看一下Die的大小对于良率的影响。

Die的大小与良率（yield）

我们都知道CPU的制造过程，一定会用到晶圆Wafer。每个CPU内核Die都是从一个完整的Wafer上面切割下来的：

CPU成本的一个重要考量是每个Wafer能制造多少个Die，并尽量减少浪费。我们就以目前主流的300mm晶圆为例。先假设我们的晶圆出自上帝之手，没有任何缺陷（Defect）。因为Die一般是长方形或者正方形，所以圆形的Wafer边缘部分被浪费了，如下图：

从图中我们可以看出随着Die的缩小，浪费的比例也从36%缩小成为12.6%。根据极限知识，我们知道如果Die的大小足够小，我们理论上可以100%用上所有的Wafer大小。从中我们可以看出越小的Die，浪费越小，从而降低CPU价格，对CPU生产者和消费者都是好事。

回过头来，晶圆在制造过程中总是避免不了缺陷，这些缺陷就像撒芝麻粒，分布在整个Wafer上：

如果考虑缺陷，Die的大小会严重影响良率：

上图大家可以点开看（图比较大），其中不太清楚的红色小点是晶圆的缺陷，在Die很大时，有很大概率它的范围内会缺陷，而只要有缺陷该Die就报废了（简化处理）；在Die比较小的时候，它含有缺陷的可能性就大大降低了。如图中，随着Die的减小，良率从第一个的35.7%提高到了95.2%!我们举个极端的例子，整个Wafer就一个Die，那么良率只有0%了，生产一个报废一个。谁还干这么傻的事！

制程、Die的大小与良率

22nm->14nm->10nm，每一步前进都会消耗大量的投资，芯片生产厂家还乐此不疲，有很大的原因就是制程提高了，Die也小了（或者同样大小可以塞入更多的晶体管），良率提高了，也就省钱了。制程提高还能带来另外的好处，譬如更加省电了，性能更好了等等。

但是更好的制程在最初往往会让晶圆的缺陷更容易造成严重问题，反过来会降低良率。频率也可能上不去，不得不binned到低频。同时漏电流的增加会让待机功耗增加，这也是为什么最初的14nmCPU比22nm待机功耗更高的原因。

结论

100个内核的CPU在经济上是行不通的，至少目前行不通。巨大的Die会让CPU成本急剧上升，这是谁也不愿看到的。GPU可以做那么多计算内核是因为因为每个核都很简单，占地很小，加起来Die的面积也在可控范围内。