浅谈CPU的内部结构

如果把超大规模的芯片打开，会发现其内部结构的复杂程度堪比一座大型的城市。以苹果 M1 Ultra芯片为例，内部集成了1140亿晶体管，拥有20个CPU核心、64个GPU核心和32个NPU核心（尽管现在很多处理器芯片，包括高通骁龙、苹果M系列等都属于SoC芯片，但人们仍然习惯称他们为CPU）。作为对比，超一线城市上海人口“仅为”2500万左右，和M1 Ultra芯片的晶体管数目相比还是太少了。

把CPU和城市作类比，其中的控制及协调模块可以类比为政府及协调部门、电源模块相当于供电部门、内部的走线相当于街道，而其中一个有一个的小模块可以看做是小区、工业区、大学城等。但和城市不同的是，这些复杂的功能模块都要集成在指甲大小的芯片中，并且实现大规模的量产，实现算力普惠，这一切的一切，没有众多前沿学科技术的支撑是无法完成的。

可以进一步从CPU诞生的几个细微之处来体味一下，为什么说CPU是人造物的巅峰。

第一个是在制作晶圆的时候，要进行硅提纯。首先将沙石原料放入一个电弧炉中，在高温下发生还原反应得到冶金级硅，然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应，生成液态的硅烷，最后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的单晶硅，其纯度要达到99.999999999%，即11个9，才符合晶圆制作的标准。作为对比，市面上所宣传的999或9999足金首饰，在晶圆级别的硅面前，杂质还是太多了。

第二个细节是薄薄的高端芯片中，居然有上百层电路。在晶圆上经过一次镀膜、涂胶、曝光、显影、除胶等步骤，便可形成一层电路。如果把一层电路比作一层楼，那么芯片内部到处都是摩天大楼，颇为壮观！只不过芯片内部的“大楼”层高只有几纳米，如下图所示。

第三个细节是CPU是微观的艺术，是跳跃在原子尺度上的浪漫，它的精密程度以及它数十年如一日的准确运算，即便是人类最天才的大脑，在它的面前都只能俯首称臣。它的复杂性、巧妙性、逻辑性都处在人类所能理解的巅峰！

如果未来有一天，人类要通过一件物品向宇宙展示自己的科技实力，我不会选择航空发动机，也不会选择航母，而是选择一颗芯片。速度和庞大在宇宙中并不起眼，而方寸之间的芯片内部，随处都在诉说着这个星球上的智慧和文明。

编辑：黄飞