談到芯片，首先想到的一定是性能，功耗，價(jià)格，成熟度，生態(tài)圈兼容性等。但是只針對(duì)芯片本身的話，是看芯片內(nèi)部有什么運(yùn)算能力，比如處理器，浮點(diǎn)器，編解碼器，數(shù)字信號(hào)處理器，圖形加速器，網(wǎng)絡(luò)加速器等，還要看提供了什么接口，比如閃存，內(nèi)存，PCIe，USB，SATA，以太網(wǎng)等，還有看里面自帶了多少內(nèi)存可供使用，以及功耗如何。

性能，對(duì)CPU來說就是基準(zhǔn)測(cè)試程序能跑多少分，比如Dhrystone，Coremark，SPEC2000/2006等。針對(duì)不同的應(yīng)用，比如手機(jī)，還會(huì)看圖形處理器的跑分，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器，會(huì)看包轉(zhuǎn)發(fā)率。當(dāng)然，還需要跑一些特定的應(yīng)用程序，來得到更準(zhǔn)確的性能評(píng)估。

功耗，從high level來看，也分動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗，就是在跑某個(gè)程序的時(shí)候，芯片的功率是多少瓦。通常，這時(shí)候處理器會(huì)跑在最高頻率，但這并不意味著所有的晶體管都在工作，由于power gating和clock gating的存在，有些沒有被用到的邏輯和片上內(nèi)存塊并沒在耗電。芯片公司給出的處理器功耗，通常都是在跑Dhrystone。這個(gè)程序有個(gè)特點(diǎn)，它只在一級(jí)緩存之上運(yùn)行，不會(huì)訪問二級(jí)緩存，更不會(huì)訪問內(nèi)存。這樣得出的功耗，其實(shí)并不是包含了內(nèi)存訪問的真實(shí)功耗，也不是最大功耗。為得到處理器最大功耗，需要運(yùn)行于一級(jí)緩存之上的向量和浮點(diǎn)指令，其結(jié)果通常是Dhrystone功耗的2-3倍。但是從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看，普通的應(yīng)用程序并不能讓處理器消耗更高的能量，所以用Dhrysone測(cè)量也沒什么問題。當(dāng)然，要準(zhǔn)確衡量整體的芯片功耗，還得考慮各種加速器，總線和接口，并不僅僅是處理器。

在芯片設(shè)計(jì)階段，最重要的就是PPA，它轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)，就是功能，性能，功耗，直接影響價(jià)格。其中，性能有兩層含義。在前端設(shè)計(jì)上，它表示的是每赫茲能夠跑多少標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序分。通常來說，流水線級(jí)數(shù)越多，芯片能跑到的最高頻率越高。可是并不是頻率越高，性能就越高。這和處理器構(gòu)架有很大關(guān)系。典型的反例就是Intel的奔騰4，30多級(jí)流水，最高頻率高達(dá)3G赫茲，可是由于流水線太長，一旦指令預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，重新抓取的指令要重走這幾十級(jí)流水線，代價(jià)是很大的。而它的指令又非常依賴于編譯器來優(yōu)化，當(dāng)時(shí)編譯器又沒跟上，導(dǎo)致總體性能低下。而MIPS或者PowerPC的處理器頻率都不高，但是每赫茲性能相對(duì)來說還不錯(cuò)，總體性能就會(huì)提高一些。所以性能要看總體跑分，而不是每赫茲跑分。

性能的另外一個(gè)含義就是指最高頻率，這是從Backend設(shè)計(jì)角度來說的。Backend的人只看芯片能跑到多少頻率，頻率越高，對(duì)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候的timing, noise等要求不一樣。頻率越高，在每赫茲跑分一定的情況下，總體性能就越高。請(qǐng)注意對(duì)于那些跑在一級(jí)緩存的程序，處理器每赫茲跑分不會(huì)隨著頻率的變化而變化。而如果考慮到多級(jí)緩存，總線和外圍接口，那肯定就不是隨處理器頻率線性增加了。

從后端角度考慮，影響頻率的因素有很多，比如：

首先，受工藝的影響。每一種制程（例如14nm）下面還有很多小的工藝節(jié)點(diǎn)，例如LP，HP等。他們之間的最高頻率，漏電，成本等會(huì)有一些區(qū)別，適合不同的芯片，比如手機(jī)芯片喜歡漏電低，成本低的，服務(wù)器喜歡頻率高的，不一而足。

其次，受后端庫的影響。Foundry會(huì)把工藝中晶體管的參數(shù)抽象出來，做成一個(gè)物理層開發(fā)包（可以認(rèn)為叫DK），提供給工具廠商，IP廠商和芯片廠商。而這些廠商的后端工程師，就會(huì)拿著這個(gè)物理層開發(fā)包，做自己的物理庫。物理庫一般包含邏輯和內(nèi)存兩大塊。根據(jù)晶體管參數(shù)的不同，會(huì)有不同特性，適合于不同的用途。而怎么把這些不同特性的的庫，合理的用到各個(gè)前端設(shè)計(jì)模塊，就是一門大學(xué)問。一般來說，源極和漏極通道越短，電子漂移距離越短，能跑的頻率就越高。可是，頻率越高，動(dòng)態(tài)功耗就越大，并且可能是按指數(shù)級(jí)上升。除此之外，還會(huì)有Track這種說法，指的是的標(biāo)準(zhǔn)單元的寬度。常見的有6.75T，9T等。寬度越大，電流越大，越容易做到高頻，面積也越大。還有一個(gè)可調(diào)的參數(shù)就是閾值電壓，決定了柵極的電壓門限，門限越低，頻率能沖的越高，靜態(tài)功耗也越大，按對(duì)數(shù)級(jí)上升。比如需要低功耗（更多使用HVT的晶體管）或者高性能（更多使用LVT，ULVT）的晶體管。

接下來，受布局和布線的影響。芯片里面和主板一樣，也是需要多層布線的，每一層都有個(gè)利用率。總體面積越小，利用率越高，布線就越困難。而層數(shù)越多，利用率越低，成本就越高。在給出一些初始和限制條件后，EDA軟件會(huì)自己去不停的計(jì)算，最后給出一個(gè)可行的頻率和面積。就好像下圖，Metal Stack表明，整個(gè)芯片是9層Stack。

再次，受前后端協(xié)同設(shè)計(jì)的影響。處理器的關(guān)鍵路徑直接決定了最高頻率。這一部分，還沒體會(huì)，先放著，不懂。

從功耗角度，同樣是前后端協(xié)同設(shè)計(jì)，某個(gè)訪問片上內(nèi)存的操作，如果知道處理器會(huì)花多少時(shí)間，用哪些資源，就可以讓內(nèi)存的空閑塊關(guān)閉，從而達(dá)到省電的目的。比如Clock Gating，Power Gating等都是用來干這事的。

對(duì)于移動(dòng)產(chǎn)品，靜態(tài)功耗也是很有用的一個(gè)指標(biāo)。靜態(tài)就是晶體管漏電造成的，大小和芯片工藝，晶體管數(shù)，電壓相關(guān)。控制靜態(tài)功耗的方法是power gating，關(guān)掉電源，那么靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗都沒了。

另外，就是動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)是開關(guān)切換造成的，所以和晶體管數(shù)，頻率，電壓相關(guān)。動(dòng)態(tài)調(diào)頻調(diào)壓（DVFS）的控制方法是clock gating，頻率變小，自然動(dòng)態(tài)功耗就小，降低電壓，那么動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗自然都小。可是電壓不能無限降低，否則電子沒法漂移，晶體管就不工作了。并且，晶體管跑在不同的頻率，所需要的電壓是不一樣的，拿16納米來說，往下可以從0.9V變成0.72V，往上可以變成1V或者更高。別小看了這一點(diǎn)點(diǎn)的電壓變化，動(dòng)態(tài)功耗的變化，是和電壓成2次方關(guān)系，和頻率成線性關(guān)系的。而頻率的上升，同樣是依賴于電壓提升的。所以，1.05V和0.72V，電壓差了45%，動(dòng)態(tài)功耗可以差3倍。

再往上，就是軟件電源管理了，也就是芯片的Low Power管理策略。把每個(gè)大模塊的clock gating和power gating進(jìn)行組合，形成不同的休眠狀態(tài)，軟件可以根據(jù)溫度和運(yùn)行的任務(wù)，動(dòng)態(tài)的告訴處理器每個(gè)模塊進(jìn)入不同的休眠狀態(tài)，從而在任務(wù)不忙的時(shí)候降低功耗。這里就需要PVT Sensor。在每個(gè)芯片里面都有很多PVT Sensor。

頻率和面積其實(shí)也是互相影響的。給定一個(gè)目標(biāo)頻率，選用了不同的物理庫，不同的track（也就是不同的溝道寬度），不同的利用率，形成的芯片面積就會(huì)不一樣。通常來說，越是需要跑高頻的芯片，所需的面積越大。頻率差一倍，面積可能有百分之幾十的差別。對(duì)晶體管來說，面積就是成本，晶圓的總面積一定，價(jià)錢一定，那單顆芯片的面積越小，成本越低，并且此時(shí)良率也越高。

從上面我們看到，設(shè)計(jì)芯片很大程度上就是在平衡。影響因素，或者說坑，來自于方方面面，IP提供商，工廠，市場(chǎng)定義，工程團(tuán)隊(duì)。水很深，坑很大，沒有完美的芯片，只有完美的平衡。在這點(diǎn)上，蘋果是一個(gè)很典型的例子。蘋果A10的CPU頻率不很高，但是Geekbench單核跑分卻比 A73高了整整75%，接近Intel桌面處理器的性能。為什么？因?yàn)樘O果用了大量的面積換取性能和功耗。首先，它使用了六發(fā)射，而A73只有雙發(fā)射，流水線寬了整整三倍。當(dāng)然，三倍的發(fā)射寬度并不表示性能就是三倍，由于數(shù)據(jù)相關(guān)性的存在，發(fā)射寬度的效益是遞減的。再一點(diǎn)，蘋果使用了整整6MB的緩存，而這個(gè)數(shù)字在別的手機(jī)芯片上通常是2MB。對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)跑分，比如SpecInt2000/2006，128KB到256KB二級(jí)緩存帶來的性能提升僅僅是7%左右，而256KB到1MB帶來的提升更小，緩存面積卻是4倍。第三，除了一二三級(jí)緩存之外，蘋果大量增加處理器在各個(gè)環(huán)節(jié)的緩沖，比如指令預(yù)測(cè)器等。當(dāng)然，面積的提升同樣帶來了靜態(tài)功耗的增加，不過相對(duì)于提升頻率，造成動(dòng)態(tài)功耗增加來說，還是小的。再次，蘋果引入的復(fù)雜的電源，電壓和時(shí)鐘控制，雖然增加了面積，但由于系統(tǒng)軟件都是自己的，可以從軟件層面就進(jìn)行很精細(xì)的優(yōu)化，將整體功耗控制的非常好。舉個(gè)例子，Wiki上面可以得知，A10上的大核Hurricane面積在TSMC的16nm上是4.18平方毫米，而ARM的Enyo去掉二級(jí)緩存差不多是2.4平方毫米，在2.4Ghz時(shí)，SPECINT2000跑分接近，面積差了70%。

但是，也只有蘋果能這么做，一般芯片公司絕對(duì)不會(huì)走蘋果這樣用大量面積換性能和功耗的路線，那樣的話毛利就太低了。這也是為什么現(xiàn)在越來越多的整機(jī)廠家，愿意來自研芯片或者定制芯片的一個(gè)主要原因。
編輯：hfy