网友：能否用分立元件做高端CPU？想法有趣，钻石级土豪才敢玩

导读：本篇科普文字数2000，完全阅读需要4分钟，配6幅图文相关图片。

单个的晶体管、电阻或电容等电子零配件，又叫分立元件，在零售市场，一般几元钱能买一大把。对这些常见的电子小玩意儿，有粉丝私信提问：自己能否用分立元件，DIY出一个高端CPU？

客观地说，用分立元件凑高端CPU，这个想法相当有趣，如果有相应的CPU内部详细电路图，理论上也是完全可行的。但实际操作起来，你必须得是土豪，而且是钻石级别的土豪才玩得转。

01

分立元件和芯片内的元件同祖同宗

为何说用分立元件高端CPU可行？可以从电子计算机的发展历史找到答案。

最早的冯.诺伊曼型电子计算机叫ENIAC，由17840支电子真空管构成。晶体三极管发明后，电脑中的电子真空管被晶体三极管替代，这些三极管作为分立元件，是一个个按电路设计图焊接在PCB板上的。

1958—1959年间，德州仪器的科学家杰克.基尔比和仙童半导体公司的罗伯特.诺伊斯（英特尔公司联合创始人），先后发明集成电路（简称IC，又称芯片）。集成电路的特点是，经过氧化、蚀刻、连线等工序，将晶体三极管、电阻、电容等分立元件，做到一片硅片上。

也就是从那时起，分立式晶体三极管和芯片内的晶体三极管在外观上分道扬镳。

现在高端CPU内的晶体三极管，外表像是一块木板上搁了个横竖大小不一的十字块儿，模型见下图。

FinFET晶体管模型

这种晶体管有个怪怪的名字——鳍式场效应晶体管，英文名叫Fin Field-Effect Transistor，简称FinFET。看名字挺唬人，其实中文名已经暗示答案：沟道区域（上图中灰色竖立的薄板）形状像竖起的鱼鳍。不过说实话，我是怎么也没看出它和鱼鳍的关系，可能理工男的思维就是这么刚直，说像鱼鳍就当鱼鳍好了。

FinFET在电子显微镜下，真实模样和模型图差别还是挺大的（如下图）。

FinFET在芯片中的yang'zi

FinFET尽管看起来像纱窗格子，其实和分立晶体三极管在原理上完全相同，都有源极、漏极和栅极。而且分立晶体三极管同样可以通过高电平和低电平，分别表示0和1，这个原理和CPU中的晶体三极管完全相同。

正像前面说的，集成电路（芯片）的基本思路就是将分立元件缩小，做到一块硅片上并连接起来，其实也可以看着是微小的分立式元件连接在一起，只不过数量非常庞大，以亿计。

换句话说，分立式晶体管只要搭配电容、电阻、电感等被动元件，按CPU的线路图连接起来，完全可以实现CPU的所有功能。

02

电路板面积大过故宫

但用分立元件做CPU，尤其是高端CPU，槽点会多到让人抓狂。

比较大的槽点是可靠性不佳。

我们以英特尔发布于2013年的高端桌面处理器酷睿i7-4960X为例，这款CPU有18.6亿个晶体管。这18.6亿个晶体管又需要和数以亿计的电容、电阻、电感连接在一起，才能顺利工作。

即使不考虑焊接时间，将这几十亿电子元件焊接在一起，也很难保证100%无差错，这就带来了可靠性问题。万一有几处焊接不牢，CPU很容易挂掉。

另外，将几十亿个分立电子元件连接到一起，承接的PCB板面积也将十分惊人。

按一个晶体管占用PCB面积20平方毫米计算（最保守的估计），18.6亿个晶体管需要372万平方米的PCB板，由于电容、电阻等被动元件占用面积小，凑个整数，占用面积400万平米。

400万平米是什么概念？我国的故宫很大吧，面积有80万平米，但在大号CPU面前也不够看，因为用分立式元件制造的酷睿i7-4960X，PCB板面积相当于5个故宫。

目前蓝星上还没有哪个厂家敢拍胸脯说，自己能量产5个故宫大的一整块PCB板。只能走私人定制道路，那样的话，价格将是天文数字。这就是开头说的，只有土豪才玩得起的原因。

即使跨过焊接和PCB面积两大难关，还将迎头撞上功耗大山。

03

功耗要中型发电厂支撑

18.6亿个晶体管分立元件，即使每个耗电仅0.5瓦，全功耗运行的功率也将达到9.8亿瓦，相当于三峡电站总装机容量（2250万千瓦）的4.36%。如此大的耗电量，没有哪个城市能负担得起，所以必须为这块超级CPU建一座中型发电厂。一座中型发电厂，投资差不多得一亿元人民币起跳吧。

建了电厂，事儿就完了？并没有。考虑到连线变长，为减少发热量和电磁干扰，这款大号CPU根本达不到酷睿i7-4960X默认的3.6GHz主频，上到2GHz都够呛。

烧数亿的钱，耗数亿度电，结果这块CPU的算力最多只有几千块的芯片一半，能效比差到没朋友，世上有哪个富豪这么做的话，真应了一句话：富豪的世界就是这么无聊而且无趣。

实际上，集成电路（芯片）之所以能迅速流行开来，就是因为分立元件制造的电路，随着元件数量增多，暴露出能耗大、可靠性差、开关速度低等致命缺点，而芯片完美克服上述缺点，这也是芯片能成为现代信息社会基石的原因，也是杰克.基尔比无愧于诺贝尔物理学奖的理由。