芯片和纳米：7nm、5nm、3nm和2nm背后是什么？

当前关于5nm和3nm的讨论

AppleMacBookPro新机型中的芯片是仍采用5纳米还是已经采用3纳米架构？最近几周和几个月来一直在讨论这个问题。目前看来，M2芯片（M2Pro、M2Max、M2Ultra等）的进一步发展将作为5nm型号上市。

这可能与芯片制造商台积电的发展状况有关，如苹果分析师郭明錤在2022年8月22日的推文中表示：纳米越少，功能越强大芯片。除了技术本身，nm数对于营销也很重要。

芯片上的微小度量单位甚至表明了什么？

但有什么意义呢？在0.0000005厘米或0.0000003厘米的距离上实际会显示什么？好吧，再次简单地说：这完全与芯片上晶体管的间距有关。距离越小，以电子的形式交换信息的速度越快、效率越高。因此，nm数越小，单位面积的晶体管越多，每次计算工作的资源消耗就越少。

除了晶体管之间的距离外，芯片本身的尺寸也很重要。这样可以计算出实际安装了多少个晶体管。仅对纳米架构的规范就可以说：“我们更进一步，芯片效率更高，并且（理论上）可以在更小的空间内以更少的功耗创造更多的计算能力”。

下一个级别：IBM、TSMC和Co.的2纳米架构芯片。

虽然关于Apple笔记本电脑的5纳米或3纳米的问题悬而未决，但下一代芯片和晶体管密度已经在其他地方得到解决。毕竟，上述考虑远未结束。IBM已经在5月2日展示了2021nm芯片作为原型。或者更确切地说：相当于2nm，因为测量直接关系到计算单元之间的二维距离，但现在正在使用更紧凑的3D工艺开发一些半导体，这就是为什么nm名称不再那么精确和可比的原因。

从2021年5月开始，ArsTechnicaPost上有一篇文章涉及该主题。可以找到单个芯片上每平方毫米晶体管数量的概览。以下是为了更好地理解和比较组件的摘录：

· 14nm的英特尔台式机CPU：最大。每平方毫米4500万个晶体管

· 10nm的英特尔笔记本电脑CPU：最大。每平方毫米1亿个晶体管

· AppleM1SoC与5nm：最大。每平方毫米1.71亿个晶体管

· 3纳米的苹果硅：估计最大值。每平方毫米2.92亿个晶体管

· 2nm的IBM芯片原型：最大。每平方毫米3.33亿个晶体管

更小的设计和更小的晶体管距离的优势

在我尝试使用一些半生不熟的信息来为计算机芯片争取一个新名称之前，让我们来看看它背后的技术发展的详细优势。因为除了所有理论和最小纳米数的竞赛（无论它在2D中是真实的还是作为3D中的参考），理解为什么所有这些考虑和努力存在也很重要。

因此，这些是芯片上更小或更紧密的晶体管最重要的优势：

· 处理器可以在更小的空间内拥有更多的“核心”，从而在节省电力的同时获得更多的电力

· 信息在更短的距离内更快到达，可以更快地处理并消耗更少的资源

· 更小的芯片和终端设备设计通常是可能的，因此移动设备（iPhone、MacBook、iPad等）正成为越来越强大的数字工具

· 由于资源消耗更低，即节能使用，硬件发热量更低——需要的冷却更少，技术更耐用

· 在笔记本电脑、智能手机、平板电脑等移动设备上，这一切都意味着更长的电池寿命

nm芯片单元还有用吗？

正如上面已经提到的，不仅仅是CPU、GPU和Co.中晶体管的尺寸和间距越来越小。芯片本身的物理结构也在不断调整。因此，某些名称仅用作参考，以建立与旧技术的可比性。对于不深入处理该主题的人来说，这乍一看是无法理解的，最坏的情况下甚至会产生误导。也许，半个多世纪后，考虑一个新的命名法。

传统标签与精确数量

为半导体、芯片、处理器或任何你想称之为硬件的东西寻找和使用一个新的、更精确的名称当然不是我的主意。但是，它非常适合这里的考虑，并且自2020年4月以来一直在流通。在HPCwire的一篇文章中，与IEEE拍摄的一篇论文有关，可以找到有用的信息。文章指出，除其他外，麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学/伯克利分校和台湾芯片制造商台积电的科学家更喜欢密度规范。

为此建议使用术语DL、DM和DC。DL给出了处理器晶体管的密度，单位为n/mm2on。DM表示主存储器（目前是与SoC分离的DRAM）的位密度，也以n/mm2为单位。DC旨在指示主存储器和处理器之间的连接密度，在此也以n/mm2为单位。

计算机芯片和纳米尺寸总结

总之，传统上以纳米(nm)为单位指定计算机处理单元（如CPU和GPU）上晶体管的尺寸和间距。并且即使二维测量单位在现代芯片中不再真正有意义，5nm、3nm和2nm等名称仍然可以作为比较值来展示组件背后的技术进步。因为芯片变得更快、更高效。对于更先进的芯片应该采用什么名称是值得怀疑的。有解决方案，但它们不太容易理解。