談到芯片，首先想到的一定是性能，功耗，價格，成熟度，生態圈兼容性等。但是只針對芯片本身的話，是看芯片內部有什么運算能力，比如處理器，浮點器，編解碼器，數字信號處理器，圖形加速器，網絡加速器等，還要看提供了什么接口，比如閃存，內存，PCIe，USB，SATA，以太網等，還有看里面自帶了多少內存可供使用，以及功耗如何。

性能，對CPU來說就是基準測試程序能跑多少分，比如Dhrystone，Coremark，SPEC2000/2006等。針對不同的應用，比如手機，還會看圖形處理器的跑分，而對網絡處理器，會看包轉發率。當然，還需要跑一些特定的應用程序，來得到更準確的性能評估。

功耗，從high level來看，也分動態功耗和靜態功耗。動態功耗，就是在跑某個程序的時候，芯片的功率是多少瓦。通常，這時候處理器會跑在最高頻率，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。這個程序有個特點，它只在一級緩存之上運行，不會訪問二級緩存，更不會訪問內存。這樣得出的功耗，其實并不是包含了內存訪問的真實功耗，也不是最大功耗。為得到處理器最大功耗，需要運行于一級緩存之上的向量和浮點指令，其結果通常是Dhrystone功耗的2-3倍。但是從實際經驗看，普通的應用程序并不能讓處理器消耗更高的能量，所以用Dhrysone測量也沒什么問題。當然，要準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。

在芯片設計階段，最重要的就是PPA，它轉化為設計，就是功能，性能，功耗，直接影響價格。其中，性能有兩層含義。在前端設計上，它表示的是每赫茲能夠跑多少標準測試程序分。通常來說，流水線級數越多，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。這和處理器構架有很大關系。典型的反例就是Intel的奔騰4，30多級流水，最高頻率高達3G赫茲，可是由于流水線太長，一旦指令預測錯誤，重新抓取的指令要重走這幾十級流水線，代價是很大的。而它的指令又非常依賴于編譯器來優化，當時編譯器又沒跟上，導致總體性能低下。而MIPS或者PowerPC的處理器頻率都不高，但是每赫茲性能相對來說還不錯，總體性能就會提高一些。所以性能要看總體跑分，而不是每赫茲跑分。

性能的另外一個含義就是指最高頻率，這是從Backend設計角度來說的。Backend的人只看芯片能跑到多少頻率，頻率越高，對實現的時候的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。請注意對于那些跑在一級緩存的程序，處理器每赫茲跑分不會隨著頻率的變化而變化。而如果考慮到多級緩存，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點，例如LP，HP等。他們之間的最高頻率，漏電，成本等會有一些區別，適合不同的芯片，比如手機芯片喜歡漏電低，成本低的，服務器喜歡頻率高的，不一而足。

其次，受后端庫的影響。Foundry會把工藝中晶體管的參數抽象出來，做成一個物理層開發包（可以認為叫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，就會拿著這個物理層開發包，做自己的物理庫。物理庫一般包含邏輯和內存兩大塊。根據晶體管參數的不同，會有不同特性，適合于不同的用途。而怎么把這些不同特性的的庫，合理的用到各個前端設計模塊，就是一門大學問。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，動態功耗就越大，并且可能是按指數級上升。除此之外，還會有Track這種說法，指的是的標準單元的寬度。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。還有一個可調的參數就是閾值電壓，決定了柵極的電壓門限，門限越低，頻率能沖的越高，靜態功耗也越大，按對數級上升。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，每一層都有個利用率。總體面積越小，利用率越高，布線就越困難。而層數越多，利用率越低，成本就越高。在給出一些初始和限制條件后，EDA軟件會自己去不停的計算，最后給出一個可行的頻率和面積。就好像下圖，Metal Stack表明，整個芯片是9層Stack。

再次，受前后端協同設計的影響。處理器的關鍵路徑直接決定了最高頻率。這一部分，還沒體會，先放著，不懂。

從功耗角度，同樣是前后端協同設計，某個訪問片上內存的操作，如果知道處理器會花多少時間，用哪些資源，就可以讓內存的空閑塊關閉，從而達到省電的目的。比如Clock Gating，Power Gating等都是用來干這事的。

對于移動產品，靜態功耗也是很有用的一個指標。靜態就是晶體管漏電造成的，大小和芯片工藝，晶體管數，電壓相關。控制靜態功耗的方法是power gating，關掉電源，那么靜態和動態功耗都沒了。

另外，就是動態功耗。動態是開關切換造成的，所以和晶體管數，頻率，電壓相關。動態調頻調壓（DVFS）的控制方法是clock gating，頻率變小，自然動態功耗就小，降低電壓，那么動態功耗和靜態功耗自然都小。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。別小看了這一點點的電壓變化，動態功耗的變化，是和電壓成2次方關系，和頻率成線性關系的。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%，動態功耗可以差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。把每個大模塊的clock gating和power gating進行組合，形成不同的休眠狀態，軟件可以根據溫度和運行的任務，動態的告訴處理器每個模塊進入不同的休眠狀態，從而在任務不忙的時候降低功耗。這里就需要PVT Sensor。在每個芯片里面都有很多PVT Sensor。

頻率和面積其實也是互相影響的。給定一個目標頻率，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。對晶體管來說，面積就是成本，晶圓的總面積一定，價錢一定，那單顆芯片的面積越小，成本越低，并且此時良率也越高。

從上面我們看到，設計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，市場定義，工程團隊。水很深，坑很大，沒有完美的芯片，只有完美的平衡。在這點上，蘋果是一個很典型的例子。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？因為蘋果用了大量的面積換取性能和功耗。首先，它使用了六發射，而A73只有雙發射，流水線寬了整整三倍。當然，三倍的發射寬度并不表示性能就是三倍，由于數據相關性的存在，發射寬度的效益是遞減的。再一點，蘋果使用了整整6MB的緩存，而這個數字在別的手機芯片上通常是2MB。對一些標準跑分，比如SpecInt2000/2006，128KB到256KB二級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，除了一二三級緩存之外，蘋果大量增加處理器在各個環節的緩沖，比如指令預測器等。當然，面積的提升同樣帶來了靜態功耗的增加，不過相對于提升頻率，造成動態功耗增加來說，還是小的。再次，蘋果引入的復雜的電源，電壓和時鐘控制，雖然增加了面積，但由于系統軟件都是自己的，可以從軟件層面就進行很精細的優化，將整體功耗控制的非常好。舉個例子，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去掉二級緩存差不多是2.4平方毫米，在2.4Ghz時，SPECINT2000跑分接近，面積差了70%。

但是，也只有蘋果能這么做，一般芯片公司絕對不會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。這也是為什么現在越來越多的整機廠家，愿意來自研芯片或者定制芯片的一個主要原因。
編輯：hfy