详析CPU和GPU的区别

一个正常的40nm工艺，一个6T（6 transistors）的SRAM面积是150*0.04*0.04= 0.24um2/SRAM。所以如果我们需要一个1Mb的SRAM，面积是1M*0.24um2= 0.24mm2，也就是大概0.5mm*0.5mm。

前天项目周会的时候，一位同事一顿猛算，作者君当时就震惊了……哇撒，这些熟悉memory的人手算能力这么强啊！

本着对强者的仰慕，作者君去Google了一下memory的rule of thumb，发现还真的有这个类似的公式：

For instance the embedded DRAM cells presented in ［45］ for four different technology nodes – 180/130/90/65nm have areas in the range of 19–26F^2 where F is the feature size of the process. In contrast， a typical SRAM cell would have an area of about 120–150F^2.

所以说，那位同事的估算是差不多合理的。40nm的CMOS工艺，feature size是40nm，所以一个SRAM的面积大概就是120-150F^2，跟他算的是一样的。

呼呼，memory的面积居然都如此的标准，感觉很是羡慕呢！

话说回来了，为啥DRAM比SRAM的面积小很多呢？大家还记得以前VLSI课程里面，不同memory的电路图吗？要不这次就跟着作者君复习一下？

（a） DRAM ; （b） SRAM

上面这个图里，左边是一个DRAM，就是一个transistor加上一个capacitor，结构相当简单。右图是一个SRAM，仔细一看，中间是交叉连接的两个inverter，组成了一个典型的latch。（在作者君看来，latch其实就是一个digital的capacitor），然后左右两个transistor当做了开关，功能和左图DRAM里面那个pass transistor差不多。

说到memory的面积，作者君昨天还跟一个做数字前端的朋友聊了聊。他说他们的SOC里面放了一个512MB的SRAM，12nm的工艺下，面积是400mm^2.

所以这个512MB的SRAM尺寸是20mm*20mm。真。土豪公司啊！

SRAM vs. DRAM in Computers

这个表格里面，提到了CPU里面一般放的是SRAM，不是DRAM。SRAM用了positive feedback的latch，速度显然比类似于模拟电路（就是一个模拟的开关对电容充电）的DRAM要快很多。（大致上快了十倍以上）

但是，SRAM要6个transistor，DRAM才一个transistor，面积小了如此之多。如果需要很大的memory，DRAM在节约SOC成本这块是不是占优了呢？

等等，这两家伙是一样的process吗？

由于有个很特别的电容存在，而且这个电容需要有一定的阈值和一定的对抗漏电的能力，所以DRAM的工艺其实不是大家平常能够见到的传统logic process，而是有它自己特别的 DRAM process。目前也基本上只有三家公司提供DRAM的工艺：美光科技、三星和 SK 海力士。

Logic processes - those used for CPUs - are also more expensive. A logic wafer might cost $3500 vs $1600 for DRAM. Intel‘s logic wafers may cost as much $5k. That’s costly real estate.

当然，正是因为SRAM的成本压力，所以CPU上面一般也不会集成大的DRAM，而是把DRAM放在片外。CPU的内部，一般也只有SRAM作为cache，并不是主要的memory。

除此之外，现在还有一种所谓的Memory Hierarchy。就是一种类似金字塔形状的结构，最大程度的优化速度和成本。大家有兴趣的话，可以去搜一下不同类型的memory。

最后，作者君再赶时髦谈到CPU和GPU的区别。有一张特别出名的图片：

在AI大行其道的今天，回过头来看看CPU和GPU的结构对比。再加深一下对DRAM和SRAM的区分，这张图很能说明一些东西。比如，CPU里面，cache是SRAM，占了相当多的面积，而在GPU里面，由于交互信息不如内部运算的负担大，大部分的面积都拿去做基本的计算了。所以在chip的成本类似的情况下（主要是die area大小差不多的情况），最后GPU的架构跟CPU还是很不一样的。
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