作為電腦的核心器件：處理器，在去年除了頻率的有限提升，并沒有劃時(shí)代的產(chǎn)品的出現(xiàn)。但是Intel提出的一些處理器發(fā)展新動(dòng)向卻令人矚目，將對(duì)今后電腦發(fā)展產(chǎn)生重大影響。
首先是將“雙核心”技術(shù)被確立為今后提升CPU性能的重點(diǎn)。其次在未來一年內(nèi)，Intel會(huì)終止Tejas等下一代NetBurst架構(gòu)處理器的開發(fā)計(jì)劃，轉(zhuǎn)而將目前的移動(dòng)平臺(tái)Pentium-M作為未來桌面平臺(tái)的核心架構(gòu)，在65nm生產(chǎn)工藝的支持下，構(gòu)造一個(gè)性能強(qiáng)、功耗低、成本適中的桌面處理器平臺(tái)，這完全顛覆了過去二十年中個(gè)人電腦處理器發(fā)展的一貫?zāi)Ｊ健?
一、雙核心處理器技術(shù)
CPU是決定電腦性能的核心部件，而CPU性能與工作頻率密切相關(guān)。英特爾從P4開始采用增加管線長度的方法來提升工作頻率，但前進(jìn)至3 GHz以上后，遭遇到因漏電流問題導(dǎo)致產(chǎn)生大量廢熱，限制芯片頻率提升的瓶頸，通過增加管線長度來提升工作頻率的技術(shù)已經(jīng)走到盡頭。使用多個(gè)處理器來提高電腦計(jì)算能力是很容易想到的解決方案，也在服務(wù)器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
不過由于組建雙CPU系統(tǒng)的高成本和復(fù)雜性，桌面電腦上并未得到普及。在CPU頻率提升遇到困難和雙CPU系統(tǒng)難以普及的情況下，Intel推出了在單顆CPU內(nèi)部模擬兩個(gè)虛擬邏輯處理器的超線程技術(shù)，然而該技術(shù)帶來的性能提升并不明顯，因?yàn)橹皇褂昧艘惶讏?zhí)行單元和緩存，在某些情況下，甚至導(dǎo)致性能反而下降。目前長期引領(lǐng)處理器性能發(fā)展的“摩爾定律”已經(jīng)受到挑戰(zhàn)，人們發(fā)現(xiàn)處理器頻率提升的步伐明顯放慢，而從提高處理器工作效率入手來提高性能的“基辛格規(guī)則”今后必將取代“摩爾定律”。
真正解決CPU性能提升困難的方法是采用“雙核心”技術(shù)。顧名思義，就是在一顆CPU中真正集成兩個(gè)物理運(yùn)行核心，并且每個(gè)核心都使用自己獨(dú)立的高速緩存，因此在實(shí)際使用中，這種“雙核心處理器”和使用兩顆獨(dú)立CPU組建的系統(tǒng)在工作原理和性能上基本沒有區(qū)別。
在雙內(nèi)核處理器當(dāng)中，每個(gè)內(nèi)核都有獨(dú)立的HyperTransport總線連接系統(tǒng)請(qǐng)求單元(SRQ)和系統(tǒng)內(nèi)存，能在一個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)處理兩倍以上的數(shù)據(jù)，管理一個(gè)以上的線程，這種技術(shù)使得整個(gè)系統(tǒng)性能有相當(dāng)大的提高，而整體設(shè)計(jì)難度和制造成本并不高，從而能夠在普通桌面系統(tǒng)中得到普及。
雙核心處理器將帶來的性能提升是毋庸置疑的，尤其對(duì)那些用電腦進(jìn)行視頻文件處理工作的朋友特別有益。即使你使用的視頻處理軟件不支持雙核心處理器，但仍可以發(fā)揮其善于同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)的特長，讓視頻軟件利用一個(gè)CPU核心在后臺(tái)運(yùn)行長時(shí)間才能完成的視頻文件處理任務(wù)，你卻可在前臺(tái)利用另一個(gè)CPU核心同時(shí)運(yùn)行其它程序，而且不影響后臺(tái)的文件處理運(yùn)算，大大提高工作效率。
目前雙核心處理器已經(jīng)有不少實(shí)際的產(chǎn)品推出，象IBM Power4處理器， Sun的UltraSparc IV也采用了雙核心設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)從明年開始，各廠商將爭相發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。英特爾將在2005推出的首款桌面電腦用雙核心處理器：“Smithfield”，更令我們關(guān)注。而代號(hào)為“Tanglewood”的高端Itanium芯片將包含多達(dá)16個(gè)獨(dú)立的處理器。
繼Intel、AMD之后，VIA也確認(rèn)將進(jìn)軍雙內(nèi)核處理器市場(chǎng)，看來64bit運(yùn)算和雙內(nèi)核將是今后處理器發(fā)展的兩大趨勢(shì)。VIA雙內(nèi)核處理器預(yù)計(jì)將在明年六月前推出，按照這個(gè)計(jì)劃，VIA很可能將成為第一個(gè)發(fā)布雙內(nèi)核x86處理器的公司。VIA雙內(nèi)核處理器的特點(diǎn)在于體積小巧而且耗電較低，兩塊處理器可以安裝在一塊小的Mini-ITX主板上，這樣客戶可以選擇包括兩個(gè)Mini-ITX主板，總共4個(gè)雙內(nèi)核處理器在1U服務(wù)器上使用。VIA的雙內(nèi)核處理器包含了兩個(gè)芯片，每個(gè)芯片內(nèi)都封裝了一個(gè)Esther處理器。相比而言，AMD和Intel的雙內(nèi)核處理器是在一個(gè)單獨(dú)的芯片內(nèi)集成兩個(gè)內(nèi)核。VIA也計(jì)劃發(fā)布單獨(dú)的雙內(nèi)核芯片，但是該產(chǎn)品估計(jì)不會(huì)在短期內(nèi)上市。
二、新型材料技術(shù)的應(yīng)用
在半導(dǎo)體制造業(yè)發(fā)展的幾十年中，硅原料本身的自然屬性一直沒有對(duì)芯片運(yùn)行速度的提高產(chǎn)生任何阻礙作用。但是，隨著芯片制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，硅原料自身的一些不足之處逐漸成為了芯片運(yùn)行速度進(jìn)一步提高的絆腳石，著名的“摩爾定律”一次次受到挑戰(zhàn)。為此涌現(xiàn)出很多新技術(shù)用來改進(jìn)這種狀況，但是許多年來，制作芯片的硅襯底本身在本質(zhì)特性上并未發(fā)生任何變化。
目前在一些實(shí)驗(yàn)中采用了單一同位素硅(100％的硅28)做原料，大大改善了芯片的發(fā)熱和能耗問題。盡管這種純同位素材料與現(xiàn)在的混和同位素材料相比能夠帶來很高的性能提升，但是其高昂的制造成本也使得該材料被大規(guī)模使用的可能性極小。目前在大規(guī)模量產(chǎn)中真正可行的改進(jìn)方案就是應(yīng)變硅技術(shù)。
所謂“應(yīng)變硅”(Strained Silicon)，字面上意思是“受到應(yīng)力的硅”。該技術(shù)的原理是將硅的晶體拉伸，這樣沿拉伸方向電子的遷移率就會(huì)提升，導(dǎo)致電阻減小。在MOS管的柵極下溝道處的硅做成拉伸的“應(yīng)變硅”，當(dāng)MOS管打開的時(shí)候電流就會(huì)更順利地沿著拉伸方向在源極和漏極之間流動(dòng)，速度也能更快。這樣，當(dāng)MOS管工作時(shí)，主要電流還是通過溝道，向襯底分散的漏電流就會(huì)相應(yīng)減少，而且MOS管與襯底間的寄生三極管能獲得的驅(qū)動(dòng)電流也相應(yīng)減小，這樣就減少了發(fā)生“閂鎖”效應(yīng)的可能。
簡單說，如果能夠迫使硅原子的間距加大，就可以減小電子通行所受到的阻礙，也就相當(dāng)于減小了電阻，這樣一來發(fā)熱量和能耗都會(huì)降低，而運(yùn)行速度則得以提升。而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵是找到一種成本相對(duì)較低，可大規(guī)模應(yīng)用的方法來加大硅原子距。根據(jù)硅的自然特性，在添加了相似元素的原子后，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生線性擴(kuò)張。據(jù)此研究人員開發(fā)出了的改進(jìn)的半導(dǎo)體材料：硅鍺，硅鍺的晶體矩陣與純硅的相比，原子間距有了明顯的擴(kuò)張，因而這種材料就稱作“應(yīng)變硅”。
目前Intel在其最新版本的P4和Dothan處理器中使用了這項(xiàng)技術(shù)。此外AMD也將在其90納米的Athlon 64產(chǎn)品上使用應(yīng)變硅制造工藝。應(yīng)變硅技術(shù)的應(yīng)用在cpu制造工藝中是一個(gè)不小的進(jìn)步，而且其生產(chǎn)成本也并不是很高，預(yù)計(jì)今后大多數(shù)處理器都將廣泛使用應(yīng)變硅技術(shù)，能夠讓速度繼續(xù)得以提升。
除了“應(yīng)變硅”技術(shù)外，還涌現(xiàn)出一系列的制程技術(shù)用來改進(jìn)處理器速度提升的瓶頸，包括銅互連(copper interconnects)技術(shù)，低介電薄膜(low-k dielectrics)技術(shù)和硅晶絕緣體(silicon on insulator，SOI)技術(shù)等。其中銅互連技術(shù)用于提高速度，而另外兩項(xiàng)技術(shù)主要用于控制電能泄漏和減少電能需求，由于更有效的利用了電能，從而降低了芯片的發(fā)熱量，這也同樣有助于運(yùn)行速度的提升。
三、移動(dòng)處理器的新發(fā)展
在過去的一年中，Intel所倡導(dǎo)的“迅馳”移動(dòng)計(jì)算技術(shù)無疑取得了巨大成功，以Dothan處理器為核心的第二代“迅馳”又在2004年粉墨登場(chǎng)。 經(jīng)過一再拖延，五月初Intel終于在全球同步發(fā)布了Dothan處理器。
同Banias內(nèi)核產(chǎn)品相比，Dothan處理器主要有三個(gè)方面的變化。首先生產(chǎn)工藝從0.13微米提升到了全新的90納米。90納米制程是目前業(yè)界最先進(jìn)的半導(dǎo)體制程工藝，通過90納米制程，可制造出更小更快的晶體管，因此Dothan內(nèi)核的Pentium-M在比Banias增加了一倍CACHE的情況下，體積和耗電基本保持不變。
其次，Dothan采用了新的“應(yīng)變硅”材料技術(shù)。據(jù)Intel測(cè)試，應(yīng)變硅中的電子流動(dòng)速度比當(dāng)前的其他硅材料的電子快很多。其電子流動(dòng)速度的加快，直接使Dothan的主頻得到了很大提升。此外，Dothan二級(jí)緩存從老版Pentium-M的1MB，提升到驚人的2MB，甚至超過了很多服務(wù)器處理器。二級(jí)緩存容量的提升，直接提升了產(chǎn)品性能，在保持能耗大致相同的情況下，相對(duì)于原先的Banias Pentium-M處理器的性能提升了20%左右。
降低能耗是移動(dòng)計(jì)算的重要要求之一，一款移動(dòng)處理器是否能取得成功，其耗電高低非常重要。Dothan CPU從多方面來達(dá)到節(jié)能降耗的目的。首先0．09微米的先進(jìn)生產(chǎn)工藝確保了Dothan處理器在性能提升的同時(shí)功耗不會(huì)有太大的增加。Dothan的平均功耗大約只有21W，相對(duì)于Banias內(nèi)核的24.5W而言更低，而核心電壓也降低至1.2V以下。
其次，具有“智能型線路”的二級(jí)緩存可以有效降低功耗。Dothan CPU芯片的二級(jí)緩存采用了8路聯(lián)合的運(yùn)行模式，而每路又被分割成為4個(gè)功耗區(qū)域，由于在處理器工作過程中同一時(shí)間只能使用其中的一個(gè)功耗區(qū)域，所以在專用的堆棧管理技術(shù)控制下關(guān)閉當(dāng)前不能被使用到的功耗區(qū)域，從而大大降低了二級(jí)緩存的功耗。
Dothan CPU的 二級(jí)緩存達(dá)到了驚人的2M，采用這一技術(shù)就更加重要了。除此之外Dothan CPU支持新的Enhanced SpeedStep節(jié)能技術(shù)，該技術(shù)較原有的SpeedStep有了很大的進(jìn)步。這一技術(shù)完全由處理器的電壓調(diào)整機(jī)制來完成，而與芯片組關(guān)系不大。在這些模式間切換的操作，全部是自動(dòng)的，完全根據(jù)處理器當(dāng)時(shí)的負(fù)荷，這樣就會(huì)使能耗情況得到精確的控制，達(dá)到更加節(jié)能的目的
由于Banias處理器的巨大成功，Dothan在移動(dòng)處理器領(lǐng)域更是一騎絕塵，幾乎不存在直接的競爭對(duì)手。唯一能分得一杯羹的是最新的Crusoe處理器，這款產(chǎn)品最大特色是采用了21×21mm小型封裝 ，比Dothan少了將近一半的面積。另外在功耗上也具有一定的優(yōu)勢(shì)，這在超小設(shè)備中絕對(duì)重要。因此最近引人關(guān)注的幾款“微型PC”象FlipStart、OQO等，都不約而同采用了小型封裝的Crusoe處理器。
四、CPU未來微結(jié)構(gòu)簡介
微電腦處理器芯片業(yè)走過了30多年的路程，基本上都是按照著名的“摩爾定律”在發(fā)展。但隨著芯片集成度越來越高、工作頻率和計(jì)算速度越來越快，芯片的功耗、封裝、蝕刻等問題越來越難以處理。如果按照傳統(tǒng)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展芯片業(yè)，摩爾定律勢(shì)必走向終結(jié)。為使“摩爾定律”能延續(xù)，面對(duì)新的形勢(shì)，世界主要芯片廠商紛紛制定長遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃，研究新的策略和技術(shù)手段，以保持發(fā)展勢(shì)頭。
其中主要有光連接技術(shù)、碳納米管技術(shù)、“雙門”、“三門”技術(shù)、超微晶體管技術(shù)以及3D芯片技術(shù)等。此外，性能更優(yōu)越的拉伸硅和金屬鎳等新材料也將取代傳統(tǒng)的硅。同時(shí)新型微處理器體系結(jié)構(gòu)也浮出了水面，這些都為“摩爾定律”的延續(xù)打下了基礎(chǔ)。
為進(jìn)一步提升處理器性能，目前還有很多處理器的微結(jié)構(gòu)被提出，其中一些技術(shù)已經(jīng)被目前的產(chǎn)品所采用，而另一些技術(shù)還在開發(fā)或完善之中。
多路超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，采用16/32路超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵特性是處理器設(shè)置了2000多條指令的超大指令窗口，以便從中選擇足夠多的不相關(guān)指令來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)度。
超推測(cè)和Trace結(jié)構(gòu)，采用超推測(cè)結(jié)構(gòu)的處理器可以消除指令串行化的約束，使得程序性能突破數(shù)據(jù)相關(guān)的限制。而所謂“Trace”結(jié)構(gòu)是從任何點(diǎn)開始的動(dòng)態(tài)指令流的一個(gè)指令序列，它可以覆蓋幾個(gè)基本塊。
單芯片多處理器結(jié)構(gòu)(CMP)，隨著制造工藝發(fā)展，芯片容量足夠大時(shí)，就可以將大規(guī)模并行處理機(jī)結(jié)構(gòu)中的SMP(對(duì)稱多處理機(jī))或DSM(分布共享處理機(jī))節(jié)點(diǎn)集成到同一芯片內(nèi)，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的線程或進(jìn)程。與之對(duì)應(yīng)的還有同時(shí)多線程結(jié)構(gòu)(SMT)。
PIM結(jié)構(gòu)，為解決處理器速度和DRAM訪問延遲差距不斷增大的問題，將一個(gè)或多個(gè)處理器與大容量、高帶寬的片上DRAM存儲(chǔ)體集成在一起，從而大大縮短了訪存延遲，提高了數(shù)據(jù)帶寬。此外還有可重構(gòu)多處理器結(jié)構(gòu)，將大量的可重配置的處理單元集成在同一芯片內(nèi)，根據(jù)應(yīng)用的不同，對(duì)處理器陣列進(jìn)行重新配置，以達(dá)到更高的性能。
未來十多年，總體來看，新結(jié)構(gòu)、新工藝和新材料的采用將使單個(gè)芯片上可集成的晶體管數(shù)達(dá)到10億個(gè)以上，而芯片的制作工藝水平小于30納米，時(shí)頻達(dá)到10GHz以上，單片性能可達(dá)到每秒萬億次以上。此外生物芯片、全息光學(xué)芯片等更新的技術(shù)也將在未來十年得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。
五、主要廠商的微處理器發(fā)展計(jì)劃
隨著64位處理器時(shí)代的來臨，Intel特別制定了IA64處理器的發(fā)展藍(lán)圖，將采用多種方法提升其高端處理器“安騰”的性能，這些方法包括提高時(shí)鐘頻率、加入額外的處理內(nèi)核、改善總體架構(gòu)效率，以及提升L1、L2、L3高速緩存容量和速度等。今年，Intel將發(fā)售帶有9MB L3 Cache代號(hào)Madison 9M的處理器，主頻為1.5GHz。
2005年后，Montecito將可能使用65nm技術(shù)制造，采用雙內(nèi)核，也就是帶有巨大的18MB L3 Cache。到2007年，Intel將推出全新的代號(hào)為“Tanglewood”的處理器，這是一種集成了16個(gè)內(nèi)核的超級(jí)CPU，它將帶有海量的緩存和更高的主頻，而功耗不會(huì)高于目前的安騰2芯片，這將使服務(wù)器設(shè)計(jì)無需采用水冷等特殊散熱措施。
當(dāng)然Intel對(duì)IA32結(jié)構(gòu)處理器的研發(fā)力度也不會(huì)縮減，未來產(chǎn)品將全面采用超線程和多核心技術(shù)，新的微結(jié)構(gòu)逐步運(yùn)用到普通桌面產(chǎn)品上；高速緩存容量和時(shí)鐘頻率將不斷攀升。而另一個(gè)發(fā)展方向是為移動(dòng)計(jì)算開發(fā)出，性能適中，但體積更小、更加省電的移動(dòng)處理器。
Sun公司在去年公布了“吞吐量計(jì)算”計(jì)劃，來作為Sun下一代UltraSPARC處理器的基底策略，目標(biāo)是建立能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)運(yùn)算負(fù)荷提供最大執(zhí)行能力的處理器，它在處理器的設(shè)計(jì)上采用嶄新的方法，在顯著提升實(shí)際應(yīng)用效能的同時(shí)協(xié)助降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算的成本和復(fù)雜性，預(yù)期到2006年，系統(tǒng)性能可望在現(xiàn)在基礎(chǔ)上提高30倍。
而IBM將在在新款Power4采用CMP技術(shù)(一個(gè)硅片上集成兩個(gè)64位超標(biāo)量微處理器核心)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用“Multi-chip Module(MCM)”封裝方式，將4個(gè)Power4組合成一個(gè)較大的封裝，類似一個(gè)8個(gè)CPU的SMP系統(tǒng)。隨后IBM將推出Power5芯片。
Power5除采用更新的制造工藝外，還具有SMT能力。這樣，Power5將同時(shí)采用CMP和SMT，可以在單顆CPU上，獲得最多16個(gè)處理器的運(yùn)算能力。當(dāng)然AMD、VIA、Transmeta等處理器廠商也有各自宏大的發(fā)展計(jì)劃，這里就不一一敘述了。