CPU的发展趋势

CPU的发展趋势金精雷(哈尔滨理工大学软件学院) 摘 要 CPU是计算机的核心部件，CPU的性能当然能够体现出现代化社会计算机的发展程度。为了能满足计算机市场的需求，研究人员不断的对CPU进行更新迭代，来使CPU的性能得以提高。本文通过对CPU发展历史的研究，和对现状的分析来对CPU的发展趋势进行探讨。关健词 CPU 性能 发展历史 发展趋势 The Development Trend of CPUJin Jinglei（1.Harbin University of Science and Technology Software School） Abstract CPU is the core component in computer , the performance of the CPU can certainly reflect the development of modern society computer . In order to meet the needs of the computer market , the researchers continued to upgrade CPU to make it performance is improved . In this article , through analyzing the current situation and the historical development of CPU to discuss the development trend of CPU. Keywords CPU，Performance，Development history，Development Trend引言 根据摩尔定律，CPU的速度应该约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。在过去的几十年中,CPU的速度以一个令人意想不到的速度上升，然而，2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经放缓在2013年年底，之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一番。一、CPU的概述 CPU中文名是中央处理器，是计算机的核心部位，在计算机的运行中主要负责对指令的执行和数据的处理。在CPU 的内部由上百万个微型的晶体管共同组成控制单元、逻辑单元和存储单元。CPU 在计算机中主要的功能有以下四个方面：（1）处理指令 这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性工作。（2）执行操作一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一序列的操作来实现的。CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。（3）控制时间 时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。只有这样，计算机才能有条不紊地工作。（4）处理数据 即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据， 并执行指令。在微型计算机中又称微处理器，计算机的所有操作都受CPU控制，CPU的性能指标直接决定了微机系统的性能指标。CPU具有以下4个方面的基本功能：数据通信，资源共享，分布式处理，提供系统可靠性。运作原理可基本分为四个阶段：提取、解码、执行和写回。二、 CPU 的发展历史 1971年。世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了。它出现的意义是划时代的，比起现在的CPU，4004显得很可怜，它只有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢。1978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器命名为i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也把这些指令集统一称之为X86指令集。这就是X86指令集的来历。1979年，Intel公司推出了8088芯片，它是第一块成功用于个人电脑的CPU。它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，寻址范围仅仅是1MB内存。8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的兄弟8086是16位，这样做只是为了方便计算机制造商设计主板。1981年8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代。1982年，Intel推出80286芯片，它比8086和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但在CPU的内部集成了13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。80286也是应用比较广泛的一块CPU。1985年Intel推出了80386芯片，它X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步。80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率从12.5MHz发展到33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存，可以使用Windows操作系统了。1989年，Intel推出80486芯片，它的特殊意义在于这块芯片首次突破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线（Burst）方式，大大提高了与内存的数据交换速度。1993 年全新一代的高性能处理器Pentium 面世。Pentium 的时钟频率由最 初推出的60MHZ 和66MHZ，后提高到200MHZ。最初版本的66MHZ 的PENTIUM 微处 理器，其运算性能比33MHZ 的80486 DX 就提高了3倍多，而100MHZ 的PENTIUM 则 比33MHZ 的80486 DX 要快6 至8 倍。三、CPU性能的主要参数（1）主频 主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。通常，主频越高，CPU处理数据的速度就越快。主频已从最开始的108Khz提升到了如今的4Ghz以上。（2）缓存 缓存大小是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。CPU缓存可以分为一级缓存，二级缓存，部分高端CPU还具有三级缓存，每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也是相对递增的。当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。一般来说，每级缓存的命中率大概都在80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取，由此可见一级缓存是整个CPU缓存架构中最为重要的部分。（3）外频外频即CPU的外部时钟频率，主板及CPU标准外频主要有66MHz、100MHz、133MHz几种。此外主板可调的外频越多、越高越好，特别是对于超频者比较有用。我们所说的外频指的是CPU与主板连接的速度，这个概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的。（4）倍频倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。例如Athlon XP 2000+的CPU，其外频为133MHz，所以其倍频为12.5倍。（5）接口接口指CPU和主板连接的接口。主要有两类，一类是卡式接口，称为SLOT，卡式接口的CPU像我们经常用的各种扩展卡，例如显卡、声卡等一样是竖立插到主板上的，当然主板上必须有对应SLOT插槽，这种接口的CPU已被淘汰。另一类是主流的针脚式接口，称为Socket，Socket接口的CPU有数百个针脚，因为针脚数目不同而称为Socket370、Socket478、Socket462、Socket423等。（6）制造工艺制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。主要的180nm、130nm、90nm、65nm、45纳米、22nm，intel已经于2010年发布32纳米的制造工艺的酷睿i3/酷睿i5/酷睿i7系列并于2012年4月发布了22纳米酷睿i3/i5/i7系列。（7）多媒体指令集为了提高计算机在多媒体、3D图形方面的应用能力，许多处理器指令集应运而生，其中最著名的三种便是Intel的MMX、SSE/SSE2和AMD的3D NOW！指令集。理论上这些指令对流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。（8）电压(Vcore)CPU的工作电压指的也就是CPU正常工作所需的电压，与制作工艺及集成的晶体管数相关。正常工作的电压越低，功耗越低，发热减少。CPU的发展方向，也是在保证性能的基础上，不断降低正常工作所需要的电压。例如老核心Athlon XP的工作电压为1.75v，而新核心的Athlon XP其电压为1.65v。（9）封装形式所谓CPU封装是CPU生产过程中的最后一道工序，封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计，从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装，而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC(单边接插盒)的形式封装。还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈，前CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。（10）单元ALU运算逻辑单元，这就是我们所说的“整数”单元。数学运算如加减乘除以及逻辑运算如“OR、AND、ASL、ROL”等指令都在逻辑运算单元中执行。在多数的软件程序中，这些运算占了程序代码的绝大多数。而浮点运算单元FPU(Floating Point Unit)主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些FPU还具有向量运算的功能，另外一些则有专门的向量处理单元。整数处理能力是CPU运算速度最重要的体现，但浮点运算能力是关系到CPU的多媒体、3D图形处理的一个重要指标，所以对于现代CPU而言浮点单元运算能力的强弱更能显示CPU的性能。四、国内外CPU 现状 在2008 年由中科院计算所研制的龙芯3 号芯片成功的推向市场，标志着我国与国外先进的CPU 水平缩小了差距。在目前龙芯系列的推广主要依靠龙芯2 号产品，同时也继续研发1 号芯片和2 号芯片，龙芯3 号芯片主要是以64 位16 核的芯片为主，在目前使用的龙芯1 号芯片和2 号芯片都是单核的形式，所以推广的龙芯3 号要与现在的计算机处理能力相接轨，直接进入到16 核芯片设计，这标志着中国CPU 的跨越式发展。在国外最大的CPU 制造厂AMD 和Intel 的实力非常雄厚，但是都会遇到技术上的难题，就是如何提升频率，频率作为衡量处理器性能高低的重要因素，高频率就代表的处理器性能高，所以设计者解决完处理器内部缓存容量以及数量等问题后，放弃了对单核处理器的继续研发，在双核技术上不断的找寻新的创新。AMD 和Intel 在双核技术上采用了不同的处理方式，AMD将两个内核拼凑在一个Die 上，通过构架的连接来提升内部的集成度。而Intel 则是采用了两个独立的内核封装在一起，彼此没有任何的支架连接，所以也可以认为是双芯的技术。在用户的实际使用当中，AMD的双核技术更加被用户所认可，在管脚、功耗等方面跟单核相差不多，而且不需要对芯片组和主板的更换，升级为双核只需要对BIOS 软件进行刷新就能完成，所以也减少了生产商的投资。虽然双核技术走在了Intel 的设计理念的前面，但是到了2012 年4 月，Intel 发布了IVB 处理器，22nmIvyBridge 会将执行单元的数量翻一番，达到最多24 个，可以最大程度上满足用户的需求，同时在此基础上加入了DX11 的集成显卡，可以最多提供四个USB3.0 的通道。五、CPU 发展趋势在2012 年4 月英特尔在北京天文馆正式发布了IVB 处理器，具有22nmIvy Bridge会将执行单元的数量提升翻倍，在技术上继续采用了3D 晶体管，在CPU 的制作上依然是根据摩尔定律来设计的，与此同时ARM 构架的CPU 也将提升晶体管的技术，转变成28nm，这无疑是计算机世界新的变革，在计算机和移动终端上的使用性能都会有很大的提升。以后CPU 可能发展的趋势有以下三个方面：（1）减小晶体管体积 所有的芯片都是由很多的晶体管组成的，在英特尔最新发布的32nm制程的SandyBridge 中的处理器接近有十亿个晶体管组成其系统的内部构造，在芯片上晶体管的数量越多，体积越小，就可以提升其自身的使用性能，但是目前的技术依然停留在32nm 上，所以在以后要突破这个技术难关，创造出新的晶体管结构。（2）降低功耗 英特尔在2013年推出一款新的3D 晶体管技术，会在电脑和手机终端上进行优化和操作，但是由于英特尔Atom的处理器在使用的过程中会比ARM更加的费电，所以在很多的移动设备终端上不会使用Atom 处理器，虽然ARM 的CPU 构造更加简单集成，在移动终端上能够减少功耗，但是随着CPU 技术的不断进步，在新的晶体管内使用的Atom处理器中会减少最大负荷时释放的热量，提高系统的使用性能。（3）提升移动终端的