计算机系统结构基础

1、1计算机系统结构胡伟武2计算机系统结构基础计算机的基本概念 什么是计算机计算机的基本组成衡量计算机的因素影响计算机设计的主要因素及其发展趋势摩尔定律和工艺的发展计算机市场发展趋势多核结构的发展趋势计算机重要指标性能、成本、功耗我国计算机发展历史3什么是计算机4什么是计算机-现代信息系统超级服务器路由器打印机扫描仪防火墙工作站终端设备Internet服务器交换机5什么是计算机-数字化生活家庭网络Internet家庭网关手机掌上电脑数字电视数码相机游戏机DVDMP3可视电话ICT Confidential6什么是计算机-武器装备7高性能计算应用举例核武器数值模拟全面核禁试条约签订后, 核武器的数值

2、模拟成为唯一可能进行的全系统试验。这种水平的模拟所需要进行的计算远远超过了目前所能达到的水平。美国为了满足2010 年核武器库管理的需求，需要每秒运算 1016-17 次的计算机。8计算机的基本组成9现在的计算机中为什么用二进制？ 计算机是由电子元器件构成的，二进制最易实现。10二进制的历史莱布尼兹是欧洲最早发现二进制的数学家， 冯.诺依曼最早将二进制引入计算机应用，计算机中的数据和程序都采用二进制。中国在公元前2000多年发明的八卦是用和-两种符号拼出来的 ，也是二进位制。莱布尼兹为奥古斯特公爵制作的二进制纪念章 11(34) + (57)?3 4 =125 7=3512+35 = 4712

3、 4 5 7读取 3读取 4两数相乘存入结果1读取 5读取 7两数相乘存入结果2读取结果1读取结果2两数相加存入结果 = 12读取 3读取 4两数相乘存入结果1读取 5读取 7两数相乘存入结果2读取结果1读取结果2两数相加存入结果431257= 35351235+= 4747CPU内 存冯诺亿曼结构：数据和程序都在存储器中，CPU从内存中取指令和数据进行运算并把结果也放到内存中13冯诺依曼结构外存储器输入设备输出设备控制器运算器数据线控制线CPU内存14衡量计算机的因素15用最少的指令描述一件事情-算法，编译提高芯跳的速度-主频每拍做更多的事情-体系结构计算机怎样才能跑得快16 是不是 跑得快

4、就行了呢？17这些大家伙具有战略意义分秒必争，目的就是越快越好！18电脑越来越普遍要让更多人买得起，价格就很重要了19无处不在的CPU电池怎样才能用得久呢？20摩尔定律及工艺技术发展21摩尔定律支撑计算机发展摩尔定律：晶体管数目每18-24个月翻一番；同样晶体管数量的芯片价格下降一倍。Quad-Core Itanium.Tukwila (2.4 Billion)22第一代到第四代第一代：电子管计算机（1946-1958）每秒几千到几万次运算冯诺依曼结构第二代：晶体管计算机（1958-1964）每秒几十万次高级程序语言出现：FORTRAN、COBOL等IBM7094、CDC1604等第三代：中小

5、规模集成电路计算机（1964-1975）每秒几百万次操作系统逐步成熟、小型机出现IBM360、PDP11、VAX11第四代：大规模集成电路计算机（1975-）每秒亿次以上微处理器出现：Intel, AMD.第一台电子管计算机ENIAC (1946)第一个晶体管, Bell Labs (1948)第一台大型电子管计算机,IBM701 (1952)第一个集成电路, Bipolar logic 1960s第一颗微处理器, Intel 4004 (1971)第二代晶体管计算机,CDC1604 (1960)第三代集成电路计算机IBM 360 (1964)第四代大规模集成电路计算机IBM 4300 (19

6、79)第一台小型计算机DEC PDB-8 (1964)64位微处理器 AMD K8 (2003)32位微处理器Intel 80386 (1985)16位微处理器Intel 8086 (1978)25CMOS工艺正在面临物理极限在半导体工艺发展的头35年，半导体场效应管扩展的努力集中在扩展性能（增加器件的速度）以及集成更多的器件和功能到片上最近5年，不断增加的器件特性的变化和芯片的功耗密度成为主要的挑战。随着线宽尺寸的不断缩小，CMOS的方法面临着原子和量子机制的边界蚀刻等问题越来越难以处理，可制造性问题突显片内偏差（On Chip Variation）问题突出65纳米工艺的栅氧厚度已经降低至1

7、.2纳米（约为5个硅原子层），漏电电流急剧增加。26新工艺及新材料技术延续摩尔定律最近几年摩尔定律延续过程中采取的新技术在90/65纳米制造工艺中，采用了多项新技术和新工艺：应力硅（Strained Silion）、绝缘硅（SOI）、铜互连技术、低k介电材料等高k介质和金属栅技术打通了通往32/22纳米的通路，扫清工艺技术的一大障碍：采用高k介质（SiO2的k为3.9，高k材料为20以上）相当于提升栅极的有效厚度，使漏电电流下降到10%以下Intel最近实现了3D晶体管，为摩尔定律继续延续注入了新活力但2020年前后晶体管尺寸难以进一步缩小已经成为共识27摩尔定律到达尺寸极限后怎么办？会不会有

8、新材料及新器件技术取代CMOS?硅的平台不可能被取代，但硅平台上生长的器件会不断改进摩尔定律的进一步延续的技术：纳米线技术、碳纳米管技术一个普及性的技术必须可以工业大规模可制备其他任何技术都不具备这个特点成为成熟的产业，从高向广发展飞机满天飞了，汽车还遍地跑28超摩尔定律29工艺技术、系统结构和应用需求半导体工艺和计算机系统互相促进推动计算机工业发展半导体工艺发展提供了更多更快的晶体管来实现更多功能、更高性能的计算机系统世界上最先进的半导体工艺都用于生产计算机芯片 应用需求也是计算机系统结构发展动力除了科学和工程计算外，计算机系统主要是工艺推动的：厂家为利润发明“应用”；互连网出现前人们没想到

9、其用途“如何充分利用工艺发展带来的数以亿计的晶体管”，vs. “满足特定应用的需求需要多少晶体管”。30摩尔定律与系统结构第一阶段：晶体管不够用计算机由很多独立芯片构成计算机结构受限于晶体管数目不够第二阶段：存储器速度太慢集成度提高，微处理器蓬勃发展存储容量指数增加，但访存速度增加缓慢Cache占多达80%的芯片面积第三阶段：晶体管越来越多而“难”用设计验证能力提高与晶体管增加形成剪刀差功耗问题突出、连线成为主要矛盾不得已向多核发展第四阶段：够用就行？31CPU市场发展趋势32IT产业正经历着一场广泛而深刻的变革云计算和新型移动终端的兴起改变了传统信息化平台的应用模式IT产业的商业模式在经历了

10、从IBM时代的纵向整合模式到Intel时代的横向整合模式后，正重新经历从横向到纵向的螺旋式上升过程以CPU为代表的基础技术平台的进一步发展遭遇物理极限，正经历着从快速发展到发展放缓以及“够用就行”的转变33以CPU为代表的基础技术平台的变革支撑信息产业发展的摩尔定律发展速度放缓，并将在2020年前后遭遇物理极限，CPU在主频、功耗等方面遇到了障碍，由原先的每2-3年更新一代到每3-5年更新一代CPU的设计指标从单纯追求高性能转向追求能耗有效性下的高性能以及适度性能的低功耗Performance per second：IBM时代Performance per dollar：Intel时代Perf

11、ormance per watt：多元发展时代在服务器领域，继续通过在片内集成更多的处理器核来提高性能；在终端领域，集成在CPU上的功能越来越多，片上系统（SOC）成为主流，并最终发展为“片上计算机” 34高性能CPU发展趋势高性能多核CPU正从向千亿次量级向万亿次量级迈进片上运算能力的增加使带宽问题日益突出结合一定领域需求的XPU开始盛行，处理器核加向量处理器（VPU）和图形处理器（GPU）等属于这类结构。继功耗问题之后，带宽问题导致第二次结构变革功耗问题导致多核结构，带宽问题导致专用核结构为了提高性能而牺牲微处理器的通用性和可编程性35低成本CPU发展趋势个人计算机用的微处理器将从一味追求

12、高性能向理性地追求适用性能下的低成本和低功耗发展，在单片内融合多种功能也是这类微处理器的发展趋势。通过把CPU、GPU以及南北桥的功能集成在单片上来降低成本和功耗，简化设计和降低整个系统的成本；计算机、通信和消费类电子产品融合，包括设备内部3C融合和设备之间的互联互通。手机变成具备网络和多媒体功能的智能电脑终端；笔记本电脑也越来越便携，将具备手机的功能；数字电视除了传统的电视功能外，还将可以用于上网。 36多核CPU结构发展37CPU技术转折2000-2004年，性能提高伴随着功耗的提高主频的提高，上GHz2003年，性能提高变平缓2003年，功耗升高变平缓功耗墙问题2000年，指令级并行性（

13、ILP）变平缓：自动抽取并行性的有限性38功耗障碍由于晶体管的特性，以后工作电压不会随着工艺进步而降低，加上频率提高，导致功耗密度随集成度增加而增加随着阈值电压降低漏电功耗大大增加风扇大大降低了系统可靠性Performance per second, Performance per dollar, Performance per watt39主频障碍过去主频的提高一半靠摩尔定律，一半靠结构优化如P3是10级流水线，P4是20级流水线流水线很难再细分随着晶体管尺寸的缩小，连线延迟成为主要延迟局部线延迟不变（变短了，但也变细了）全局的连线延迟还会不断变长（芯片面积不变）高主频的复杂设计正在终结强调

14、：局部化、流水化、异步、自定时40复杂度障碍晶体管数目的指数增加与设计队伍的增加形成剪刀差设计能力、验证能力晶体管越来越难用串扰问题、片上漂移、可制造性设计处理器结构经历了简单、复杂、简单、复杂的螺旋上升过程最早期的处理器结构由于工艺技术的限制，不可能做得很复杂，一般都是串行执行随着流水线、动态调度、CACHE、向量机技术等技术的发展，处理器结构变得复杂，如IBM 360系列的机器以及Cray的向量机RISC技术的提出使处理器结构得到一次较大的简化随着多发射乱序执行技术的实现，RISC结构越来越复杂，Intel和HP研制的EPIC结构没有从根本上对处理器结构进行简化41多核结构的发展传统结构遇

15、上主频、功耗、设计复杂度等瓶颈，不得已向多核结构发展斯坦福大学的Hydra CMP是多核处理器的先驱IBM 2001年发布双核Power4，130nmAMD 2004年推出双核OpteronIntel 2004年推出Itanium架构双核Montecito, 2005年推出X86架构双核处理器SmithField多核结构是工艺发展驱动的，而不是应用需求拉动的工艺的发展要求芯片设计越来越强调结构的层次化、模块化和分布化，模块之间尽量保持通信的局部性。多核结构是不得已而为之42IBMIBM公司的CPU主要为Power系列处理器，用于其服务器和高性能机，IBM公司还研制大型机Z系列CPU和390系列

16、CPU等 2001年发布Power4+：2核, 1.5MB L2, 130nm CMOS2004发布Power5：2核2线程, 1.9MB L2, 130nm, 1.9GHz2006年发布Power6/Power6+：2核2线程, 65nm SOI, 5.0GHz2010年发布Power7：8核4线程, 45nm SOI, 4.0GHz, 256GFLOPS用于10PFLOPS高性能机Blue Water，38900颗43SUN2004年UltraSPARC IV：双核, 130nm, 1.2GHz2004年公布了Niagara-1(UltraSPARC T1)，8个简单4线程核2006年推出

17、了Niagara-2：8核8线程，4MB L2ISSCC08上公布了Rock处理器：16核双线程目前SUN公司已经被Oracle公司收购 44AMDAMD的CPU主要是X86/X86-64，结构经历K7、K8和K102004年推出双核Opteron2007年推出四核Barcelona（巴塞罗纳）和Shanghai（上海）2009年底推出六核Istanbul（伊斯坦布尔 ）2010年将推出8-12核Magny-Cours2011年推出12-16核Interlagos，32nm2011年将推出集成CPU和GPU的Fusion45Intel包括Itanium和X86系列2004年推出的Itanium

18、架构的Montecito2005年推出将两个P4直接封装在一起的双核SmithField2006年初推出基于Banias（Pentium-M）的双核Yonah2006年底推出了基于Core构架的处理器Conroe2007推出把两个Conroe封装在一起的四核Core 2 Quad2008年推出基于Nehalem结构（Core i7）的四核处理器2008年推出的四核Itanium处理器(Tukwila)2009年公布了把双核CPU和GPU封装在一起的处理器 2010年推出基于Nehalem结构的八核至强（Nehalem-EX）2012年将推出采用22nm工艺的8-16核Sandy bridge处

19、理器。 46未来可能会流行的CPU结构多核 + 向量处理 典型：Larrabee (16way ALU/512 bit)向量的位宽：64 / 128 / 256 / 512 / 1024 众核：同构的基于分片的多核（tile based）典型：Tile64处理器核的个数：64 / 128 512 / 1024 带有协处理器的异构多核典型：CELL通用处理器专用的协处理器（GPU、流处理器）47Larrabee众核结构Siggraph08 Larrabee: A many-core x86 architecture for visual computing 48TILE64PCIe 1MACPH

20、YPCIe 0MACPHYSerdesSerdesFlexible IOGbE 0GbE 1Flexible IOUART, HPIJTAG, I2C,SPIDDR2 Memory Controller 3DDR2 Memory Controller 0DDR2 Memory Controller 2DDR2 Memory Controller 1XAUIMACPHY 0SerdesXAUIMACPHY 1SerdesPROCESSORP2Reg FileP1P0CACHEL2 CACHEL1IL1DITLBDTLB2D DMASTNMDNTDNUDNIDNSWITCH49CELL50摩尔定律

21、发展过程中碰到的“墙”1980s：存储墙CPU变快，内存只变大不变快80%的晶体管用于片内高速缓存等2000s：功耗墙一Intel放弃4GHz的Pentium IV为标志，终止复杂的高主频设计多核设计成为主流未来还有可能碰到的“墙”带宽墙：“茶壶里倒饺子”（性能和带宽1-2FLOPS:1BPS的关系）成本墙：太贵了做不起（目前只剩Intel、IBM、TSMC三家）或用不起（10nm以后单片成本反而增加）应用墙：16核以上的CPU卖给谁？量大面广的应用需要多少核？如果克服不了上述“墙”，通用CPU的摩尔定律到2015年即告终止51多核结构的编程墙问题串行的图灵机模型和物理上分布实现的多核处理器的

22、匹配问题：串行程序如何并行化？冯诺依曼体系结构的一维地址空间和多核处理器的多维访存层次的匹配问题：数据访问的一致性？程序的多样性和单一的体系结构的匹配问题：可重构的结构设计？并行计算机发展了几十年，没有根本解决并行编程问题。52Closing the Gap成功的例子60年代工艺的发展使得处理器中可以包含象TLB这样较为复杂的结构，操作系统可以支持虚地址空间，解放了程序员的生产力（特优）80年代工艺的发展使得象多发射这样的结构得以实现，在维持串行编程模型的情况下提高了速度（优）晶体管的增加也使得Cache层次得以实现，在维持一维的地址空间的情况下提高了速度（良）Cache一致性协议在分布存储的

23、情况下提供统一的编程空间（一般）不成功的例子并行计算机已经发展了几十年，目前还没有一种并行处理结构能够解决困扰了并行处理二十多年的并行程序编程困难，串行程序加速小的问题。机会片内多核提供了一个机会，使得多核之间的通信不比计算慢，甚至比计算还快，静态或动态的串并行转换可以不用太多考虑通信：量的积累可能引起质变53带宽障碍摩尔定律的新定义片内处理器核的个数指数增长封装引脚增加缓慢每个核使用的引脚数指数下降茶壶里倒饺子高速信号传输缓解带宽瓶颈目前引脚上的信号频率已经达到GHz很快会出现板上频率高于片内频率的现象54三维堆叠技术3D Stack technology采用三维堆叠技术来解决访存带宽问题和

24、访存延迟问题将能堆叠上GB的SRAM或者DRAM55光通讯技术PCB和PCB之间的光通讯。片间的光通讯技术，需要两个光电转换芯片采用光互连来解决片间通讯问题和片内线延迟问题56计算机的性能57性能、价格、与功耗CPU发展过程中，随着技术本身的发展和需求的变化，矛盾的主要方面在不断地变化Performance per second, Performance per dollar, Performance per wattIntel受益于第一次变化，ARM受益于第二次变化低功耗的研究已经成为学术界的研究热点，从低端的手机到高端的百万亿次高性能计算机，都对处理器的功耗提出了很高的要求性能、价格、功耗

25、的关系非常复杂，都是计算机系统结构设计需要考虑的内容其它因素体积、可靠性、稳定性、寿命民用、工业用、军用、宇航用58不同层次的“性能”CompilerProgramming LanguageApplicationDatapathControlTransistorsWiresPinsISAFunction Units(millions) of Instructions per second: MIPS(millions) of (FP) operations per second: MFLOP/sCycles per second (clock rate)Megabytes per second

26、Answers per monthOperations per secondMeanlingless Indication of Processor Speed59不同应用的性能个人PC：单任务关注响应时间计算中心：多任务关注吞吐率程序运行时间的表示Wall TimeUser Time+System Time60性能评价的方法关键是统一的标准：困难是应用的多样性是骡子是马，拉出来骝骝：一系列的基准程序要有代表性，要足够的大，要有权威性，要有公开性选取基准测试程序套件作为性能评价的标准： SPEC基准测试程序 TPC（事务处理测试程序） EEMBC（嵌入式基准测试程序） LMBench（比较不同

27、的unix系统性能）基准测试程序套件选取典型应用，能够全面综合的评价计算机的性能。给不同种类的计算机的性能评价提供了一个公共平台。其属于概要性质的测试，必然会缺少一些信息，不一定能够很好的反映用户的应用程序的执行性能。61SPEC CPUSPEC：权威的CPU性能基准程序System Performance Evaluation Cooperative（网址: ）随着CPU性能的提高，已发展了5轮：1989、1992、1995、2000、2006SPEC CPU2000：12个定点程序，14个浮点程序SPEC CPU2006：12个定点程序，17个浮点程序62SPEC CPU2000测试程序套

28、件63SPEC CPU2006测试程序套件SPEC CPU2000 Floating Point Benchmarks410.bwavesFortranFluid Dynamics 416.gamessFortranQuantum Chemistry 433.milcCPhysics: Quantum Chromodynamics434.zeusmpFortranPhysics / CFD435.gromacsC/FortranBiochemistry/Molecular Dynamics 436.cactusADMC/FortranPhysics / General Relativity 4

29、37.leslie3dFortranFluid Dynamics 444.namdC+Biology / Molecular Dynamics 447.dealIIC+Finite Element Analysis 450.soplexC+Linear Programming, Optimization 453.povrayC+Image Ray-tracing 454.calculixC/FortranStructural Mechanics 459.GemsFDTDFortranComputational Electromagnetics 465.tontoFortranQuantum C

30、hemistry 470.lbmCFluid Dynamics 481.wrfC/FortranWeather Prediction 482.sphinx3CSpeech recognition SPEC CPU2000 Integer Benchmarks400.perlbenchCPERL Programming Language 401.bzip2CCompression 403.gccCC Compiler 429.mcfCCombinatorial Optimization 445.gobmkCArtificial Intelligence: go456.hmmerCSearch G

31、ene Sequence458.sjengCArtificial Intelligence: chess462.libquantumCPhysics: Quantum Computing 464.h264refCVideo Compression471.omnetppC+Discrete Event Simulation 473.astarC+Path-finding Algorithms 483.xalancbmkC+XML Processing 64综合性能比较：一个例子从单个程序执行时间上看对于P1程序： ABC对于P2程序：ABC考虑总执行时间：ABC没有考虑P1和P2的执行频度，不能

32、准确反映A、B、C三者的性能计算加权执行时间，考虑每个程序执行频度（权重W），综合反映性能Computers65当负载中各程序的执行百分比不同时，计算加权执行时间是一种方法，另一种方法是“归一化”。就是说，将执行时间对一台参考机器进行归一化，然后取其归一化执行时间的平均值。SPEC测试程序套件采用了该方法。平均归一化时间既可表示为算术平均值，也可表示为几何平均值。归一化时间计算方法66算术平均与几何平均算术平均值算术平均值的权重与特定程序在特定机器上的执行时间成正比，所以权重不仅与该程序的执行频度有关，也与运行该程序的机器特性和输入数据相关。可能导致测试者把自己机器上运行最快的程序的输入量增到

33、最大，以提高计算该程序平均值时的权重，干扰了真实结果几何平均值小于算术平均值、与参考机无关、强调性能平衡可能导致硬件和软件设计者集中精力提高最易提高速度的软件的性能，而不是提高速度最慢的软件的性能。67性能评价报告指导原则：可重现性应当对机器具体配置，编译环境，操作系统，输入数据集等进行详细说明应当公布基准性能和优化结果 Dell Precision Workstation410运行SPEC CINT2000的详细配置68SPEC 程序源代码行用 途Ref timeRun timeRatio164.gzip8,616文件压缩1400403347175.vpr17,729FPGA布局布线1400

34、273512176.gcc224,060C编译器1100221497181.mcf2,414组合优化1800307586186.crafty21,207国际象棋1000167598197.parser11,391字处理1800472382252.eon40,961计算机视觉1300188690253.perlbmk85,742Perl编程语言1800354508254.gap71,363群论，解释器1100240458255.vortex67,213面向对象的数据库1900263722256.bzip24,658文件压缩1500365411300.twolf23,461布局布线模拟器30006

35、45465定点分值1GHz龙芯2E的SPEC定点分值69SPEC 程序源代码行用途Ref timeRun timeRatio168.wupwise2,184量子动力学1600238672171.swim435浅水模型3100660469172.mgrid489三维势场求解1800579311173.applu3,980偏微分方程2100549382177.mesa59,358三维图形库1400221634178.galgel计算流体动力学2900412704179.art1,270图象识别/神经网络2600416624183.equake1,513地震波传播模拟1300208624187.fa

36、cerec面相识别1900300632188.ammp13,732计算化学2200432509189.lucas数论/素数测试2000396506191.fma3d有限元模拟2100531395200.sixtrack47,252核物理加速器设计1100345319301.apsi7,488大气学：污染传播2600528493浮点分值1GHz龙芯2E的SPEC浮点分值70影响CPU性能的因素Inst. CountCPIClock RateProgramXCompilerX(X)ISAXXOrganizationXX TechnologyX 性能的最本质定义完成一个任务（如后天的天气预报）所需的

37、时间以指令为基本单位71CPI及IPC在指令系统确定后，系统结构设计者的主要目标就是降低CPI或提高IPC平均CPI“Average Cycles per Instruction”CPI = (CPU Time * Clock Rate) / Instruction Count = Cycles / Instruction Count Instruction Frequency72计算CPI的例子Typical MixBase Machine (Reg / Reg)OpFreqCyclesCPI(i)(% Time)ALU50%1 .5(33%)Load20%2 .4(27%)Store10%

38、2 .2(13%)Branch20%2 .4(27%) 1.573减少指令数和提高IPC结构提高计算机性能的常用方法和原则加快经常性事件的速度 局部性原理 利用并行性74加快经常性事件的速度设计者要有“有所为，有所不为”的原则，有所取舍，优先考虑较长时间发生的事件。设计者必须清楚什么是经常性事件，以及提高这种情况下机器的运行速度对计算机的整体性能提高有多大贡献。Amdahl定律通过使用某种较快的执行方式所获得的性能的提高，受可使用这种较快执行方式的时间所占的百分比例的限制75Amdahl定律举例问题浮点功能单元执行性能提高2倍；但是仅有10%的浮点指令。计算总体性能加速比Speedupover

39、all= 10.95=1.053ExTimenew = ExTimeold x (0.9 + 0.1/2) = 0.95 x ExTimeold76开发局部性局部性原理 时间局部性 空间局部性 应用实例 Cache TLB 预取77开发并行性指令级并行是过去的20年里体系结构设计者提升性能的主要途径时间并行性：指令流水线空间并行性：SuperScalar（Out-of-Order）和EPIC（编译器优化）进一步挖掘指令级并行的空间不大数据级并行：SIMD向量机SSE多媒体指令作为指令级并行的有效补充，在高性能计算及流媒体等领域发挥重要作用，在专用处理器中应用较多线程级并行线程级并行大量存在于I

40、nternet应用多核处理器多线程处理器是目前的热点78性能分析、评估和设计的关系确定系统结构是一个反复循环迭代的过程:在计算机系统的所有级别搜寻可能存在的设计空间创新/创造好的想法普通想法不好的想法性价比分析79计算机的成本80成本与价格性能价格比中的价格因素成本和性能价格比的关系比较复杂超级计算机：不计成本，只追求性能嵌入式应用：为降低功耗和成本，可以牺牲一部分性能介于两者之间，比如PC机，工作站，服务器等：追求性能价格比的最优设计R&D的成本4%-12%15%-20%81影响成本的因素Learning Curve：生产成本降低 Volume：加速学习过程、降低一次性成本Commoditi

41、es ：竞争、量的增加82芯片的成本封装成本跟功耗、引脚数目、材料相关90nm工艺下每个12英寸晶圆的成本在3000-6000美元之间a是衡量工艺复杂程度的参数 ，在目前工艺下约为4单位面积的缺陷数目与工艺相关，在目前的工艺下约为：0.4-0.8/平方厘米83晶圆与晶片84例：龙芯2F的硅片成本龙芯2F面积为43平方毫米晶片成品率 (1+b*晶片面积/a) a =78%A为衡量复杂度的参数，设为4B为单位面积缺陷数，设为0.6每个12寸晶圆的晶片数 (晶圆的面积/晶片的面积)(晶圆的周长/(2*晶片面积)1/2) =1592好的晶片数为1242个设90nm的12寸晶元成本为3000美元每个2F

42、的晶元成本为2.4美元85如何控制集成电路成本生产流程决定了晶片的成本，晶片的成品率，以及单位面积的残次品数目，设计者唯一能够控制的就是晶片的面积。（晶片成本增长的速度和晶片面积增长速度的4次方成正比关系）。设计者通过决定晶片所包含的功能特性和I/O管脚数目来控制晶片的大小。通常采用“冗余”作为提高成品率的手段，如片内RAM的冗余设计。控制封装、测试的成本。对于低产量（少于100万)的产品，掩模成本也是不可忽视的。采用可配置逻辑或选取一些门阵列来降低掩模成本。86计算机的成本与价格成本在变为价格之前，要经历许多变化，计算机设计者需要了解成本与价格的关系，这样能够知道设计决策是如何影响价格的。元

43、件成本元件成本元件成本元件成本直接成本直接成本直接成本毛利率毛利率平均折扣增加20%得到直接成本增加33%的毛利率增加33%的平均折扣17%83%62%47%25%19%13%平均售价25%10%标价（直接成本包括劳动力成本，购买元件的成本，废料以及质保费用等；毛利率包括公司研发费用，营销费用，设备维护费，场地租金，财务成本以及税前利润和赋税）87计算机的功耗88功耗的组成部分ptotal = Pswitch + Pshort + Pleakage89动态功耗翻转功耗 Pswith = CoutVdd2fclk/2短路功耗 输入信号transition时间不为0 -P管和N管同时打开造成电源地短路 输入transition比输出transition快，则短路功耗小，反之则大。90CMOS的静态功耗在90nm以后漏电功耗比较突出栅氧太薄、沟道太短、域值电压太低亚阈值漏电（sub-threshold leakage）源 漏栅漏电（gate leakage）栅 源栅 漏反相