转载 CPU的未来新技术展望1

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CPU的未来新技术展望   
一.CPU的背景：
1.1CPU的组成
计算机的核心组成是CPU，传统的CPU是由运算器和控制器两大部分组成。其中控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。它是发布命令的”决策机构”,即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器由算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器、和状态条件寄存器组成。它是数据加工处理部件，相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部的操作是由控制信号来指挥的。

1.2CPU的相关的参数
1.2.1CPU周期
    CPU 周期也称为机器周期，由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存的时间又比较长，因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU的周期。一个CPU周期又包含若干个时钟周期。
1.2.2指令周期
    指令周期通常用若干个CPU 周期数来表示，任何一条指令周期至少包含两个CPU周期。不同的指令其中的方存周期、处理周期不同。
1.2.3几种CPU的技术参数的比较
主频，也就是CPU的时钟频率，简单地说也就是CPU的工作频率。一般说来，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快了。不过由于各种CPU的内部结构也不尽相同，所以并不能完全用主频来概括CPU的性能。至于外频就是系统总线的工作频率；而倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。
y=是 n=不是
AMD K5
AMD K6
Cyrix MediaGX
Cyrix 6x86
Cyrix 6x86MX
Intel Pentium
Intel Pentium MMX
Intel Pentium Pro
Intel Pentium II

时钟频率 (MHz)
100 (PR133), 116.7 (PR166)
166, 200, 233
120, 133, 150, 166, 180
110 (PR133), 133 (PR166), 150 (PR200)
150 (PR166), 166 (PR200), 188 (PR233)
133, 150, 166, 200
166, 200, 233; mobile: 133, 150, 166
166, 180, 200
233, 266, 300


总线频率 (MHz)
60-66
66
N/A
55-75
60-75
60-66
60-66
60-66
66


每个时钟周期能执行的指令数
2
2
1
2
2
2
2
3
3


加工工艺
0.35?CMOS
0.35?CMOS
0.35?CMOS
0.35?CMOS
0.35?CMOS
0.35?BiCMOS
0.35?CMOS
0.35?BiCMOS
0.35?CMOS

芯片尺寸
177 mm2
162 mm2
131 mm2
169 mm2
197 mm2
90 mm2
128 mm2
196 mm2*
203 mm2

晶体管数量
430万
880万
240万
300万
650万
330万
450万
550万*
750万



二.CPU 的新技术
2.1 两大厂的发展历程和技术
2.1.1 INTel 的CPU发展历程
  　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，它只有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢。(如下图一)
1981年8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代。
　　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。
Tejas核心的P5处理器将提供64BIT指令集支持。Intel可能在明年1月份拿出采用Tejas核心的处理器的样品，并且在年中将它推向市场。P5的工作频率将在5G到7G之间，并且具有2MB的L2 CACHE，采用90纳米工艺生产。据悉微软将推出一个名叫“元素”的Windows版本，带有64BIT指令集支持，因此Tejas有可能采用和AMD64相同的64BIT指令集。

2.1.2   IBM的几种CPU 的型号和技术参数
                          

486DLC2
1993
25/50,33/66MHz
16KB,i386Core

486BLX2
1993
15/30,20/40,25/50,33/66MHz
Blue Lightning

486BLX3
1993
15/45,20/60,25/75,33/100MHz
Blue Lightning

M2
1997
PR166,200,233,266,300,333

Cyrix MII



我们现在主要看一下关于CPU在纳米技术方面和量子技术上的成就。
2.2纳米电子技术及纳米计算机突破
2.2.1相关技术理论
纳米级电子技术是一种新的思维方式，不是单纯的尺寸减小。IBM及其它一些公司正致力于用X射线作为曝光光源来研究纳米级电子技术；Bell实验室研制的电子束光刻系统，经光掩膜来投射高能电子，在实验室条件下制造出线宽仅0.05μm的电路，而且还在继续开发0.01μm的电路。他们最近宣称现已制造成比目前芯片内门极氧化物绝缘层薄5倍、仅3个原子厚的，0.06μm线宽仅由182个原子组成的纳米级晶体管，它比目前芯片内晶体管的体积小4倍，但运算速度快5倍，功耗仅为1/60～1/160，几乎不耗电。人们已发现碳纳米管在常温下有极好的导电性，它的强度比石墨高5～10倍，在重量与石墨相当时，强度却超出钢50倍，其直径只有人的头发丝的数千分之一，目前这种材料较稀少，一旦能批量生产，就有可能研制出纳米芯片代替硅芯片，它不仅体积小、功耗低，而且速度快、存储量大。纳米芯片计算机将比今天的台式计算机快10亿倍，也就是讲，纳米技术将给计算机制造业带来深刻的变革，引发计算机行业的革命。
另外，为进一步提高微处理器性能，目前对制作芯片的一些关键材料也进行了改进，如铜代替铝，即在线路中用铜代替铝作连接晶体管的导线。铜比铝导电性更好，能使数据传输速率更快，芯片的体积更小，造价更低，跟铝的设计相比，微处理器的性能可以提高20%～40%。据估计，如果将铜技术引入Xeon服务器中，服务器性能将提高40%。但是铜技术在适应硅芯片制造时还有一些技术难题有待进一步解决。
　　纳米级晶体管的出现，给微处理器性能的进一步提高带来了令人欣喜的曙光，但是制造纳米级晶体管的新的光刻技术还是试验性的，技术实现难度很大，其价格也将是极其昂贵的，而且在提高微处理器性能方面，光刻技术还并非唯一的难题，如晶体管门极氧化物的存在，将会成为缩小晶体管体积的严重障碍。因此，从制作单电子器件到制作纳米芯片，进而生产出实用纳米计算机，还有很长的路要走，有很多难题需要人们去解决，专家估计纳米电子技术的应用将在8到12年之后，我们正在迎接纳米计算机时代的到来。

2.2.2相关成果
在提高CPU速度方面，Intel, IBM都在这上面做了很多研究，也出了很多的成果。
    2002-08英特尔公司宣布将在03年大幅度提高其处理器速度，其中采用的重要技术之一就是扩展硅原子。据英特尔加工结构中心主任Mark Bohr称，该公司的芯片将使用一种新型硅材料，这种硅的原子间分布距离比通常要大，它是在90纳米工艺过程产生的。
基于90纳米工艺的芯片将成为该公司在毫微米技术领域的第一个产品，这将会使芯片具有新的绝缘功能、内部部件更紧凑以及其它优点。代号为Prescott的该产品性能将胜过奔腾4处理器，并将于2003年下半年面市。
Mark Bohr还说：“通过扩展硅原子，可以加快电子运动，这在大晶体管中效果明显，然而在高性能的小晶体管中是否奏效仍值得怀疑。
   2003-12，IBM公司的研究者表示，他们利用纳米技术，已经成功找到能够让电脑芯片更小的办法。
　　IBM说，他们的研究者已经找到了一套处理分子的新方法，这些处理过的分子能够以类似闪存存储芯片的工作方式进行组合。它们能够运用到硅片上面，以替代传统的芯片制造工艺。这种新技术能够让芯片商继续以摩尔定律进行发展。
　　只是芯片制造面临的问题是，印制芯片硅片电路的透镜预计将在10年后达到极限。IBM的研究人员放弃了这种透镜蚀刻电路的方法，他们使用了分子聚合体来印刷芯片电路，这种材料能够分散开来，从而自然形成电路样式。
　　IBM的研究者Chuck Black说，这种纳米制造技术既可以替代现在的芯片生产工艺，也可以同时使用。IBM透露，这种新工艺有望在5年之内投入试制生产。

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这是哪年的技术展望啊。。。

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我怎么感觉这是旧闻啊。