双核心、多核心处理器发展趋势(上)

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1、双核心、多核心处理器发展趋势(上)

2、第1延续摩尔定律——双核心/多核心处理器的发展自高登.摩尔在1965年提出每隔18～24个月单位面积的晶体管数量倍增的摩尔定律之后，新世代处理器研发，凭借着每两～三年一次的制程进化，得以在一定的晶粒面积(成本)下，用更多的晶体管来设计新一代的核心架构，藉由新架构以及线路微缩的时钟频率提升效应，来驱动硅芯片的运算能量。双核心/多核心将是未来计算机运算系统的新趋势以往为了要达成摩尔定律硅芯片晶体管数倍增的期望值，一般新一代制程技术，大多以缩减到前一代线距长度的约70%左右，例如90奈米是目前的制程主流，下一代则切到65奈米。依照晶粒面积

3、跟线距平方成正比来计算，新一代制程可以把目前晶体管所占用的硅晶面积缩减到一半(0.7=0.49，约0.5)，做入两倍的晶体管数量，就可以维持原来的硅晶面积。如果单纯就新一代制程来设计上一代处理器电路，运算时脉大致可以加快42.85%(=1/0.7)，而且硅晶面积变成原来的一半，功耗可能下降的更低；同时新一代制程所需要的工作电压比较小，在热功率设计上也会更加容易一些。但是，这个公式一个以往被人忽略的一点，就是由于晶体管数量倍增，会不会导致硅芯片所需要的电能、耗费功率大幅提升，甚至成几何级数的增加呢﹖我们先从下列硅芯片的电能功率计算公式来探讨：功率=C(寄生电容)*F(

4、频率)*V2(工作电压的平方)每一个硅芯片会因为IC制程、介质、材料属性，以及晶体管数量的不同，而有不同的寄生电容值，若是相同制程，大致上忽略掉材料属性与介质因素，可以简易归纳出上下一代制程的寄生电容值为一个常数，所以硅芯片功率跟频率成正比，跟工作电压的平方也成正比。摩尔定律并没有告诉我们，如何在同时维持功耗不变的情况下，顺利的达成晶体管倍增的目标，如果单纯从两倍效能提升值着手，频率因子是2.0，那么工作电压的平方值就要控制在0.5以下，使得功率维持在一定常数内，而0.5开平方也差不多是0.7，这代表工作电压得降到原先电压值的70%。由于线路微缩为70%，大约可以使工

5、作频率极限拉高到42.85％(1/0.7)，因此若能在每次制程技术把线路微缩为原先70%的长度时，同时也将工作电压降为原先的70%，就有可能运用新制程设计出两倍晶体管、速度为提升为原先的1.4倍(1/(1/0.7))左右，而且功耗维持不变的完美芯片。但事实上，要控制这样的完美恒等式有其困难性。因为花费原先架构两倍晶体管来设计新的架构，以同频率为基准的性能提升都不见得是两倍，有些可能只是高速缓存的加大，有些逻辑闸的增加，反而会使硅芯片功率暴增。同时，新一代制程的工作电压可以调降，但不见得能调降到原先的70%，最近几份揭露出来的制程技术简报，发现切入0.13微米(130奈

6、米)制程之后，工作电压仅能降到原先的90%；加上线距微缩之后，晶体管源极(Source)与汲极(Drain)之间的泄漏电流效应越来越明显。举个最实际的例子，1995年Pentium处理器推出时，当时的制程技术仅0.6微米制程，工作频率为75～120MHz，电压还高到3.3～5V，后来切到0.35微米制程，追加MMX指令集的PentiumMMX的推出，工作频率为166MHz～233MHz，热功率仅10～15瓦，工作电压也降到2.8V，差不多用散热片或小型低转速的散热风扇即可解决。如果一切那么完美的话，今日高达3.8GHz的LGA775Pentium4580处理器，其设计

7、功率也应该维持在10～15瓦左右。但事实上，英特尔拼命用尽一切制程技术、节电管理的机制加入下，连工作电压都压低到1.35V以下，但3.8GHz的Pentium4580，设计功率仍然高达115ulti-Threading；CMT)、或芯片多重处理(ChipMulti-Processing；CMP)的处理器设计思维，就成为后摩尔时代处理器研发的必然趋势。双/多核心的处理器发展史谈到双核心处理器的起源，首先该提到了就是蓝色巨人IBM。为了巩固IBM其威力系列(Poada，后来改代码为squadron。除了双核心架构没太大改变之后，首度引进类似IntelPentium4的超线

8、程(HT)类似的同步多线程(SMT-SimultaneousMultiThreading)的概念，Po2处理器(代号Montecito)的一些具体规格，但时钟频率并没有公布出来。而在桌上型x86处理器部份，虽然英特尔也展示了自己的双核心处理器平台，但由于并没有实际展示双核心的处理器芯片本体，一直被业界质疑，是临时拿两颗Pentium4处理器硅芯片，以多芯片封装(MCM)技术所造出来的技术宣示性展示品。而在2004年10月微处理器论坛时，IBM已经宣布了下一代Pom2。IBMPom×85mm，针脚数多达5184pins的实体芯片，是相当庞大的硅晶怪物。