计算机的性能以10年约200倍的惊人速度提升。其支撑的中心台柱就是半导体技术的进步。本节来看看为什么半导体技术的进步会带来计算机的进步。
摩尔(Moore)定律——更多的晶体管,更高的并行度
Intel的创始人之一Gordon Moore在1965年的Electronics杂志上发表题目为Cramming more components onto integrated circuits的论文,预测集成度的提高,如图1.9所示的图表。
图1.9只显示了从1962年到1965年4个点的数据,但Moore大胆预测,此倾向将延续到1975年。集成电路就是利用光学微缩投影曝光技术在硅芯片上制作较小的部件零件,Moore认为部件的边长将以每年0.7倍的速度递减,而这种生产技术的进步最少将持续10年。
图1.9 摩尔定律:半导体集成电路的集成度的提升预测
图1.9的图表中,部件数每年都在加倍,之后Moore在1975年追加了新的数据,并更正为部件数每2年增加1倍。不过,根据最近的趋势,有人认为摩尔定律应该是部件数每1.5年翻一倍,但Moore自己并没有说过“1.5年增加1倍”
缩放定律——晶体管的性能提升
摩尔定律非常有名,不过很多人也许不知道,1974年IBM的Robert Dennard等人的论文中还发表了缩放定律(Dennard Scaling)
现代CPU无一例外都是MOS晶体管制成的LSI。这里的MOS晶体管采用金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构,通过施加在称为“门(Gate)”的金属部分的电压来控制流向半导体(Semiconductor)的电流。
Dennard等人考察了MOS晶体管的尺寸与运行速度、耗电量之间的关系,结果发现,如果将尺寸和电源电压减半,MOS晶体管的切换速度将提高两倍,耗电量则降至1/4。
除了这些优势外还发现,如果将尺寸减半,可以将半导体芯片的面积减至1/4,或者在同样的面积下制造4倍的晶体管,这真是好事连连啊(如图1.10所示)。
图1-10 缩放定律的效果
源源不断的开发投资带来的半导体微型化
——微型化的步伐还将长期维持
如缩放定律所言,缩小MOS晶体管或线路的尺寸,能达到以下效果。
性能提高
单位晶体管的成本降低
耗电量下降
因此,半导体业界内众多优秀的研究者都参与了进来,并投入大笔研发费用,努力减小尺寸,推动微型化的发展,还建立了耗资巨大的精密加工工厂。随着微型化的水平提高,建设费用也在成比例增长,以致2009年开工的尖端半导体工厂的建设费用达到了4000亿日元(约合280亿元人民币)
这些历史内容将在第2章详细阐述。近50年间,摩尔定律依然成立,晶体管的数量仍在以1~2年翻一番的指数关系增加。这也得益于微型化的巨大利益驱使着各半导体公司维持着巨额的开发投资,用以维持微型化的步伐。至于未来几年,一般观点认为微型化至少会持续发展到2015年,但也有人认为由于研发费用及工厂建设费用的持续走高,微型化发展会受到经济上的制约。
提升性能的三大支柱
——提高频率、并行处理和功能扩展
提高时钟频率以提高流水作业各步骤的处理速度,是处理器性能提高的支柱之一。
最早的微处理器Intel 4004每次只能处理4位,但现在的微处理器利用以摩尔定律的速度增加的晶体管每次处理32位或64位,性能得到了大幅度提升。此外,加法、乘法等计算电路也通过使用大量的晶体管实现了并行计算,也提高了性能。这种并行处理是提升处理器性能的第二大支柱。
近来处理器的虚拟化开始流行,但虚拟化的高效进行需要新的硬件机构。随着处理器用途的扩大,人们在试着让处理器支持新功能,这就是功能扩展。这些功能扩展不会提高简单的加法计算的性能,但能够给计算机整体性能带来提升,这是第三大支柱。
本文节选自《支撑处理器的技术——永无止境地追求速度的世界》
(美)海撒安藤著;
李剑译
电子工业出版社出版
分享到:
相关推荐
3电源平面的问题 科技时代下,利用先进的电子技术设计计算机高速数字化电路设计技术,根据相关技术的 情况,这项技术得到了不断的,在很多方面都有所应用。目前计算机高速数字电路设计过 程中,电源平面相关影响原因...
芯片制造技术-半导体切片类技术资料合集: 内圆切片机设计.pdf 冰冻切片的制备.docx 切片机张刀对切片质量的影响-45所.doc 半导体全制程介绍.doc 半导体工业简介-简体中文...ppt 半导体工艺技术.ppt 半导体晶圆切割 ...
计算机组网技术,有详细的介绍 局域网组网技术概述 典型以太网组网技术 高速局域网 虚拟局域网 局域网与结构化布线
计算机网络技术第一章知识点全文共2页,当前为第1页。计算机网络技术第一章知识点全文共2页,当前为第1页。知识点 计算机网络技术第一章知识... 目前,计算机网络正朝着高速化、实时化、智能化、集成化和多媒体化的方向
高速计算机网络技术丛书 高速光纤计算机网络FDDI
主要描述了大功率高速半导体峰值功率测试技术的研究,对设计半导体激光器的开发有一定参考价值。
大功率高速半导体激光峰值功率测试技术研究.pdf
随着信息技术的高速发展,计算机无时无刻在伴随着我们,也给我们在学习和生活中增添了许多乐趣。通过这学期选修的《计算机前沿技术》,我了解到了计算机的发展史和其最基本的相关理论知识和工作原理以及计算机领域最...
随着计算机软件、硬件技术的日新月异的发展和普及,人类已经进入一个高速发展的信息化时代,人类大概有80%的信息来自图像,科学研究、技术应用中图像处理技术越来越成为不可缺少的手段。图像处理所涉及的领域有军事...
计算机的关键技术继续进展 未来的计算机技术将向超高速、超小型、平行处理、智能化的方向进展。尽管受到物理极限的约束,采纳硅芯片的计算机的核心部件CPU的性能还会持续增长。作为Moore定律驱动下成功企业的典范...
高速编码半导体激光器控制电路设计.pdf
电动汽车现在如火如荼,我们都知道电动机性能彪悍。但电动机到底是怎么控制的呢?可能很多朋友并不了解,这篇文章就了解电动机的控制方式,让大家了解电动机控制的思路和办法
功率半导体推动高速电气化铁路发展.pdf
随着现代技术的发展,继资源与人力之后,物流成为了...分析了煤矿仓储管理自动化的内涵,概述了计算机可视化模拟技术在煤矿仓储管理的应用方法、模拟过程与确定仓储规模,通过案例论述了其应用效果,提出了相关发展方向。
超高速锁模半导体激光器光谱蓝移现象研究.pdf
分集激光通信高速率半导体激光器驱动设计.pdf
计算机三级《网络技术》基础知识:高速局域网工作原理.pdf计算机三级《网络技术》基础知识:高速局域网工作原理.pdf计算机三级《网络技术》基础知识:高速局域网工作原理.pdf计算机三级《网络技术》基础知识:高速...
光通信技术向智能化和高速化发展.pdf
计算机高速数字电路设计技术优化.doc该文档详细且完整,值得借鉴下载使用,欢迎下载使用,有问题可以第一时间联系作者~