計算機的性能以10年約200倍的驚人速度提升。其支撐的中心臺柱就是半導體技術的進步。本節來看看為什么半導體技術的進步會帶來計算機的進步。

摩爾（Moore）定律——更多的晶體管，更高的并行度

Intel的創始人之一Gordon Moore在1965年的Electronics雜志上發表題目為Cramming more components onto integrated circuits的論文，預測集成度的提高，如圖1.9所示的圖表。

圖1.9只顯示了從1962年到1965年4個點的數據，但Moore大膽預測，此傾向將延續到1975年。集成電路就是利用光學微縮投影曝光技術在硅芯片上制作較小的部件零件，Moore認為部件的邊長將以每年0.7倍的速度遞減，而這種生產技術的進步最少將持續10年。

?

?

?

圖1.9?摩爾定律：半導體集成電路的集成度的提升預測

?

圖1.9的圖表中，部件數每年都在加倍，之后Moore在1975年追加了新的數據，并更正為部件數每2年增加1倍。不過，根據最近的趨勢，有人認為摩爾定律應該是部件數每1.5年翻一倍，但Moore自己并沒有說過“1.5年增加1倍”

縮放定律——晶體管的性能提升

摩爾定律非常有名，不過很多人也許不知道，1974年IBM的Robert Dennard等人的論文中還發表了縮放定律（Dennard Scaling）

現代CPU無一例外都是MOS晶體管制成的LSI。這里的MOS晶體管采用金屬氧化物半導體（Metal-Oxide-Semiconductor）結構，通過施加在稱為“門（Gate）”的金屬部分的電壓來控制流向半導體（Semiconductor）的電流。

Dennard等人考察了MOS晶體管的尺寸與運行速度、耗電量之間的關系，結果發現，如果將尺寸和電源電壓減半，MOS晶體管的切換速度將提高兩倍，耗電量則降至1/4。

除了這些優勢外還發現，如果將尺寸減半，可以將半導體芯片的面積減至1/4，或者在同樣的面積下制造4倍的晶體管，這真是好事連連啊（如圖1.10所示）。

?

?

圖1-10 縮放定律的效果

源源不斷的開發投資帶來的半導體微型化
——微型化的步伐還將長期維持

如縮放定律所言，縮小MOS晶體管或線路的尺寸，能達到以下效果。

— 性能提高

— 單位晶體管的成本降低

— 耗電量下降

因此，半導體業界內眾多優秀的研究者都參與了進來，并投入大筆研發費用，努力減小尺寸，推動微型化的發展，還建立了耗資巨大的精密加工工廠。隨著微型化的水平提高，建設費用也在成比例增長，以致2009年開工的尖端半導體工廠的建設費用達到了4000億日元（約合280億元人民幣）

這些歷史內容將在第2章詳細闡述。近50年間，摩爾定律依然成立，晶體管的數量仍在以1～2年翻一番的指數關系增加。這也得益于微型化的巨大利益驅使著各半導體公司維持著巨額的開發投資，用以維持微型化的步伐。至于未來幾年，一般觀點認為微型化至少會持續發展到2015年，但也有人認為由于研發費用及工廠建設費用的持續走高，微型化發展會受到經濟上的制約。

提升性能的三大支柱
——提高頻率、并行處理和功能擴展

提高時鐘頻率以提高流水作業各步驟的處理速度，是處理器性能提高的支柱之一。

最早的微處理器Intel 4004每次只能處理4位，但現在的微處理器利用以摩爾定律的速度增加的晶體管每次處理32位或64位，性能得到了大幅度提升。此外，加法、乘法等計算電路也通過使用大量的晶體管實現了并行計算，也提高了性能。這種并行處理是提升處理器性能的第二大支柱。

近來處理器的虛擬化開始流行，但虛擬化的高效進行需要新的硬件機構。隨著處理器用途的擴大，人們在試著讓處理器支持新功能，這就是功能擴展。這些功能擴展不會提高簡單的加法計算的性能，但能夠給計算機整體性能帶來提升，這是第三大支柱。

?

本文節選自《支撐處理器的技術——永無止境地追求速度的世界》

?

?

（美）海撒安藤著；

李劍譯

電子工業出版社出版

轉載于:https://www.cnblogs.com/broadview/archive/2012/11/19/2776867.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的支撑计算机高速化的半导体技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。