計(jì)算機(jī)的性能以10年約200倍的驚人速度提升。其支撐的中心臺(tái)柱就是半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。本節(jié)來看看為什么半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步會(huì)帶來計(jì)算機(jī)的進(jìn)步。

摩爾（Moore）定律——更多的晶體管，更高的并行度

Intel的創(chuàng)始人之一Gordon Moore在1965年的Electronics雜志上發(fā)表題目為Cramming more components onto integrated circuits的論文，預(yù)測(cè)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(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但Moore大膽預(yù)測(cè)，此傾向?qū)⒀永m(xù)到1975年。集成電路就是利用光學(xué)微縮投影曝光技術(shù)在硅芯片上制作較小的部件零件，Moore認(rèn)為部件的邊長將以每年0.7倍的速度遞減，而這種生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步最少將持續(xù)10年。

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圖1.9?摩爾定律：半導(dǎo)體集成電路的集成度的提升預(yù)測(cè)

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圖1.9的圖表中，部件數(shù)每年都在加倍，之后Moore在1975年追加了新的數(shù)據(jù)，并更正為部件數(shù)每2年增加1倍。不過，根據(jù)最近的趨勢(shì)，有人認(rèn)為摩爾定律應(yīng)該是部件數(shù)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(fā)表了縮放定律（Dennard Scaling）

現(xiàn)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(dǎo)體（Metal-Oxide-Semiconductor）結(jié)構(gòu)，通過施加在稱為“門（Gate）”的金屬部分的電壓來控制流向半導(dǎo)體（Semiconductor）的電流。

Dennard等人考察了MOS晶體管的尺寸與運(yùn)行速度、耗電量之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(yōu)勢(shì)外還發(fā)現(xiàn)，如果將尺寸減半，可以將半導(dǎo)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）。

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圖1-10 縮放定律的效果

源源不斷的開發(fā)投資帶來的半導(dǎo)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(dá)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(dǎo)體業(yè)界內(nèi)眾多優(yōu)秀的研究者都參與了進(jìn)來，并投入大筆研發(fā)費(fèi)用，努力減小尺寸，推動(dòng)微型化的發(fā)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(shè)費(fèi)用也在成比例增長，以致2009年開工的尖端半導(dǎo)體工廠的建設(shè)費(fèi)用達(dá)到了4000億日元（約合280億元人民幣）

這些歷史內(nèi)容將在第2章詳細(xì)闡述。近50年間，摩爾定律依然成立，晶體管的數(shù)量仍在以1～2年翻一番的指數(shù)關(guān)系增加。這也得益于微型化的巨大利益驅(qū)使著各半導(dǎo)體公司維持著巨額的開發(fā)投資，用以維持微型化的步伐。至于未來幾年，一般觀點(diǎn)認(rèn)為微型化至少會(huì)持續(xù)發(fā)展到2015年，但也有人認(rèn)為由于研發(fā)費(fèi)用及工廠建設(shè)費(fèi)用的持續(xù)走高，微型化發(fā)展會(huì)受到經(jīng)濟(jì)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(kuò)展

提高時(shí)鐘頻率以提高流水作業(yè)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(xiàn)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(jì)算電路也通過使用大量的晶體管實(shí)現(xiàn)了并行計(jì)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(jìn)行需要新的硬件機(jī)構(gòu)。隨著處理器用途的擴(kuò)大，人們?cè)谠囍屘幚砥髦С中鹿δ?#xff0c;這就是功能擴(kuò)展。這些功能擴(kuò)展不會(huì)提高簡單的加法計(jì)算的性能，但能夠給計(jì)算機(jī)整體性能帶來提升，這是第三大支柱。

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本文節(jié)選自《支撐處理器的技術(shù)——永無止境地追求速度的世界》

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（美）海撒安藤著；

李劍譯

電子工業(yè)出版社出版

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/broadview/archive/2012/11/19/2776867.html

總結(jié)

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