芯青年:深度解密多核CPU(1)

2010年4月14日 | By JonsonXP | Filed in: 原创, 未分类.

从主频之争到多核之争,摩尔定律还能走多远?

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本文是这个系列的第一篇,前言中我们介绍了下多核处理器的背景,在这里我们从IC设计角度聊聊CPU的发展。

1.CPU的速度是什么决定的?

我们通常用频率(frequency)来描述一颗处理器的速度,比如1.6GHz,3.8GHz。这个频率是什么的频率?它又是根据什么来决定的呢?我遇到不少童鞋以为频率高是因为我们可以做出更快的晶振,这是本末倒置的想法。一颗处理器的最高频率是根据它内在电路决定的,决定以后,才选取适当频率的晶振来为它产生漂亮的脉冲。

比如CPU做这样一个运算(1+2)+(3*4)。1+2 和 3*4 分别送入加法器和乘法器,各自的结果作为输入再送入加法器。由于加法要比乘法快,1+2先算完放到一个寄存器待用,等3*4结果出来也放入寄存器之后,二者一再起送入加法器。而为了同步,我们给这些运算加入一种步伐,也就是时钟信号。我们规定时钟的一个周期为需要时间最长的乘法,这样就可以保证再第二个时钟信号到来的时候,之前的全部运算都可以准确完成并将结果存入寄存器,进入下一个运算周期。

这个周期切换的速度,就是频率。很明显,频率越高,计算速度越快嘛。 一块芯片的频率,就是耗时最长的那条电路(critical path)决定的。芯片的频率的设定,要保证耗时最长的那段电路可以在一个时钟周期内运算完毕。

2.晶体管,尺寸越小速度越快

如今的CPU基本是基于场效应管(MOS管)技术制造的。所谓的制程,65nm,45nm,指的是什么呢?为什么制程越小速度越快(主频越高)呢?

nMOS 管示意图

nMOS 管示意图

MOS管分为nMOS和pMOS两种,绝大部分的CPU就是由这两个家伙组成的。

上图为一个nMOS管示意图。 所谓制程名,比如45nm,就是该制造工艺下可以实现的最小GATE长度为45nm。GATE加上高电压的时候(逻辑1),它的下方会为Source和Drain两极架起一座电子桥,仿佛按下了一个开关,这样S/D两极就可以导通。电子穿过S/D用的时间越短,一个MOS管的动作就越快,整个芯片就会越快。想要缩短电子穿过S/D的时间,只有缩短距离,即GATE的长度。

所以为了保证芯片取得相应制程下的最快的速度,数字电路IC的GATE长一定是该制程下可以达到的最小长度。

3.为什么CPU热的可以煎鸡蛋

CPU热的可以煎鸡蛋

CPU热的可以煎鸡蛋

CPU的功耗和发热量也是制约其发展的最大问题之一。为什么高频率的CPU发热很大,网上甚至流传有在CPU上煎鸡蛋的照片囧。

根据我们上面的了解,制程越先进,GATE长越短,芯片越快,主频越高。主频高就意味着单位时间内,穿过GATE的电流越多,因此功耗越大。随着集成度的提高,单位面积的晶体管越多,主频提高使得每个管子的功耗也在提升,因此发热量的增大更加快速。

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上图是tom’s hardware网站总结的1993~2005年Inte和AMD两大厂商处理器功耗趋势图。我们看到2005年的时候一枚Intel P4 CPU功耗已经有130W。这是一个什么概念呢?如今普通机箱电源为300W左右,这其中三分之一的电力都用在了那块只有指甲盖大小的CPU内核上。

如果没有散热问题可不可以让CPU更快呢?答案是肯定的,这也是为什么极品玩家们使用各种手段制冷超频的原因。如今的超频世界记录是国人LimitTeam超频战队,使用AMD Phenom II处理器,在液氮等极限制冷手段下提高CPU电压,已经达到了6.69GHz。

4.摩尔定律的极限

戈登摩尔(Intel 创始人之一):

1965 年,“集成电路的晶体管密度每2年增长一倍。”

2005年,“我相信在未来的10~15年内,我们会碰触某个绝对的极限。”

摩尔定律

2008年8月的IEEE会议志,有一篇名为 《摩尔定律的量子界限》(The Quantum Limit to Moore’s Law,JAMES R. POWELL)的文章。文中肯定了IC产业完美的按照摩尔定律发展了30多个年头,集成度从不到100个晶体管到几十亿门。但同时这种发展并不是没有界限的。假定这个界限是GATE长等于一个电子的尺寸的话,摩尔定律最多可以坚持到2036年。 而且这只是排除了其他一切困哪的理论设想。高速计算必须的耗电量及其带来的发热如何解决,并没有考虑在内。

5.放下主频,走向并行

通过这篇文章的闲扯,我们了解到,对于CPU未来的发展,不论从制程的角度还是发热量的问题,都使得通过提高主频来加速计算变得不那么实惠。Intel和AMD也很早就意识到了这个问题,所以将目光投降了多核CPU。如今单核CPU产品最高主频是P4的3.8GHz,Intel近期没有开发4GHz以上单核的打算。

并行处理器,这个原本只有服务器和大型机才有的技术,如今也飞入了寻常百姓家。这种变革的影响,对整个信息产业,从底层硬件到上层软件,都将是非常深远的。我们将在后面的文章具体讨论。


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