把握芯的未来——新型处理器技术揭密
在平静了多年后，桌面CPU市场将出现一系列重要的技术变革，日前业内两大巨头Intel 和AMD都宣布了各自的处理器最新技术，将对电脑性能提升产生重大影响。下面就让我们来了解一下桌面处理器最新技术的相关情况。
双核心处理器技术
CPU是决定电脑性能的核心部件，而CPU性能与工作频率密切相关。英特尔从P4开始采用增加管线长度的方法来提升工作频率，但前进至3GHz以上后，遭遇到因漏电流问题导致产生大量废热，限制芯片频率提升的瓶颈，通过增加管线长度来提升工作频率的技术已经走到尽头。使用多个处理器来提高电脑计算能力是很容易想到的解决方案，也在服务器领域得到了广泛应用，不过由于组建双CPU系统的高成本和复杂性，桌面电脑上并未得到普及。在CPU频率提升遇到困难和双 CPU系统难以普及的情况下，Intel推出了在单颗CPU内部模拟两个虚拟逻辑处理器的超线程技术，然而该技术带来的性能提升并不明显，因为只使用了一套执行单元和缓存，在某些情况下，甚至导致性能反而下降。
真正解决CPU性能提升困难的方法是采用“双核心”技术。顾名思义，就是在一颗CPU中真正集成两个物理运行核心，并且每个核心都使用自己独立的高速缓存，因此在实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两颗独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别。在双内核处理器当中，每个内核都有独立的 HyperTransport总线连接系统请求单元(SRQ)和系统内存，能在一个时钟周期之内处理两倍以上的数据，管理一个以上的线程，这种技术使得整个系统性能有相当大的提高，而整体设计难度和制造成本并不高，从而能够在普通桌面系统中得到普及（如图1）。
双核心处理器将带来的性能提升是毋庸置疑的，可以在很多情况下，大大提高工作效率。
目前双核心处理器已经有不少实际的产品推出，像IBM Power4处理器， Sun的UltraSparc IV也采用了双核心设计。Intel将在2005推出的首款桌面电脑用双核心处理器：“Smithfield”，更令我们关注。而代号为 “Tanglewood”的高端Itanium芯片将包含多达16个独立的处理器。
新型材料技术的应用
大家知道CPU（中央处理器）的核心是硅半导体芯片，在半导体制造业发展的几十年中，硅原料本身的自然属性一直没有对芯片运行速度的提高产生任何阻碍作用。但是，随着芯片制造技术的不断改进，硅原料自身的一些不足之处逐渐成为了芯片运行速度进一步提高的绊脚石，但是制作芯片的硅衬底本身在本质特性上并未发生任何变化。目前在一些实验中采用了单一同位素硅（100％的硅28）做原料，大大改善了芯片的发热和能耗问题。这种纯同位素材料与现在的混和同位素材料相比能够带来很高的性能提升，但是其高昂的制造成本也使得该材料被大规模使用的可能性极小。目前在大规模量产中真正可行的改进方案就是应变硅技术（如图 2）。
所谓“应变硅”（Strained Silicon），字面上意思是“受到应力的硅”。该技术的原理是将硅的晶体拉伸，这样沿拉伸方向电子的迁移率就会提升，导致电阻减小。在MOS管的栅极下沟道处的硅做成拉伸的“应变硅”，当MOS管打开的时候电流就会更顺利地沿着拉伸方向在源极和漏极之间流动，速度也能更快。这样，当MOS管工作时，主要电流还是通过沟道，向衬底分散的漏电流就会相应减少，而且MOS管与衬底间的寄生三极管能获得的驱动电流也相应减小，这样就减少了发生“闩锁”效应的可能（如图3）。
简单说，如果能够迫使硅原子的间距加大，就可以减小电子通行所受到的阻碍，也就相当于减小了电阻，这样一来发热量和能耗都会降低，而运行速度则得以提升。而实现该技术的关键是找到一种成本相对较低，可大规模应用的方法来加大硅原子距。根据硅的自然特性，在添加了相似元素的原子后，晶体结构会发生线性扩张。据此研究人员开发出了的改进的半导体材料：硅锗，硅锗的晶体矩阵与纯硅的相比，原子间距有了明显的扩张，因而这种材料就称作“应变硅”。
目前Intel在其最新版本的P4和Dothan处理器中使用了这项技术。此外AMD也将在其90纳米的Athlon 64产品上使用应变硅制造工艺。应变硅技术的应用在cpu制造工艺中是一个不小的进步，而且其生产成本也并不是很高，预计今后大多数处理器都将广泛使用应变硅技术，能够让速度继续得以提升。
量子计算和纳米技术应用
传统电脑计算能力会在不远的将来达到极限，量子计算技术就成为人们最关注的科技领域之一。量子世界是一个非常奇妙的微观世界，它和我们宏观世界物质的行为相差甚远，比如奇特的“波粒二相性”现象。量子计算机，简单说就是基于量子物理学原理，能够实现量子计算的机器。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，其目的是为了解决计算机中的能耗问题。若计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。半个多世纪以来电子计算机的基本原理并没有任何改变，是建立在对二进制“比特”的操作上。机器性能的提高主要靠缩小元器件的尺寸。预计再过 20年左右，将要降到几个原子的大小，而当电路线宽小于10纳米时，电子波动性必须考虑，这时会出现种种新的物理现象，称为量子效应。利用量子效应工作的电子元件称为量子元件，量子处理器和量子计算机的出现将是必然。
而实现量子计算，需要大量纳米科技的基础研究成果。所谓纳米是一个长度概念，一纳米为十亿分之一米。纳米技术是以纳米材料为基础的。纳米材料被定义为在尺度上小于一百纳米材料体系，在此体积下，物质将表现出不同于常态的特殊性，在晶粒尺寸、表面面积与体内原子数比和晶粒形状等方面与一般材料有很大的不同。纳米材料作为新一代革命性材料的最基本建构单元，使得我们可以进入自然尺度之外的空间来做观察，纳米科技的研究已发掘出一些新的制造和操纵材料，可用于处理器、内存等芯片的制造过程，将给传统IT技术带来新的突破和商机。如果按照现在的材料技术和生产工艺，计算机计算能力将很快达到极限。根据保守估计，2018年芯片制造业将步入16纳米的工艺流程，业内专家认为16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头，当芯片的制程小于20纳米后，量子效应会严重影响芯片的设计和生产，单纯通过减小制程将无法继续验证摩尔定律。突破希望在于纳米和量子技术的进一步发展。
其他新技术简介
在保证性能的基础上尽量降低能耗是移动计算的重要要求之一，一款移动处理器是否能取得成功，其耗电高低非常重要。Intel最新的移动处理器： Dothan，从多方面来达到节能降耗的目的。首先“智能型线路”的二级缓存可以有效降低功耗。Dothan CPU芯片的二级缓存采用了8路联合的运行模式，而每路又被分割成为4个功耗区域，由于在处理器工作过程中同一时间只能使用其中的一个功耗区域，所以在专用的堆栈管理技术控制下关闭当前不能被使用到的功耗区域，从而大大降低了二级缓存的功耗。Dothan CPU的二级缓存达到了惊人的2M，采用这一技术就更加重要了。除此之外Dothan CPU支持新的Enhanced SpeedStep节能技术，该技术较原有的SpeedStep有了很大的进步。这一技术完全由处理器的电压调整机制来完成，而与芯片组关系不大。在这些模式间切换的操作，全部是自动的，完全根据处理器当时的负荷，这样就会使能耗情况得到精确的控制，达到更加节能的目的
另外随着芯片制造技术的不断改进，硅原料自身的一些不足之处逐渐成为了芯片运行速度进一步提高的绊脚石。除了前面介绍的“应变硅”技术外，还涌现出一系列的制程技术用来改进这种状况，包括铜互连（copper interconnects）技术，低介电薄膜（low-k dielectrics）技术和硅晶绝缘体（silicon on insulator，SOI）技术等。其中铜互连技术用于提高速度，而另外两项技术主要用于控制电能泄漏和减少电能需求，由于更有效的利用了电能，从而降低了芯片的发热量，这也同样有助于运行速度的提升。
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