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从沙子到芯片的历程 CPU学问全解析

 

CPU(Central Processing Unit)是现代计算机的核心部件,又称为“微处理器(Micro-processor)”,它指具有运算器和控制器功能的大规模集成电路。CPU一般由逻辑运算单元、控制单元和存储单元组成。对于PC而言,CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。Intelx86架构已经经历了二十多个年头,而x86架构的CPU对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。

现在市场上产品丰富,琳琅满目,当你使用着配置了最新款CPU的电脑在互联网上纵横驰骋,在各种程序应用之间操作自如的时候,有没有兴趣去想一想这个头不大、功能不小的CPU是怎么制作出来的呢。在今天的半导体制造业中,计算机中央处理器无疑是受关注程度最高的领域,而这个领域中众所周知的两大巨头,其所遵循的处理器架构均为x86,而另外一家号称信息产业的蓝色巨人的IBM,也拥有强大的处理器设计与制造能力,它们最先发明了应变硅技术,并在90纳米的处理器制造工艺上走在最前列。在今天的文章中,我们将一步一步的为您讲述中央处理器从一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。。(由于CPU的制作过程技术含量太高,小编能力有限,图片与介绍都来至互联网收集)。

如果问及CPU的原料是什么,大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假,但硅又来自哪里呢?其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧,价格昂贵,结构复杂,功能强大,充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的,一定要精挑细选,从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下,如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU,那么成品的质量会怎样,你还能用上像现在这样高性能的处理器吗?

晶圆上的方块称为“芯片(die)”每个微处理器都会成为个人计算机系统的“大脑”。

除去硅之外,制造CPU还需要一种重要的材料就是金属。目前为止,铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料,而铜则逐渐被淘汰,这是有一些原因的,在目前的CPU工作电压下,铝的电迁移特性要明显好于铜。所谓电迁移问题,就是指当大量电子流过一段导体时,导体物质原子受电子撞击而离开原有位置,留下空位,空位过多则会导致导体连线断开,而离开原位的原子停留在其它位置,会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能,进而导致芯片无法使用。这就是许多Northwood Pentium 4换上SNDS(北木暴毕综合症)的原因,当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超频就急于求成,大幅提高芯片电压时,严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪。这就是intel首次尝试铜互连技术的经历,它显然需要一些改进。不过另一方面讲,应用铜互连技术可以减小芯片面积,同时由于铜导体的电阻更低,其上电流通过的速度也更快。

除了这两样主要的材料之外,在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料,它们起着不同的作用,这里不再赘述。

在必备原材料的采集工作完毕之后,这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作。而作为最主要的原料,硅的处理工作至关重要。首先,硅原料要进行化学提纯,这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要,还必须将其整形,这一步是通过溶化硅原料,然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。

而后,将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过,许多固体内部原子是晶体结构,硅也是如此。为了达到高性能处理器的要求,整块硅原料必须高度纯净,及单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出,此时一个圆柱体的硅锭就产生了。从目前所使用的工艺来看,硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel和其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的,不过只要企业肯投入大批资金来研究,还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立的工厂耗费了大约35亿美元,新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高,功能更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造过程。

● 单晶硅锭

在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后,下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片,切片越薄,用料越省,自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑,之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要,它直接决定了成品CPU的质量。

新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料,而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子进入硅原子之间的空隙,彼此之间发生原子力的作用,从而使得硅原料具有半导体的特性。今天的半导体制造多选择CMOS工艺(互补型金属氧化物半导体)。其中互补一词表示半导体中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用。而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下,切片被掺入化学物质而形成P型衬底,在其上刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计,这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。同时在多数情况下,必须尽量限制pMOS型晶体管的出现,因为在制造过程的后期,需要将N型材料植入P型衬底当中,而这一过程会导致pMOS管的形成。

在掺入化学物质的工作完成之后,标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热,通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度,空气成分和加温时间,该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中,门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分,晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动,通过对门电压的控制,电子的流动被严格控制,而不论输入输出端口电压的大小。

准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果,而且在光刻蚀过程结束之后,能够通过化学方法将其溶解并除去。

这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤。许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道CPU里面最重要的东西就是晶体管了,提高CPU的速度,最重要的一点说白了就是如何在相同的CPU面积里面放进去更加多的晶体管,由于CPU实在太小,太精密,里面组成了数目相当多的晶体管,所以人手是绝对不可能完成的,只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么一块CPU里面为什么可以数量如此之多的晶体管。

光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕,由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格,需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量,而且制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步(每一步进行一层刻蚀)。而且每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话,可以和整个纽约市外加郊区范围的地图相比,甚至还要复杂,试想一下,把整个纽约地图缩小到实际面积大小只有100个平方毫米的芯片上,那么这个芯片的结构有多么复杂,可想而知了吧。

当这些刻蚀工作全部完成之后,晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上,然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质,而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。

● 掺杂

在残留的感光层物质被去除之后,剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层。这一步之后,另一个二氧化硅层制作完成。然后,加入另一个带有感光层的多晶硅层。多晶硅是门电路的另一种类型。由于此处使用到了金属原料(因此称作金属氧化物半导体),多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀。再经过一部刻蚀,所需的全部门电路就已经基本成型了。然后,要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击,此处的目的是生成N沟道或P沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接,没个晶体管都有输入端和输出端,两端之间被称作端口。

● 重复这一过程

从这一步起,你将持续添加层级,加入一个二氧化硅层,然后光刻一次。重复这些步骤,然后就出现了一个多层立体架构,这就是你目前使用的处理器的萌芽状态了。在每层之间采用金属涂膜的技术进行层间的导电连接。今天的P4处理器采用了7层金属连接,而Athlon64使用了9层,所使用的层数取决于最初的版图设计,并不直接代表着最终产品的性能差异。

● 测试,测试,测试...

接下来的几个星期就需要对晶圆进行一关接一关的测试,包括检测晶圆的电学特性,看是否有逻辑错误,如果有,是在哪一层出现的等等。而后,晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要。

而后,整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元。在最初测试中,那些检测不合格的单元将被遗弃。这些被切割下来的芯片单元将被采用某种方式进行封装,这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了。大多数intel和AMD的处理器都会被覆盖一个散热层。在处理器成品完成之后,还要进行全方位的芯片功能检测。这一部会产生不同等级的产品,一些芯片的运行频率相对较高,于是打上高频率产品的名称和编号,而那些运行频率相对较低的芯片则加以改造,打上其它的低频率型号。这就是不同市场定位的处理器。而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处。比如它在缓存功能上有缺陷(这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪),那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量,降低了性能,当然也就降低了产品的售价,这就是Celeron和Sempron的由来。

在CPU的包装过程完成之后,许多产品还要再进行一次测试来确保先前的制作过程无一疏漏,且产品完全遵照规格所述,没有偏差。

CPU的起源可以一直追溯到1971年。在那一年,当时还处在起步阶段的Intel公司推出了世界上第一颗微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器,也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器!

4004含有2300个晶体管,功能相当有限,而且速度还很慢,当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户对此不屑一顾。但它毕竟是划时代的产品,从此以后,INTEL便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说,CPU的历史发展历程一定意义上也就是Intel公司x86系列CPU的发展历程。

1974年,英特尔公司又在8008的基础上研制出了8080处理器、拥有16位地址总线和8位数据总线,包含7个8位寄存器(A,B,C,D,E,F,G,其中BC,DE,HL组合可组成16位数据寄存器),支持16位内存,同时它也包含一些输入输出端口,这是一个相当成功的设计,还有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。

1978年,Intel公司再次领导潮流,首次生产出16位的微处理器,并命名为i8086,同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集,但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等的数学计算指令。

1979年,英特尔公司又开发出了8088。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输,所以都称为16位微处理器,但8086每周期能传送或接收16位数据,而8088每周期只采用8位。因为最初的大部分设备和芯片是8位的,而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。

8086和8088问世后不久,英特尔公司就开始对他们进行改进,他们将更多功能集成在芯片上,这样就诞生了80186和80188。这两款微处理器内部均以16位工作,在外部输入输出上80186采用16位,而80188和8088一样是采用8位工作。

1981年,美国IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中,从而开创了全新的微机时代。也正是从8088开始,个人电脑(PC)的概念开始在全世界范围内发展起来。从8088应用到IBM PC机上开始,个人电脑真正走进了人们的工作和生活之中,它也标志着一个新时代的开始。

1982年,英特尔公司在8086的基础上,研制出了80286微处理器,该微处理器的最大主频为20MHz,内、外部数据传输均为16位,使用24位内存储器的寻址,内存寻址能力为16MB。

8086~80286这个时代是个人电脑起步的时代,当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少,它在人们心中是一个神秘的东西。到九十年代初,国内才开始普及计算机。

1985年春天的时候,英特尔公司已经成为了第一流的芯片公司,它决心全力开发新一代的32位核心的CPU—80386。Intel给80386设计了三个技术要点:使用“类286”结构,开发80387微处理器增强浮点运算能力,开发高速缓存解决内存速度瓶颈。

1985年10月17日,英特尔划时代的产品——80386DX正式发布了,其内部包含27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz,最后还有少量的40MHz产品。由于32位微处理器的强大运算能力,PC的应用扩展到很多的领域,如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐。80386使32位CPU成为了PC工业的标准。

1989年,我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。这款经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限,集成了120万个晶体管,使用1微米的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。

随着芯片技术的不断发展,CPU的频率越来越快,而PC机外部设备受工艺限制,能够承受的工作频率有限,这就阻碍了CPU主频的进一步提高。在这种情况下,出现了CPU倍频技术,该技术使CPU内部工作频率为微处理器外频的2~3倍,486 DX2、486 DX4的名字便是由此而来。

1993年,全面超越486的新一代586 CPU问世,为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰,英特尔公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86微处理器来对付芯片巨人,但是由于奔腾微处理器的性能最佳,英特尔逐渐占据了大部分市场。

为了提高电脑在多媒体、3D图形方面的应用能力,许多新指令集应运而生,其中最著名的三种便是英特尔的MMX、SSE和AMD的3D NOW!。 MMX(MultiMedia Extensions,多媒体扩展指令集)是英特尔于1996年发明的一项多媒体指令增强技术,包括57条多媒体指令,这些指令可以一次处理多个数据,MMX技术在软件的配合下,就可以得到更好的性能。

多能奔腾(Pentium MMX)的正式名称就是“带有MMX技术的Pentium”,是在1996年底发布的。从多能奔腾开始,英特尔就对其生产的CPU开始锁倍频了,但是MMX的CPU超外频能力特别强,而且还可以通过提高核心电压来超倍频,所以那个时候超频是一个很时髦的行动。超频这个词语也是从那个时候开始流行的。

对于一个CPU来说,性能是否强大是它能否在市场上生存下去的第一要素,那么CPU的性能是由哪些因素决定的呢?下面就列出影响CPU性能的主要技术指标:

主频

CPU的主频,即CPU内核工作的时钟频率(CPU Clock Speed)。通常所说的某某CPU是多少兆赫的,而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。很多人认为CPU的主频就是其运行速度,其实不然。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度,与CPU实际的运算能力并没有直接关系。主频和实际的运算速度存在一定的关系,但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系,因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标(缓存、指令集,CPU的位数等等)。由于主频并不直接代表运算速度,所以在一定情况下,很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。比如AMD公司的AthlonXP系列CPU大多都能以较低的主频,达到英特尔公司的Pentium 4系列CPU较高主频的CPU性能,所以AthlonXP系列CPU才以PR值的方式来命名。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面,而不代表CPU的整体性能。

CPU的主频不代表CPU的速度,但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。举个例子来说,假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令,那么当CPU运行在100MHz主频时,将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半,也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半,自然运算速度也就快了一倍。只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度,还与其它各分系统的运行情况有关,只有在提高主频的同时,各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后,电脑整体的运行速度才能真正得到提高。

提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。由于CPU是在半导体硅片上制造的,在硅片上的元件之间需要导线进行联接,由于在高频状态下要求导线越细越短越好,这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。因此制造工艺的限制,是CPU主频发展的最大障碍之一。

前端总线

总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说,就是多个部件间的公共连线,用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。总线的种类很多,前端总线的英文名字是Front Side Bus,通常用FSB表示,是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。

北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件,并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线(FSB)连接到北桥芯片,进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道,因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大,如果没足够快的前端总线,再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率,即数据带宽=(总线频率×数据位宽)÷8。

目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种,前端总线频率越大,代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大,更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快,运算速度提高很快,而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU,较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU,这样就限制了CPU性能得发挥,成为系统瓶颈。

外频

外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率,单位是MHz(兆赫兹)。在早期的电脑中,内存与主板之间的同步运行的速度等于外频,在这种方式下,可以理解为CPU外频直接与内存相连通,实现两者间的同步运行状态。对于目前的计算机系统来说,两者完全可以不相同,但是外频的意义仍然存在,计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上,乘以一定的倍数来实现,这个倍数可以是大于1的,也可以是小于1的。

说到处理器外频,就要提到与之密切相关的两个概念:倍频与主频,主频就是CPU的时钟频率;倍频即主频与外频之比的倍数。主频、外频、倍频,其关系式:主频=外频×倍频。

倍频

CPU的倍频,全称是倍频系数。CPU的核心工作频率与外频之间存在着一个比值关系,这个比值就是倍频系数,简称倍频。理论上倍频是从1.5一直到无限的,但需要注意的是,倍频是以0.5为一个间隔单位。外频与倍频相乘就是主频,所以其中任何一项提高都可以使CPU的主频上升。

原先并没有倍频概念,CPU的主频和系统总线的速度是一样的,但CPU的速度越来越快,倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上,而CPU速度可以通过倍频来无限提升。那么CPU主频的计算方式变为:主频 = 外频 x 倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数,当外频不变时,提高倍频,CPU主频也就越高。

外频与前端总线频率的区别:前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度,更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的,也就是说,100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次,它更多的影响了PCI及其他总线的频率。之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆,主要的原因是在以前的很长一段时间里(主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时),前端总线频率与外频是相同的,因此往往直接称前端总线为外频,最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展,人们发现前端总线频率需要高于外频,因此采用了QDR(Quad Date Rate)技术,或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X,它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高,从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。

缓存

CPU缓存(Cache Memory)位于CPU与内存之间的临时存储器,它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分,但这一小部分是短时间内CPU即将访问的,当CPU调用大量数据时,就可避开内存直接从缓存中调用,从而加快读取速度。由此可见,在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统了。缓存对CPU的性能影响很大,主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的。

最早先的CPU缓存是个整体的,而且容量很低,英特尔公司从Pentium时代开始把缓存进行了分类。当时集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求,而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量。因此出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存,此时就把 CPU内核集成的缓存称为一级缓存,而外部的称为二级缓存。一级缓存中还分数据缓存(Data Cache,D-Cache)和指令缓存(Instruction Cache,I-Cache)。二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令,而且两者可以同时被CPU访问,减少了争用Cache所造成的冲突,提高了处理器效能。

核心类型

核心(Die)又称为内核,是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心,是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的,CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构,一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。

为了便于CPU设计、生产、销售的管理,CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号,这也就是所谓的CPU核心类型。

不同的CPU(不同系列或同一系列)都会有不同的核心类型(例如Pentium 4的Northwood,Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等等),甚至同一种核心都会有不同版本的类型(例如Northwood核心就分为B0和C1等版本),核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误,并提升一定的性能,而这些变化普通消费者是很少去注意的。一般说来,新的核心类型往往比老的核心类型具有更好的性能。因此,核心类型在某种程度上决定了CPU的工作性能。

制作工艺

通常我们所说的CPU的“制作工艺”指得是在生产CPU过程中,要进行加工各种电路和电子元件,制造导线连接各个元器件。通常其生产的精度以微米(长度单位,1微米等于千分之一毫米)来表示,未来有向纳米(1纳米等于千分之一微米)发展的趋势,精度越高,生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件,连接线也越细,提高CPU的集成度,CPU的功耗也越小。

制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的IC电路设计,意味着在同样大小面积的IC中,可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。微电子技术的发展与进步,主要是靠工艺技术的不断改进,使得器件的特征尺寸不断缩小,从而集成度不断提高,功耗降低,器件性能得到提高。芯片制造工艺在1995年以后,从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.09微米,而0.065微米(65纳米)的制造工艺将是下一代CPU的发展目标。

封装技术

所谓“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例,我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌,而是CPU内核等元件经过封装后的产品。

封装对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于很多集成电路产品而言,封装技术都是非常关键的一环。

超线程技术

超线程技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源,理论上要像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程,P4处理器需要多加入一个Logical CPU Pointer(逻辑处理单元)。因此新一代的P4 HT的die的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU(整数运算单元)、FPU(浮点运算单元)、L2 Cache(二级缓存)则保持不变,这些部分是被分享的。

虽然采用超线程技术能同时执行两个线程,但它并不象两个真正的CPU那样,每各CPU都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时,其中一个要暂时停止,并让出资源,直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。

需要注意的是,含有超线程技术的CPU需要芯片组、软件支持,才能比较理想的发挥该项技术的优势。

双核心类型

在2005年以前,主频一直是两大处理器巨头Intel和AMD争相追逐的焦点。而且处理器主频也在Intel和AMD的推动下达到了一个又一个的高峰就在处理器主频提升速度的同时,也发现在目前的情况下,单纯主频的提升已经无法为系统整体性能的提升带来明显的好处,并且高主频带来了处理器巨大的发热量,更为不利是Intel和AMD两家在处理器主频提升上已经有些力不从心了。在这种情况下,Intel和AMD都不约而同地将投向了多核心的发展方向在不用进行大规模开发的情况下将现有产品发展成为理论性能更为强大的多核心处理器系统,无疑是相当明智的选择。

双核处理器就基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心,即是将两个物理处理器核心整合入一个内核中。事实上,双核架构并不是什么新技术,不过此前双核心处理器一直是服务器的专利,现在已经开始普及之中。

64位技术

这里的64位技术是相对于32位而言的,这个位数指的是CPU GPRs(General-Purpose Registers,通用寄存器)的数据宽度为64位,CPU在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。64位指令集就是运行64位数据的指令,也就是说处理器一次可以运行64bit数据。64bit计算主要有两大优点:可以进行更大范围的整数运算;可以支持更大的内存。

 

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