處理器史話 | 摩爾定律失效后，硅芯片將何去何從？

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眾所周知，微處理器（CPU）在現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備里是核心，是大腦，但是對(duì)于大多人來說，CPU 只不過就是一個(gè)名詞、一個(gè)符號(hào)或者代表著某一項(xiàng)參數(shù)，是名副其實(shí)的“幕后”英雄。雖然在本文中陸續(xù)展示了點(diǎn)滴的代表性產(chǎn)品、與之相關(guān)的重要人物及其事跡，但是更多的無名英雄，依舊是很少被人認(rèn)知贊美的。

回顧歷史，1971 年 11 月 15 日，全球第一款微處理器“Intel 4004”從 Intel 公司誕生，時(shí)至今日已走過 45 年的歲月，它改變了人類的思維方式、生活方式和提升了工作效率和生活品質(zhì)，那么將來的發(fā)展趨勢(shì)如何呢？

在解答這個(gè)問題之前，首先瀏覽下面的畫卷。

1. 圖解 CPU 發(fā)展史簡(jiǎn)
由圖可見，經(jīng)過了以上 40 多年的發(fā)展，如今，CPU 就象一匹脫韁的野馬，正以異乎尋常的速度向前發(fā)展，在大大小小的媒體上，市場(chǎng)充斥著與之相關(guān)的聲音：頻率提升、功耗降低、新品發(fā)布、人機(jī)大戰(zhàn)、操作系統(tǒng)的升級(jí)等等。如果說顯卡、聲卡的更新是技術(shù)上的創(chuàng)新，那么 CPU 的升級(jí)換代就是技術(shù)上的革命！

因此，不禁要問 CPU 將來的發(fā)展方向是什么？到底能夠跑多快？它的發(fā)展還會(huì)帶給人們哪些變革？或許下面的內(nèi)容會(huì)給出一些答案！

2. 總趨勢(shì)分析
在最初研發(fā) CPU 的時(shí)候，人們就對(duì)其寄予厚望，要求微處理器要具備如下的要素：體積小重量輕、可靠性高、價(jià)格低廉、應(yīng)用面廣泛的特點(diǎn)。可以說現(xiàn)在的 CPU 都符合這些要求，所以要想更貼切的把握 CPU 的發(fā)展趨勢(shì)，有必要對(duì) CPU 的各個(gè)方面做一個(gè)比較全面的分析。

縱觀 CPU 的發(fā)展史，可以概括為如下：

(1) 位數(shù)越來越大
早期 CPU 和現(xiàn)在的 CPU 的一個(gè)重要的差別就是位數(shù)的巨大差異。CPU 位數(shù)的發(fā)展歷程如下：
4 位：Intel 4004；
8 位：Intel 8080/8085、Motorola6800/6802、ROCKWELL6502；
16 位：Intel 8086/8088、Motorola 68000；
32 位：Intel 80386/80486；
64 位：Intel Itanium 和 AMD K8。

有些古董級(jí)位數(shù)的 CPU，估計(jì)有些人是見所未見的，更不必說使用過了，比如想要見識(shí) 4004 的身影，恐怕只能去博物館或者翻翻地下室、閣樓的抽屜，也許拆開一些比較老的便攜式計(jì)算器，會(huì)有所收獲的。

從上面的數(shù)據(jù)來看，CPU 位數(shù)增高是一個(gè)必然趨勢(shì)，那么為什么要增高 CPU 的位數(shù)呢？增高位數(shù)到底有哪些好處呢？

首先回答第一個(gè)問題：CPU 要處理更多更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，這就需要提高 CPU 的數(shù)據(jù)帶寬。

解決這個(gè)問題，目前只有兩種行之有效的辦法：
其一、提高 CPU I/O 端口的頻率。
其二、加大 CPU 數(shù)據(jù)傳輸端口的寬度。

就第一種辦法而言，無疑是兩種做法中最簡(jiǎn)單的。但是提高頻率便要對(duì)生產(chǎn)技術(shù)提高多個(gè)數(shù)量等級(jí)，而這無疑又增加生產(chǎn)成本和延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。那么如果采用第二種方法會(huì)如何呢？

采用后者看起來就好多了：CPU I/O 接口帶寬增加處理的數(shù)據(jù)隨之增多，多個(gè)周期內(nèi)可完成的任務(wù)在一個(gè)周期就可以完成了！

這個(gè)答案是顯而易見的，如果二者兼顧，那么則更加完美了！

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(2) 封裝越來越小
對(duì)于用戶而言，對(duì) CPU 使用什么封裝技術(shù)并不在意，因?yàn)殛P(guān)注的重點(diǎn)在于新品 CPU 的接口形式，比如大家都很喜歡小巧的、使用靈活的接口，這是常識(shí)：畢竟體積小，所占空間就??；用手指可以直接完成的安裝，比借助工具來完成的更加方便。

在過去，大多數(shù)人已經(jīng)對(duì)頻繁變更 CPU 的接口形式所帶來的額外投入感到厭煩。其實(shí)封裝正是在促使 CPU 接口轉(zhuǎn)型的重要原因之一。最為典型的例子就是賽楊從 SOLT1 到 SOCKET370 的轉(zhuǎn)型了。在轉(zhuǎn)型 PPGA 封裝的賽楊后去除了沒有多大必要的 PCB 板，有效的減少了成本。還有一個(gè)更重要的原因就是采用 PPGA 封裝制造，賽楊可以使制造難度下降一個(gè)等級(jí)。

所以說封裝小型化，將是未來 CPU 封裝的主導(dǎo)思想！當(dāng)然小型化的實(shí)現(xiàn)，離不開高度集成，高度集成是工藝改進(jìn)的必然結(jié)果。

(3) 速度越來越快
一直以來，大家最關(guān)心的恐怕就要數(shù) CPU 的速度了。速度的大小標(biāo)志著 CPU 運(yùn)算能力的高低。

自從 1971 年 Intel4004，頻率只有 1MHz，而 2001 年的 P4 頻率高達(dá) 2.0G，2008 年的 Core i7 最低主頻是 2.8GHz，2016 年的最新 CPU，主頻高達(dá) 3.0G，的在 45 年間，頻率居然增長(zhǎng)了 3000 倍。

速度提升了，運(yùn)算能力自然大大提升，帶給人們的感受也是有目共睹的。不過雖然速度是提高 CPU 性能的法寶之一，但是單憑無止境的提速是很難使 CPU 有一個(gè)質(zhì)的飛躍的。不過工藝的發(fā)展證明：對(duì) CPU 而言速度是重要的，但它并不是萬(wàn)能的！

(4) CACHE 越來越小
CACHE 一直是 CPU 中不可低估的元素。那么 CACHE 究竟是怎樣工作的呢？首先主存當(dāng)中保存著所有要用的數(shù)據(jù)，而 CACHE 中保存著的部分?jǐn)?shù)據(jù)是主存中數(shù)據(jù)的副本。

當(dāng) CPU 訪問主存時(shí)，首先檢查 CACHE。

如果要存取的數(shù)據(jù)已經(jīng)在 CACHE 中，CPU 就可以很快的完成訪問，稱作“命中”。反之，如果數(shù)據(jù)不在 CACHE 中 CPU 就必須從主存中提取。

看來 CACHE 可以有效的增加 CPU 讀取數(shù)據(jù)的速度，那么為何不把主存當(dāng)中的所有數(shù)據(jù)都放入如 CACHE 中呢？換句話說，就是為什么不增大 CACHE 的容量來多容納一些數(shù)據(jù)呢？
其實(shí)答案很簡(jiǎn)單，這就關(guān)系到上面所說的命中的問題。CACHE 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不但是主存中的副本而且是隨機(jī)性的數(shù)據(jù)。這就是說即便 CACHE 里面有數(shù)據(jù)也不一定是 CPU 要訪問的。如果 CACHE 很大 CPU 在里面又尋找不到所需要的數(shù)據(jù)，就造成了未命中的情況?？梢哉f這一段時(shí)間就白白浪費(fèi)了。

既然如此，如果使用小容量 CACHE 會(huì)如何呢？結(jié)果是這樣的：
即便是沒有找到所需要的數(shù)據(jù)，尋找數(shù)據(jù)浪費(fèi)的時(shí)間也要比大 CACHE 少得多。但是可能大家也注意到了，使用小 CACHE 的話 CPU 的命中率會(huì)大大降低。因此可以得出如下的結(jié)論：CACHE 不是越大越好。所以說大 CACHE 并不是未來 CPU 緩存的發(fā)展方向。

補(bǔ)充一點(diǎn)：實(shí)際上 CPU 的性能和 CACHE 的大小是呈負(fù)指數(shù)二項(xiàng)式增長(zhǎng)。這就是說當(dāng) CPU 的 CACHE 的大小到達(dá)一定的水平后，如果不及時(shí)更新 CACHE 搜索算法和 CACHE 的輪換算法，CPU 性能將沒有本質(zhì)上的提高！

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(5) 制作工藝尺寸越來越小
CPU 的“制作工藝”指的是在生產(chǎn) CPU 過程中，要進(jìn)行加工各種電路和電子元件，精度越高，生產(chǎn)工藝越先進(jìn)。在同樣的材料中可以制造更多的電子元件，連接線也越細(xì)，提高 CPU 的集成度，CPU 的功耗也越小。

制造工藝的“微米”和“納米”是指 IC 內(nèi)電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢(shì)是向密集度愈高的方向發(fā)展。密度愈高的 IC 電路設(shè)計(jì)，意味著在同樣大小面積的 IC 中，可以擁有密度更高、功能更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。微電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，主要是靠工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，使得器件的特征尺寸不斷縮小，從而集成度不斷提高，功耗降低，器件性能得到提高。

芯片制造工藝在 1995 年以后，從 0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm，22nm，一直發(fā)展到目前最新的 14nm。

可以說，現(xiàn)在 CPU 的制作工藝，已經(jīng)從無“微”不至，到了“無納諸侯”的境界了！

(6) 電壓和功耗越來越低
從 CPU 發(fā)展歷史來看，這個(gè)結(jié)論是顯而易見的，而且是將來的發(fā)展方向。
當(dāng)然電壓、功耗是和生產(chǎn)工藝及集成度密切相關(guān)的?；叵氲谝慌_(tái)計(jì)算機(jī)問世時(shí)的情形：體積龐大，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的管件堆置在一起；有一個(gè)專門發(fā)電單元為之發(fā)電；散發(fā)出的熱量使它所在的房屋，變成了一個(gè)大烤爐。即便是這樣其運(yùn)算能力也沒有現(xiàn)今手頭上的便攜式的計(jì)算器強(qiáng)。

低頭看一下現(xiàn)在手里的筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)，即便是 10 幾年前的“老爺機(jī)”：1GHz 的功耗也只有 54W，這點(diǎn)兒熱量，“取暖”都是問題，更不必說“烤爐”了。能源短缺是人類面臨的重要問題，新一代 CPU 在這方面已經(jīng)為人類起了典范的作用！功耗下降了，自然就不需要很大的電壓了。在計(jì)算機(jī) CPU 芯片小型化以后，使用過的最高電壓是 5V。

然后，這種降壓的趨勢(shì)一直延續(xù)了下來：5V?1.65V(賽楊 2)? 1.3V (C3)。

雖然下降的幅度不算是很大，但是要知道 1.X 伏特的電壓已經(jīng)是很小了。即便是再有下降的空間，這樣的空間也不算是很大了。所以說就是只下降了 0.05V 也是一個(gè)重大的進(jìn)步！

對(duì)于臺(tái)式機(jī)和便攜式機(jī)而言，省電、低耗、超低電壓的 CPU 必將成為它們的首選！

(7) RISC 指令結(jié)構(gòu)當(dāng)?shù)?br /> 關(guān)于這一點(diǎn)，先從 RISC 指令結(jié)構(gòu)和 X86 指令集說起。

在 1978 年 Intel 公司推出了代號(hào)為 8086 的 16 位處理器，與此同時(shí)還推出了一款代號(hào)為 8087 的數(shù)學(xué)協(xié)處理器。因?yàn)楫?dāng)時(shí)這兩種芯片在指令集上相互兼容，所以人們將其統(tǒng)稱為 X86 指令集。

隨著時(shí)代的發(fā)展 Intel 陸續(xù)推出了更新型號(hào)的 CPU，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是仍然兼容原來的 X86 指令集。所以在 Intel 的后續(xù)產(chǎn)品上，就看到了諸如以 286、386、486、586 等以 X86 形式命名的 CPU 產(chǎn)品。但是當(dāng) AMD 的 K8 出現(xiàn)時(shí)，則表明 X86 已經(jīng)是夕陽(yáng)西下了，RISC 處理器隆重登場(chǎng)。

RISC 優(yōu)越的性能完全得益于短指令：因?yàn)?RISC 處理器所處理的都是等長(zhǎng)的短指令，這樣一來就大大簡(jiǎn)化了解碼器的設(shè)計(jì)，省去了許多微碼結(jié)構(gòu)。同時(shí) RISC 極大的簡(jiǎn)化了每一個(gè)時(shí)鐘周期的任務(wù)，這樣一來由于每一個(gè)時(shí)鐘周期所要完成的任務(wù)相對(duì)較少，它就可以盡量縮短時(shí)鐘的脈沖間隔，從而提高 CPU 工作頻率。

所以在同等的制造技術(shù)下，它的時(shí)鐘頻率就高于 CISC 處理器。RISC 處理器的性能之所以高人一籌就是基于以上的原因。

摩爾定律，讓科學(xué)家和工程師們可以預(yù)料到未來 CPU 發(fā)展的大致情況。毫無疑問，高性能、低能耗、高速度和低成本是未來的發(fā)展方向。

3. 摩爾定律失效后，硅芯片將何去何從？
摩爾定律自從 1965 年提出以來，該定律一直生效。不過近年來業(yè)界一直預(yù)測(cè)該定律即將失效。早在 2000 年，《麻省理工科技評(píng)論》就硅技術(shù)在大小和速度上的極限提出了警告。

目前，全球半導(dǎo)體行業(yè)，不再基于每?jī)赡陮?shí)現(xiàn)性能翻倍的概念來制定硅芯片研發(fā)計(jì)劃，原因是成本問題：無力承擔(dān)跟上性能提升步伐所需購(gòu)買的超復(fù)雜制造工具和工藝成本。此外，當(dāng)前的制造技術(shù)，可能無法再像原來那樣大幅度縮小硅晶體管。事實(shí)上，晶體管都已經(jīng)變得非常微小了，以至于可能無法遵循通常的物理定律，那么，是否意味著科技驅(qū)動(dòng)的指數(shù)級(jí)變化時(shí)代即將走到盡頭了嗎？

回答是：不。

即便硅芯片正在接近物理和經(jīng)濟(jì)成本上的極限，也還有其它的方法繼續(xù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算性能的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，比如：采用新材料來打造芯片和以新方式定義計(jì)算本身。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了與晶體管速度無關(guān)的技術(shù)進(jìn)步，如：深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的更加聰明的軟件，以及通過利用云資源實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)計(jì)算能力的技術(shù)。而這只是未來計(jì)算創(chuàng)新的冰山一角。

因此，2016 年福布斯發(fā)布文章稱：即便摩爾定律失效，硅芯片逼近物理和經(jīng)濟(jì)成本上的極限，也還有其它的創(chuàng)新方法和技術(shù)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算性能的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，比如：內(nèi)存中運(yùn)算、量子計(jì)算、分子電子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等等。

以下便是有望驅(qū)動(dòng)計(jì)算性能繼續(xù)飛速增長(zhǎng)的幾項(xiàng)新興技術(shù)：
(1) 內(nèi)存中計(jì)算
縱觀在整個(gè)計(jì)算史，處理最緩慢的一部分就是從硬盤獲取數(shù)據(jù)。很多的處理性能都浪費(fèi)在了等待數(shù)據(jù)到達(dá)上。相比之下，內(nèi)存中計(jì)算則將大量的數(shù)據(jù)放在 RAM，使得數(shù)據(jù)可以馬上在 RAM 中進(jìn)行處理。結(jié)合新型的數(shù)據(jù)庫(kù)、分析技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它能夠大大提升性能和整體成本。

所以“吃掉”RAM，也許是 CPU 的趨勢(shì)之一。

(2) 基于石墨烯的微芯片
石墨烯為一個(gè)分子那么厚，導(dǎo)電性能比任何其它人類已知的材料都要強(qiáng)。它能夠卷入到微小的管子中，也能夠結(jié)合其它材料使用，能夠在更小的空間里驅(qū)動(dòng)電子以更快的速度運(yùn)動(dòng)。它在這方面甚至要?jiǎng)龠^最下的硅晶體管。這將會(huì)將針對(duì)微處理器的摩爾定律的適用時(shí)間再延長(zhǎng)幾年。

石墨烯的分子結(jié)構(gòu)圖

(3) 量子計(jì)算
普通計(jì)算機(jī)中的 2 位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ) 4 個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的 2 位量子位（qubit）寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四個(gè)數(shù)，因?yàn)槊恳粋€(gè)量子比特可表示兩個(gè)值。

理論上，量子計(jì)算機(jī)將能夠以數(shù)百萬(wàn)倍于當(dāng)前技術(shù)的速度解決各類非常復(fù)雜的問題，如分析基因數(shù)據(jù)或者測(cè)試飛機(jī)系統(tǒng)。谷歌研究人員去年宣布，他們已經(jīng)開發(fā)了一種新的量子比特方式來檢測(cè)和防范錯(cuò)誤。

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(4) 分子電子學(xué)
瑞典隆德大學(xué)研究人員利用納米技術(shù)打造了“生物計(jì)算機(jī)”，通過沿著納米觀人工路徑同時(shí)移動(dòng)多個(gè)蛋白絲，該款計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行平行計(jì)算。

這種生物計(jì)算機(jī)比循序運(yùn)行的傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)更加快速，且節(jié)能 99%，制造和使用成本也低于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)。它進(jìn)行商用的時(shí)間可能也將早于量子計(jì)算機(jī)。

(5) DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 base 4，你就可以將它編碼到合成 DNA 上。

為什么要那么做呢？

DNA 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模型圖

很簡(jiǎn)單：一點(diǎn)點(diǎn) DNA 就可以存儲(chǔ)一大堆數(shù)據(jù)。事實(shí)上，有瑞士研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)，一個(gè)茶匙的 DNA 可以容納人類迄今為止所產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，從最早期的洞穴壁畫，再到昨天的 Facebook 動(dòng)態(tài)更新。

這種技術(shù)目前需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金，不過基因編輯或許是大數(shù)據(jù)的未來：Futurism 最近報(bào)道稱，微軟正在研究利用合成 DNA 來進(jìn)行安全的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，已經(jīng)能夠編碼和恢復(fù) 100%的初始測(cè)試數(shù)據(jù)。

(6) 神經(jīng)形態(tài)計(jì)算
神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)的目標(biāo)是，打造一款像人腦那樣的計(jì)算機(jī)——處理和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的速度能夠跟生成數(shù)據(jù)一樣快速。

到目前為止，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出能夠通過訓(xùn)練和執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的芯片，那是往正確方向邁出的一步。例如：General Vision 的神經(jīng)形態(tài)芯片包含 1024 個(gè)神經(jīng)元，每一個(gè)都是基于 SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）的 256 字節(jié)存儲(chǔ)器，且有 3000 個(gè)邏輯閘，所有的神經(jīng)元都互相連接，平行運(yùn)行。

(7) 無源 Wi-Fi（Passive Wi-fi）
華盛頓大學(xué)的一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家和電氣工程師團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種耗能比目前的電耗標(biāo)準(zhǔn)少 1 萬(wàn)倍的 Wi-Fi 傳輸生成方式。雖然這嚴(yán)格來說不算是計(jì)算性能的提升，但它是網(wǎng)絡(luò)連接性的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，將會(huì)使能其它技術(shù)的進(jìn)步。

無源 Wi-Fi 被《麻省理工科技評(píng)論》列入 2016 年的十大突破性技術(shù)，它將不僅僅可以節(jié)省電耗，還能夠使能最低耗能的物聯(lián)網(wǎng)，讓更多之前非常耗電的設(shè)備第一次能夠通過 Wi-Fi 連接網(wǎng)絡(luò)，還有可能會(huì)催生新型的通訊方式。

……
一路走來，雖然我們可能在接近硅芯片的性能極限，但技術(shù)本身同時(shí)正在加速發(fā)展，要阻止它成為現(xiàn)代生活的驅(qū)動(dòng)力是不大可能的。隨著新計(jì)算技術(shù)推動(dòng)機(jī)器人、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、納米技術(shù)以及其它震驚世界的進(jìn)步超越當(dāng)前被公認(rèn)的極限，它的影響力將只會(huì)有增無減。

簡(jiǎn)單來說，計(jì)算的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，或許無法永遠(yuǎn)持續(xù)下去，但它的盡頭仍比我們想象的要遙遠(yuǎn)得多。

到這里，不妨思考一下：在不久的將來，如果上述的技術(shù)被成功用于硅芯片的設(shè)計(jì)，那么將來的處理器將會(huì)是什么樣子？

請(qǐng)讀者腦補(bǔ)一下吧！

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