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标题: More Than Moore之升维革命 [打印本页]
作者: 芯片制程趋势 时间: 2022-2-26 20:59
标题: More Than Moore之升维革命
本帖最后由 芯片制程趋势 于 2022-2-26 21:00 编辑
摩尔定律在几十年间是半导体行业发展的纲领。摩尔定律指出半导体工艺特征尺寸每18个月缩小一半的升级速度能够很好地平衡工艺升级的收益与风险。随着特征尺寸缩小，拥有相同晶体管数目的芯片的生产成本大大降低，而且同时晶体管的性能也随着特征尺寸缩小而提升。这使得半导体厂商有动力去不断缩小特征尺寸。处理器芯片是从摩尔定律受益最大的芯片，每一次工艺制程进化都会极大地提升处理器芯片的性能，如今我们手里使用iphone的处理器性能已经相当于30年前的超级计算机Cray-2，但iphone的功耗仅仅相当于Cray-2的十万分之一。
在2005年前，PC处理器性能提升的方法是提升主频。处理器中使用流水线（pipeline）技术处理指令，在理想的情况下每一个时钟周期都能完成一条指令。随着工艺特征尺寸缩小，晶体管性能提升，处理器可以工作在更高的主频，因此处理器的性能突飞猛进。在30年间，PC处理器的时钟频率大约每三年便提升一倍，但是这种简单粗暴的模式到2005年左右遇到了瓶颈。第一个问题是过高的功耗，因为处理器内的数字逻辑晶体管每次充放电都需要消耗一定的能量。随着时钟频率快速提升，晶体管充放电频率也随之增长，处理器功耗飞快地攀升，随之而来的是散热问题，一块手指甲大小的处理器竟然能散发100W的功率！第二个问题是内存瓶颈。为了能工作在3.6 GHz，处理器引入了深度流水线（>30级），相当于把一条指令分解成很多个子任务，而流水线的每一级都完成自己的子任务。举例来说，我们可以把本来需要n个周期才能完成的指令分解成n个子任务并且分配给n级流水线。在理想情况下，流水线的每一级每一个时钟周期都能完成一件子任务（如图1）。如果任务源源不断地输入流水线且流水线没有停顿，那么平均流水线完成n条指令只需要n个周期。如果不使用流水线，那么完成n条指令需要 n^2 个时钟周期！由此可见使用流水线在理想情况下可以大大地提升处理器的处理效率。举个例子，使用流水线执行5条指令，5条指令耗时5个周期，加上初始化用来填满流水线的4个周期，总共耗时9个周期，如果不使用流水线时执行这样的5条指令，就需要25个时钟周期。