CPU的發(fā)展趨勢(shì)概述

CPU的發(fā)展趨勢(shì)CPU的發(fā)展趨勢(shì)摘要CPU是計(jì)算機(jī)的核心部件，CPU的性能當(dāng)然能夠體現(xiàn)出現(xiàn)代化社會(huì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展程度。為了能滿足計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的需求，研究人員不斷的對(duì)CPU進(jìn)行更新迭代，來(lái)使CPU的性能得以提高。本文通過(guò)對(duì)CPU發(fā)展歷史的研究，和對(duì)現(xiàn)狀的分析來(lái)對(duì)CPU的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。關(guān)健詞CPU性能發(fā)展歷史發(fā)展趨勢(shì)一、CPU的概述CPU中文名是中央處理器，是計(jì)算機(jī)的核心部位，在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行中主要負(fù)責(zé)對(duì)指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的處理。在CPU的內(nèi)部由上百萬(wàn)個(gè)微型的晶體管共同組成控制單元、邏輯單元和存儲(chǔ)單元。CPU在計(jì)算機(jī)中主要的功能有以下四個(gè)方面：（1）處理指令這是指控制程序中指令的執(zhí)行順序。程序中的各指令之間是有嚴(yán)格順序的，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序執(zhí)行，才能保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的正確性工作。（2）執(zhí)行操作一條指令的功能往往是由計(jì)算機(jī)中的部件執(zhí)行一序列的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。CPU要根據(jù)指令的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，發(fā)給相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。（3）控制時(shí)間時(shí)間控制就是對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)。在一條指令的執(zhí)行過(guò)程中，在什么時(shí)間做什么操作均應(yīng)受到嚴(yán)格的控制。只有這樣，計(jì)算機(jī)才能有條不紊地工作。（4）處理數(shù)據(jù)即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，或進(jìn)行其他的信息處理。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行指令。在微型計(jì)算機(jī)中又稱微處理器，計(jì)算機(jī)的所有操作都受CPU控制，CPU的性能指標(biāo)直接決定了微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。CPU具有以下4個(gè)方面的基本功能：數(shù)據(jù)通信，資源共享，分布式處理，提供系統(tǒng)可靠性。運(yùn)作原理可基本分為四個(gè)階段：提取、解碼、執(zhí)行和寫(xiě)回。二、CPU的發(fā)展歷史1971年。世界上第一塊微處理器4004在Intel公司誕生了。它出現(xiàn)的意義是劃時(shí)代的，比起現(xiàn)在的CPU，4004顯得很可憐，它只有2300個(gè)晶體管，功能相當(dāng)有限，而且速度還很慢。1978年，Intel公司首次生產(chǎn)出16位的微處理器命名為i8086，同時(shí)還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學(xué)協(xié)處理器i8087，這兩種芯片使用相互兼容的指令集。由于這些指令集應(yīng)用于i8086和i8087，所以人們也把這些指令集統(tǒng)一稱之為X86指令集。這就是X86指令集的來(lái)歷。1979年，Intel公司推出了8088芯片，它是第一塊成功用于個(gè)人電腦的CPU。它仍舊是屬于16位微處理器，內(nèi)含29000個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為4.77MHz，地址總線為20位，尋址范圍僅僅是1MB內(nèi)存。8088內(nèi)部數(shù)據(jù)總線都是16位，外部數(shù)據(jù)總線是8位，而它的兄弟8086是16位，這樣做只是為了方便計(jì)算機(jī)制造商設(shè)計(jì)主板。1981年8088芯片首次用于IBMPC機(jī)中，開(kāi)創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代。1982年，Intel推出80286芯片，它比8086和8088都有了飛躍的發(fā)展，雖然它仍舊是16位結(jié)構(gòu)，但在CPU的內(nèi)部集成了13.4萬(wàn)個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線皆為16位，地址總線24位，可尋址16MB內(nèi)存。80286也是應(yīng)用比較廣泛的一塊CPU。1985年Intel推出了80386芯片，它X86系列中的第一種32位微處理器，而且制造工藝也有了很大的進(jìn)步。80386內(nèi)部?jī)?nèi)含27.5萬(wàn)個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率從12.5MHz發(fā)展到33MHz80386的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位，地址總線也是32位，可尋址高達(dá)4GB內(nèi)存。1989年，Intel推出80486芯片，它的特殊意義在于這塊芯片首次突破了100萬(wàn)個(gè)晶體管的界限，集成了120萬(wàn)個(gè)晶體管。80486是將80386和數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387以及一個(gè)8KB的高速緩存集成在一個(gè)芯片內(nèi)，并且在80X86系列中首次采用了RISC（精簡(jiǎn)指令集）技術(shù)，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。它還采用了突發(fā)總線（Burst）方式，大大提高了與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度。1993年全新一代的高性能處理器Pentium面世。Pentium的時(shí)鐘頻率由最初推出的60MHZ和66MHZ，后提高到200MHZ。最初版本的66MHZ的PENTIUM微處理器，其運(yùn)算性能比33MHZ的80486DX就提高了3倍多，而100MHZ的PENTIUM則比33MHZ的80486DX要快6至8倍。三、CPU性能的主要參數(shù)（1）主頻主頻也叫時(shí)鐘頻率，單位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用來(lái)表示CPU的運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)的速度。通常，主頻越高，CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快。主頻已從最開(kāi)始的108Khz提升到了如今的4Ghz以上。（2）緩存緩存大小是CPU的重要指標(biāo)之一，而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對(duì)CPU速度的影響非常大，CPU內(nèi)緩存的運(yùn)行頻率極高，一般是和處理器同頻運(yùn)作，工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤(pán)。CPU緩存可以分為一級(jí)緩存，二級(jí)緩存，部分高端CPU還具有三級(jí)緩存，每一級(jí)緩存中所儲(chǔ)存的全部數(shù)據(jù)都是下一級(jí)緩存的一部分，這三種緩存的技術(shù)難度和制造成本是相對(duì)遞減的，所以其容量也是相對(duì)遞增的。（3）外頻外頻即CPU的外部時(shí)鐘頻率，主板及CPU標(biāo)準(zhǔn)外頻主要有66MHz、100MHz、133MHz幾種。此外主板可調(diào)的外頻越多、越高越好，特別是對(duì)于超頻者比較有用。（4）倍頻倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。例如AthlonXP2000+的CPU，其外頻為133MHz，所以其倍頻為12.5倍。（5）接口接口指CPU和主板連接的接口。主要有兩類，一類是卡式接口，稱為SLOT，卡式接口的CPU像我們經(jīng)常用的各種擴(kuò)展卡，例如顯卡、聲卡等一樣是豎立插到主板上的，當(dāng)然主板上必須有對(duì)應(yīng)SLOT插槽，這種接口的CPU已被淘汰。另一類是主流的針腳式接口，稱為Socket，Socket接口的CPU有數(shù)百個(gè)針腳，因?yàn)獒樐_數(shù)目不同而稱為Socket370、Socket478、Socket462、Socket423等。整數(shù)處理能力是CPU運(yùn)算速度最重要的體現(xiàn)，但浮點(diǎn)運(yùn)算能力是關(guān)系到CPU的多媒體、3D圖形處理的一個(gè)重要指標(biāo)，所以對(duì)于現(xiàn)代CPU而言浮點(diǎn)單元運(yùn)算能力的強(qiáng)弱更能顯示CPU的性能。四、國(guó)內(nèi)外CPU現(xiàn)狀在2008年由中科院計(jì)算所研制的龍芯3號(hào)芯片成功的推向市場(chǎng)，標(biāo)志著我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)的CPU水平縮小了差距。在目前龍芯系列的推廣主要依靠龍芯2號(hào)產(chǎn)品，同時(shí)也繼續(xù)研發(fā)1號(hào)芯片和2號(hào)芯片，龍芯3號(hào)芯片主要是以64位16核的芯片為主，在目前使用的龍芯1號(hào)芯片和2號(hào)芯片都是單核的形式，所以推廣的龍芯3號(hào)要與現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)處理能力相接軌，直接進(jìn)入到16核芯片設(shè)計(jì)，這標(biāo)志著中國(guó)CPU的跨越式發(fā)展。在國(guó)外最大的CPU制造廠AMD和Intel的實(shí)力非常雄厚，但是都會(huì)遇到技術(shù)上的難題，就是如何提升頻率，頻率作為衡量處理器性能高低的重要因素，高頻率就代表的處理器性能高，所以設(shè)計(jì)者解決完處理器內(nèi)部緩存容量以及數(shù)量等問(wèn)題后，放棄了對(duì)單核處理器的繼續(xù)研發(fā)，在雙核技術(shù)上不斷的找尋新的創(chuàng)新。AMD和Intel在雙核技術(shù)上采用了不同的處理方式，AMD將兩個(gè)內(nèi)核拼湊在一個(gè)Die上，通過(guò)構(gòu)架的連接來(lái)提升內(nèi)部的集成度。而Intel則是采用了兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)核封裝在一起，彼此沒(méi)有任何的支架連接，所以也可以認(rèn)為是雙芯的技術(shù)。在用戶的實(shí)際使用當(dāng)中，AMD的雙核技術(shù)更加被用戶所認(rèn)可，在管腳、功耗等方面跟單核相差不多，而且不需要對(duì)芯片組和主板的更換，升級(jí)為雙核只需要對(duì)BIOS軟件進(jìn)行刷新就能完成，所以也減少了生產(chǎn)商的投資。雖然雙核技術(shù)走在了Intel的設(shè)計(jì)理念的前面，但是到了2012年4月，Intel發(fā)布了IVB處理器，22nmIvyBridge會(huì)將執(zhí)行單元的數(shù)量翻一番，達(dá)到最多24個(gè)，可以最大程度上滿足用戶的需求，同時(shí)在此基礎(chǔ)上加入了DX11的集成顯卡，可以最多提供四個(gè)USB3.0的通道。五、CPU發(fā)展趨勢(shì)在2012年4月英特爾在北京天文館正式發(fā)布了IVB處理器，具有22nmIvyBridge會(huì)將執(zhí)行單元的數(shù)量提升翻倍，在技術(shù)上繼續(xù)采用了3D晶體管，在CPU的制作上依然是根據(jù)摩爾定律來(lái)設(shè)計(jì)的，與此同時(shí)ARM構(gòu)架的CPU也將提升晶體管的技術(shù)，轉(zhuǎn)變成28nm，這無(wú)疑是計(jì)算機(jī)世界新的變革，在計(jì)算機(jī)和移動(dòng)終端上的使用性能都會(huì)有很大的提升。以后CPU可能發(fā)展的趨勢(shì)有以下三個(gè)方面：（1）減小晶體管體積所有的芯片都是由很多的晶體管組成的，在英特爾最新發(fā)布的32nm制程的SandyBridge中的處理器接近有十億個(gè)晶體管組成其系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造，在芯片上晶體管的數(shù)量越多，體積越小，就可以提升其自身的使用性能，但是目前的技術(shù)依然停留在32nm上，所以在以后要突破這個(gè)技術(shù)難關(guān)，創(chuàng)造出新的晶體管結(jié)構(gòu)。（2）降低功耗英特爾在2013年推出一款新的3D晶體管技術(shù)，會(huì)在電腦和手機(jī)終端上進(jìn)行優(yōu)化和操作，但是由于英特爾Atom的處理器在使用的過(guò)程中會(huì)比ARM更加的費(fèi)電，所以在很多的移動(dòng)設(shè)備終端上不會(huì)使用Atom處理器，雖然ARM的CPU構(gòu)造更加簡(jiǎn)單集成，在移動(dòng)終端上能夠減少功耗，但是隨著CPU技術(shù)的不斷進(jìn)步，在新的晶體管內(nèi)使用的Atom處理器中會(huì)減少最大負(fù)荷時(shí)釋放的熱量，提高系統(tǒng)的使用性能。（3）提升移動(dòng)終端的使用性能在智能手機(jī)上已經(jīng)推出了40nm的四個(gè)處理器，運(yùn)行的速度非常的快。微軟在發(fā)出WIN8的ARM構(gòu)架處理器設(shè)計(jì)的同時(shí)，英偉達(dá)也發(fā)布了八核心的ARM處理器的生產(chǎn)計(jì)劃，所以未來(lái)CPU的發(fā)展趨勢(shì)不僅可以滿足功耗低的功能要求，而且還能生產(chǎn)出ARM構(gòu)架的超輕薄筆記本電腦，為用戶帶來(lái)高速的科技體驗(yàn)。六、結(jié)論由前面的分析可知，未來(lái)幾年CPU的發(fā)展主要將從以下幾個(gè)方面采取措施來(lái)提高處理器的性能：1、采用多模核心+超線程技術(shù)；2、增加高速緩存；3、提高集成度；4、改進(jìn)安全技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、總線結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)、指令集等。從多核心處理器的測(cè)試結(jié)果可以看出，應(yīng)用程序須與處理器匹配，才能讓CPU的優(yōu)越性能發(fā)揮出來(lái)。如果一味地提升CPU