计算机CPU技术发展及趋势--名校论文

题目计算机CPU技术发展及趋势
计算机CPU技术发展及趋势
摘要：国际上现阶段CPU发展速度已经逐渐减缓，CPU市场也主要由Intel和AMD占据，两大公司的CPU发展一定程度上便是CPU发展的趋势。

本文将总结归纳出CPU的发展历史，同时对现阶段CPU的核心技术、频率、工艺、问题进行分析，从而对发展现状作出阐述，另外针对国内外CPU发展遇到的问题，指出CPU技术发展的趋势和我国cpu发展应该注意的关键方面。

关键词：CPU、发展、核心、技术、工艺
Computer CPU technology development and the
trend
Abstract：The rate of the development of CPU is gradually slowing down. Intel Corp. and AMD Corp. i s dominating the main share of CPU market. These two cooperations guide the trend of CPU evolution. This paper will summarise the history of CPU development and then analysis nowday CPU's core technology, freq uency, craft and matters. Thus make some description towards the circumstance of CPU today. And the paper will point out the trendency of CPU technique development and some key parts of CPU development in Chin a focusing on the international CPU development's problem.
Key Words:CPU、development、core、technology、technique
1引言
随着网络时代的到来，网络通信、信息安全和信息家电产品将越来越普及，而CPU 正是所有这些信息产品中必不可少的部件。

CPU从雏形发展壮大到今天，从工艺之争到频率之争再到多核心技术和睿频技术，每一次的技术变革都决定着CPU发展的新趋势。

CPU的发展历史
Cpu的发展要从1971年10月的“4004”说起，那是intel公司成立后的第四个年头推出的产品。

这款产品可谓开创了“集成电子——芯片上的微型可编程计算机的新
纪元”
图1最早的CPU“4004”
在4004反响甚好后，intel在1974年又推出了真正意义上的通用CPU——8080。

而此时的AMD不仅不是他的竞争对手，甚至还是他的生意伙伴。

Intel遇到的第一个强大的对手应该说是摩托罗拉，后者于1975年推出了M6800，在上世纪80年代intel 的80x86系列与摩托罗拉的680x0在当时的市场平分秋色。

图2 8080处理器
然而不要忘了雄心勃勃的AMD，商场上没有永远的朋友只有永远的利益，AMD在1995年以6.15亿美元收购了NexGen公司，并在随后在NexGen开发的Nx686处理器基础上推出了与intel奔腾II兼容的K6处理器，这无疑是CPU发展史上的一个重要转折点。

图3 AMDK6处理器
很快AMD在1999年发布基于K7的速龙处理器，这种架构的性能表现很好，其时针速度从500MHZ一路提升到最多2.33GHz，此时的AMD在时钟速度之战上已经能与intel 相抗衡，同时也开启了一个全民超频的时代。

随着K7架构的成功，AMD乘胜追击又在2000年推出了K8架构，其支持的64x86拓展指令集，使得AMD能够运行64操作系统，而且在运行标准化的32操作系统时也不会牺牲兼容性或速度，这种技术作为行业标准延伸至今。

这使得在04年从32位到64位和05年的从单核到双核的两个转折时期，intel几乎被AMD打蔫了，04年的Nocona 的被动，05年奔腾D的仓促，这一阶段的intel似乎失去了当年霸主的荣光。

[1]然而历史总是曲折的，对于intel来说2006年是一个划时代的转折年，在屡战屡败后intel终于祭出了酷睿（core）微处理器，intel在core架构实现了几个重要目标：兼具速度和节能的64位Xeon处理器，在台式机市场取得了性能上的优势。

这之后intel陆续推出core i3 、core i5、core i7，并且在core i7基础上实现了4核心8线程的设计，依靠最新的架构优势逐渐取得了市场的先机[2]
图4 intel Corei7
之后的AMD虽然也推出了以ARMv7为架构的A8处理器，但是在处理器性能上已经不能与intel再抗衡，逐渐逊于intel 酷睿系列。

3 cpu发展现状
3.1 国外CPU发展现状
从上世纪90年代intel、AMD、IBM、HP、SUN、DEC等公司的在通用处理器群雄逐鹿到如今Intel、AMD的两极争霸，CPU市场已经逐渐趋于垄断格局。

CPU研发和设计的顶尖技术基本上集中于两家公司。

在单核心时代两家处理器都遇到一个难题，那就是“频率”。

频率作为衡量处理器好坏的标准已经成为了大多数人的定论。

低频率就代表者一颗处理器性能的滞后。

在设计者提高处理器内部进程的数量、增加缓存容量等方法纷纷用尽后，双核心乃至多核心取代单核心的时代已经来临了。

[3]
AMD和intel的双核技术在物理结构上有很大不同。

AMD将两个内核做在一个Die 上，通过直连架构连接起来，集成度更高。

Intel则是采用两个独立的内核封装在一起。

因此有人讲intel 的方案成为“双芯”，认为AMD的方案才是真正的“双核”，从用户端的角度来看，AMD的方案能够使双核CPU的针脚、功耗等指标跟单核CPU保持一致。

从双核升级到单核。

不需要更换电源、芯片组、散热系统和主板，只需要刷新BIOS即可。

[4]可见AMD对客户的理解和对输出最符合客户需求的产品方面的理念走在了intel 前面。

但是到了2012，intel发布了IVB处理器，22nmIvyBridge会将执行单元数量翻
一番，达到最多24个，并且加入了DXII的集成显卡，最多可提供四个USB3.0通道目前，双核心处理器的应用已经十分广泛，市面上常见的Intel core i3 core i5 core i7系列处理器以及AMD A6 A8 A10系列处理器，已经基本上全部完成了从单核到双核乃至多核的过度，双核以及多核处理器的面世已经使系统性能得到了迅速的提升。

多核心处理器可以为今天处理器设计遇到的各种困难提供一种立竿见影的有效技术——解决单核心处理器频率的提升与高热量和功耗之间的矛盾。

[5]
从intel以及AMD近几年的活动可以看出，intel已经对处理器市场进行了全面覆盖，并将进一步提升其地位，而AMD自然不甘落后，近几年可能会发布新一代的处理器，进一步提升自己的竞争力。

[6]
3.2 国内CPU发展现状
国产CPU经过近十余年的发展，已经逐渐成熟起来，现在已经有一批拥有自主产权，并投入使用的CPU。

从代表CPU核心技术的CPU指令集来看，我国已经拥有部分完全自主的CPU产品。

主要产品包括：北大众志开发的Unicore；苏州国芯、杭州中天、浙江大学共同实现设计的嵌入式CPU-C-Core。

[7]
从兼容CPU来看，中国科学院计算所所研制的龙芯系列已经取得极大的进展，龙芯2E已经正式通过“863”专家组的验收，并且已经达到奔腾4的水平，龙芯3号已经直接跳过双核，4核，8核，直接进入到16核的设计。

目前代表龙芯最强水平的型号是龙芯3B-1500 CPU，有8个核心，32m制造工艺，主频1.2GHZ，其次是四核心的龙芯3A 1.2GHZ. [8]
图5龙芯三号处理器
总体来看国产CPU虽然已经开始大踏步追赶世界水平，但是性能仍然较弱，在生产、封装、测试等方面仍然处于落后水平，尤其是主频方面，intel和AMD的主流产品已经达到2.5GHZ左右，而国产CPU仍然在低频领域徘徊。

[9]
图6 国产龙芯与国外主流芯片对比
现阶段，国产CPU主要应用于军事、政府部门机构、低成本国产服务器等领域，还没有大规模投入市场用于民用的产品。

3.3 国产CPU发展主要问题
CPU的发展与应用必然建立在软件兼容的基础上，目前来看，国产CPU企业与操作系统企业之间面临的能力差距和产业生态差距仍然十分明显。

国产基础软硬件厂商不仅需要资金和政策的扶持，还需要自主创新的能力。

CPU作为一个涉及芯片设计、工艺、封装与软件的大系统工程，好比木桶一样，任何一个短板都会制约其发展，目前国家层面似乎缺少实质性的发展规划。

[10]
另外核心知识产权的缺乏，必然会长久制约着我国CPU的发展，前不久美国禁止了向我国出口高性能CPU的做法也为我国敲醒警钟。

目前国产CPU发展与windos系统下的软件不兼容问题，也很大程度上影响着我国CPU投入市场民用化的步伐。

CPU发展的核心技术工艺
4.1多核心技术
多核处理器产生的直接原因是替代单处理器，解决微处理器频率上的发展瓶颈。

[11]
多核上将集成更多结构简单，低功耗的核心。

与目前主流的双核平台向比，基于多核处理器的平台提供更多的内存和I/O，每一个处理器共同应用内存和I/O提供的相关数据，增强了了所有内核的计算负载，提高了计算精度和计算速度。

[12]
另外多核处理器的内核动态加速技术也对提升处理器速度有着非常大的帮助。

在一个四核的Core I7处理器中，当一个任务只需要两个内核时，就可以关闭其他的两个内核，然后把工作的内核运行频率提高，加快运行速率。

这样的动态调整很大程度上提高了系统和CPU整体的处理水平，降低了功耗。

[13]
随着广大用户和游戏发烧友对处理器速度追求，多核心技术的应用更加广泛，生产成本也将越来越低。

4.2超线程技术
在21世纪的今天，多线程处理器已经引入服务器领域，硬件多线程已经成为主流应用，并且其在提升处理器性能方面的优势也越来越被予以重视。

[14]
所谓多线程，就是具备并行处理多任务处理能力的计算平台，同时也用于区别任务的优先程度，分配给对时间比较敏感的任务优先运行权。

在处理多个线程的过程中，超线程处理器可以同时运行多个线程，多个线程分别使用闲置的执行单元。

大大提高了处理器内部处理单元的利用率和相应的数据、指令的吞吐能力。

[15]
但是同时，超线程技术也有一定的瓶颈，由于CPU限定的TDP值是恒定的，超线程技术会占用一定的TDP而影响超频。

例如，在关闭超线程的情况下，能够有效的降低CPU的功耗和发热，使得CPU环境更有利于超频。

[16]
CPU的发展趋势
5.1 国内趋势
由于intel等公司对专利权的垄断以及美国对我国采取的禁运措施，国CPU必然将走过一个完全自主的道路（类似于苹果电脑的一体化形式）。

完全自主的CPU指令集不同外界兼容，但是从国家安全角度来看，指令集完全自主可控是最为安全的。

另外，国产CPU的市场化也需要一个漫长的过程，在自主完善软硬件兼容，开辟新的国内市场的前提下，仍要不断争取获得主流架构的授权，以保证对于windos系统的兼容。

[17]由于国内产业生态的不完善，以及尖端人才的缺乏，国产CPU在近10年将度过最为艰辛也最为重要的时期。

在未来十年国产CPU将主要依靠国家政策扶持，并且从各
大高校中选拔尖端人才参与CPU的研发工作。

在创造资源和人才环境的同时，如何拓宽产业线，提升工艺水平，提高CPU频率将成为主要研究方向。

国产CPU发展成熟仍然需要一个很长的过程，但是我们相信，只坚持自主研发的劲头，在国家的重视扶持之下，国产CPU有朝一日也能在世界市场上占有一席之地。

5.2 国外趋势
由于国外CPU发展较为成熟，通过提升频率来提升CPU性能的效果已经远不如从前。

同时过高提升频率也会带来发热量过大和功耗过高的问题。

[18]因此国外CPU的发展将更多的在于考虑新的散热方法以及研发新的架构和技术上。

在目前的研究中，微型热电冷却器耦合的微热虹吸管冷却系统提出了新的CPU冷却方法，与以往的强制空气对流来进行冷却的方法不同，这种新的冷却技术将使电脑风扇散热器的传热速率达到最大化，更能满足使用者对于更强大的计算性能要求。

[19]最近计算机架构师发现通过提升集成的晶体管的数量来提升单线程的性能已经越来越困难，由于供电电压的限制，CPU的研究方向已经不再强调集成更多的核心，而是转向新的应用程序，以满足在提升晶体管数量的同时，更大的发挥核心的性能。

提高程序的性能基于数据级的并行性。

因此一种新的架构—TLP，将成为发展趋势。

这种架构是通过无序执行技术，拓展一个单核矩阵单元，每个核心提取矩阵指令的指令缓存，最大化多核心的资源利用率。

[20]
另外在未来，现阶段的电子计算机将可能被慢慢淘汰，更高技术的量子计算机，光子计算机将越来越多的面世。

与以往利用电子信号进行数据处理不同，电子计算机是使用光子信号进行数据处理，在集成的光处理器中进行运算，与传统电子计算机相比，其优势是在介质中光子信息失真极小，能量消耗极低，能保证跟高精度和量度的运算。

[21]
结束语
由最近几年CPU的发展来看，国际CPU市场基本上被intel一家独霸，而在国内，国产CPU已经逐渐应用于军事领域，与国际水平正不断缩短。

另外从多核心处理器的表现来看，应用程序须与处理器匹配，才能让CPU的优秀性能发挥出来。

如果一味提升CPU性能，而没有匹配的软件能够兼容的话，那么CPU性能的提升也无法体现其效果和意义。

总体来说CPU的发展需要多种方面的共同配合，无论国内还是国外CPU的发展，在强调CPU的性能的同时，也必须注意CPU的市场和应用性。

参考文献
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