微处理器发展史与摩尔定律

微处理器发展史与摩尔定律——谈微处理器的未来

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摘要：本文研究目的是找出当今阻碍计算机科学微处理器发展的主要问题和障碍，并对之进行对比分析，从而找出与问题对应之可行方案，并分析相关方案的可行性及未来前景，探讨微处理器的未来发展与方向的问题。本文从微处理器发展历史出发，以列举数据、型号的方式，结合摩尔定律、现今微处理器发展状况，进行案例与数据的对比，从比较中发现问题，从而进行研究。

关键词：微处理器摩尔定律处理器发展石墨烯光处理器

1.引言

纵观整个计算机科学发展史，计算机硬件设备作为伴随计算机科学理论实践不断发展的其中一项殷实成果，又反作用于理论，一直推进着计算机科学理论的继续向前。而其中，微处理器的开发研究与应用，一直处于计算机硬件设备技术发展的尖端之上，引领着其他设备的进步。微处理器的发展，始终是整个计算机学科研究中极其重要重要的一环，贯穿整个计算机科学的发展史。

在四十多年发展历程中，微处理器的进步速度是以几何级数增长的，其他硬件设备可以说是望尘莫及，相形见绌——特别是在其发展的初期，微处理器性能的提升速度与其他硬件发展的速度简直不在同一个层级内。诚然，在近几年来，微处理器的进步速度似乎有相当程度的放慢，甚至有被其他硬件设备所超越的趋势。究其原因，就是微处理器发展遇到了材料和技术的极限及如冯·诺依曼（John Von Neumann）所说的“瓶颈”[1]问题。作为硬件系统的核心部分，微处理器的性能决定了整个系统的性能，因此，微处理器发展速度的放缓是令人担忧的。

在以下的论述中，本文将从微处理器发展的历史出发，结合摩尔定律、各种数据对比以及现阶段微处理器研究状况，讨论微处理器发展所遇到的问题，并深入剖析，尝试明确微处理器未来发展的方向和道路，从而更好地认识微处理器的发展。

2.微处理器发展及摩尔定律

要更好地了解微处理器，就必须从它的历史开始，而说到微处理器的历史，可以追溯

的晶体管的发明。早在1947年，AT&T贝尔实验室的三位科学家巴丁（John Bardeen）博士、布菜顿（Brattain Walter Houser）博士和肖克莱（William Bradford Shockley）博士就发明了晶体管，取代硕大的电子管，这可以说是电子领域的一场重大革命[2]。10年后，随着晶体管的发展，美国科学家达默提出“将电子设备制作在一个没有导线的固体半导体板块中”，这就是最早期集成电脑的核心思路，后来微处理器的雏形。

1968年，英特尔公司成立。经过3年的研究和技术攻关，公司的三位元老和其他技术员研制出了世界上第一款商用微处理器芯片——Intel 4004。这个4位的微处理器当时只有2300个晶体管和108KHz的时钟频率，对比于当今的处理器水平，Intel 4004简直不值一提。但是，在1971年，这一产品是具有突破性的。而仅在两年之后，1973年8月，英特尔公司又推出了下一代微处理器产品Intel 8080。Intel 8080是一个8位微处理器，拥有6000个晶体管，时钟频率为2MHz，整体性能是Intel 4004的五倍多。1978年6月，英特尔又推出了第三代微处理器——著名的Intel 8086，它的时钟频率为10MHz，由29000个晶体管集成，计算能力又在Intel 8080的基础上翻了几翻。后来，英特尔、超微、威盛等制造商又推出了一系列的微处理器，如Intel 386、Pentium 4、Athlon XP等。

微处理器就一直以这样的高姿态站在硬件研究领域的发展尖端之上，带领着其他硬件以及整个硬件系统的向前发展。

2.1早期微处理器与摩尔定律

微处理器发展的历史，与著名的摩尔定律有巨大的关系。摩尔定律，由英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965年的一份报告(刊登于1965年《电子学》杂志上，原文已经丢失)中提出的，具体是指当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。与其说这是一条定律，不如说这是摩尔先生经过观察总结而得出的结果。

从上文提及的微处理器数据可以看出，摩尔定律在微处理器发展的历程中一直有着惊人的准确程度：从Intel 4004处理器2300个晶体管，到Intel 8080处理器6000个晶体管及其后Intel 8086处理器29000个晶体管等等，都遵循这一定律稳定发展。

2.2近年微处理器与摩尔定律

经过四十多年的历程，微处理器已经由最初的Intel 4004发展到现今的Intel Core I5/I7、AMD PhenomII X3/X4等高端型号，目前最高端的微处理器晶体管数量已经达到17亿个，这是在Intel 4004时代根本无法想象的。

尽管微处理器发展的速度一直都遵循着摩尔定律，但在近几年来，这种遵循的脚步似乎有所放缓，甚至力不从心。例如，2007年英特尔公司推出Core 2 Duo E6850处理器，该处理器有4.1亿晶体管，时钟频率3GHz，制造工艺为45NM，而2011年英特尔公司推出制造工艺为32NM的Core I5-2540M处理器只拥有6.24亿晶体管以及最高3.2GHz的时钟频率；又如2001年，英特尔公司推出了划时代的产品Pentium 4处理器，这个处理器时钟频率最高为3.2GHz，拥有5500万晶体管。而在2004年再推出的Pentium 4 E处理器时钟频率一样，晶体管也只有1.2亿。

从数据中可以明显得出的是，对比上世纪60、70及80年代，微处理器的发展速度有相当大的减缓趋势，这种趋势直观地表现在随着微处理器制造工艺的不断提高（从最初的微米级到当今的纳米级），微处理器的晶体管数量增加的速度和幅度一直减缓，时钟频率在近10年内也不断徘徊在2.8GHz到3.6GHz之间。

当然，处理器的总体性能不能单单看时钟频率和晶体管数量、制造工艺等，还应结合核心架构设计、核心数量、寄存器大小及总线速度等参数讨论，但是，问题始终是明显的，而且，当微处理器遇到物理性的发展瓶颈时，那么建立在瓶颈基础上的性能也将受到威胁，摩尔定律当然也可能动摇。

3.微处理器发展瓶颈

微处理器经过四十多年高速发展，到当代，很多方面都已经出现了理论性的瓶颈和难题，这些难题如果得不到解决，将大大影响微处理器的未来发展，进而影响到硬件系统的整体性能。

3.1制造工艺极限

微处理器的制造工艺就是指微处理器的制程，制程的先进程度决定了微处理器的性能。在微处理器诞生的初期，制造工艺只能达到6微米，而现在最新的微处理器已经踏入32纳米的时代。按1微米=1000纳米的换算规则，这种进步是巨大的，但是，32纳米已经接近理论的极限。因为，再小的晶体管理论上不能小于5个分子的大小，而5个分子大小就约为10纳米。这就说明，微处理器的制程最高只能达到10纳米，晶体管的数量也因此会达到单位面积的极限而无法再增加。

3.2时钟频率极限

微处理器的时钟频率在近10年来提升缓慢甚至停止，这是因为时钟频率太高会影响到微处理器工作的稳定性。