2012年CPU技術(shù)趨勢(shì)

從2006年的65nm、2008年的45nm到2010年的32nm，2012年如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的CPU制程工藝，那么就會(huì)遇到難以逾越的技術(shù)瓶頸。因此，明年年初英特爾將會(huì)率先在代號(hào)為Ivy Bridge的22nm制程處理器上采用3D晶體管技術(shù)。新的晶體管技術(shù)可以保證CPU制程繼續(xù)遵循摩爾定律的規(guī)律發(fā)展，為計(jì)算機(jī)世界帶來新的變革，直至接近硅原子的直徑（0.3nm）。而ARM架構(gòu)的CPU也將告別40nm的晶體管制造工藝，升級(jí)到28nm。CPU技術(shù)的創(chuàng)新將會(huì)使個(gè)人PC和移動(dòng)終端設(shè)備的性能翻番。

特別值得一提的是，當(dāng)前市場(chǎng)上風(fēng)生水起的智能手機(jī)和平板電腦將從CPU制程工藝的進(jìn)步中獲益良多，尤其是在電池續(xù)航時(shí)間方面。因?yàn)樾碌闹瞥坦に噷?huì)大幅度改進(jìn)CPU芯片的微結(jié)構(gòu)，在成倍提升性能的同時(shí)，也將大大降低功耗。未來，在手機(jī)上觀看高清3D電影、玩大型游戲就不會(huì)再有意猶未盡的感覺了。

晶體管越小速度越快

每一個(gè)芯片都是由晶體管組成的，每一個(gè)晶體管通常負(fù)責(zé)控制1位（0或1）的信息。英特爾最新的32nm制程Sandy Bridge處理器由近10億只微型的晶體管元件組成，而且截止目前 “晶體管的體積越小，集成的數(shù)量越多，芯片的計(jì)算性能就越高”的規(guī)律依然有效。但是在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)升級(jí)到更小的22nm晶體管已經(jīng)沒有可能，因?yàn)榱孔恿W(xué)效應(yīng)阻礙了晶體管性能的發(fā)揮，除非創(chuàng)造出新的晶體管結(jié)構(gòu)。

從基本結(jié)構(gòu)上來看，一個(gè)晶體管包含3個(gè)電極，分別是源極、漏極和作為控制電極的柵極。其中，源極和漏極被芯片基底分隔開，使二者互相隔離。這3個(gè)電極都是由硅材料制作而成的，硅原子的最外層包含4個(gè)電子（8個(gè)電子為穩(wěn)定態(tài)）。如果在源極與漏極的硅晶體中摻入磷和砷，那么因?yàn)樗鼈兊淖钔鈱影?個(gè)電子，所以這樣就會(huì)多出一個(gè)自由電子，使半導(dǎo)體硅可以導(dǎo)電（N型半導(dǎo)體）。如果在基底的硅晶體中摻入硼元素和鋁元素，那么因?yàn)樗鼈兊淖钔鈱影?個(gè)電子，所以這樣就會(huì)缺少一個(gè)電子，從而使半導(dǎo)體硅可以導(dǎo)電（P型半導(dǎo)體）。在P-N結(jié)之間使用二氧化硅制作一個(gè)絕緣的分隔區(qū)域，可以阻止電子的流動(dòng)。

如果給柵極增加電壓的話，這個(gè)分隔區(qū)域就會(huì)打開一個(gè)通道，幫助電子輪流從源極進(jìn)入漏極，此時(shí)晶體管處于“開”的狀態(tài)。但是，當(dāng)晶體管的結(jié)構(gòu)越來越小的時(shí)候，就會(huì)遇到即使柵極不加電壓，源漏極之間仍然有電流通過。也就是說，在應(yīng)該處于“關(guān)”的狀態(tài)時(shí)，晶體管仍然保持“開”的狀態(tài)。該問題的存在意味著我們無法通過繼續(xù)減小晶體管的體積來獲得更高的性能。

漏電導(dǎo)致芯片性能下降

漏電消耗了近一半的電流，而且晶體管的體積越小，漏電消耗的電流越大?？刂坡╇婋娏餍枰鉀Q源極和漏極對(duì)芯片基底的影響。尤其是當(dāng)漏極加上高電壓時(shí)，漏感應(yīng)勢(shì)壘降低（Drain Induced Barrier Lowering，DIBL）現(xiàn)象顯著地降低了柵極電場(chǎng)對(duì)于通道的影響，導(dǎo)致即使柵極在沒有施加電壓的情況下，源極在漏極電場(chǎng)的影響下依然會(huì)打開通道，使電流可以通過，而隧道效應(yīng)（Tunnel Effect）與漏感應(yīng)勢(shì)壘降低同樣明顯。根據(jù)量子力學(xué)的原理，微觀電子的位置存在不確定性和隨機(jī)性。如果漏電感應(yīng)勢(shì)壘太薄太弱的話，那么電子跨過勢(shì)壘的可能性就會(huì)增加。電子將會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)在勢(shì)壘的另一側(cè)，就像跨越了一條隧道。如果晶體管的體積繼續(xù)變小，那么晶體管之間的勢(shì)壘就會(huì)減小，柵極電子就會(huì)擊穿二氧化硅絕緣層，甚至有可能擊穿源極到漏極之間的基底材料。因此，解決漏電問題的首要方法就是加強(qiáng)柵極電場(chǎng)對(duì)電子的控制。

目前來看，由隧道效應(yīng)與漏感應(yīng)勢(shì)壘降低現(xiàn)象引起的功耗增加問題需要通過重新設(shè)計(jì)柵極對(duì)通道的控制才能避免，芯片制造商在過去的幾年中研究出了3種可行的解決方案。

3D結(jié)構(gòu)封裝晶體管

首先，我們應(yīng)該努力改進(jìn)柵極與通道之間的絕緣層。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，英特爾已經(jīng)改變其45nm制程芯片的材料，將二氧化硅升級(jí)為鉿合金材料。這種比二氧化硅更厚一些的高K材料（K源于希臘文Kappa，它是用于衡量一種材料存儲(chǔ)電荷能力的電子學(xué)術(shù)語）具有良好的絕緣屬性，并且可以加強(qiáng)柵極與源漏極通道之間的場(chǎng)效應(yīng)，降低隧道效應(yīng)對(duì)芯片性能的影響。

不過，當(dāng)CPU制程工藝提升、線路寬度降低到32nm以下的時(shí)候，高K材料就無法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求了，這就是為什么芯片制造商將目標(biāo)重新對(duì)準(zhǔn)改變現(xiàn)有晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因。原有的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)在市場(chǎng)上延續(xù)了幾十年，將其改為3D結(jié)構(gòu)面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，但是成功的意義遠(yuǎn)大于風(fēng)險(xiǎn)。在英特爾重新設(shè)計(jì)的鰭式場(chǎng)效應(yīng)管（FinFET）中，通道被設(shè)置為了凸起的形狀，看起來就像在基底上凸起的魚鰭一樣。柵極將通道的3面都封閉起來，這樣就可以在更大的面積上對(duì)通道進(jìn)行控制，減少了漏電電流。此外，由于通道不再受到干擾，電子就可以無障礙地通過，同時(shí)速度也不會(huì)受到影響，這樣的話晶體管就可以獲得更快的開關(guān)頻率。

其實(shí)鰭式場(chǎng)效應(yīng)管（FinFET）的技術(shù)從10年前就開始研究了。2012年，英特爾將會(huì)在其下一代適用于桌面PC和筆記本電腦的Ivy Bridge處理器上采用該技術(shù)。據(jù)英特爾官方聲明，這種3D晶體管芯片技術(shù)將會(huì)在降低50%功耗的同時(shí)，提升37%的性能。

除了英特爾的3D晶體管方案之外，它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手AMD和IBM也已經(jīng)聯(lián)合研發(fā)了另一種控制漏電電流的方法。與英特爾將通道移動(dòng)到芯片基底上不同，AMD和IBM想要在基底上將通道完全“隔離”起來。因此，在通道與基底之間加入了一個(gè)埋氧層（Buried Oxide），組成全耗盡絕緣硅（Fully Depleted Silicon On Insulator，F(xiàn)D-SOI）晶體管。

原則上，F(xiàn)D-SOI晶體管與FinFET晶體管同樣高效。但是目前全耗盡絕緣硅（FD-SOI）技術(shù)面臨著多薄層晶圓生產(chǎn)困難的問題，預(yù)計(jì)到明年年初才能大規(guī)模量產(chǎn)這種晶圓，而英特爾的鰭式場(chǎng)效應(yīng)管（FinFET）已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段。

降低功耗 提升性能

英特爾計(jì)劃2013年年初在Atom處理器上采用新的3D晶體管技術(shù)，并將優(yōu)化該芯片在智能手機(jī)和平板電腦上的運(yùn)行表現(xiàn)。眾所周知，與ARM架構(gòu)的處理器相比，英特爾的Atom處理器需要耗費(fèi)更多的電力，這是目前幾乎所有的移動(dòng)終端設(shè)備都選擇ARM架構(gòu)處理器的重要原因之一。英特爾的x86架構(gòu)CPU是為Windows桌面電腦處理各種任務(wù)設(shè)計(jì)的，采用了復(fù)雜指令集，在設(shè)計(jì)之初就沒有考慮到需要為使用電池的設(shè)備進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，而ARM架構(gòu)的CPU采用了更高效的精簡(jiǎn)指令集設(shè)計(jì)，更適合采用基于Unix/Linux的iOS和Android移動(dòng)終端設(shè)備使用，擁有良好的功耗控制表現(xiàn)。

ARM的指令采用統(tǒng)一的4字節(jié)長(zhǎng)度，現(xiàn)在智能手機(jī)和平板電腦上普遍采用的ARM授權(quán)Cortex-A9架構(gòu)CPU基于先進(jìn)的8級(jí)流水線，并且支持推斷型亂序執(zhí)行（out-of-order execution）特性，在每個(gè)循環(huán)中可以執(zhí)行多達(dá)4條指令。另外，ARM的指令集都可以帶條件執(zhí)行，所以諸如“If……then”這樣的語句能夠更快速準(zhǔn)確地執(zhí)行。而x86架構(gòu)的CPU無法直接識(shí)別條件聲明，而是會(huì)預(yù)測(cè)運(yùn)行結(jié)果。如果預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么指令就會(huì)被返回并進(jìn)行重新計(jì)算。同樣，x86架構(gòu)的Atom處理器也不支持亂序執(zhí)行，而新的ARM架構(gòu)芯片，比如Tegra 2雙核處理器已經(jīng)支持亂序執(zhí)行。

結(jié)構(gòu)上的根本不同，使得ARM架構(gòu)處理器的熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）擁有明顯優(yōu)勢(shì)，TDP指的是當(dāng)處理器達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)所釋放出的熱量。目前，大部分Windows平板電腦上使用的Atom處理器TDP至少為5W，而Tegra2處理器僅2W。不過，可以預(yù)見未來采用新晶體管的Atom處理器在TDP表現(xiàn)上將有大幅改善，真正阻礙其發(fā)展的將會(huì)是復(fù)雜指令集的低效率。

智能手機(jī)性能追趕電腦

盡管ARM處理器在移動(dòng)終端領(lǐng)域如日中天，但是它并沒有停止前進(jìn)的步伐。今年年底，采用40nm的四核心處理器產(chǎn)品即將上市，比如主頻為1Ghz~1.5Ghz的Tegra 3處理器。它引入了NEON增強(qiáng)指令集，強(qiáng)化了DSP處理功能和多媒體處理效率，并且提供了增強(qiáng)型浮點(diǎn)運(yùn)算技術(shù)，以滿足下一代3D圖形和游戲的要求。英偉達(dá)聲稱Tegra 3的功耗要比Tegra 2更低，但芯片表面積從49mm2增加到了80mm2。當(dāng)然除了集成NEON增強(qiáng)指令集之外，Tegra 3還集成了強(qiáng)大的GPU。

其他的ARM架構(gòu)處理器制造商，比如高通和德州儀器將會(huì)等到芯片制造工藝升級(jí)到28nm的時(shí)候再行動(dòng)。因?yàn)樾乱淮腃ortex-A15架構(gòu)將會(huì)升級(jí)到28nm制程，支持高達(dá)2.5GHz的主頻，采用1MB~4MB的共享式高速二級(jí)緩存，更好地執(zhí)行視頻解碼和3D影像處理等任務(wù)。估計(jì)到2012年秋天的時(shí)候，芯片制造商臺(tái)積電就會(huì)率先生產(chǎn)28nm制程的Cortex-A15架構(gòu)CPU。

更重要的是，Cortex-A15架構(gòu)不只是為移動(dòng)終端設(shè)備設(shè)計(jì)。它將地址空間擴(kuò)展到了40位，因此最多可以使用1TB的內(nèi)存，并且支持虛擬機(jī)技術(shù)（該技術(shù)對(duì)于PC和服務(wù)器非常重要）。此外，微軟已經(jīng)聲明下一代操作系統(tǒng)Windows 8將會(huì)支持ARM架構(gòu)的處理器，同時(shí)英偉達(dá)也透露了八核心ARM架構(gòu)處理器的生產(chǎn)計(jì)劃，顯然壟斷個(gè)人PC產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)達(dá)30年的Wintel聯(lián)盟已經(jīng)終結(jié)。但是ARM和英特爾的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于最終用戶而言是有益的，因此我們希望看到功耗更低的ARM架構(gòu)超輕薄筆記本電腦，也希望英特爾打破ARM架構(gòu)CPU在移動(dòng)終端上的壟斷地位。