最新計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)探討與展望

王慶承 袁琦超

摘 要：隨著信息時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用于人們工作和生活的各個(gè)方面，計(jì)算機(jī)扮演著越來越重要的角色。了解和掌握計(jì)算機(jī)的硬件技術(shù)，變得非常重要。本文主要介紹計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)、最新計(jì)算機(jī)處理器、最新計(jì)算機(jī)顯卡、最新存儲(chǔ)器、最新機(jī)箱電源的技術(shù)探討和展望，來幫助人們更好地掌握計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件;技術(shù)探討;展望

一、引言

當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面。掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)，也是當(dāng)代人必須要掌握的一項(xiàng)技能。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是硬件技術(shù)的發(fā)展，對提高我們的工作效率起到越來越重要的作用。掌握好計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，可以發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件的優(yōu)勢，提高工作效率。掌握不好計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，不僅不能提高工作效率，可能對工作效率還會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。所以，掌握好計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，是我們現(xiàn)代人，提高工作效率的必要條件。

二、計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，隨著時(shí)代的發(fā)展，也發(fā)生了極大的變化。但計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，一直沿用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五個(gè)部件組成。

（1）運(yùn)算器。運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的中心，受控制器控制。運(yùn)算器對存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把處理完的數(shù)據(jù)，返回給存儲(chǔ)器，它包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算包括加、減、乘、除。邏輯運(yùn)算包括與、非、或、異或等操作。運(yùn)算器負(fù)責(zé)對二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算一次二進(jìn)制的位數(shù)為字長，字長是決定計(jì)算機(jī)性能的重要技術(shù)指標(biāo)。

（2）控制器。控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中心，負(fù)責(zé)對計(jì)算機(jī)中各部件發(fā)出控制信號(hào)，保證各部件的協(xié)調(diào)工作。比如，運(yùn)算器從計(jì)算機(jī)的哪些部件獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算出來的數(shù)據(jù)又要放到哪些部件中去。這些工作，都是由控制器來完成的?？刂破鲝拇鎯?chǔ)器中每取出一條指令，都要對指令進(jìn)行分析，再向各部件發(fā)出操作命令。接著要從存儲(chǔ)器中取下一條指令，完成以上操作。

（3）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器作為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備，主要用來存放計(jì)算機(jī)中的各種數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)把數(shù)據(jù)放入存儲(chǔ)器，我們稱它為“寫入”。計(jì)算機(jī)從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)，我們稱它為“讀取”。寫入和讀取，都是存儲(chǔ)器的基本操作。存儲(chǔ)器主要分為主存和外存，主存主要存儲(chǔ)當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，斷電后會(huì)消失。外存主要存放臨時(shí)不用的數(shù)據(jù)，斷電后不會(huì)消失。

（4）輸入設(shè)備。輸入設(shè)備是計(jì)算機(jī)把各種圖像、聲音、程序、數(shù)據(jù)等各種信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信息設(shè)備，是計(jì)算機(jī)和用戶進(jìn)行溝通的設(shè)備。目前主要流行的輸入設(shè)備為鍵盤和鼠標(biāo)。鍵盤，把一些英文字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等信息輸入到計(jì)算機(jī)中，從而向計(jì)算機(jī)發(fā)出各種輸入命令。鼠標(biāo)通過桌面反射的光線傳輸?shù)绞髽?biāo)的傳感器上，鼠標(biāo)通過傳感器的變化，來判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)。

（5）輸出設(shè)備。輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)通過內(nèi)部運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成人類或其他設(shè)備可以識(shí)別的信息，包括各種圖像、聲音、文字等信息。輸出設(shè)備是外部設(shè)備和計(jì)算機(jī)內(nèi)部各種設(shè)備溝通的橋梁，負(fù)責(zé)信息格式的各種轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)常用的輸出設(shè)備，包括顯示器和打印機(jī)。

三、最新計(jì)算機(jī)處理器的技術(shù)探討與展望

在近兩年來看，桌面處理器市場，主要是AMD公司銳龍5000系列處理器占據(jù)著市場主導(dǎo)地位。直到Intel公司在去年推出第十二代酷睿桌面處理器開始，市場的主導(dǎo)地位才重回到Intel公司。Intel第十二代處理器，采用了全新的Intel 7制造工藝，和全新的高性能微架構(gòu)，采用了性能核和能效核的混合架構(gòu)，使多線程工作運(yùn)行得更加高效。Intel第十二代處理器還可以支持DDR5、WIFI6、PCIe5 .0三種最新技術(shù)。反觀AMD處理器的技術(shù)，今年初推出了銳龍6000系列處理器，它也采用了DDR5內(nèi)存、PCIe4.0的最新技術(shù)。AMD處理器為了提升它的性能，采用了容量更大、速度更快的緩存，使它的處理器可以更快地從緩存中提取數(shù)據(jù)，而不用去其他內(nèi)存中相對緩慢地提取數(shù)據(jù)，從而大大提高了處理器的運(yùn)行速度。隨著處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，AMD公司將推出性能更先進(jìn)的Zen4架構(gòu)的銳龍7000系列處理器，它將采用PCIe5.0、DDR5、接口為AM5、5nm制造工藝的新技術(shù)。Intel公司將發(fā)布架構(gòu)為Raptor? Lake的第十三代酷睿處理器，制造工藝和接口將不變，但緩存容量將會(huì)增加。不管哪家公司的處理器更強(qiáng)，最終受益的還是我們的使用者。

四、最新計(jì)算機(jī)顯卡技術(shù)探討與展望

顯卡市場，因?yàn)楹推胀ㄓ脩艚佑|最多的是桌面游戲顯卡，本文主要研究桌面游戲顯卡。桌面游戲顯卡主要由英偉達(dá)和AMD兩家公司占據(jù)著市場。英偉達(dá)公司自從前2年發(fā)布的RTX 30系列顯卡后，已經(jīng)有兩年時(shí)間沒有新技術(shù)更新的。英偉達(dá)30系列顯卡，主要采用Ampere架構(gòu)和8nm制造工藝。顯卡的性能，很多是由制造工藝決定的。英偉達(dá)GTX 10系列顯卡，采用的是12nm的制造工藝。顯卡的性能除了和制造工藝有關(guān)外，還和它的CUDA核心數(shù)和顯存容量有關(guān)。英偉達(dá)公司從年初發(fā)布RTX 3050顯卡，它的CUDA核心數(shù)為2560個(gè)，顯存容量為8GB DDR6顯存，主要面向低端市場。英偉達(dá)公司還發(fā)布了面向高端市場的RTX 3090Ti顯卡，它的CUDA核心數(shù)為10752個(gè)，顯存容量高達(dá)24GB DDR6顯存。反觀AMD公司顯卡，今年發(fā)布了RX6000系列顯卡，它依舊采用RDNA 2架構(gòu)，和前代一樣。DX12U、DirectX光線追蹤、網(wǎng)格著色器、可變速率著色等技術(shù)都得到保留，它依然采用7nm制造工藝。在未來的市場下，英偉達(dá)公司將發(fā)布RTX 40系列顯卡。它的CUDA核心數(shù)可能會(huì)達(dá)到18432個(gè)，制造工藝也將進(jìn)一步提升，將是5nm制造工藝，可能還將采用新的Ada Lovelace架構(gòu)。反觀AMD顯卡方面，未來也將發(fā)布AMD RX7000系列顯卡。AMD顯卡將采用5nm制造工藝、支持PCIe5.0接口、支持AM5平臺(tái)、RDNA3架構(gòu)、FSR2.0等新技術(shù)。隨著英偉達(dá)顯卡和AMD顯卡的快速發(fā)展，顯卡技術(shù)也會(huì)在將來的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域提供更智能、更舒適的駕駛服務(wù)。

五、最新存儲(chǔ)器技術(shù)探討與展望

存儲(chǔ)器分為內(nèi)存和外存。本文內(nèi)存特指內(nèi)存條，外存主要介紹機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的相關(guān)技術(shù)。內(nèi)存市場，主要還是DDR4占據(jù)市場主導(dǎo)地位。主流內(nèi)存條容量為2GB、4GB、8GB、16GB，為單條DDR4內(nèi)存條。從去年開始，市場上出現(xiàn)了DDR5內(nèi)存條，但因?yàn)樗萘坎桓?，價(jià)格昂貴，性價(jià)比不高，還未流行開來。機(jī)械硬盤還是SATA3.0接口為主，容量主流為2TB到4TB，日常不太用的冷數(shù)據(jù)，都會(huì)放在機(jī)械硬盤上。日常經(jīng)常用的熱數(shù)據(jù)，就不會(huì)放在機(jī)械硬盤上，而是放在速度更快的固態(tài)硬盤上了。固態(tài)硬盤經(jīng)歷了PCIe2.0接口，理論帶寬達(dá)2GB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械硬盤的600MB/s，PCIe3.0接口的固態(tài)硬盤，理論帶寬達(dá)4GB/s。PCIe4.0接口的固態(tài)硬盤，理論帶寬達(dá)8GB/s。目前主流的固態(tài)硬盤，還是采用PCIe4.0接口。在未來的市場中，內(nèi)存正在從DDR4接口的內(nèi)存條，逐步過渡到DDR5接口的內(nèi)存條，關(guān)鍵要讓DDR5的價(jià)格降下來。機(jī)械硬盤在未來的發(fā)展方向，將在容量上進(jìn)行改變。機(jī)械硬盤的容量有望向22TB到24TB發(fā)展，技術(shù)還是采用更多的碟盤或提高磁盤的密度，來增加硬盤容量，甚至還會(huì)出現(xiàn)PCIe接口、支持NVMe協(xié)議的機(jī)械硬盤。固態(tài)硬盤將從現(xiàn)在的PCIe4.0接口發(fā)展到PCIe5.0接口。PCIe5.0接口的固態(tài)硬盤，理論帶寬達(dá)16GB/s。將采用堆疊層數(shù)的技術(shù)來增加固態(tài)硬盤的容量，內(nèi)存顆粒也將迎來DDR5的普及。還將在QoS上發(fā)展技術(shù)，提高固態(tài)硬盤的質(zhì)量。QoS質(zhì)量越高，固態(tài)硬盤的性能就更穩(wěn)定。

六、最新機(jī)箱電源技術(shù)探討與展望

機(jī)箱電源是計(jì)算機(jī)必不可少的一個(gè)部件，它對計(jì)算機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，起到至關(guān)重要的作用。它和其他家電不同，它有自己一套電源的標(biāo)準(zhǔn)。目前市場上，主流的機(jī)箱電源的標(biāo)準(zhǔn)還是以ATX2.31為主。在知道當(dāng)前電源標(biāo)準(zhǔn)之前，有必要知道它的其他標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)。在1995年誕生了ATX標(biāo)準(zhǔn)，它由Intel公司推出到市場。它的特點(diǎn)可以通過操作系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)進(jìn)行關(guān)機(jī)。2000年2月，推出ATX1.0標(biāo)準(zhǔn)，它增加了P4處理器的電源接頭。2000年8月，推出ATX1.1標(biāo)準(zhǔn)，它加強(qiáng)了+3.3V的電流功率，符合AGP顯卡的電源要求。2002年發(fā)布ATX1.2標(biāo)準(zhǔn)，它取消了-5V的輸出，對Power on時(shí)間作出了新的規(guī)定。2003年4月發(fā)布了ATX1.3標(biāo)準(zhǔn)，它增加了SATA設(shè)備的電源接頭，同時(shí)還增加了+12V的輸出。2003年6月，發(fā)布了ATX2.0標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)了+12V的雙路輸出能力，提高了電源的效率。2004年發(fā)布了ATX2.01標(biāo)準(zhǔn)，只調(diào)整了+12V輸出電流的紋波。2005年發(fā)布了ATX2.2標(biāo)準(zhǔn)，它強(qiáng)化了輸出電流，電流達(dá)2.5A，還調(diào)整了電源功率規(guī)格。2007年發(fā)布ATX2.3標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定單路12V可輸出20A電流。2008年以后，相繼經(jīng)歷了ATX2.31、ATX2.4、ATX2.5、ATX2.52、ATX12V等階段。展望未來的機(jī)箱電源市場，隨著獨(dú)立顯卡的功率做得越來越大，如今年英偉達(dá)公司新發(fā)布的頂級(jí)顯卡RTX 3090Ti，它的功率可達(dá)450W。需要目前的電源提供3個(gè)單8Pin電源接頭，每個(gè)單8Pin電源接頭提供150W供電。所以，Intel公司今年又推出了新的電源標(biāo)準(zhǔn)，ATX3.0標(biāo)準(zhǔn)。ATX3.0標(biāo)準(zhǔn)最大的特點(diǎn)，它新增了一個(gè)12VHPWR供電接頭，電源接頭標(biāo)明150W、300W、450W、600W四個(gè)級(jí)別。并規(guī)定電源最大功率超過450W，必須標(biāo)配一個(gè)12VHPWR供電接頭。電源低于450W，不需要配備12VHPWR供電接頭。ATX3.0標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，電源關(guān)閉后，至少預(yù)留2秒以上的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，來保護(hù)機(jī)箱電源。隨著獨(dú)立顯卡的發(fā)展，ATX3.0標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)在未來的市場中發(fā)展得越來越普及，近期還是ATX2.31標(biāo)準(zhǔn)和ATX3.0標(biāo)準(zhǔn)共存一段時(shí)間。

七、總結(jié)

綜上所述，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲透到人們工作和生活的各個(gè)領(lǐng)域。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，了解當(dāng)前和未來的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，可以有助于人們更好地利用計(jì)算機(jī)，提高我們的工作效率，改善我們的生活質(zhì)量。

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