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1、,小组成员：,CPU的最新技术,摩尔定律,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。,Cpu的性能技术指标,CPU的最新技术,超 线 程 技 术,为了提高CPU的性能，通常做法是提高CPU的时钟频率和增加缓存容量。不过目前CPU的频率越来越快，如果再通过提升CPU频率和增加缓存的方法来提高性能，往往会受到制造工艺上的限制以及成本过高的制约。,超 线 程 技 术,尽管提高CPU的时钟频率和增加缓存容量后的确可以改善性能，但这样的CPU性能提高在技术上存在较大的难度。实际上在应用中基于很多原因，CPU的执行单元都没有被充分使用。如果CPU不能正常读取
2、数据（总线/内存的瓶颈），其执行单元利用率会明显下降。另外就是目前大多数执行线程缺乏ILP（Instruction-Level Parallelism，多种指令同时执行）支持。这些都造成了目前CPU的性能没有得到全部的发挥。,超 线 程 技 术,Intel则采用另一个思路去提高CPU的性能，让CPU可以同时执行多重线程，就能够让CPU发挥更大效率，即所谓“超线程（Hyper-Threading，简称“HT”）”技术。超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率
3、。,超 线 程 技 术,（1）同时进行多任务批处理工作,优点：,（2）让系统有了30%的性能提升,（3）Windows XP已经针对其作 出优化，在运行多个不支 持多线程的程序时，性能也可能会获得提高。即便带来损失，也会显得比较轻微。,（4）,超 线 程 技 术,（1）打开超线程后处理单 线程应用，处理器性能有时会降低。,（2）缺乏针对超线程优化的各种普通应用软件，性能因此得不到充分体现。,缺点,（3）在打开超线程支持后，如果处理器以双处理器模式工作，那么处理器内部缓存就会被划分成几区域，互相共享内部资源。对于不支持多处理器工作的软件在双处理器上运行时出错的概率要比单处理器上高很多。,（4）,
4、CPU虚拟化技术,计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。,CPU虚拟化技术,虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模
5、拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。,CPU虚拟化技术,支持虚拟技术的CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM（虚拟机监视器）会很容易提高性能，相比软件的虚拟实现方式会很大程度上提高性能完整的情况需要CPU、主板芯片组、BIOS和软件的支持，例如VMM软件或者某些操作系统本身。即使只是CPU支持虚拟化技术，在配合VMM的软件情况下，也会比完全不支持虚拟化技术的系统有更好的性能。,风向变了,人们再不用主频这个指标来谈CPU了,现在谈的是几个核心？,多核CPU,主频之路已经走到了拐点。桌面处理器的主频在2000年达到了1GHz，2001年达到2GHz，2002年达到
6、了3GHz。但在将近5年之后我们仍然没有看到4GHz处理器的出现。电压和发热量成为最主要的障碍，导致在桌面处理器特别是笔记本电脑方面，Intel和AMD无法再通过简单提升时钟频率就可设计出下一代的新CPU。,多核CPU,面对主频之路走到尽头，Intel和AMD开始寻找其它方式用以在提升能力的同时保持住或者提升处理器的能效，而最具实际意义的方式是增加CPU内处理核心的数量。多核时代开创于2005年春季，其标志是Intel的Pentium D 2=800双核芯片，而AMD紧随其后发布了Athlon 642芯片。,多核CPU,多核CPU技术，是在同一个硅晶片上集成了多个独立物理核心，在实际工作中，多
7、颗核心协同工作，以达到性能倍增的目的。每个核心都具有独立的逻辑结构，包括一二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元。,多核CPU,评价,多核是在目前功耗限制下，能找到的最好的提升芯片性能的方法。这种方法允许每个核心可以在相对节能的方式下运行，并通过牺牲单个核心的运算速度，提高芯片整体上的性能表现。,多核CPU,评价,要想让多核完全发挥效力，需要硬件业和软件业更多革命性的更新。其中，可编程性是多核处理器面临的最大问题。一旦核心多过八个，就需要执行程序能够并行处理。尽管在并行计算上，人类已经探索了超过40年，但编写、调试、优化并行处理程序的能力还非常弱。,在生产CPU过程中，要进行加工各
8、种电路和电子元件，未来有向纳米发展的趋势，精度越高，生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。,CPU制作工艺,CPU制作工艺,英特尔的晶体管工艺革新,CPU制作工艺,3-D三维晶体管“Tri-Gate”,2011年5月5号，英特尔发表名为“Tri-Gate”的3D晶体管技术，可以在性能不变的情况下，将处理器能耗降低一半。并宣称这是全球首款使用3D架构且可量产的产品，将率先被应用在预计于今年底量产的Ivy Bridge处理器。,CPU制作工艺,3D三栅极晶体管的优势,CPU制作工艺,3D晶体管显微照片,CPU制作工艺,英特尔指出
9、，与先前的晶体管相比较，“Tri-Gate”晶体管使得芯片能够在更低的电压下运行，并进一步减少漏电量，与之前最先进的晶体管相比，它的性能更高、能效更低。“Tri-Gate”将采用22纳米制程，与32纳米制程的平面晶体管相较，在低电压下可增加37%的性能，代表这些新的晶体管将更适合便携式设备，而在同样的性能下，“Tri-Gate”只会消耗一半的电力。,CPU散热技术,过热所导致的“电子迁移”现象是损坏 CPU 内部的芯片主要原因.“电子迁移”是指电子流动所导致的金属原子迁移的现象.在芯片内部电流强度很高的金属导线上 ,电子的流动给金属原子一个动量 ,一旦与金属原子碰撞 ,使得金属原子脱离金属表面
10、四处流动 ,结果就导致金属表面上形成坑洞或土丘. 这是一个不可逆转的永久性伤害 ,如果一直持续这个慢性过程 ,到最后就会造成核心内部电路的短路或断路 ,彻底损坏 CPU.“电子迁移”现象受许多因素影响 ,其中温度因素起了决定性的作用.温度的升高会使自由电子的动能大大增加 ,对金属原子的碰撞也更强烈. 同时 ,随着温度的增加 ,金属原子本身的热运动也增强 ,电子迁移现象就越容易发生. 这就是为什么要把 CPU 的温度维持在 50 以下的原因.,CPU散热技术,传统的散热技术,CPU散热技术,传统的散热技术,半导体致冷片法,基于帕尔贴效应而实现的 ,通常采用陶瓷封装的半导体串联方式.其工作原理实际
11、上是热量转移 ,当接通直流电时 ,半导体的冷面温度迅速降低 ,甚至可降至 - 10 ,而另一面的温度则迅速上升 ,从而达到降低表面温度的作用.半导体致冷的优点是无需任何制冷剂 ,寿命长,安装简单 ,可通过控制电流实现高精度的温度控制.,CPU散热技术,传统的散热技术,半导体致冷片法,制冷效率低;,它同样也存在缺点:,工艺不成熟、价格高;,容易因冷面温度过低而 出现的CPU 结露 ,从而导致短路的现象.,CPU散热技术,随着芯片尺寸的不断减小、CPU 频率的升高和散热量的迅速增加 ,急需要新型的 CPU 散热器来替代原有的散热技术！,CPU散热技术,新型的散热技术,热管散热技术：,热管是以相变来
12、强化换热的技术 ,它利用封闭在真空管内的工作物质 ,反复进行沸腾或凝结来传送热量,CPU散热技术,新型的散热技术,热管散热技术：,由于热管是通过相变潜热来传递热量 ,其导热性能很高 ,甚至是相同尺寸铜管的几十倍以上 ,因此适合在狭小空间中高热量的排放 ,在笔记本电脑中已经得到应用.,CPU散热技术,新型的散热技术,微通道散热技术：,微通道热沉的概念最早由 Tuckerman 和 Peace于 1981 年提出的 ,它是由具有高导热系数的材料构成.根据 Riddle 等 的研究:流量一定时 ,矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力直径成反比 .随着通道直径的减小 ,换热系数相应增加 ,同时系统的
13、散热面积与体积比也显著增加. 因此尽管体积不断减小 ,散热能力反而得到极大的提高。,CPU散热技术,新型的散热技术,微通道散热技术：,技术核心在于两点:,微通道集热器,无噪声电动力泵,微通道集热器相当于水冷头 ,通过高导热介质贴覆在核芯表面 , 再经键合封装形成封闭的循环通路 ,而液态工作介质则沿着这条通路往复流动.因为集热器的散热面积 比传统水冷头增加了数百倍 和热传导系数都很大 ,使得核心温度与液体介质的温度几乎持平,一种利用静电引力原理设计的液体泵.该散热器采用的液体输热介质是混有少量特殊物质的水 ,该介质在通过电动力泵内设置的多孔材料时会因在接触面产生电双层现象而附上静电 ,在泵两端产生的静电力场的作用下 ,液体可以获得维持循环流动的充足动力.,CPU散热技术,新型的散热技术,微通道散热技术：,除了起散热技术较传统技术有很大的改进外，它工作时几乎完全没有噪声 ,可靠性极高 ,寿命也远远高于传统水泵.,CPU散热技术,制冷芯片：,制冷芯片是由 Borealis 公司开发出的产品 ,它是基于热离子换能效应而实现的. 热离子换能效应早在 1900 年即被发现,即当两种不同的导体接触时 ,一种导体作为冷端释放电子 ,另一种导体作为热端接受电子.这样 ,通过高低能电子的交换从而实现热能的传递.,CPU光刻技术,摩尔定律全靠它 CPU光刻技术分析与展望,http:/
