延续摩尔定律——双核心/多核心处理器的发展
自高登.摩尔在1965年提出每隔18~24个月单位面积的晶体管数量倍增的摩尔定律之后,新世代处理器研发,凭借着每两~三年一次的制程进化,得以在一定的晶粒面积(成本)下,用更多的晶体管来设计新一代的核心架构,藉由新架构以及线路微缩的时钟频率提升效应,来驱动硅芯片的运算能量。
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【扩展信息:SOA注册和存储库的区别】双核心/多核心将是未来计算机运算系统的新趋势以往为了要达成摩尔定律硅芯片晶体管数倍增的期望值,一般新一代制程技术,大多以缩减到前一代线距长度的约70%左右,例如90奈米是目前的制程主流,下一代则切到65奈米。依照晶粒面积跟线距平方成正比来计算,新一代制程可以把目前晶体管所占用的硅晶面积缩减到一半(0.7^2=0.49,约0.5),做入两倍的晶体管数量,就可以维持原来的硅晶面积。
如果单纯就新一代制程来设计上一代处理器电路,运算时脉大致可以加快42.85%(=1/0.7),而且硅晶面积变成原来的一半,功耗可能下降的更低;同时新一代制程所需要的工作电压比较小,在热功率设计上也会更加容易一些。
但是,这个公式一个以往被人忽略的一点,就是由于晶体管数量倍增,会不会导致硅芯片所需要的电能、耗费功率大幅提升,甚至成几何级数的增加呢﹖我们先从下列硅芯片的电能功率计算公式来探讨:
功率=c(寄生电容)*f(频率)*v2(工作电压的平方)
每一个硅芯片会因为ic制程、介质、材料属性,以及晶体管数量的不同,而有不同的寄生电容值,若是相同制程,大致上忽略掉材料属性与介质因素,可以简易归纳出上下一代制程的寄生电容值为一个常数,所以硅芯片功率跟频率成正比,跟工作电压的平方也成正比。
摩尔定律并没有告诉我们,如何在同时维持功耗不变的情况下,顺利的达成晶体管倍增的目标,如果单纯从两倍效能提升值着手,频率因子是2.0,那么工作电压的平方值就要控制在0.5以下,使得功率维持在一定常数内,而0.5开平方也差不多是0.7,这代表工作电压得降到原先电压值的70%。
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