PC之“心”的发展方向

【前言】PC之“心”的发展方向由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。外频：即系统总线，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。 倍频：原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来...

CPU是最具份量的一个电脑部件，它在主机中的地位相当于人体的心脏，这颗电脑之“心”从某种意义上说可以直接衡量一款电脑的性能，也同样是可以作为划分机器是高端还是低端的标准，因此CPU的重要性是不言而喻的。（图1）

CPU制造技术也是IT技术里最高阶的技术之一，按照传统习惯，大家一般通过主频的数率来分辨一款CPU的性能如何，大多消费者关心的只是CPU的实际效能，就像大多数人只关心汽车的时速，而不会去在意汽车的引擎设计和气缸排气量一样。其实除了主频之外，还有架构、外频、倍频、缓存、一级缓存、二级缓存等等技术参数指标，对它们也应该有所了解。

CPU小知识

架构：CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标识。

主频：CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。

外频：即系统总线，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。

倍频：原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来无限提升。那么CPU主频的计算方式变为：主频 = 外频 x 倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。

缓存（Cache）：CPU进行处理的数据信息多是从内存中调取的，但CPU的运算速度要比内存快得多，为此在此传输过程中放置一存储器，存储CPU经常使用的数据和指令。这样可以提高数据传输速度。可分一级缓存和二级缓存。

一级缓存即L1 Cache。集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。但因高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在有限的CPU芯片面积上，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。

二级缓存即L2 Cache。由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一高速存储器，即二级缓存。工作主频比较灵活，可与CPU同频，也可不同。CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2寻找，然后是内存，在后是外存储器。所以L2对系统的影响也不容忽视。

经过了多年的发展，目前的CPU的性能已经达到了一个前所未有的颠峰状态，在这颗强劲的“心”的驱动之下，我们的电脑性能越来越强劲。但发展到现阶段，CPU也不可避免的产生技术上的一些瓶颈。例如桌面处理器的主频在2000年便达到了1GHz，2001年达到2GHz，2002年达到了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，再加上半路杀出的GPU，CPU的日子并不好过。有的业内人士甚至认为CPU已经走到了生命的十字路口，面临着前所未有的压力，那么CPU未来的路将如何走呢？

真正的多核时代来临

虽然2005年INTEL的PD是个败笔，但它最大的意义是让人们看到了一条新的CPU发展之路，随后嗅觉敏锐的AMD推出的ATHLON*2系列，英特尔研发出了引爆双核市场的CORE2，酷睿的出现是CPU历史上的一次重要变革，INTEL采用了全新的架构，使CPU的主频以及功耗降低，而性能却更加强大。现在家用pc的双核配置已经渐成主流，双核之在短时间内便占领了庞大的市场份额。

双核处理器取代单核，那么双核的继任者又是谁呢？答案已在不久前便解开了。Core 2 Quad Q6X00四核处理器上市之后马上得到了不少发烧友的热捧，Q6600处理器实际主频为2.40GHz，外频为266MHz，倍频为9，编号为SL9UM，缓存为4MB*2，前端总线为1066MHZ，供电需符合05B标准。产品采用65纳米制程工艺，Kentsfield核心，支持MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、X86-64等指令集。产品工作电压为0.85V-135V，核心面积为285MM2，晶体管数量为5亿8200万，设计功耗为105W。在技术特性上，支持Intel 64位扩展技术(Intel EM64T)、SSE4 (Streaming SIMD Extensions 4)指令集，Intel病毒防护技术(Execute Disable Bit)、Intel虚拟化技术(Virtualization Technology)及Enhanced Intel SpeedStep节能技术。另外，它还支持Windows Vista。当然，打造这样一套四核系统的代价相当不菲，仅一颗四核CPU就需要2500元左右。有人保守估计四核QX6600的价格要到千元附近可能要到2009年。

但无论如何，双核处理器在多任务下完全击败单核处理器是勿庸置疑的，根据来自第三方调查公司的数据，2010年多核产品将完全取代单核产品，并将覆盖目前所有桌面电脑和移动PC，并行化获得的优异性能带动软件并行化的全新应用模式，同时这一切都要有着软件支持。

从单核到双核是一个从无到有的过程，可以用“震撼”两个字来形容，而从双核到多核是一个从有到发展的过程，也许就不是那么光芒四射了。但正是这种成熟，才使得真正意义上的“多核时代”来临。

那么进入“多核时代”后，两大CPU巨头各有什么动作呢？

1. INTEL：“Nehalem”采用45纳米、超线程技术

从酷睿双核开始，英特尔CPU就开始占有先机，Core 2 Quad Q6X00四核处理器的推出，更加稳固了其多核时代霸主的地位。英特尔计划将先推出支持多核的Penryn芯片，作为首款采用45纳米生产工艺的新型处理器，其中，台式机处理器将采用双核或四核，单核主频超过3Ghz；笔记本处理器继续采用双核，据称这种Penryn处理器的游戏性能将比酷睿2高20%，媒体应用性能将高45%。而Penryn处理器不过是一种过渡产品，不久前，英特尔高级副总裁兼数字企业集团总经理帕特・盖尔辛格(Pat Gelsinger)对外公布将于2008年打造一款叫做“Nehalem”处理器，基于Nehalem的处理器将包含1到8个内核，每个内核都支持超线程技术，可以处理两个独立的软件线程。其实早在单核Pentium 4处理器时代就采用了超线程技术，但随后又放弃了该技术。这种采用45纳米、超线程技术的多核处理器还采用可动态升级微架构，可以对多种技术和部件加以选择，面向不同类型的计算机打造不同的芯片，如苹果希望英特尔在处理器中加入更多整合部件，包括图形控制器，一些服务器厂商需要能同时处理16个线程的8核处理器，另一些厂商则需要面向刀片式服务器的低功耗处理器，这种针对不同客户打造不同类型CPU的计划，体现出未来英特尔CPU的针对性和人性化策略。

2. AMD：K8L四核引入三级缓存、电源管理技术

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面对INTEL的Core 2 Quad Q6X00，AMD以代号为“Barcelona”的AMD K8L四核处理器应对，K8L属K8架构体系，它在现行基础上作了大量的技术改良，并引入原生四核的支持。K8L主要的技术改进主要在于浮点性能增强以及核心的优化，其中浮点性能方面，K8L的浮点加法器和乘法器的数量都增加一倍，K8L的两个内存控制器可以单独运作，可以让每个核心都能快速获得内存资源而无需等待太久。值得关注的是，K8L还引入了共享三级缓存支持，即每个核心在拥有各自独立的二级缓存资源的同时，还可以共享2MB容量的三级缓存，这项设计可以为商务应用带来一定的效能提升。此外，K8L拥有更加灵活的电源管理技术，每个核心的电压和频率都可以根据任务需要进行动态调节，这种设计可达到更加理想的节能效果。比如其中一个核心100%负载运行任务，此时该核心工作在标准的电压/频率下；第二个核心则可处于50%的负载，电压和工作频率随即降低，而其余两个核心则可以处于休眠状态，能源消耗也降到最低点。

值得一提的是，未来代号为Falcon的CPU将组合CPU和GPU的性能，它将拥有4个内核和一个集成的统一渲染的总体结构，还有一个DirectX核心用于增强图形处理能力。将成为AMD加速处理器家族的首款产品，预计于2009年与广大用户见面。（图4）

3. 多核竞赛进入白热化状态

INTEL与AMD这对老对手历史上有过多次交锋，进入P3时代以后，AMD在主频的提升上面遇到了瓶颈，被INTEL远远的甩到了后面，但是AMD同时却在前端总线上取得了极大的突破，可INTEL好像在前端总线上遇到了困难。面对即将走到尽头主频之路，Intel和AMD都在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，增加CPU内处理核心的数量成了两大巨头心领神会的唯一出路。在2005年春季，Intel的Pentium D 2=800双核芯片诞生后，AMD紧随其后了Athlon 64×2芯片，虽然Intel随后在2005年秋季的Pentium D 900系列并未对AMD的×2产品线造成实质性反击。因此在第一轮双核肉搏战中，AMD获得了很大的优势。但好景不长，2006年1月Intel了首款双核移动处理器Core Duo，这一全新的处理器为笔记本性能带来了很大进步，而Intel真正的拳头产品是在2006年夏季同时了Core 2 Duo桌面（Conroe）和移动（Merom）处理器，这被视为Intel历史上最成功的产品更是给了毫无进展的AMD以沉重的打击。

真正的“白热化”多核竞赛可能将从07年末或者08年开始拉开序幕，AMD原生四核桌面处理器预计将会在今年第四季度面世，其一系列的技术改良和优化设计将显著提升K8L的性能表现，K8L要面对的将是英特尔45纳米“Penryn”核心处理器。但目前来看，K8L处理器只是在一定程度上与酷睿相当，与英特尔未来的多核处理器还有一定的差距。但竞争的结果并不完全取决于处理器的性能，其他市场策略以及生产能力的比拼也是相当重要的，未来哪一家处理器厂商可以提供更低的价格，它就能实现快速成长。不仅如此，随着能源危机的加剧，大家在挑选CPU的时候，已经越来越注重CPU的功耗，在CPU的制造工艺上，已经完全从130纳米过度到90以及65纳米，很快又会出现45纳米制作工艺的CPU，制作工艺更加“纳米”，CPU的功耗就将变的更低，温度也将更低，INTEL宣布将在明年推出一款功耗仅为17W的CPU，低功耗不代表性能的降低，反而更低的功耗代表着技术的领先。

另外，目前有相当一部分人认为未来的CPU将是CPU和GPU混合体，实际上GPU在浮点运算以及其他很多方面的计算能力已经大大超越了当前的CPU，因此INTEL和AMD在GPU+CPU技术层面上的竞争也不可忽视。去年，AMD收购了ATI。随后双方宣布要研发一种将CPU和GPU合而为一的超级CPU，其性能将大大超越现有的CPU，届时将给传统CPU带来巨大冲击，而INTEL也不甘落后，凭借其雄厚的资金保障以及强大的研发队伍，他在GPU+CPU方面的研制也已经进行了很长一段时间。这一方面究竟孰能胜出，那也许只有双方产品碰头的时候才能见个分晓。

未来的CPU

可以打补丁

几乎每一位用过WINDOWS系列的用户都知道，对于新的操作系统而言，可能经常需要用户打打补丁，使系统更稳定，更安全，而对于硬件来说，一但出现问题，只能招回进行修理。其实绝大部分的处理器在设计中都存在许多的Bug，大部分都不是严重的问题，因此可能已经销售数年的CPU仍然存在几十甚至几百个Bug没有修正。而目前厂商解决问题的办法是把存在严重缺陷的模块屏蔽，这样解决了问题但是用户却损失了功能或性能。不过这种情况将得到彻底解决，未来也许补丁可能将会适用在硬件上面，美国伊利诺伊大学Urbana Champaign分校计算机系教授Josep Torrellas则在研究一套有效的算法，一个名叫“Phoenix”的特殊硬件被安置在芯片内部，可以进行编程来寻找缺陷并修复。目前开发中使用的原型系统由标准的FPGA可编程门阵列搭建，工作原理就像是普通的杀毒软件或操作系统升级。用软件下载新的芯片缺陷信息，对“Phoenix”进行重新编程，让它来修补芯片的缺陷，换句话说就是让芯片也能像操作系统一样打补丁，通过软件修复漏洞。

“龙芯”也将走

多核之路

CPU作为一项核心技术，代表了电脑芯片技术的水平，但是其难度也让很多国内IC设计公司望而却步，多年前，虽然德州仪器、IBM及其它知名半导体公司都曾试图进入该市场，但无不铩羽而归。在全球PC处理器市场上，几乎成了英特尔、AMD两巨头的天下。中国研发CPU只有短短不到十年的时间，但应该说也取得了相当不错的成绩。2002年9月是“龙芯1号”横空出世的时候，22个月之后，龙芯家族的另一位成员――“龙芯2号”也问世了，至此，“龙芯”这个全新的名词闯入了人们的视线。“龙芯2号”采用了不同于x86的指令集，并能与基于MIPS架构开发的软件及部件协同工作。英特尔产品则主要兼容支持x86架构的软件或部件，如Windows操作系统等。虽然龙芯电脑还只能用中国的Red Flug Linux操作系统，界面也相对幼稚，驱动不太好安装，但这一切都没有泯灭国人对于自主研发的CPU的热情。据中科院计算所人士透露，目前龙芯2E处理器进入量产，已经向市场批量供应，使用龙芯2E的中科龙梦笔记本有望在明年年初上市。而龙芯3号将进入多核“轨道”， 龙芯3号多核处理器结构特征是多平台并行虚拟机结构，主要面向服务器和高性能机应用，部分低端龙芯3号也可以面向部分桌面应用。龙芯3号在策略上伸缩设计、有限实现，比如结合工艺和应用，桌面应用将会达到四核。计划第一阶段到2008年做8～16核，第二阶段到2010年做32～64核。当然，我们也应该清醒地看到，与国际巨头相比，中国的芯片产业还有很长的路要走，龙芯还只是个孩子，它需要的更多的是大家的包容与关怀。

不管怎样，CPU的未来还有很长的一段路要走，目前多核处理器的发展趋势就是处理器结构正处在转折期，主频至上的时代已经结束。摩尔定律关于主频部分的终结，晶体管资源还在增加，性能功耗比继性能价格比后成为重要的设计指标，网络和媒体的普及导致计算机应用的变化。Intel和AMD要做的是如何控制多内核处理器的成本，使普通用户能够接受它。假以时日，相信你桌面上的电脑将配备四核、甚至八核处理器。

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