為什么CPU時(shí)鐘頻率在過去5年里沒有增加？

　　簡(jiǎn)介：CPU時(shí)鐘頻率在過去5年里沒有增加是很多不同類別的原因?qū)е碌?。?dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)CPU的微架構(gòu)時(shí)，其中一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策就是如何實(shí)現(xiàn)更高的性能。在奔騰4時(shí)代，英特爾選擇了具有非常高的時(shí)鐘頻率和相對(duì)較窄的管道。這種方法有很多優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是它很容易加快單線程和串行代碼。軟件內(nèi)并不需要操作很多的并行指令，因此大多數(shù)軟件會(huì)立刻見其好處。

　　一、功率

　　圖為時(shí)鐘頻率與功耗的關(guān)系

　　然而，這種方法也有它的缺點(diǎn)，它忽略奔騰4本身的執(zhí)行瑕疵。在這里，我們只講概念本身的缺陷。主要是CPU的微架構(gòu)一直與電墻沖突，并且，高頻的微架構(gòu)與很多已被發(fā)明出來用來處理功率問題的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)都不適合。此處，我將觸及兩個(gè)主要的低功耗設(shè)計(jì)方法。

　　一個(gè)是時(shí)鐘門控技術(shù)，時(shí)鐘門控技術(shù)會(huì)在每個(gè)狀態(tài)元件(寄存器、鎖等)之前插入一個(gè)時(shí)鐘啟動(dòng)系統(tǒng)，以至于如果沒有新的數(shù)據(jù)寫入的話，元件將沒有時(shí)鐘控制。這樣就可以節(jié)省大量因回寫相同的高速緩存而浪費(fèi)的充電/放電時(shí)間。這個(gè)方式也將一個(gè)附加延遲(門控功能)插入時(shí)鐘路徑。高頻率的設(shè)計(jì)一般是低利潤(rùn)率運(yùn)行，根本就不適合在最關(guān)鍵的信號(hào)(時(shí)鐘)插入附加可變延遲。

　　另一個(gè)常見的技巧是電源門控。這涉及到要在芯片不同部分的電壓源上放上晶體管。通常情況下，當(dāng)不使用時(shí)，那些不同的功能模塊和供電部分會(huì)關(guān)閉，但高頻設(shè)計(jì)往往不會(huì)這樣做。電源控制晶體管不但需要添加一個(gè)額外的壓降，從而延緩晶體管開關(guān)速度，而且一個(gè)非常細(xì)的流水線處理器根本沒有多少部分可以在任何給定的時(shí)間內(nèi)被關(guān)閉。

　　因此，從微架構(gòu)的角度來看，高頻和細(xì)的設(shè)計(jì)不只是智能power-wise。

　　二、晶體管縮放

　　處理器頻率沒有上漲的另一個(gè)主要原因很簡(jiǎn)單，就是晶體管本身并沒有變得更快。

　　其他人提到了晶體管寬度尺寸的因素，但晶體管寬實(shí)際上是穩(wěn)步下降的，并且會(huì)繼續(xù)下去，摩爾定律在這方面還是很好地發(fā)揮作用的。

　　英特爾目前正在45納米的基礎(chǔ)上制造32納米的HKMG(high-k絕緣層+金屬閘極) 。兩年之前，它是65納米，再之前是90納米。TSMC， IBM and GlobalFoundries 公司今年開始生產(chǎn)28納米芯片。英特爾正計(jì)劃調(diào)整到22納米。 (更新：14nm已經(jīng)出來了)。

　　然而，問題是，當(dāng)晶體管的尺寸越來越小時(shí)他們卻沒有越來越快。要理解這一點(diǎn)，有點(diǎn)MOSFET(金氧半場(chǎng)效晶體管)的背景是必要的。

　　眾所周知，晶體管的開關(guān)速度取決于許多因素。其中一個(gè)主要因素是電場(chǎng)在閘極(控制到交換機(jī))中創(chuàng)建的強(qiáng)度。電場(chǎng)強(qiáng)度取決于閘極(其變小，晶體管收縮)的兩個(gè)區(qū)域，以及閘門厚度。

　　隨著晶體管的縮小，門的面積在減少。在過去，閘極區(qū)域面積的減少意味著一個(gè)晶體管的閘極也可以做得更薄。如果你知道基本的電容器是如何工作的，你就會(huì)知道，兩個(gè)導(dǎo)電板之間距離越小，它們之間的電場(chǎng)就越強(qiáng)。這個(gè)工作原理在MOSFET上同樣通用。更薄的閘極電介質(zhì)導(dǎo)致有更強(qiáng)的電場(chǎng)通過晶體管溝道，這意味著晶體管的切換速度更快。晶體管閘極面積減少意味著閘門可以做得更薄，并且對(duì)負(fù)載電容增加無(wú)害。

　　然而，至于45納米，現(xiàn)在的閘介質(zhì)約0.9納米厚——大約一個(gè)二氧化硅分子的大小，所以根本不可能做出更薄的了。因此，英特爾改用以鉿材料為基礎(chǔ)材料的High-K取代二氧化硅，成為閘極電介質(zhì)(許多人懷疑是硅酸鉿)。他們還把連接閘門的材料從多晶硅變成金屬材料。

　　這種方法有助于提高晶體管的速度，但它太昂貴了，只能是一個(gè)權(quán)宜之計(jì)。事情很簡(jiǎn)單，每一次我們利用之前已有的簡(jiǎn)單的縮放比例縮小晶體管，都會(huì)導(dǎo)致更快的晶體管結(jié)束。

　　三、芯片縮放

　　頻率斜升放緩的另一個(gè)主要原因是晶體管不再是唯一的——在某些情況下，即使是最大的——處理器可以運(yùn)行多快的關(guān)鍵?，F(xiàn)在，連接這些晶體管的電線成為延遲的主要因素。

　　隨著晶體管越來越小，連接它們的電線變得更細(xì)。細(xì)線意味著更高的阻力和更低的電流。事實(shí)是較小的晶體管能夠驅(qū)動(dòng)少量的電流，很容易發(fā)現(xiàn)，晶體管的開關(guān)速度只能部分確定電路的路徑延遲情況。

　　當(dāng)然，在芯片設(shè)計(jì)過程中可以使用許多技巧來對(duì)付這個(gè)問題。一個(gè)布局和布線良好的工程師將嘗試以類似的路徑來規(guī)劃其時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)的路線，這樣可以使兩個(gè)信號(hào)同時(shí)傳送，并在同一時(shí)間到達(dá)目的地。對(duì)于數(shù)據(jù)密集型芯片，輕控設(shè)計(jì)會(huì)是一種非常有效的解決方案，例如固定功能的視頻編解碼引擎或網(wǎng)絡(luò)處理器。

　　然而，帶有web交互的微處理器是一個(gè)非常復(fù)雜的、非常規(guī)的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)訪問多個(gè)地點(diǎn)時(shí)并不總是遵循時(shí)鐘規(guī)律，它有反饋路徑和循環(huán)，有集中的資源，如風(fēng)險(xiǎn)跟蹤，調(diào)度，分支預(yù)測(cè)，寄存器文件等等。另外，重控設(shè)計(jì)很容易被復(fù)制到更多的內(nèi)核，但要通過標(biāo)準(zhǔn)的方法提高處理器頻率的時(shí)候，其所要求的細(xì)線是很復(fù)雜的。