微处理器的未来<%=id%>

    英特尔公司的莱特纳先生是个大忙人。他是英特尔公司微处理器实验室的主任，也是英特尔院士。他这次到中国来访问，先后在上海、西安做了两次学术报告，主题都是微处理器的未来。
    2002年6月2日早上8点半，我在英特尔中国公司的办公室见到了莱特纳先生。我们的谈话也从未来的微处理器开始。
    纳米线圈与未来的微处理器
    “我在华尔街日报上读到了哈佛大学教授利埃伯和他的纳米线圈的故事。英特尔公司内部是否也有这样的研究项目？”我问。
    “是的，我也知道利埃伯教授和他的纳米线圈。实际上人们一直在致力于推进基于半导体硅的技术，同时也在探索其它新的技术。在英特尔公司内部，也有诸如量子计算、纳米技术等研究项目正在进行中。我们认为这都是10年以后的技术，甚至需要更长时间才能投入应用。我们认为基于半导体硅的技术还有很强的生命力。我们已经演示了只有10纳米数量级的晶体管。这里有一个时间表，大约在2012到2014年，基于硅的计算机芯片线宽将进入10纳米数量级，大约明年，半导体芯片会达到130－100纳米数量级，再下一步达到65－45纳米数量级。利埃伯教授确实做出了纳米数量级的元器件，但是要把几十亿甚至上百亿个纳米线圈集成到一起放在基底材料上，并且投入大规模生产，还有很长的路要走。英特尔公司内部也有类似的项目，我们有专门的研究开发队伍研究未来的元器件，他们也在探索硅以外的新材料。”
    微处理器面临的挑战
    “那么随着半导体芯片的线宽从亚微米级向纳米级不断缩小，在技术上会碰到什么挑战呢？”
    莱特纳先生反问我：“你说的挑战是在微处理器方面，还是在制造工艺方面？”
    “当然是微处理器方面。”我回答说。实际上在制造工艺领域也存在很多挑战，例如需要更短波长的光源来进行光刻，以在半导体硅材料表面印制更细微的电路。不过莱特纳先生是微处理器领域的专家，他在微处理器领域的意见当然是权威的。
    “好吧，请看这幅幻灯片。”莱特纳先生操作他的个人电脑，打出一幅幻灯片。“现在微处理器面临的挑战不仅在性能方面，而且在耗电和发热方面也面临严峻挑战。我们可以看到，随着硅半导体芯片线宽的不断缩小，晶体管的漏电流不断加大，现在这种漏电流很小，但是到了几十纳米级线宽，漏电流会增加到总耗电量的三分之一到一半，这就成为很严重的问题。所以我们正在进行微处理器研究，设计新型电路，以减小漏电流。从技术上说，这是可能的。今年早些时候，我们参加国际固态电路学术会议并发表了几篇论文讨论漏电流问题以及可能的解决方案。”
    莱特纳先生转到另一幅幻灯片：“这是一个实验芯片，有660万晶体管，线宽达到150纳米，我们在晶片（die）的基底材料上加上一个电压，形成一种‘体偏置’（Body bias），结果芯片可以在给定电压以更高的频率工作，或是在给定的主频以较低的电压工作。这样的结果有两项好处：第一降低工作耗电25％，第二有效地减少漏电流，降到没有体偏置之前的2／7。这对于笔记本电脑有特别的好处，因为这意味着在笔记本电脑挂机的时候耗电量大大减少，能有效地延长电池的使用时间。”
    莱特纳先生又转到一幅新的幻灯片：“这是一个实验芯片的核心电路，它采用的130纳米技术与2 G奔腾4类似，不过它的算法逻辑单元（ALU）工作频率高达5．5G，耗电量只有2 G奔腾4的一半，体积也缩小一半，漏电流下降到总耗电量的十分之一以下。我们可以得出结论，通过改进电路设计，可以降低芯片耗电量，提高芯片的工作频率，并缩小芯片体积。我们正在进一步努力，以突破现有的技术限制。”
    从指令并行到线程并行
    谈到微处理器内部微结构的演化，莱特纳先生指出一个主要的变化：从奔腾到奔腾Ⅲ，是指令并行，也就是在一个时钟周期内执行尽可能多的指令，这方面的潜力已经被利用得差不多了。如果在这种情况下进一步提高主频，微处理器性能不仅不可能提高，甚至可能下降。到了奔腾4，已经是线程并行了。线程并行就是微处理器同时执行两组程序或者更多的程序。为什么要采用线程并行呢？莱特纳先生解释说，因为在指令并行的情况下，在微处理器内部有很多计算单元被闲置，线程并行能提高微处理器内部计算单元利用率。所以，从指令并行演化到线程并行，是微处理器内部微结构的一大进步。只要花不高的代价，例如增加3－5％的晶体管数量，就能明显地提高微处理器的性能。从另一个角度看问题，线程并行就像是在一个微处理器里安装了两个虚拟的微处理器，效果与实际的双处理器系统类似。英特尔公司把线程并行技术称为“超线程”。采用超线程技术，一个微处理器的性能相当于指令并行的1．5甚至1．7个处理器。在支持多线程处理的服务器系统，线程并行的优势更为明显。
    “那么在线程并行以后新一代的微处理器内部微结构是什么？”我紧接着追问。
    莱特纳先生笑了：“哈哈，这真是一个好问题。我们可以看英特尔的安腾处理器，把这种64位微处理器与现在个人电脑用的32位处理器奔腾4比较，安腾处理器在每个时钟周期处理的指令数比奔腾4要多一倍，就是在性能相同的情况下，安腾处理器的主频只有奔腾4的一半。现在我们在安腾处理器的设计上是保守的，今后我们会提高这种64位微处理器的主频，它的性能将超过市场上各种微处理器。”
    也许涉及技术保密，莱特纳先生没有正面回答。显然安腾处理器的微结构在线程并行之外又增加了新的内容，就是多内核（multi core），也许这就是未来新一代微处理器微结构的特征？
    集群式超高性能计算机
    笔者最近听说美国能源部正在开发基于英特尔微处理器的集群式超高性能计算机，峰值速度超过每秒8万亿次。我国的个人电脑企业联想公司也正在开发基于英特尔微处理器的集群式超高性能计算机，峰值速度将超过1万亿次。
    “看起来基于英特尔微处理器的集群系统正在成为工业标准。集群系统的体系结构与微处理器的内部微结构有什么关系？”我问。“多处理器的集群系统的魅力在于用户可以用比较低的成本建造高性能的计算机。与其它公司的多处理器集群系统相比，采用英特尔的微处理器建造集群系统，不需要增加一些价格昂贵的硬件，例如一些特制的芯片。这就同微处理器内部结构有关。同时在支持集群系统节点通信方面，英特尔公司提供了高性能、低成本的解决方案，我们已经把对以太网的支持集成到硬件里，而且很快将把对 TCP／IP协议的支持集成到硬件里。我们实验室里已经开发出这方面的产品，并将在2002年第三季度发布。这一网络芯片的主频达16G。”

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