為什么CPU時鐘頻率在過去5年里沒有增加？

　　簡介：CPU時鐘頻率在過去5年里沒有增加是很多不同類別的原因?qū)е碌?。?dāng)設(shè)計一個CPU的微架構(gòu)時，其中一個關(guān)鍵的設(shè)計決策就是如何實現(xiàn)更高的性能。在奔騰4時代，英特爾選擇了具有非常高的時鐘頻率和相對較窄的管道。這種方法有很多優(yōu)點，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)軟件會立刻見其好處。

　　一、功率

　　圖為時鐘頻率與功耗的關(guān)系

　　然而，這種方法也有它的缺點，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)計技術(shù)都不適合。此處，我將觸及兩個主要的低功耗設(shè)計方法。

　　一個是時鐘門控技術(shù)，時鐘門控技術(shù)會在每個狀態(tài)元件(寄存器、鎖等)之前插入一個時鐘啟動系統(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的充電/放電時間。這個方式也將一個附加延遲(門控功能)插入時鐘路徑。高頻率的設(shè)計一般是低利潤率運行，根本就不適合在最關(guān)鍵的信號(時鐘)插入附加可變延遲。

　　另一個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，那些不同的功能模塊和供電部分會關(guān)閉，但高頻設(shè)計往往不會這樣做。電源控制晶體管不但需要添加一個額外的壓降，從而延緩晶體管開關(guān)速度，而且一個非常細的流水線處理器根本沒有多少部分可以在任何給定的時間內(nèi)被關(guān)閉。

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

　　二、晶體管縮放

　　處理器頻率沒有上漲的另一個主要原因很簡單，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，但晶體管寬實際上是穩(wěn)步下降的，并且會繼續(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他們卻沒有越來越快。要理解這一點，有點MOSFET(金氧半場效晶體管)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。其中一個主要因素是電場在閘極(控制到交換機)中創(chuàng)建的強度。電場強度取決于閘極(其變小，晶體管收縮)的兩個區(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，你就會知道，兩個導(dǎo)電板之間距離越小，它們之間的電場就越強。這個工作原理在MOSFET上同樣通用。更薄的閘極電介質(zhì)導(dǎo)致有更強的電場通過晶體管溝道，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，并且對負載電容增加無害。

　　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，只能是一個權(quán)宜之計。事情很簡單，每一次我們利用之前已有的簡單的縮放比例縮小晶體管，都會導(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。細線意味著更高的阻力和更低的電流。事實是較小的晶體管能夠驅(qū)動少量的電流，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)計過程中可以使用許多技巧來對付這個問題。一個布局和布線良好的工程師將嘗試以類似的路徑來規(guī)劃其時鐘和數(shù)據(jù)信號的路線，這樣可以使兩個信號同時傳送，并在同一時間到達目的地。對于數(shù)據(jù)密集型芯片，輕控設(shè)計會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非常復(fù)雜的、非常規(guī)的設(shè)計，數(shù)據(jù)訪問多個地點時并不總是遵循時鐘規(guī)律，它有反饋路徑和循環(huán)，有集中的資源，如風(fēng)險跟蹤，調(diào)度，分支預(yù)測，寄存器文件等等。另外，重控設(shè)計很容易被復(fù)制到更多的內(nèi)核，但要通過標準的方法提高處理器頻率的時候，其所要求的細線是很復(fù)雜的。