浅谈微处理器的发展趋势.docx

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毕业设计（论文）开题报告

姓   名

马淑丹

专业/班级

09计算机应用一班

指导教师

肖尧

课题名称

浅谈微处理器的发展趋势

一、选题依据和意义

选题依据：

根据计算机的日益发展以及微处理器的不断更新。

意义：

由当前微处理器的发展趋势可以看出科技的发展之迅速，在我们的生活中也是一件必不可缺少的一种要工具。

二、基本内容及解决的主要问题

技术发展趋势、国内外现状

高性能微处理器的发展前沿、多核化的发展与趋势

三、进度、步骤

11月20号至25号：

准备材料

11月25号至12月1号:

整理论文内容及格式

12月2号发至指导老师审核:

发至指导老师邮箱

四、方法、措施

查阅资料了解当前微处理器的发展情况

五、主要参考文献

《微处理机》2010第4期-维普资讯网。

指导教师意见

指导教师签名：

            年   月   日

教研室意见

                                主任意见：

               年   月   日

系意见

负责人签名：

          年   月   日

毕业设计（论文）计划进程表

姓    名

马淑丹

指导教师

肖尧

课题名称

浅谈微处理器的发展趋势

时间

工   作   任   务

完成情况

11月20号

至25号

11月25号至12月1号

12月2号发至指导老师审核

     准备材料

     整理论文内容及格式

     发至指导老师邮箱

很好

很好

摘要

       自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。

半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此被称为“产业的种子”。

中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。

   今天，微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。

微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。

国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。

关键词：

CPU，多核，技术

                   Abstract

Eversincemankindinventedthetransistorin1947,since50yearsexperiencedasiliconsemiconductortechnology,transistors,integratedcircuits,VLSI,verylargescaleintegratedcircuitsandothergenerations,growingfasterthanotherindustriesdonothave.  Semiconductortechnologyonsocietyasawholehadabroadimpact,knownasthe"industry'sseed."Centralprocessingmeansforprocessingthedatainsidethecomputerandprocesscontrolcomponents,alongwiththerapiddevelopmentoflargescaleintegratedcircuittechnology,chipdensity,higherandhigher,CPUcanbeintegratedonasemiconductorchip,thisacentralprocessingfunctionsLSIdevices,knowncollectivelyas"microprocessor."

      Today,microprocessorshavebecomeubiquitous,bothrecorders,smartwashingmachines,mobilephones,homeappliances,orcarenginecontrol,andnumericalcontrolmachinetools,precision-guidedmissiles,etc.shouldbeembeddedindifferenttypesofmicroprocessors.Notonlyisthemicro-computermicroprocessorcorecomponents,butalsoavarietyofdigitalkeycomponentofsmartdevices.Internationalhigh-speedsupercomputers,mainframecomputersandotherhigh-endcomputingsystemsareusedalotofgeneral-purposehigh-performancemicroprocessorsbuilt.

 Keywords:

  CPU,multi-core,technology

目录

1.1工艺的影响

1.2结构的影响

 1.3功耗问题

1.4应用的变化

第二章国内外现状

第三章  高性能微处理器发展前沿

第四章多核化的发展与趋势

4.1单线程与超线程

4.2多核的提出

4.3多核的发展

第五章  结束语

参考文献

致谢

第一章技术发展趋势

1.1工艺的影响

在过去30多年的发展过程中，高性能微处理器基本上都是按照著名的摩尔定律在发展。

根据世界半导体行业共同制订的2003年国际半导体技术发展路线图及其2004年更新，未来15年集成电路仍将按摩尔定律持续高速发展。

预测到2010年，高性能CPU芯片上可集成的晶体管数将超过20亿个（到2018年超过140亿个）。

半导体技术的这些进步，为处理器的设计者提供了更多的资源（无论是晶体管的数量和种类）来实现更高性能的芯片，从而有可能在单个芯片上创造更复杂和更灵活的系统。

    随着晶体管集成度的越来越高、频率和计算速度的越来越快，芯片的功耗问题、晶体管的封装、芯片的蚀刻等越来越难以处理。

这些因素使得摩尔定律本身的发展及其对处理器的影响发生了一些深刻的变化。

    首先，根据上述的路线图，摩尔定律指出的发展趋势已经变缓，由原来的1.5年一代变为2-3年一代。

除了技术本身的难度增加以外，集成电路生产线更新换代的成本越来越昂贵，生产厂家需要更多的时间来收回生产线成本也是一个重要原因。

    其次，处理器主频正在和摩尔定律分道扬镳。

摩尔定律本质上是晶体管的尺寸以及晶体管的翻转速度的变化的定律，但由于商业的原因，摩尔定律同时被赋予每1.5年主频提高一倍的含义。

事实上过去每代微处理器主频是上代产品的两倍中，其中只有1.4倍来源于器件的按比例缩小，另外1.4倍来源于结构的优化，即流水级中逻辑门数目的减少。

但目前的高主频处理器中，指令流水线的划分已经很细，很难再细分。

例如，PentiumIV的20级流水线中有两级只进行数据的传输，没有进行任何有用的运算。

另外，集成度的提高意味着线宽变窄，信号在片内传输单位距离所需的延迟也相应增大，连线延迟而不是晶体管翻转速度将越来越主导处理器的主频。

功耗和散热问题也给进一步提高处理器主频设置了很大的障碍。

因此，摩尔定律将恢复其作为关于晶体管尺寸及其翻转速度的本来面目，摩尔定律中关于处理器主频部分将逐渐失效。

    此外，虽然集成度的提高为处理器的设计者提供了更多的资源来实现更高性能的芯片，但处理器复杂度的增加将大大增加设计周期和设计成本。

    针对上述问题，芯片设计越来越强调结构的层次化、功能部件的模块化和分布化，即每个功能部件都相对地简单，部件内部尽可能保持通信的局部性。

 1.2结构的影响

 在计算机过去60年的发展历程中，工艺技术的发展和结构的进步相得益彰，推动着计算机功能和性能的不断提高。

工艺技术的发展给结构的进步提供了基础，而结构的进步不仅给工艺技术的发展提供了用武之地，同时也是工艺技术发展的动力。

    在过去60年的发展历程中，计算机的体系结构每20年左右就出现一个较大突破，已经经历了一个由简单到复杂，由复杂到简单，又由简单到复杂的否定之否定过程。

最早期的处理器结构由于工艺技术的限制，不可能做得很复杂，一般都是串行执行；后来随着工艺技术的发展，处理器结构变得复杂，流水线技术、动态调度技术、CACHE技术、向量机技术被广泛使用，典型的代表如IBM360系列的机器以及Cray的向量机；RISC技术的提出使处理器结构得到一次较大的简化；但后来随着工艺技术的进一步发展以及多发射技术的实现，RISC处理器的结构变得越来越复杂。

以Intel和HP为代表研制的EPIC结构的实现并没有从根本上对处理器结构进行本质简化。

在上述过程中，每一次由简单到复杂的变革都蕴涵着进一步简化的因素，例如在早期的复杂处理器CDC6600以及Cray向量机中，已经有了只由load和store进行访存的概念，IBM360/91中的Tomasulo算法被后来的RISC处理器普遍使用。

同样，每一次由复杂到简单的变革，也蕴涵着再次复杂的基础，例如RISC结构的特点使得它可以充分利用多发射以及乱序执行来提高性能，而多发射和乱序执行又会增加处理器的复杂度。

    以近年来RISC微处理器结构没有大的突破为标志，RISC结构已经成熟。

现在的RISC微处理器普遍能允许几十到上百条指令乱序执行，如Alpha21264处理器的指令队列最多可以容纳80条指令，MIPSR10000为32条，HP8700为56条，POWER4为200多条，PIV为106条（PIV处理器虽然指令系统是CISC，但内部的微操作则具备了很多RISC的特征）。

目前，包括超标量RISC和EPIC在内的指令级并行技术使得处理器核变得十分复杂，通过进一步增加处理器核的复杂度来提高性能已经十分有限。

    同时，由于以下原因，通过结构的方法细分流水线来提高主频的方法将来很难再延续下去：

一是不可能使用少于6-8个FO4（等效4扇出反相器）产生出波形好的时钟脉冲；二是随着流水级的增加流水线结构的效率会越来越低；三是由封装承受能力引起的热包封限制使得难以实施很深的互连流水线结构；四是结构和电路的创新将越来越多地用于减轻给互连RC