创芯使命:芯片史见证48年摩尔定律

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2013年,计算和通信更紧密融合,信息服务边界不断延伸,未来计算将无处不在。在这种情况下,曾经为计算技术发展史的首个也是最重要的定律——摩尔定律,也就被推向了风口浪尖,不乏专家学者对这个“神之手”能否后续“绘未来”提出质疑。

进步不仅给未来带来了新的可能性,也给未来带来了新的限制。摩尔定律下四十八载的芯片技术发展,不断推高人类计算机技术发展水平;未来如何继续保持这种发展态势,是定律所面临的严峻挑战。每一次进步,意味着面临的限制和挑战也就越大,但同时也更彰显其优越性。本文,将为您讲述摩尔定律下的微处理器发展概况,并从中提炼得出每个发展阶段所体现的摩尔定律。

2013年,计算和通信更紧密融合,信息服务边界不断延伸,未来计算将无处不在。在这种情况下,曾经为计算技术发展史的***也是最重要的定律——摩尔定律,也就被推向了风口浪尖,不乏专家学者对这个“神之手”能否后续“绘未来”提出质疑。

然而,此前都是建立在“硅”元素基础之上的信息技术,将有望捕获新的元素——碳纳米管,来取得这一材料,并继续推进晶体管性能的提升。另外,石墨烯和一种标准硅晶体管的变体隧道场效应晶体管,也有望突破半导体技术的瓶颈,以新生材料来印证这一定律的青春活力。

 

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就目前来说,通过对过去微处理器的发展进程来得出摩尔定律这一“神之手”的的奇幻魔力,相比之下会显得更为具体和充分。而本文,我们也将重点从过去的岁月长河中,给大家展示见证48年摩尔定律的微处理器产品。

 

神之手绘未来 芯片史见证48年摩尔定律
摩尔定律下的微处理器晶体管数量(点击查看大图)

众所周知,摩尔定律(Moore's Law)是由英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。该定律指出,每隔18个月集成电路(IC)的晶体管数目会增加一倍,其性能也将提升一倍。

 

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微处理器发展演绎摩尔定律

摩尔定律是半导体发展根基,是现有技术创新和能效优化的基础性规律。作为半导体技术创新的***之一,英特尔每两年推出新一代处理器,并且在全球率先采用3D三维晶体管(2011年推出)芯片技术,不断演绎着这只“神之手”的魅力。

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“忽如一夜春风来,千树万树梨花开。”正如近现代其他科技的发展一样,微处理器时代仿佛一夜之间就到来了。三个公司,三个计划,几乎不约而同地成为微处理器产业的先锋:英特尔的Intel 4004,德州仪器公司的TMS 1000和盖瑞特艾雷赛奇(Garrett AiResearch)工业部的CADC(Central Air Data Computer)。

Intel 4004

虽然微处理器直到上世纪七十年代才出现,但早在上世纪六十年代NASA登月计划中,就采用了复杂的计算系统。到上世纪六十年代末,这种代价高昂、技术***的领域迎来了其发展的黄金时期。各大公司都纷纷力争推出自己的计算机产品来取代对方。

在1969年,一家名为Busicom的日本公司请求英特尔为其生产电算机微处理器,随后英特尔攻破了技术难题,能够在单个芯片中植入多个计算部件。两年过去了,英特尔工程师团队取得突破性进展,研发出了世界***4位的Intel 4004微处理器。

 

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Intel 4004(左侧为揭开保护盖后的实际使用图。来自维基百科)

【Intel 4004规格】

出产时间:1971年

晶体管数:2250个

制程工艺:10微米

主频:740KHz

该处理器的晶体管之间的距离是10微米,能够处理4bit的数据,每秒运算6万次,运行的频率为108KHz-740KHz之间。也许有读者会问,为什么不是诸如Intel 4001这样的命名产品,而是采用的4004的型号呢。其实Intel还曾开发出4001(动态内存DRAM)、4002(只读存储器ROM)、4003(Register),三者再加上4004,就可架构出一台微型计算机系统。

TMS 1000

德州仪器在1971年也推出了4位的处理器芯片TMS 1000,不过它主要为“微控制器”。德州仪器成功将该芯片放置在RAM和ROM板块中。它以预编程嵌入式应用(pre-programmed embedded applications)为主打技术。为此,德州仪器还专门为这种单芯片微处理器架构申请了专利。不过,到1974年之后,该芯片专利才得到确定下来。之后的几年,英特尔公司购买了德州仪器的微处理器专利技术。

 

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德州仪器TMS 1000

Central Air Data Computer芯片

1970年,盖瑞特艾雷赛奇(Garrett AiResearch)响应要求,研发出基于MOS工艺(MP944)芯片组核心的处理器,以同正在开发中的用于美国海军F-14雄猫战斗机的主飞行控制电脑的电机系统竞争。这种处理器采用了更小的体积和更高的可靠性,被运用于早期的所有雄猫战斗机。

 

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基于MOS工艺处理器芯片

由于该产品并不是针对普通消费者市场,1998年之前军方都一直没有公布CADC详细规范。但相比早期来说,以上这三款经典的处理器产品可谓早期***批开创历史先后的产品。

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Intel 8008

一家名为“计算机终端公司”的公司邀请英特尔帮助设计1201的8位芯片,但合同最终在1971年被取消。

事实上,它要寻求的是一种需要更少支持芯片的芯片。英特尔要保护知识产权和精致的设计。也就是其8位的8088芯片。在1972年该处理器的市场定价为120美元。8008作为Sac State 8008的中央处理器,它被计算机历史学家称为***个“微机”,因为它控制着磁盘操作系统、彩色显示器、硬盘驱动器、键盘和打印机等。

 

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Intel 8008芯片

Intel 8080

随后,英特尔决定研发生产依赖更少芯片支持的微处理器,以帮助实现更大的商业价值。1974年,英特尔发布了拥有4500个晶体管、具备64K字节的Intel 8080。早期的微型计算机,包括MITS Altair 8800,Processor Technology SOL-20和IMSAI 8080使用的都是8080处理器,以及CP/M操作系统。

 

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Intel 8080

【Intel 8080规格】

出产时间:1974年

晶体管数:4500个

制程工艺:6微米

主频:2MHz

Intel 8080掀开了微处理器时代的来临,与此同时,更多的公司开始介入这一领域,竞争开始变得日益激烈。RCA(美国无线电公司)、Honeywell、Fairchild、美国国家半导体公司、AMD、摩托罗拉(6800)以及Zilog(Z80)公司都介入了微处理器领域,英特尔也面临着来自竞争对手的挑战。

 

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Zilog 微处理器

在介绍这一处在8位微处理器的摩尔定律发展历程中,就不能不提MOS Technology公司6502芯片。该芯片是当时能效***的CPU,且价格只有大型业者(如Motorola、Intel)相近产品的六分之一甚至更低。性能方面,除了Z80之外,6502几乎快过多数业者的相近产品。并在之后的1980年代带来一场个人电脑的革命。

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美国国家半导体公司在1973年率先推出了***16位多片微处理器IMP-16,相关的8位IMP-8芯片组于次年1974年推出。1975年该公司又推出了***款单片16位微处理器PACE。

英特尔走了一条不同的路,由于没有小型机可以模拟,他们采取扩充8080的办法设计出了16位的8086。这也是x86领域的始祖了,它诞生于1978年,与之配合的还有数学协处理器8087。这二者使用相同的指令集,也揭开了处理器指令集的先河。

Intel 8086

Intel 8086拥有四个16位的通用寄存器,也能够当作八个8位寄存器来存取,以及四个16位索引寄存器。该芯片上有29000个晶体管,采用HMOS工艺制造,用单一的+5V电源,时钟频率为5MHz。

 

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Intel 8086

【Intel 8086规格】

出产时间:1978年

晶体管数:29000个

制程工艺:3微米

主频:5MHz

另外,英特尔还在1978年推出了8088处理器,加上刚才谈论的数学协处理器8087,总共有三款16位微处理器。这三款微处理器的晶体管数量都是一样的(29000个),而在主频方面则分别为5MHz、8MHz、10MHz,内存寻址空间为1MB。这三款处理器的推出,预示着英特尔在计算芯片方面的解决方案更具完整,其Intel 8088成为IBM PC的装机芯片,也进一步加速了英特尔在处理器发展的脚步。

在历史翻开32位微处理器序幕之前,也就是摩尔定律再次发威之前,英特尔还发布了Intel 80286处理器。这是一款很有名的产品,具备16位字长,集成了14.3万只晶体管,具有6MHz、8MHz、10MHz、12.5 MHz四个主频的产品。它既是英特尔***一款16位处理器,也是以此为区分PC型号和规模的微处理器(比如PC286,PC386之类)。

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在16位处理器发展得如火如荼之际,摩尔定律继续挥舞着它的“神之手”,将微处理器的发展历史带入到了32位发展舞台中。

最早进入到32位微处理器领域的时间是在1979年,其中最为知名的莫过于摩托罗拉的MC68000(也称为68k)。68K的芯片具有32位的寄存器,但是内部和外部数据总线都是16位的,这样可以减少芯片的脚数。该芯片和之前的英特尔80286一样,取得了巨大成功。包括Atari ST 和 Commodore Amiga等公司都采用了该处理器来装配机器,也包括苹果公司的Apple Lisa和Macintosh产品也基于该处理器平台来实现。

英特尔在1981年也推出了其首款32位微处理器iAPX 432,该产品虽然采用了更为先进的面向对象的架构设计但并未取得成功。而且还让摩托罗拉推出了后续支持虚拟内存的MC68010产品。1985年,摩托罗拉还推出了数据总线、地址总线都为32位的MC68020。该产品在Unix市场上备受追捧。此后还相继推出了MC68030、MC68040和MC68050、MC68060等32位处理器。

 

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摩托罗拉 MC68000处理器

1982年,AT&T贝尔实验室推出***单片32位微处理器BELLMAC-32A。在1984年AT&T贝尔实验室解体后,BELLMAC-32A被更名为WE32000。该处理器及其后续产品被广泛应用在Unix System V和AT&T微电脑上。***32位笔记本电脑也采用的是该处理器。

 

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AT&T贝尔实验室32位微处理器BELLMAC-32A

Intel 80386

当然,***遭遇挫折的英特尔并未放弃32位处理器的开拓。1985年,英特尔又向全球推出了全新一代的微处理器80386,它是80X86系列中的***种32位微处理器,而且制造工艺也有了很大的进步。与80286相比,80386内部内含27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,并支持***33MHz。

80386的内外部数据总线和地址总线都是32位,可寻址高达4GB内存。它除具有实模式和保护模式外,还增加了一种叫虚拟86的工作方式,可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。

Intel 80486

1989年,英特尔还推出了另外一款重量级32位微处理器80486。80486处理器的内外部数据总线和地址总线与80386相同,都为32位,可寻址4GB的存储空间,支持虚拟存储管理技术,虚拟存储空间为64TB。片内集成有浮点运算部件和8KB的一级缓存。同时也支持外部二级缓存。整数处理部件采用精简指令集RISC结构,提高了指令的执行速度。此外,80486微处理器还引进了时钟倍频技术和新的内部总线结构,从而使主频可以超出100MHz。

【Intel 80486规格】

出产时间:1989年

晶体管数:125万

主频:100MHz

Intel 80486(i486或Intel486)是英特尔x86处理器阵营中***拥有百万个晶体管数的处理器产品,英特尔486处理器***采用内建的数学协处理器,将负载的数学运算功能从中央处理器中分离出来,从而显著加快了计算速度。

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1994年,英特尔发布了一款名为Pentium的处理器芯片。奔腾处理器采用了0.60微米工艺技术制造,核心由320万个晶体管组成。支持计算机集成语音、图片、文字等数据。工作电压也降至3.3V。

1997年,英特尔推出了改进型Pentium II处理器。它采用了0.35微米工艺技术,核心提升到750万个晶体管,主频***可达300MHz。随后的一年中,英特尔推出采用0.25微米制程工艺设计的Pentium II 450MHz处理器,不过其晶体管数仍为750万个。

1999年,英特尔发布Pentium III 450MHz、Pentium III 500MHz处理器,这两款处理器采用了0.25微米工艺技术,核心由950万个晶体管组成。

 

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英特尔Pentium 4处理器

2000年,英特尔再接再厉推出P4奔腾4处理器系列。该系列包括有Willamette、Northwood和Prescott三种不同的核心。不同核心,其制程工艺和主频也不尽相同。其中Willamette核心属于Pentium 4最早期的产品,采用0.18微米工艺制造,主频***为1.8GHz。Northwood核心的Pentium 4采用0.13微米工艺制造。而Prescott则代表这处理器制程工艺跨入到nm纳米级领域,其制程工艺为90nm。基于Prescott处理器的最快处理器,其主频高达3.8GHz。

时隔两年,英特尔推出可模拟出双核心的奔腾4处理器产品,也就是超线程(HT)奔腾4。除了为用户引入超线程(HT)技术外,英特尔推出的奔腾4处理器频率也达到了3.06GHz之多,可以说这么高的主频在整个处理器发展史上都占有重要地位(目前的处理器主频也就是3GHz左右)。

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进入二十一世纪,微处理器工程师开始意识到,如果不采用全新设计,摩尔定律将会走向没落。其中一种设计就是通过搭建多核心来大幅提升处理器性能。在这种背景下,我们仍然能看到摩尔定律在发挥作用。

2005年,英特尔开始推出双核处理器Pentium-D,它采用英特尔955X高速芯片组,主频为3.2GHz。该处理器的推出预示着双核处理器时代的来临。

次年,英特尔推出了以“Core”酷睿为命名的新型双核微架构。该架构包含有服务器、桌面版和移动版产品。

 

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酷睿2双核处理器

酷睿处理器采用800MHz-1333MHz的前端总线速率,45nm/65nm制程工艺。双核酷睿处理 器通过SmartCache技术两个核心共享12MB L2资源。

同样是在2006年,英特尔展示了四核心微处理器至强5300产品系列,该处理器主要应 用在服务器和工作站。一直到2011年,英特尔的i3/i5/i7 Sandy Bridge架构四核处理 器一直成为中端台式机和笔记本的配置。另外,八核、甚至16核处理器也在这两年不 断涌现。比如AMD于2011年推出的皓龙6200系列,就是基于16核微架构设计的面向服务 器和工作站的处理器。

 

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英特尔Tick-Tock战略(来自:英特尔)

另外,在介绍英特尔处理器发展符合摩尔定律的同时,就不能不提其Tick-Tock战略。在Intel的处理器发展战略上,每一个轮换代表着2年一次的工艺制程进步。Tick-Tock中的“Tick”,代表着工艺的提升、晶体管变小,并在此基础上增强原有的微架构,而Tick-Tock中的“Tock”,则在维持相同工艺的前提下,进行微架构的革新。

2009年,英特尔处理器迈入Tick升级制程至32nm,2010年则为Tock,英特尔推出代号为Sandy Bridge。2011年Tick升级至22nm,并于2012年推进至Ivy Bridge架构。今年开始,将步入Haswell架构平台。从这些架构制程的交替更新我们就不难看出,其处理器性能、能效不断得到优化,并且不断印证着摩尔定律的科学严谨性。

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早期出现的一批微处理器中,有些会被认为是先驱,但也有其他被认为是先驱的。比如,在1990年一名叫Gilbert Hyatt的工程师,为1968年单片微处理器的发明而最终赢得了专利。这一举动意味着,Hyatt的专利要早于德州仪器和英特尔。德州仪器迅速对当局的专利裁决提出质疑,认为Hyatt的发明并没有付诸实施,以1968年当时的技术也不可能来实现。最终,这名工程师的专利被裁定为无效。

 

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Gilbert Hyatt单片微处理器设计图纸

同样地,四相系统公司在1969年设计了一个名为AL1的8位芯片,作为一个9芯片的24位处理器的一部分使用(一式三份)。在1969年,AL1不被称为微处理器,但之后它在上世纪九十年代德州仪器试图维护其专利的一个法庭展示中被叫作微处理器。

 

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四相系统公司8位芯片AL1

通过前面这些简短内容的介绍,我们发现短短48年时间(1965年摩尔定律问世开始),半导体芯片制造工艺水平发展速度十分惊人。目前不仅多核,还出现了MIC众核架构芯片(至强融核协处理器),制程工艺也逐渐朝向14nm、7nm、5nm推进。

在摩尔定律这个“神之手”指引处理器发展方向的同时,近年来也涌现出不少质疑声音。比如技术发展瓶颈、经济危机的影响等等。芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去,芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。

但正如我们文章开头所述,新型材料比如碳纳米管的出现,将有望继续推进晶体管性能的提升。2013年,摩尔定律将仍然是计算技术创新的指引,进一步带动性能的提升、功耗的降低和成本的节省。

责任编辑:路途 来源: zol
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