微型處理器cpu的最新技術展示(原創(chuàng)).ppt

1、,小組成員：,CPU的最新技術,摩爾定律,當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。,Cpu的性能技術指標,CPU的最新技術,超 線 程 技 術,為了提高CPU的性能，通常做法是提高CPU的時鐘頻率和增加緩存容量。不過目前CPU的頻率越來越快，如果再通過提升CPU頻率和增加緩存的方法來提高性能，往往會受到制造工藝上的限制以及成本過高的制約。,超 線 程 技 術,盡管提高CPU的時鐘頻率和增加緩存容量后的確可以改善性能，但這樣的CPU性能提高在技術上存在較大的難度。實際上在應用中基于很多原因，CPU的執(zhí)行單元都沒有被充分使用。如果CPU不能正常讀取

2、數(shù)據（總線/內存的瓶頸），其執(zhí)行單元利用率會明顯下降。另外就是目前大多數(shù)執(zhí)行線程缺乏ILP（Instruction-Level Parallelism，多種指令同時執(zhí)行）支持。這些都造成了目前CPU的性能沒有得到全部的發(fā)揮。,超 線 程 技 術,Intel則采用另一個思路去提高CPU的性能，讓CPU可以同時執(zhí)行多重線程，就能夠讓CPU發(fā)揮更大效率，即所謂“超線程（Hyper-Threading，簡稱“HT”）”技術。超線程技術就是利用特殊的硬件指令，把兩個邏輯內核模擬成兩個物理芯片，讓單個處理器都能使用線程級并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少了CPU的閑置時間，提高的CPU的運行效率

3、。,超 線 程 技 術,（1）同時進行多任務批處理工作,優(yōu)點：,（2）讓系統(tǒng)有了30%的性能提升,（3）Windows XP已經針對其作 出優(yōu)化，在運行多個不支 持多線程的程序時，性能也可能會獲得提高。即便帶來損失，也會顯得比較輕微。,（4）,超 線 程 技 術,（1）打開超線程后處理單 線程應用，處理器性能有時會降低。,（2）缺乏針對超線程優(yōu)化的各種普通應用軟件，性能因此得不到充分體現(xiàn)。,缺點,（3）在打開超線程支持后，如果處理器以雙處理器模式工作，那么處理器內部緩存就會被劃分成幾區(qū)域，互相共享內部資源。對于不支持多處理器工作的軟件在雙處理器上運行時出錯的概率要比單處理器上高很多。,（4）,

4、CPU虛擬化技術,計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。,CPU虛擬化技術,虛擬化技術與多任務以及超線程技術是完全不同的。多任務是指在一個操作系統(tǒng)中多個程序同時并行運行，而在虛擬化技術中，則可以同時運行多個操作系統(tǒng)，而且每一個操作系統(tǒng)中都有多個程序運行，每一個操作系統(tǒng)都運行在一個虛擬的CPU或者是虛擬主機上；而超線程技術只是單CPU模擬雙CPU來平衡程序運行性能，這兩個模

5、擬出來的CPU是不能分離的，只能協(xié)同工作。,CPU虛擬化技術,支持虛擬技術的CPU帶有特別優(yōu)化過的指令集來控制虛擬過程，通過這些指令集，VMM（虛擬機監(jiān)視器）會很容易提高性能，相比軟件的虛擬實現(xiàn)方式會很大程度上提高性能完整的情況需要CPU、主板芯片組、BIOS和軟件的支持，例如VMM軟件或者某些操作系統(tǒng)本身。即使只是CPU支持虛擬化技術，在配合VMM的軟件情況下，也會比完全不支持虛擬化技術的系統(tǒng)有更好的性能。,風向變了,人們再不用主頻這個指標來談CPU了,現(xiàn)在談的是幾個核心？,多核CPU,主頻之路已經走到了拐點。桌面處理器的主頻在2000年達到了1GHz，2001年達到2GHz，2002年達到

6、了3GHz。但在將近5年之后我們仍然沒有看到4GHz處理器的出現(xiàn)。電壓和發(fā)熱量成為最主要的障礙，導致在桌面處理器特別是筆記本電腦方面，Intel和AMD無法再通過簡單提升時鐘頻率就可設計出下一代的新CPU。,多核CPU,面對主頻之路走到盡頭，Intel和AMD開始尋找其它方式用以在提升能力的同時保持住或者提升處理器的能效，而最具實際意義的方式是增加CPU內處理核心的數(shù)量。多核時代開創(chuàng)于2005年春季，其標志是Intel的Pentium D 2=800雙核芯片，而AMD緊隨其后發(fā)布了Athlon 642芯片。,多核CPU,多核CPU技術，是在同一個硅晶片上集成了多個獨立物理核心，在實際工作中，多

7、顆核心協(xié)同工作，以達到性能倍增的目的。每個核心都具有獨立的邏輯結構，包括一二級緩存、執(zhí)行單元、指令級單元和總線接口等邏輯單元。,多核CPU,評價,多核是在目前功耗限制下，能找到的最好的提升芯片性能的方法。這種方法允許每個核心可以在相對節(jié)能的方式下運行，并通過犧牲單個核心的運算速度，提高芯片整體上的性能表現(xiàn)。,多核CPU,評價,要想讓多核完全發(fā)揮效力，需要硬件業(yè)和軟件業(yè)更多革命性的更新。其中，可編程性是多核處理器面臨的最大問題。一旦核心多過八個，就需要執(zhí)行程序能夠并行處理。盡管在并行計算上，人類已經探索了超過40年，但編寫、調試、優(yōu)化并行處理程序的能力還非常弱。,在生產CPU過程中，要進行加工各

8、種電路和電子元件，未來有向納米發(fā)展的趨勢，精度越高，生產工藝越先進。在同樣的材料中可以制造更多的電子元件，連接線也越細，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。,CPU制作工藝,CPU制作工藝,英特爾的晶體管工藝革新,CPU制作工藝,3-D三維晶體管“Tri-Gate”,2011年5月5號，英特爾發(fā)表名為“Tri-Gate”的3D晶體管技術，可以在性能不變的情況下，將處理器能耗降低一半。并宣稱這是全球首款使用3D架構且可量產的產品，將率先被應用在預計于今年底量產的Ivy Bridge處理器。,CPU制作工藝,3D三柵極晶體管的優(yōu)勢,CPU制作工藝,3D晶體管顯微照片,CPU制作工藝,英特爾指出

9、，與先前的晶體管相比較，“Tri-Gate”晶體管使得芯片能夠在更低的電壓下運行，并進一步減少漏電量，與之前最先進的晶體管相比，它的性能更高、能效更低?！癟ri-Gate”將采用22納米制程，與32納米制程的平面晶體管相較，在低電壓下可增加37%的性能，代表這些新的晶體管將更適合便攜式設備，而在同樣的性能下，“Tri-Gate”只會消耗一半的電力。,CPU散熱技術,過熱所導致的“電子遷移”現(xiàn)象是損壞 CPU 內部的芯片主要原因.“電子遷移”是指電子流動所導致的金屬原子遷移的現(xiàn)象.在芯片內部電流強度很高的金屬導線上 ,電子的流動給金屬原子一個動量 ,一旦與金屬原子碰撞 ,使得金屬原子脫離金屬表面

10、四處流動 ,結果就導致金屬表面上形成坑洞或土丘. 這是一個不可逆轉的永久性傷害 ,如果一直持續(xù)這個慢性過程 ,到最后就會造成核心內部電路的短路或斷路 ,徹底損壞 CPU.“電子遷移”現(xiàn)象受許多因素影響 ,其中溫度因素起了決定性的作用.溫度的升高會使自由電子的動能大大增加 ,對金屬原子的碰撞也更強烈. 同時 ,隨著溫度的增加 ,金屬原子本身的熱運動也增強 ,電子遷移現(xiàn)象就越容易發(fā)生. 這就是為什么要把 CPU 的溫度維持在 50 以下的原因.,CPU散熱技術,傳統(tǒng)的散熱技術,CPU散熱技術,傳統(tǒng)的散熱技術,半導體致冷片法,基于帕爾貼效應而實現(xiàn)的 ,通常采用陶瓷封裝的半導體串聯(lián)方式.其工作原理實際

11、上是熱量轉移 ,當接通直流電時 ,半導體的冷面溫度迅速降低 ,甚至可降至 - 10 ,而另一面的溫度則迅速上升 ,從而達到降低表面溫度的作用.半導體致冷的優(yōu)點是無需任何制冷劑 ,壽命長,安裝簡單 ,可通過控制電流實現(xiàn)高精度的溫度控制.,CPU散熱技術,傳統(tǒng)的散熱技術,半導體致冷片法,制冷效率低;,它同樣也存在缺點:,工藝不成熟、價格高;,容易因冷面溫度過低而 出現(xiàn)的CPU 結露 ,從而導致短路的現(xiàn)象.,CPU散熱技術,隨著芯片尺寸的不斷減小、CPU 頻率的升高和散熱量的迅速增加 ,急需要新型的 CPU 散熱器來替代原有的散熱技術！,CPU散熱技術,新型的散熱技術,熱管散熱技術：,熱管是以相變來

12、強化換熱的技術 ,它利用封閉在真空管內的工作物質 ,反復進行沸騰或凝結來傳送熱量,CPU散熱技術,新型的散熱技術,熱管散熱技術：,由于熱管是通過相變潛熱來傳遞熱量 ,其導熱性能很高 ,甚至是相同尺寸銅管的幾十倍以上 ,因此適合在狹小空間中高熱量的排放 ,在筆記本電腦中已經得到應用.,CPU散熱技術,新型的散熱技術,微通道散熱技術：,微通道熱沉的概念最早由 Tuckerman 和 Peace于 1981 年提出的 ,它是由具有高導熱系數(shù)的材料構成.根據 Riddle 等 的研究:流量一定時 ,矩形通道中流體總的熱傳導系數(shù)與通道水力直徑成反比 .隨著通道直徑的減小 ,換熱系數(shù)相應增加 ,同時系統(tǒng)的

13、散熱面積與體積比也顯著增加. 因此盡管體積不斷減小 ,散熱能力反而得到極大的提高。,CPU散熱技術,新型的散熱技術,微通道散熱技術：,技術核心在于兩點:,微通道集熱器,無噪聲電動力泵,微通道集熱器相當于水冷頭 ,通過高導熱介質貼覆在核芯表面 , 再經鍵合封裝形成封閉的循環(huán)通路 ,而液態(tài)工作介質則沿著這條通路往復流動.因為集熱器的散熱面積 比傳統(tǒng)水冷頭增加了數(shù)百倍 和熱傳導系數(shù)都很大 ,使得核心溫度與液體介質的溫度幾乎持平,一種利用靜電引力原理設計的液體泵.該散熱器采用的液體輸熱介質是混有少量特殊物質的水 ,該介質在通過電動力泵內設置的多孔材料時會因在接觸面產生電雙層現(xiàn)象而附上靜電 ,在泵兩端產生的靜電力場的作用下 ,液體可以獲得維持循環(huán)流動的充足動力.,CPU散熱技術,新型的散熱技術,微通道散熱技術：,除了起散熱技術較傳統(tǒng)技術有很大的改進外，它工作時幾乎完全沒有噪聲 ,可靠性極高 ,壽命也遠遠高于傳統(tǒng)水泵.,CPU散熱技術,制冷芯片：,制冷芯片是由 Borealis 公司開發(fā)出的產品 ,它是基于熱離子換能效應而實現(xiàn)的. 熱離子換能效應早在 1900 年即被發(fā)現(xiàn),即當兩種不同的導體接觸時 ,一種導體作為冷端釋放電子 ,另一種導體作為熱端接受