2024年5月26日发(作者：柳晓山)
CPU的发展趋势
1．
技术发展趋势
（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）[4]。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[4，5，6]。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，Pentium
IV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。
（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
[3]。
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IBM 360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
2024年5月26日发(作者：柳晓山)
CPU的发展趋势
1．
技术发展趋势
（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）[4]。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[4，5，6]。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，Pentium
IV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。
（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
[3]。
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IBM 360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