CMOS 的 回 归

---- 微 处 理 器 中 的 逻 辑 元 件 主 要 采 用 的 是MOS-FET，MOS-FET 又 分 为n 沟 道MOS-FET 和p 沟 道MOS-FET 两 种。

---- ECL(Emitter Coupled Logic， 射 极 耦 合 逻 辑) 是 差 分 放 大 器 的 一 种。 由 于 是 让 晶 体 管 工 作 在 有 源 区， 所 以 开 关 速 度 非 常 快， 一 直 是 超 级 计 算 机 所 采 用 的 一 种 电 路。 但 是， 因 为 有 源 区 总 有 电 流 流 动， 所 以 电 耗 比 较 大。 在 采 用ECL 电 路 的 超 级 计 算 机 中， 必 须 在 各 个 处 理 器 单 元 安 装 水 冷 装 置， 以 控 制 处 理 器 的 温 度 升 高。

---- 在MOS 的 逻 辑 电 路 方 面， 现 在 的 主 流 是 将p-MOS 和n-MOS 互 补 组 合 起 来 的CMOS(Complimentary MOS， 互 补MOS)。 在CMOS 中， 由 于 常 态 下 总 有 一 边 的 晶 体 管 处 于off 状 态， 只 有 在 开 关 动 作 过 程 中 才 有 电 流。 其 优 点 是 电 耗 低， 缺 点 是 动 作 速 度 慢。 为 了 克 服CMOS 的 这 个 缺 点， 出 现 了 将 双 极 晶 体 管 与CMOS 组 合 起 来 的BiCMOS 逻 辑 电 路。BiCMOS 将 驱 动 能 力 较 大 的 晶 体 管 追 加 到 输 出 级， 提 高 了 开 关 速 度。 与CMOS 相 比 动 作 速 度 虽 然 快， 但 电 耗 也 相 对 大 一 些。

---- 由 于BiCMOS 克 服 了CMOS 动 作 速 度 慢 的 缺 点， 在 一 段 时 期 内 采 用BiCMOS 的 微 处 理 器 曾 主 导 了 市 场， 而 最 近 又 逐 渐 倾 向 不 采 用BiCMOS， 这 是 因 为 在BiCMOS 中 由 于 要 在 基 板 上 形 成 双 极 晶 体 管， 所 以 工 序 比CMOS 多。 工 序 多 也 是 造 成 回 收 率 低 的 重 要 原 因， 进 而 招 致 成 本 上 升。 与 此 相 反，CMOS 制 造 工 艺 相 对 简 单， 其 动 作 速 度 慢 的 问 题， 由 于 所 需 晶 体 管 数 少， 可 以 通 过 提 高 集 成 度 的 方 式 来 缓 解， 另 外，CMOS 还 有 低 电 耗 的 优 点。 所 以， 微 处 理 器 又 开 始 逐 渐 由 采 用BiCMOS 转 向CMOS。 另 外， 超 级 计 算 机 也 从ECL 转 向 了BiCMOS， 预 计 将 来 也 要 转 向 采 用CMOS。 以Intel 的 处 理 器 为 例，Pentium Pro 是 用0.6mm 和0.35mm 工 艺 的BiCMOS 设 计 的， 而Pentium Ⅱ 则 采 用0.35mm 和0.25mm 工 艺 的CMOS 设 计。

---- 低 电 耗CMOS 可 谓 是 当 今 风 靡 业 界、 廉 价 的 逻 辑 电 路 元 件， 但 它 又 存 在 着 工 作 效 率 与 电 耗 这 一 对 矛 盾。 决 定 微 处 理 器 的 动 作 速 度 是 元 件 的 开 关 速 度 和 布 线 延 迟。 开 关 速 度( 工 作 频 率) 与 所 加 电 压 成 正 比， 与 沟 道 长 度 的 平 方 成 反 比。 也 就 是 说， 沟 道 长 度 缩 为1/2， 工 作 频 率 可 提 高 到4 倍。 另 外， 为 了 能 在 高 时 钟 频 率 下 工 作， 所 加 电 压 不 能 太 低。 然 而 整 个 芯 片 的 电 耗 与 所 加 电 压 的 平 方 以 及 工 作 频 率 成 正 比， 所 以， 为 了 降 低 电 耗， 必 须 适 当 调 低 电 压， 以 适 应 工 作 频 率 的 提 升。 如 何 找 到 这 两 者 间 的 平 衡 点， 则 是CMOS 继 续 向 前 发 展 所 面 临 的 重 要 课 题。

微 处 理 器 的 发 展 趋 势

---- 微 处 理 器 从 诞 生 至 今 已 经 历 了1/4 个 世 纪， 体 系 结 构 从8 位、16 位 向32 位 迁 移。 这 些 数 字 清 楚 地 表 示 出 了 各 个 时 代 的 特 点， 以x86 处 理 器 为 例，8 位 是 汇 编 时 代，16 位 是DOS 和Windows 3.x 时 代，32 位 是Windows 95 和Windows NT 时 代。

---- 现 在，32 位 的 体 系 结 构 虽 然 是 主 流， 但 在 处 理 对 象 数 据 日 益 庞 大 的 今 天， 在 处 理 能 力 和 地 址 空 间 方 面， 逐 渐 显 得 有 点“ 捉 襟 见 肘”。 另 外， 在 数 据 库 服 务 器 中， 存 储4GB 以 上 的 数 据 已 不 足 为 奇， 故 而 可 以 预 计， 在 数 据 库 应 用 领 域， 地 址 空 间 富 裕 的64 位 体 系 结 构 将 成 为 主 流。

---- 超 标 量、VLIW 还 是EPIC ？

---- 在 超 标 量 方 式 的 潮 流 中，Intel 推 出 了 名 为EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing ， 显 式 并 行 指 令 处 理) 的 新 型 结 构。 它 作 为 超 越 超 标 量 的 新 方 式， 克 服 了VLIW(Very Long Instruction Word， 超 长 指 令 字) 的 缺 点， 被 用 于 下 一 代 处 理 器Merced 中。 这 样 就 打 破 了 微 处 理 器 的 体 系 结 构 清 一 色 采 用 超 标 量 的 局 面。 其 他 竞 争 对 手 为 了 与 之 抗 衡 也 要 不 断 提 高 处 理 器 的 性 能， 那 么， 他 们 将 何 去 何 从 ？ 是 追 随Intel， 将 同 样 技 术 的 处 理 器 投 入 市 场 吗 ？ 即 使EPIC 能 发 挥 出3 倍 以 上 的 性 能， 要 以 舍 弃 与 已 有 指 令 结 构 的 兼 容 性 作 代 价， 也 并 非 明 智 之 举。 因 此， 为 了 保 护 已 有 的 应 用 资 产、 保 持 兼 容， 就 要 采 取 提 高“ 路” 数、 进 一 步 强 化 超 标 量 的 开 发 方 针。 另 外， 也 可 以 采 纳 与 传 统 指 令 结 构 相 兼 容 的EPIC 机 构。 总 而 言 之， 竞 争 对 手 用 超 标 量 方 式 究 竟 能 把 处 理 器 性 能 提 升 到 什 么 程 度 ？EPIC 究 竟 有 多 大“ 能 耐” ？ 这 是 洞 察 处 理 器 未 来 动 向 的 关 键。

---- 对 跳 转 指 令 的 处 理 是 性 能 提 升 的 关 键

---- 造 成 流 水 线 处 理 效 率 降 低 的 原 因 有3 个： ① 由 硬 件 资 源 竞 争 而 引 发 的 结 构 故 障(Structure Hazard)； ② 由 数 据 依 存 关 系 而 引 发 的 数 据 故 障(Data Hazard)； ③ 由 跳 转、 中 断 等 引 发 的 控 制 故 障(Control Hazard)。 前 两 种 故 障 可 以 通 过 充 实 硬 件 资 源 和 前 向(Forwarding) 处 理 以 及 寄 存 器 重 新 命 名 等 措 施 消 除， 而 控 制 故 障 则 是 严 重 问 题。 因 为， 作 为 控 制 程 序 执 行 的 跳 转 命 令 出 现 的 频 率 很 高。 据 统 计， 程 序 代 码 中 有10% ～30% 是 跳 转 命 令( 随 应 用 而 有 所 不 同)， 所 以 在 流 水 线 处 理 中， 控 制 故 障 出 现 的 机 率 相 当 高。 若 是 采 用 增 加“ 路” 数 的 办 法 作 为 强 化 超 标 量 的 手 段， 反 而 会 使 跳 转 预 测 失 败 时 的“ 灾 难” 变 大， 所 以 说 对 跳 转 指 令 的 处 理 是 一 个 重 要 课 题。

---- 目 前 一 个 可 行 的 办 法 是， 强 化 投 机 执 行 中 的 跳 转 预 测 机 构， 要 力 争 做 到 跳 转 预 测 的 命 中 率 为100%。 例 如， 在 执 行 流 水 线 中， 有4 个 跳 转 命 令。 这 时 在 跳 转 命 令 预 测 的 命 中 率 为90% 的 情 况 下， 流 水 线 有 条 不 紊、 能 顺 畅 执 行 的 机 率 为65%。 如 果 进 一 步 强 化 跳 转 命 令 预 测， 将 命 中 率 提 升 到95%， 能 顺 畅 执 行 流 水 线 处 理 的 机 率 为81%。 如 果 执 行 流 水 线 中 有6 个 跳 转 命 令， 跳 转 命 令 预 测 的 命 中 率 分 别 为90% 和95% 时， 能 顺 畅 执 行 流 水 线 处 理 的 机 率 则 分 别 降 为53% 和74%。

---- 但 是， 要 在 最 后 的10% 上 做 文 章， 可 以 说 是 相 当 困 难。 为 了 将 预 测 命 中 率 从90% 提 升 到95%， 这 就 意 味 着 预 测 错 误 率 从10% 降 到5%， 预 测 错 误 率 要 降 低 到1/2， 谈 何 容 易。

---- 在Intel 的IA-64 技 术 中， 采 用 了 投 机 执 行 技 巧， 即 将 包 含 预 测 跳 转 目 的 地 的 指 令 串 也 投 入 到 流 水 线 中 执 行。 这 样 可 以 不 发 生 流 水 线 故 障， 能 顺 畅 地 进 行 处 理。 但 被 执 行 指 令 的 一 些 处 理 中， 将 会 出 现 无 效 命 令。 近 年 来， 由 于 集 成 度 的 不 断 提 高， 多 准 备 几 个 运 算 单 元， 成 本 并 不 是 太 大。 因 此， 为 了 提 高 跳 转 预 测 命 中 率， 与 其 在 硬 件 上 下 工 夫， 还 不 如 采 用 并 行 处 理 的 技 巧， 因 为 即 使 多 出 一 些 无 效 命 令 也 无 关 大 局。 另 外， 这 种 情 况 下， 编 译 程 序 为 了 抑 制 无 效 命 令 的 执 行， 事 先 要 进 行 跳 转 预 测， 将 执 行 机 率 高 的 指 令 串 集 中 起 来， 输 出 优 先 执 行 的 代 码。

微 处 理 器 中 可 能 出 现 的 新 技 术

---- 强 化 超 标 量 和 跳 转 预 测 机 构

---- 一 个 很 现 实 的 选 择 是 增 加 内 置 一 级 缓 存 的 容 量。 由 于MMX Pentium 比Pentium 的 一 级 缓 存 的 容 量 翻 了 一 番， 应 用 的 执 行 速 度 竟 提 高 了15% 以 上。 这 样 做 的 最 大 好 处 就 是 消 除 了 内 存 访 问 瓶 颈。

---- 专 用 电 路

---- 今 后， 在PC 用 户 中， 越 来 越 多 的 人 要 求 强 化 视 听 处 理 功 能。 由 于 这 一 需 求， 很 可 能 要 将MPEG 等 编 码/ 译 码 电 路 集 成 到 处 理 器 芯 片 上。

---- 内 置 多 处 理 器

---- 半 导 体 技 术 的 历 史 就 是 集 成 度 提 高 的 历 史。 所 以， 人 们 自 然 会 想 到， 将 多 个 处 理 器 集 成 到 一 块 芯 片 上。 过 去 是 绞 尽 脑 汁 设 法 提 高 单 个 处 理 器 的 性 能， 而 内 置 多 处 理 器， 是 将 多 个 处 理 器 集 成 到 一 起、 以 期 提 高 多 任 务 环 境 下 的 整 体 性 能 的 技 术。

---- 在 多 进 程、 多 线 程 环 境 中， 多 处 理 器 的 益 处 确 实 很 大， 最 适 于 运 行 诸 如 数 据 库 服 务 器 等 多 进 程 和 多 线 程 的 计 算 机。 在 科 学 计 算 中 的 并 行 计 算 和 协 同 计 算 中， 任 务 间 的 消 息 传 递 很 多， 用 高 速 网 络 等 群 集 技 术 难 以 发 挥 性 能， 内 置 多 处 理 器 则 能 充 分 发 挥 其 作 用。

---- 此 外， 在 难 以 提 高 单 体 处 理 器 性 能 的 场 合， 采 用 内 置 多 处 理 器 是 一 种 很 有 诱 惑 力 的 选 择。 这 种 情 况 下， 要 考 虑 任 务 间 共 享 命 令 代 码 和 全 局 数 据， 所 以， 要 采 用 以 一 定 容 量 的 内 置 缓 存 为 核 心、 周 围 配 置CPU 的 结 构。

---- 多 线 程 体 系 结 构

---- 最 近 由 于Java 的 出 台， 人 们 对 多 线 程 编 程 寄 予 了 普 遍 的 关 注， 但 是， 此 处 所 说 的 多 线 程 体 系 结 构 与 编 程 上 的 多 线 程 意 义 不 同。 这 里 所 说 的 线 程 是 指 命 令 串 的 顺 序。 也 就 是 说， 多 线 程 体 系 结 构 有 多 个 程 序 计 数 器、 多 个 命 令 执 行 流 水 线， 是 一 种 多 个 任 务 同 时 在 一 个 处 理 器 中 执 行 的 体 系 结 构。 这 种 考 虑 的 根 本 出 发 点， 是 设 法 提 高 处 理 器 资 源 的 利 用 率。 被 执 行 的 命 令 很 难 依 据 数 据 的 真 正 依 存 关 系 并 行 执 行。 但 是， 若 是 不 同 任 务 的 命 令 串， 基 本 上 没 有 这 种 依 存 关 系， 让 其 同 时 执 行 就 可 以 避 免 处 理 器 运 算 单 元 等 资 源 的 忙 闲 不 均。

---- ( 作 者 地 址： 学 院 南 路76 号 冶 金 部 钢 铁 研 究 总 院，100081； 收 稿 日 期：1998 年10 月)