原创 英特尔：未来的CPU会什么样？

人们对于利用信息技术改善工作和生活体验的追求是永无止境的，就像很多电脑资深玩家如今虽已在基于双核或四核CPU的个人电脑上享受到了更快更强大的操作系统和办公软件、更为逼真的3D游戏、更丰富动人的多媒体娱乐功能和更具交互性的互联网应用，但这并未影响他们对未来的CPU及电脑产生科幻式的憧憬。所有与之相关的技术趋势，诸如未来的CPU将集成多少个内核、时钟频率是否还会有大幅提升、将达到多高的性能水准、会增添哪些新功能、能为用户带来哪些前所未有的应用以及会对个人电脑的形态和架构变化造成哪些影响等，都是他们关注的焦点话题。

在这些发烧友探讨未来CPU技术趋势的过程中，英特尔近期发布的一些相关前沿技术信息引起了他们浓厚的兴趣。因为这些信息都是源于英特尔顶尖技术专家们目前正在推进的重点研究项目，它们所涉及的，也都是未来5-10年内将用于CPU，并将对其性能和功能带来重大革新的关键技术。事实上，从这些技术中，人们已经能够看出未来CPU和个人电脑的大致“模样”。

从英特尔近两年来频频谈及的万亿级计算研究项目来看，未来的CPU将主要通过扩展内核数量、而非继续冲刺时钟频率高峰的方式来获得性能提升，因为后者可能会给CPU的功耗和散热造成越来越大且难以有效解决的负担，而前者则能保证CPU同时兼顾高性能和低功耗。英特尔的目标是在未来5-10年内为消费者们提供每秒可执行1万亿次浮点运算的个人电脑用CPU（简称万亿级CPU），其性能相当于1996年时英特尔为美国Sandia国家实验室开发的、采用了近万颗奔腾Pro CPU的超级计算机，即使是与今天面向大企业客户、专门用来执行企业关键计算任务的四路双核安腾2服务器相比，它的性能也要强上20多倍。

英特尔已于去年初展示了这种万亿级CPU的原型产品，它曾因集成了80个内核而备受业界瞩目。不过，英特尔的技术专家表示，未来这种CPU真正产品化时，它可能只需要较少数量的内核就可以达到同样的性能水准，这其中的奥秘就在于它的每一个内核都将拥有惊人的工作效率。

事实上，英特尔一直把改进CPU微架构以提升其内核的工作效率作为研发的重心。它于2006年公布的Tick-Tock战略的核心内容，就是要以两年为周期进行CPU微架构和制造工艺的更新。它于2006年推出的酷睿2系列CPU产品之所以能在近两年来一直牢牢把握性能和能效上的竞争优势，就是因为这些产品采用的酷睿（Core）微架构能够在一个时钟周期内并行执行更多指令，并通过共享式智能缓存实现了多个内核的完美协作。而它计划于今年底推出的、将用于下一代CPU的Nehalem微架构则在酷睿微架构的基础上，又增添了更多提升CPU内核工作效率的技术，例如同时多线程技术（SMT）可以让它的每个内核都能同时处理两个线程；全新的SSE4.2指令集将帮助它在XML和手写识别等越来越重要的应用中获得加速效果；它集成的三通道DDR3内存控制器则可以大大扩展它与内存进行数据交换的带宽。

为保证未来个人电脑的CPU在性能上达到超级计算机水平的同时维持较低的功耗，英特尔还在不断更新CPU的制造工艺。例如它去年初发布的45纳米制造工艺就通过融入高-K栅介质+金属栅极晶体管技术，在缩小晶体管尺寸、提升其性能降低其功耗的同时，还率先克服了让业界困挠的晶体管漏电问题。基于这一工艺，英特尔已成功推出了能效更高的45纳米新一代酷睿2处理器，并开发出了全球首款集成20亿个晶体管的CPU——代号为Tukwila的四核安腾处理器和全球功耗在3瓦以下的CPU中最快的产品——英特尔凌动（Atom）处理器。而根据Tick-Tock战略，英特尔将于2009年和2011年推出可能采用更新晶体管技术的32纳米及22纳米制造工艺，并在研究更远的将来导入碳纳米管材料来制造CPU的可能性，这些新工艺、新材料有望为英特尔未来的CPU带来更强的晶体管集成度和能效优势，让它们可以集成更多内核、实现更高性能，并尽量减少电力消耗。

在先进制造工艺的基础上，英特尔还将在未来的CPU上采用更加“精细”和智能的电源管理技术，它可根据应用软件对于CPU性能的需求，灵活、精确地动态调整其功耗。在去年展示的80核CPU原型产品上，英特尔就展示了这种技术的应用效果：它不但能让这个CPU中的任意一个内核处于体眠或激活状态，还能让每个内核中的运算引擎、缓存等21个可休眠区域独立休眠或激活。

从目前的CPU设计角度来看，能同步做到运算性能提升和功耗降低似乎已是相当不易。但对于未来的CPU来说，这些只是基本要求，CPU制造商们面临的更具挑战性的工作是要把电脑中其他重要芯片全部集成到CPU中，或是为CPU设计拥有这些芯片功能的处理单元，以取代它们。

谈到这一技术趋势，人们最熟悉的当属CPU与GPU的融合，这种融合可以让CPU与GPU实现更好的互动和协作。英特尔和业内其他厂商都已提出了相关的产品开发计划，英特尔将于明年发布的基于Nehalem微架构、面向主流台式机和笔记本电脑的CPU很有可能是个人电脑业界首批实现这一技术梦想的CPU产品。据悉，它们集成的GPU在性能上将比英特尔目前最新的集成型绘图芯片高10倍。而随着英特尔“可视计算”研究项目的进展，如Larrabee架构向量处理单元（VPU）及其后续产品的推出，英特尔未来的CPU还将集成性能更为出色，能为用户提供栩栩如生的游戏、高效3D图形处理、高清视频和音频体验的多媒体专用处理单元。

与在CPU中集成GPU相比，在CPU中集成内存这一研究项目更能充分凸显英特尔在未来CPU技术研发上的前瞻性。众所周知，目前的个人电脑中的性能瓶颈早已不是CPU，而是集中在内存和硬盘等速度较慢的组件上。对于未来的CPU，尤其是万亿级CPU来说，如何破解这些性能瓶颈将是实现电脑整体性能飞升的关键所在。而将内存集成到CPU中，则能最大程度拓宽CPU和内存之间的数据带宽和降低数据传输的延时。英特尔展示的万亿级CPU原型产品已经预留出了连接内存芯片的接口，未来这种CPU正式上市时，将在核心硅片的下方堆叠大容量的高速内存芯片。

除了集成GPU/多媒体处理单元和内存外，英特尔技术专家表示，万亿级CPU还有望集成安全加密、网络控制、数字信号处理、I/O处理等特定功能单元，从而淘汰“独立”的安全芯片、网络控制芯片、数字信号处理器和I/O芯片等。而有业内人士预测，在万亿级CPU问世之前的英特尔CPU产品就很有可能会实现这些功能的集成。

不难想象，如果上述技术趋势最终全都成真，那么未来的CPU将是一个兼备超高性能、能效和丰富功能的芯片，或许也是未来个人电脑主板上的惟一一颗芯片。它不但可让个人电脑成为每个消费者家中或办公室里的“超级计算机”，还将大大简化个人电脑内部组件的复杂度，并使其外部形态发生质变，如让台式机更加小巧，让笔记本电脑像手持计算设备一样迷你和便于携带。而在应用层面，基于这种CPU的电脑不但可轻松并行运行多个今日堪称“硬件杀手”的软件，还有望让人工智能、高逼真游戏、即时视频通信、多媒体数据挖掘、实时识音识别/控制等如今只能在高端计算机上运行或在科幻小说中看到的应用走入寻常百姓的日常生活。

本文由英特尔供稿