CPU時鍾頻率在過去5年裏沒有增加是很多不同類別的原因導致的。當設計一個CPU的微架構時，其中一個關鍵的設計決策就是如何實現更高的性能。在奔騰4時shi代dai，英ying特te爾er選xuan擇ze了le具ju有you非fei常chang高gao的de時shi鍾zhong頻pin率lv和he相xiang對dui較jiao窄zhai的de管guan道dao。這zhe種zhong方fang法fa有you很hen多duo優you點dian，其qi中zhong之zhi一yi就jiu是shi它ta很hen容rong易yi加jia快kuai單dan線xian程cheng和he串chuan行xing代dai碼ma。軟ruan件jian內nei並bing不bu需xu要yao操cao作zuo很hen多duo的de並bing行xing指zhi令ling，因yin此ci大da多duo數shu軟ruan件jian會hui立li刻ke見jian其qi好hao處chu。

一、功率


然而
，這種方法也有它的缺點，它忽略奔騰4本身的執行瑕疵。在這裏
，我們隻講概念本身的缺陷。主要是CPU的de微wei架jia構gou一yi直zhi與yu電dian牆qiang衝chong突tu，並bing且qie
，高gao頻pin的de微wei架jia構gou與yu很hen多duo已yi被bei發fa明ming出chu來lai用yong來lai處chu理li功gong率lv問wen題ti的de低di功gong耗hao設she計ji技ji術shu都dou不bu適shi合he。此ci處chu，我wo將jiang觸chu及ji兩liang個ge主zhu要yao的de低di功gong耗hao設she計ji方fang法fa。

一個是時鍾門控技術，時鍾門控技術會在每個狀態元件（寄存器、鎖等）之(zhi)前(qian)插(cha)入(ru)一(yi)個(ge)時(shi)鍾(zhong)啟(qi)動(dong)係(xi)統(tong)，以(yi)至(zhi)於(yu)如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)新(xin)的(de)數(shu)據(ju)寫(xie)入(ru)的(de)話(hua)
，元(yuan)件(jian)將(jiang)沒(mei)有(you)時(shi)鍾(zhong)控(kong)製(zhi)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)大(da)量(liang)因(yin)回(hui)寫(xie)相(xiang)同(tong)的(de)高(gao)速(su)緩(huan)存(cun)而(er)浪(lang)費(fei)的(de)充(chong)電(dian)/放電時間。這個方式也將一個附加延遲（門控功能）插入時鍾路徑。高頻率的設計一般是低利潤率運行，根本就不適合在最關鍵的信號（時鍾）插入附加可變延遲。


另一個常見的技巧是電源門控。這涉及到要在芯片不同部分的電壓源上放上晶體guan。tongchangqingkuangxia
，dangbushiyongshi，naxiebutongdegongnengmokuaihegongdianbufenhuiguanbi


，dangaopinshejiwangwangbuhuizheyangzuo。dianyuankongzhijingtiguanbudanxuyaotianjiayigeewaideyajiang，congeryanhuanjingtiguankaiguansudu
，erqieyigefeichangxideliushuixianchuliqigenbenmeiyouduoshaobufenkeyizairenhegeidingdeshijianneibeiguanbi。

因此
，從微架構的角度來看，高頻和細的設計不隻是智能power-wise。
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二、晶體管縮放

處理器頻率沒有上漲的另一個主要原因很簡單，就是晶體管本身並沒有變得更快。

其他人提到了晶體管寬度尺寸的因素，但晶體管寬實際上是穩步下降的，並且會繼續下去，摩爾定律在這方麵還是很好地發揮作用的。


英特爾目前正在45納米的基礎上製造32納米的HKMG（high-k絕緣層+金屬閘極） 。兩年之前，它是65納米，再之前是90納米。TSMC， IBM and GlobalFoundries 公司今年開始生產28納米芯片。英特爾正計劃調整到22納米。 （更新：14nm已經出來了）。

然而，問題是
，當晶體管的尺寸越來越小時他們卻沒有越來越快。要理解這一點
，有點MOSFET（金氧半場效晶體管）的背景是必要的。

眾所周知，晶體管的開關速度取決於許多因素。其中一個主要因素是電場在閘極（控製到交換機）中創建的強度。電場強度取決於閘極（其變小，晶體管收縮）的兩個區域，以及閘門厚度。

suizhejingtiguandesuoxiao，mendemianjizaijianshao。zaiguoqu，zhajiquyumianjidejianshaoyiweizheyigejingtiguandezhajiyekeyizuodegengbo。ruguonizhidaojibendedianrongqishiruhegongzuode，nijiuhuizhidao

，lianggedaodianbanzhijianjuliyuexiao，tamenzhijiandedianchangjiuyueqiang。zhegegongzuoyuanlizaiMOSFET上(shang)同(tong)樣(yang)通(tong)用(yong)。更(geng)薄(bo)的(de)閘(zha)極(ji)電(dian)介(jie)質(zhi)導(dao)致(zhi)有(you)更(geng)強(qiang)的(de)電(dian)場(chang)通(tong)過(guo)晶(jing)體(ti)管(guan)溝(gou)道(dao)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)切(qie)換(huan)速(su)度(du)更(geng)快(kuai)。晶(jing)體(ti)管(guan)閘(zha)極(ji)麵(mian)積(ji)減(jian)少(shao)意(yi)味(wei)著(zhe)閘(zha)門(men)可(ke)以(yi)做(zuo)得(de)更(geng)薄(bo)
，並(bing)且(qie)對(dui)負(fu)載(zai)電(dian)容(rong)增(zeng)加(jia)無(wu)害(hai)。

然而，至於45納米
，現在的閘介質約0.9納米厚——大約一個二氧化矽分子的大小，所以根本不可能做出更薄的了。因此，英特爾改用以鉿材料為基礎材料的High-K取代二氧化矽，成為閘極電介質（許多人懷疑是矽酸鉿）。他們還把連接閘門的材料從多晶矽變成金屬材料。

這zhe種zhong方fang法fa有you助zhu於yu提ti高gao晶jing體ti管guan的de速su度du，但dan它ta太tai昂ang貴gui了le，隻zhi能neng是shi一yi個ge權quan宜yi之zhi計ji。事shi情qing很hen簡jian單dan，每mei一yi次ci我wo們men利li用yong之zhi前qian已yi有you的de簡jian單dan的de縮suo放fang比bi例li縮suo小xiao晶jing體ti管guan
，都dou會hui導dao致zhi更geng快kuai的de晶jing體ti管guan結jie束shu。

三、芯片縮放

頻率斜升放緩的另一個主要原因是晶體管不再是唯一的——在某些情況下
，即使是最大的——處理器可以運行多快的關鍵。現在，連接這些晶體管的電線成為延遲的主要因素。
隨sui著zhe晶jing體ti管guan越yue來lai越yue小xiao
，連lian接jie它ta們men的de電dian線xian變bian得de更geng細xi。細xi線xian意yi味wei著zhe更geng高gao的de阻zu力li和he更geng低di的de電dian流liu。事shi實shi是shi較jiao小xiao的de晶jing體ti管guan能neng夠gou驅qu動dong少shao量liang的de電dian流liu

，很hen容rong易yi發fa現xian，晶jing體ti管guan的de開kai關guan速su度du隻zhi能neng部bu分fen確que定ding電dian路lu的de路lu徑jing延yan遲chi情qing況kuang。

當(dang)然(ran)
，在(zai)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)許(xu)多(duo)技(ji)巧(qiao)來(lai)對(dui)付(fu)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)。一(yi)個(ge)布(bu)局(ju)和(he)布(bu)線(xian)良(liang)好(hao)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)將(jiang)嚐(chang)試(shi)以(yi)類(lei)似(si)的(de)路(lu)徑(jing)來(lai)規(gui)劃(hua)其(qi)時(shi)鍾(zhong)和(he)數(shu)據(ju)信(xin)號(hao)的(de)路(lu)線(xian)
，這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)使(shi)兩(liang)個(ge)信(xin)號(hao)同(tong)時(shi)傳(chuan)送(song)
，並(bing)在(zai)同(tong)一(yi)時(shi)間(jian)到(dao)達(da)目(mu)的(de)地(di)。對(dui)於(yu)數(shu)據(ju)密(mi)集(ji)型(xing)芯(xin)片(pian)
，輕(qing)控(kong)設(she)計(ji)會(hui)是(shi)一(yi)種(zhong)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，例(li)如(ru)固(gu)定(ding)功(gong)能(neng)的(de)視(shi)頻(pin)編(bian)解(jie)碼(ma)引(yin)擎(qing)或(huo)網(wang)絡(luo)處(chu)理(li)器(qi)。

然而，帶有web交互的微處理器是一個非常複雜的、非(fei)常(chang)規(gui)的(de)設(she)計(ji)，數(shu)據(ju)訪(fang)問(wen)多(duo)個(ge)地(di)點(dian)時(shi)並(bing)不(bu)總(zong)是(shi)遵(zun)循(xun)時(shi)鍾(zhong)規(gui)律(lv)，它(ta)有(you)反(fan)饋(kui)路(lu)徑(jing)和(he)循(xun)環(huan)，有(you)集(ji)中(zhong)的(de)資(zi)源(yuan)，如(ru)風(feng)險(xian)跟(gen)蹤(zong)，調(tiao)度(du)
，分(fen)支(zhi)預(yu)測(ce)，寄(ji)存(cun)器(qi)文(wen)件(jian)等(deng)等(deng)。另(ling)外(wai)，重(zhong)控(kong)設(she)計(ji)很(hen)容(rong)易(yi)被(bei)複(fu)製(zhi)到(dao)更(geng)多(duo)的(de)內(nei)核(he)
，但(dan)要(yao)通(tong)過(guo)標(biao)準(zhun)的(de)方(fang)法(fa)提(ti)高(gao)處(chu)理(li)器(qi)頻(pin)率(lv)的(de)時(shi)候(hou)，其(qi)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)細(xi)線(xian)是(shi)很(hen)複(fu)雜(za)的(de)。

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