45纳米的处理器优势

路飞

● 45纳米堪比越王勾践剑

　　不久前在2008上海IDF上，英特尔公司全球副总裁、中国大区总经理杨叙在演讲中指出：“越王勾践剑采用了创新的特殊材料，历久而还是很新，而英特尔45纳米技术堪比越王勾践剑，将引领半导体产业再次走上创新之路。”

　　纳米（nanometer）是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。而纳米技术也就是在纳米尺度(0.1nm到100nm之间)的研究物质的相互作用和运动规律，以及在实际应用中利用这些规律的多学科的科学和技术。我们更加熟悉的是在处理器上的纳米技术，越来越小的纳米工艺数值从一个侧面推动了信息产业这几十年爆炸式的增长，纳米工艺的数字表示处理器内部晶体管之间连线宽度，45纳米技术则是CPU制造工艺的空前高度。

● 摩尔定律和Intel的X86历程

　　集成电路才问世6年的 1965年，还是仙童公司工程师的摩尔对半导体产业做出预言—半导体芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番，之后的1975年他做出修正改为每两年翻一番。而就在该理论提出的时候，摩尔所在的实验室也只能将50个晶体管集成在一个芯片上。

　　历史飞速的驶过了40余年，半导体产业尤其是领军者英特尔已经用事实执行了“摩尔定律”，在实践中，这个周期被证实是18个月。这里我们不妨回忆一下英特尔在这些年中出品的X86系列CPU：

　　1971-1972
      10微米（10000纳米）工艺， Intel 4004、8008，2300-3500晶体管；

　　1974
　　6微米（6000纳米）工艺， Intel 8080，6000晶体管；

　　1976-1982
　　3微米（3000纳米）工艺， Intel 8085、8086、8088、80286，6500-134000晶体管；

　　1985
　　1.5微米（1500纳米）工艺， Intel 80386DX，275000晶体管；

　　1989
　　1微米（1000纳米）工艺， Intel 80486DX、120万万晶体管；

　　1993
　　500纳米工艺， Pentium，350万晶体管；

　　1996-1998
　　350纳米工艺， Pentium MMX、Pentium II，450万-750万晶体管；

　　1998-1999
　　250纳米工艺， Pentium II、Pentium III、Celeron，750万-950万晶体管；

　　1998-1999
　　250纳米工艺， Pentium II、Pentium III，750万-950万晶体管；

　　2000
　　180纳米工艺， Pentium III、Celeron，Pentium 4，950万-4200万晶体管；

　　2001-2003
　　130纳米工艺， Pentium III，Pentium 4，950万-5500万晶体管；

　　2004
　　90纳米工艺， Pentium 4，1亿晶体管；

　　2006-2007
　　65纳米工艺， Pentium EE、Pentium D、Core 2，2亿3000万-2亿9000万晶体管；

　　2007至今
　　45纳米工艺， Core 2，4亿1000万-8亿2千万。

　　早前间的英特尔处理器研发过程基本顺畅：按部就班的提升工艺，晶体管数目也几何级数的迅速攀升，一直到65nm工艺时期截止。2006年的65nm工艺技术突破遭遇的困难非常大，经过几次改进后漏电流和功耗的情况有所改善，但这也几乎挖掘了CPU最后的潜力，绝缘层已经只有5个硅原子的厚度，已经不可能再薄了，英特尔用尽了所有的办法才使得65nm工艺基本达到了要求，硅材料制造CPU在65nm时走到了尽头，亟待新的突破。
与65纳米处理器其相比，45纳米工艺可以使晶体管密度提升接近两倍，因此英特尔得以增加CPU内部晶体管总数，显著提升CPU的计算能力，令产品更具竞争力，并同时让晶体管开关动作所需电力更低，理论耗电量减少近30%。英特尔克服重重困难，实现45纳米工艺处理器的量产，让CPU的发展继续遵循着摩尔定律走下去，这对整个半导体集成电路制造业来说可谓是意义深远。

　　从去年第四季度到现在，英特尔的酷睿2系列处理器已经有多款四核心、双核心的产品问世，再次拉升了其在这个领域的领先优势。

　　● 45纳米四核：Core 2 Extreme QX9650

　　45纳米技术的旗舰型号CPU，属至尊系列的酷睿2处理器，核心代号为Yorkfield，4核配置，6MB*2共12MB的二级缓存容量，1333MHz FSB，3GHz主频。虽然内建晶体管数量提升了约40%，但是得益于先进的45纳米制程工艺，Yorkfield内核四核心处理器的核心面积仍由286平方毫米缩减至现时的214平方毫米。

　　有部分最新的处理器架构方面的改进也和45纳米技术一起到来，这些虽然和工艺改进没有直接联系，但确实是目前45纳米CPU产品所特有的：

　　SSE4指令集（Streaming SIMD Extension4）是继2001年的SSE2之后最为重要的多媒体指令集改进。SSE4除了扩展Intel EMT64指令外，还针对高清编码、播放、图形渲染、三维渲染、3D游戏应用进行了多方面的改进，使得产品的性能在更大范围内得到提升。这里需要指出的是，SSE4指令集包含SSE4.1和SSE4.2，目前装备与45nm处理器上的为SSE4.1，增加了47条新指令。新的指令集得到了众多软件巨头的支持，其中包括Microsoft、Adobe等业界大牌。

　　基于45纳米的Penryn家族在Core架构的基础上进一步改良了除法器设计。在科学运算、三位坐标转换以及一些密集型数学运算中可以获得近2倍的除法运算速度，英特尔称之为Fast Radix-16 Divider快速Radix-16除法器。这种改良型的设计能够在每个时钟周期计算出4位的商值，与基数为4的算法在每时钟周期只能算出2位商值相比，提升了一倍的性能。

● 45纳米双核：Core 2 Duo E7200

　　45纳米技术的入门型号CPU，核心代号为Wolfdale，2核配置，3MB的二级缓存容量，1066MHz FSB，2.53GHz主频。定位在千元级的E7200拥有45纳米高端处理器的几乎所有技术优势，差异只是计算能力，体现出了最高的性价比。

45纳米新制程工艺所带来的最直接的好处就是—将给提升每瓦性能打下基础，更高的每瓦性能将进一步加强用户的使用体验。显然，摩尔定律在45纳米的有力支撑下还远未到被摒弃的时机，它过去的几十年间验证了半导体产品的发展，相信也能在未来的5年甚至10年中我持续生效。

　　普通用户使用的CPU性能提升的一小步，在65纳米至45纳米之间的跳跃，对于那些奋战在一线的科学家们确是实实在在的一大步，英特尔已经为性能的再次飞跃打好了技术物质基础，我们在PC上的体验可以预见也会很快得到大幅改变。

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