微处理器发展史与摩尔定律——谈微处理器的未来
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摘要：本文研究目的是找出当今阻碍计算机科学微处理器发展的主要问题和障碍，并对之进行对比分析，从而找出与问题对应之可行方案，并分析相关方案的可行性及未来前景，探讨微处理器的未来发展与方向的问题。本文从微处理器发展历史出发，以列举数据、型号的方式，结合摩尔定律、现今微处理器发展状况，进行案例与数据的对比，从比较中发现问题，从而进行研究。
关键词：微处理器 摩尔定律 处理器发展 石墨烯 光处理器
1. 引言
纵观整个计算机科学发展史，计算机硬件设备作为伴随计算机科学理论实践不断发展的其中一项殷实成果，又反作用于理论，一直推进着计算机科学理论的继续向前。而其中，微处理器的开发研究与应用，一直处于计算机硬件设备技术发展的尖端之上，引领着其他设备的进步。微处理器的发展，始终是整个计算机学科研究中极其重要重要的一环，贯穿整个计算机科学的发展史。
在四十多年发展历程中，微处理器的进步速度是以几何级数增长的，其他硬件设备可以说是望尘莫及，相形见绌——特别是在其发展的初期，微处理器性能的提升速度与其他硬件发展的速度简直不在同一个层级内。诚然，在近几年来，微处理器的进步速度似乎有相当程度的放慢，甚至有被其他硬件设备所超越的趋势。究其原因，就是微处理器发展遇到了材料和技术的极限及如冯·诺依曼（John Von Neumann ）所说的“瓶颈”问题。作为硬件系统的核心部分，微处理器的性能决定了整个系统的性能，因此，微处理器发展速度的放缓是令人担忧的。
在以下的论述中，本文将从微处理器发展的历史出发，结合摩尔定律、各种数据对比以及现阶段微处理器研究状况，讨论微处理器发展所遇到的问题，并深入剖析，尝试明确微处理器未来发展的方向和道路，从而更好地认识微处理器的发展。 [1]
2. 微处理器发展及摩尔定律
要更好地了解微处理器，就必须从它的历史开始，而说到微处理器的历史，可以追溯
的晶体管的发明。早在1947年，AT&T贝尔实验室的三位科学家巴丁（John Bardeen ）博士、布菜顿（Brattain Walter Houser）博士和肖克莱（William Bradford Shockley）博士就发明了晶体管，取代硕大的电子管，这可以说是电子领域的一场重大革命[2]。10年后，随着晶体管的发展，美国科学家达默提出“将电子设备制作在一个没有导线的固体半导体板块中”，这就是最早期集成电脑的核心思路，后来微处理器的雏形。
1968年，英特尔公司成立。经过3年的研究和技术攻关，公司的三位元老和其他技术员研制出了世界上第一款商用微处理器芯片——Intel 4004。这个4位的微处理器当时只有2300个晶体管和108KHz 的时钟频率，对比于当今的处理器水平，Intel 4004简直不值一提。但是，在1971年，这一产品是具有突破性的。而仅在两年之后，1973年8月，英特尔公司又推出了下一代微处理器产品Intel 8080。Intel 8080是一个8位微处理器，拥有6000个晶体管，时钟频率为2MHz ，整体性能是Intel 4004的五倍多。1978年6月，英特尔又推出了第三代微处理器——著名的Intel 8086，它的时钟频率为10MHz ，由29000个晶体管集成，计算能力又在Intel 8080的基础上翻了几翻。后来，英特尔、超微、威盛等制造商又推出了一系列的微处理器，如Intel 386、Pentium 4、Athlon XP等。
微处理器就一直以这样的高姿态站在硬件研究领域的发展尖端之上，带领着其他硬件以及整个硬件系统的向前发展。
2.1早期微处理器与摩尔定律
微处理器发展的历史，与著名的摩尔定律有巨大的关系。摩尔定律，由英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965年的一份报告(刊登于1965年《电子学》杂志上，原文已经丢失) 中提出的，具体是指当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。与其说这是一条定律，不如说这是摩尔先生经过观察总结而得出的结果。
从上文提及的微处理器数据可以看出，摩尔定律在微处理器发展的历程中一直有着惊人的准确程度：从Intel 4004处理器2300个晶体管，到Intel 8080处理器6000个晶体管及其后Intel 8086处理器29000个晶体管等等，都遵循这一定律稳定发展。
2.2近年微处理器与摩尔定律
经过四十多年的历程，微处理器已经由最初的Intel 4004发展到现今的Intel Core I5/I7、AMD PhenomII X3/X4等高端型号，目前最高端的微处理器晶体管数量已经达到17亿个，这是在Intel 4004时代根本无法想象的。
尽管微处理器发展的速度一直都遵循着摩尔定律，但在近几年来，这种遵循的脚步似乎有所放缓，甚至力不从心。例如，2007年英特尔公司推出Core 2 Duo E6850处理器，该处理器有4.1亿晶体管，时钟频率3GHz ，制造工艺为45NM ，而2011年英特尔公司推出制造工艺为32NM 的Core I5-2540M处理器只拥有6.24亿晶体管以及最高3.2GHz 的时钟频率；又如2001年，英特尔公司推出了划时代的产品Pentium 4处理器，这个处理器时钟频率最高为3.2GHz ，拥有5500万晶体管。而在2004年再推出的Pentium 4 E处理器时钟频率一样，晶体管也只有1.2亿。
从数据中可以明显得出的是，对比上世纪60、70及80年代，微处理器的发展速度有相当大的减缓趋势，这种趋势直观地表现在随着微处理器制造工艺的不断提高（从最初的微米级到当今的纳米级），微处理器的晶体管数量增加的速度和幅度一直减缓，时钟频率在近10年内也不断徘徊在2.8GHz 到3.6GHz 之间。
当然，处理器的总体性能不能单单看时钟频率和晶体管数量、制造工艺等，还应结合核心架构设计、核心数量、寄存器大小及总线速度等参数讨论，但是，问题始终是明显的，而且，当微处理器遇到物理性的发展瓶颈时，那么建立在瓶颈基础上的性能也将受到威胁，摩尔定律当然也可能动摇。
3. 微处理器发展瓶颈
微处理器经过四十多年高速发展，到当代，很多方面都已经出现了理论性的瓶颈和难题，这些难题如果得不到解决，将大大影响微处理器的未来发展，进而影响到硬件系统的整体性能。
3.1制造工艺极限
微处理器的制造工艺就是指微处理器的制程，制程的先进程度决定了微处理器的性能。在微处理器诞生的初期，制造工艺只能达到6微米，而现在最新的微处理器已经踏入32纳米的时代。按1微米=1000纳米的换算规则，这种进步是巨大的，但是，32纳米已经接近理论的极限。因为，再小的晶体管理论上不能小于5个分子的大小，而5个分子大小就约为10纳米。这就说明，微处理器的制程最高只能达到10纳米，晶体管的数量也因此会达到单位面积的极限而无法再增加。
3.2时钟频率极限
微处理器的时钟频率在近10年来提升缓慢甚至停止，这是因为时钟频率太高会影响到微处理器工作的稳定性。
当今微处理器的时钟频率平均已经达到3.2GHz ，即约每秒计算495亿次。加快时钟频率的速度固然可以增强微处理器的效率，但是，当时钟频率提升过度是，就会造成空间过小的晶体管之间发生相互影响和物理电离，电离物会积聚在某些地方，对微处理器解构造成破会，使微处理器的功能和寿命受到极大的影响。
3.3核心数量过多
微处理提升性能的其中一种方法是增加微处理器运算物理核心的数量。虽然这种方法在现时可以说是最有效的方法，但是，这种方法在未来必定也会遇到极限。
首先是太多的物理核心将会导致微处理器的功耗大大加强，必须以增加整个系统的能源（电力）供应为代价，而稳定和过滤电力供应的元件将会过于复杂；再者，物理核心的增加必会导致成本居高不下，导致消费市场不接受。 [3]
4. 微处理器的未来
微处理器的发展问题在今年来变得十分突出，因而也引起了世界范围内各种人群的关注。而在被提出解决问题的众多方法中，有几项是特别值得注意的。
4.1新材料石墨烯
石墨烯作为一种新型材料，已经受到物理学和材料科学的高度关注。
石墨烯来源于石墨，石墨是碳元素的一种单质，具有层状结构，而石墨烯就是其中一层，一层的石墨烯只有不到5纳米的厚度[4]。如果以石墨烯作为晶体管的材料，微处理器的制程将进化到一个新阶段。
另外，石墨烯还具有两种特别的特性。第一，呈六边形结构的石墨烯非常稳定而且柔软，使电子通过时，原子不会发生散射，这就使石墨烯有优异的导电性；第二，电子在石墨烯中移动的速度极快，比一般金属和导电材料都要快得多。这两个优良的特性使石墨烯具有成为下一代晶体管半导体的天然优势。“碳平面内各种奇特的物理特性，已经超出了经典力学和普通量子力学的范畴，为此，科学家建立了新的理论体系。”[5]可见，石墨烯作为未来微处理器的新材料，前途一片光明。
4.2光处理器
2003年10月底，全球首枚嵌入光核心的商用向量光学数字处理器在美国军事通信展览会上展出，这表明，计算机将进入到光学时代。
光处理器的运算速度达到了80000亿次每秒，是现今数字处理器的1000多倍，这意味着将加快微处理器发展速度20多年。“由于光波束能够承载二维图像信息，光计算机在
本质上就有了并行计算的能力，使得光计算系统与传统计算系统相比，具有更美好的开发前景。”[6]光计算机作为一种尚在研发阶段的技术，大有取代传统微处理器的趋势。
4.3多核心、大寄存器
作为微处理器现阶段主要发展方向，多核心道路任然有它的价值和可行性。而且，随着还没有到达极限的微处理器制程的继续发展，多核心发展仍然具有比较大的未来空间。另外，微处理器中的寄存器大小、速度，也将继续支持微处理器多核心的发展。
5. 结束语
在现阶段，微处理器的发展已经成为计算机科学中的一个核心问题。这个问题关系到计算机硬件系统的性能，更关系到计算机未来的发展方向。而上文所述的微处理器发展方向的研究，必将对微处理器发展产生革命性影响。然而，如材料来源、技术可行性等一系列问题，就有待更深入的研究。
参考文献
[1]苏显渝，李继陶. 信息光学[M] 北京：科学出版社，1999，300.
[2]佛罗赞（Behrouz A.Forouzan ），莫沙拉夫（Firouz Mosharraf ），刘艺. 计算机科学导论[M]. 北京：机械工业出版社，2009，37.
[3]袁小龙，喻文健，吴为民等. 高性能处理器电路设计[M]. 北京：机械工业出版社，2010，152.
[4]吴 敬. 石墨烯的潜在应用领域及其制备方法调研报告[R]. 上海：中科院上海物理技术研究所，2009.
[5]安德烈·K ·海姆（Andre K. Geim），菲利普·金（Philip Kim）. 延续摩尔定律的新材料[J]. 环球科学，2005，05：63-64
[6]候晓光. 基础型光学处理器的结构设计与实验研究[D]. 北京：国防科学技术大学，2009.
微处理器发展史与摩尔定律——谈微处理器的未来
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摘要：本文研究目的是找出当今阻碍计算机科学微处理器发展的主要问题和障碍，并对之进行对比分析，从而找出与问题对应之可行方案，并分析相关方案的可行性及未来前景，探讨微处理器的未来发展与方向的问题。本文从微处理器发展历史出发，以列举数据、型号的方式，结合摩尔定律、现今微处理器发展状况，进行案例与数据的对比，从比较中发现问题，从而进行研究。
关键词：微处理器 摩尔定律 处理器发展 石墨烯 光处理器
1. 引言
纵观整个计算机科学发展史，计算机硬件设备作为伴随计算机科学理论实践不断发展的其中一项殷实成果，又反作用于理论，一直推进着计算机科学理论的继续向前。而其中，微处理器的开发研究与应用，一直处于计算机硬件设备技术发展的尖端之上，引领着其他设备的进步。微处理器的发展，始终是整个计算机学科研究中极其重要重要的一环，贯穿整个计算机科学的发展史。
在四十多年发展历程中，微处理器的进步速度是以几何级数增长的，其他硬件设备可以说是望尘莫及，相形见绌——特别是在其发展的初期，微处理器性能的提升速度与其他硬件发展的速度简直不在同一个层级内。诚然，在近几年来，微处理器的进步速度似乎有相当程度的放慢，甚至有被其他硬件设备所超越的趋势。究其原因，就是微处理器发展遇到了材料和技术的极限及如冯·诺依曼（John Von Neumann ）所说的“瓶颈”问题。作为硬件系统的核心部分，微处理器的性能决定了整个系统的性能，因此，微处理器发展速度的放缓是令人担忧的。
在以下的论述中，本文将从微处理器发展的历史出发，结合摩尔定律、各种数据对比以及现阶段微处理器研究状况，讨论微处理器发展所遇到的问题，并深入剖析，尝试明确微处理器未来发展的方向和道路，从而更好地认识微处理器的发展。 [1]
2. 微处理器发展及摩尔定律
要更好地了解微处理器，就必须从它的历史开始，而说到微处理器的历史，可以追溯
的晶体管的发明。早在1947年，AT&T贝尔实验室的三位科学家巴丁（John Bardeen ）博士、布菜顿（Brattain Walter Houser）博士和肖克莱（William Bradford Shockley）博士就发明了晶体管，取代硕大的电子管，这可以说是电子领域的一场重大革命[2]。10年后，随着晶体管的发展，美国科学家达默提出“将电子设备制作在一个没有导线的固体半导体板块中”，这就是最早期集成电脑的核心思路，后来微处理器的雏形。
1968年，英特尔公司成立。经过3年的研究和技术攻关，公司的三位元老和其他技术员研制出了世界上第一款商用微处理器芯片——Intel 4004。这个4位的微处理器当时只有2300个晶体管和108KHz 的时钟频率，对比于当今的处理器水平，Intel 4004简直不值一提。但是，在1971年，这一产品是具有突破性的。而仅在两年之后，1973年8月，英特尔公司又推出了下一代微处理器产品Intel 8080。Intel 8080是一个8位微处理器，拥有6000个晶体管，时钟频率为2MHz ，整体性能是Intel 4004的五倍多。1978年6月，英特尔又推出了第三代微处理器——著名的Intel 8086，它的时钟频率为10MHz ，由29000个晶体管集成，计算能力又在Intel 8080的基础上翻了几翻。后来，英特尔、超微、威盛等制造商又推出了一系列的微处理器，如Intel 386、Pentium 4、Athlon XP等。
微处理器就一直以这样的高姿态站在硬件研究领域的发展尖端之上，带领着其他硬件以及整个硬件系统的向前发展。
2.1早期微处理器与摩尔定律
微处理器发展的历史，与著名的摩尔定律有巨大的关系。摩尔定律，由英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965年的一份报告(刊登于1965年《电子学》杂志上，原文已经丢失) 中提出的，具体是指当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。与其说这是一条定律，不如说这是摩尔先生经过观察总结而得出的结果。
从上文提及的微处理器数据可以看出，摩尔定律在微处理器发展的历程中一直有着惊人的准确程度：从Intel 4004处理器2300个晶体管，到Intel 8080处理器6000个晶体管及其后Intel 8086处理器29000个晶体管等等，都遵循这一定律稳定发展。
2.2近年微处理器与摩尔定律
经过四十多年的历程，微处理器已经由最初的Intel 4004发展到现今的Intel Core I5/I7、AMD PhenomII X3/X4等高端型号，目前最高端的微处理器晶体管数量已经达到17亿个，这是在Intel 4004时代根本无法想象的。
尽管微处理器发展的速度一直都遵循着摩尔定律，但在近几年来，这种遵循的脚步似乎有所放缓，甚至力不从心。例如，2007年英特尔公司推出Core 2 Duo E6850处理器，该处理器有4.1亿晶体管，时钟频率3GHz ，制造工艺为45NM ，而2011年英特尔公司推出制造工艺为32NM 的Core I5-2540M处理器只拥有6.24亿晶体管以及最高3.2GHz 的时钟频率；又如2001年，英特尔公司推出了划时代的产品Pentium 4处理器，这个处理器时钟频率最高为3.2GHz ，拥有5500万晶体管。而在2004年再推出的Pentium 4 E处理器时钟频率一样，晶体管也只有1.2亿。
从数据中可以明显得出的是，对比上世纪60、70及80年代，微处理器的发展速度有相当大的减缓趋势，这种趋势直观地表现在随着微处理器制造工艺的不断提高（从最初的微米级到当今的纳米级），微处理器的晶体管数量增加的速度和幅度一直减缓，时钟频率在近10年内也不断徘徊在2.8GHz 到3.6GHz 之间。
当然，处理器的总体性能不能单单看时钟频率和晶体管数量、制造工艺等，还应结合核心架构设计、核心数量、寄存器大小及总线速度等参数讨论，但是，问题始终是明显的，而且，当微处理器遇到物理性的发展瓶颈时，那么建立在瓶颈基础上的性能也将受到威胁，摩尔定律当然也可能动摇。
3. 微处理器发展瓶颈
微处理器经过四十多年高速发展，到当代，很多方面都已经出现了理论性的瓶颈和难题，这些难题如果得不到解决，将大大影响微处理器的未来发展，进而影响到硬件系统的整体性能。
3.1制造工艺极限
微处理器的制造工艺就是指微处理器的制程，制程的先进程度决定了微处理器的性能。在微处理器诞生的初期，制造工艺只能达到6微米，而现在最新的微处理器已经踏入32纳米的时代。按1微米=1000纳米的换算规则，这种进步是巨大的，但是，32纳米已经接近理论的极限。因为，再小的晶体管理论上不能小于5个分子的大小，而5个分子大小就约为10纳米。这就说明，微处理器的制程最高只能达到10纳米，晶体管的数量也因此会达到单位面积的极限而无法再增加。
3.2时钟频率极限
微处理器的时钟频率在近10年来提升缓慢甚至停止，这是因为时钟频率太高会影响到微处理器工作的稳定性。
当今微处理器的时钟频率平均已经达到3.2GHz ，即约每秒计算495亿次。加快时钟频率的速度固然可以增强微处理器的效率，但是，当时钟频率提升过度是，就会造成空间过小的晶体管之间发生相互影响和物理电离，电离物会积聚在某些地方，对微处理器解构造成破会，使微处理器的功能和寿命受到极大的影响。
3.3核心数量过多
微处理提升性能的其中一种方法是增加微处理器运算物理核心的数量。虽然这种方法在现时可以说是最有效的方法，但是，这种方法在未来必定也会遇到极限。
首先是太多的物理核心将会导致微处理器的功耗大大加强，必须以增加整个系统的能源（电力）供应为代价，而稳定和过滤电力供应的元件将会过于复杂；再者，物理核心的增加必会导致成本居高不下，导致消费市场不接受。 [3]
4. 微处理器的未来
微处理器的发展问题在今年来变得十分突出，因而也引起了世界范围内各种人群的关注。而在被提出解决问题的众多方法中，有几项是特别值得注意的。
4.1新材料石墨烯
石墨烯作为一种新型材料，已经受到物理学和材料科学的高度关注。
石墨烯来源于石墨，石墨是碳元素的一种单质，具有层状结构，而石墨烯就是其中一层，一层的石墨烯只有不到5纳米的厚度[4]。如果以石墨烯作为晶体管的材料，微处理器的制程将进化到一个新阶段。
另外，石墨烯还具有两种特别的特性。第一，呈六边形结构的石墨烯非常稳定而且柔软，使电子通过时，原子不会发生散射，这就使石墨烯有优异的导电性；第二，电子在石墨烯中移动的速度极快，比一般金属和导电材料都要快得多。这两个优良的特性使石墨烯具有成为下一代晶体管半导体的天然优势。“碳平面内各种奇特的物理特性，已经超出了经典力学和普通量子力学的范畴，为此，科学家建立了新的理论体系。”[5]可见，石墨烯作为未来微处理器的新材料，前途一片光明。
4.2光处理器
2003年10月底，全球首枚嵌入光核心的商用向量光学数字处理器在美国军事通信展览会上展出，这表明，计算机将进入到光学时代。
光处理器的运算速度达到了80000亿次每秒，是现今数字处理器的1000多倍，这意味着将加快微处理器发展速度20多年。“由于光波束能够承载二维图像信息，光计算机在
本质上就有了并行计算的能力，使得光计算系统与传统计算系统相比，具有更美好的开发前景。”[6]光计算机作为一种尚在研发阶段的技术，大有取代传统微处理器的趋势。
4.3多核心、大寄存器
作为微处理器现阶段主要发展方向，多核心道路任然有它的价值和可行性。而且，随着还没有到达极限的微处理器制程的继续发展，多核心发展仍然具有比较大的未来空间。另外，微处理器中的寄存器大小、速度，也将继续支持微处理器多核心的发展。
5. 结束语
在现阶段，微处理器的发展已经成为计算机科学中的一个核心问题。这个问题关系到计算机硬件系统的性能，更关系到计算机未来的发展方向。而上文所述的微处理器发展方向的研究，必将对微处理器发展产生革命性影响。然而，如材料来源、技术可行性等一系列问题，就有待更深入的研究。
参考文献
[1]苏显渝，李继陶. 信息光学[M] 北京：科学出版社，1999，300.
[2]佛罗赞（Behrouz A.Forouzan ），莫沙拉夫（Firouz Mosharraf ），刘艺. 计算机科学导论[M]. 北京：机械工业出版社，2009，37.
[3]袁小龙，喻文健，吴为民等. 高性能处理器电路设计[M]. 北京：机械工业出版社，2010，152.
[4]吴 敬. 石墨烯的潜在应用领域及其制备方法调研报告[R]. 上海：中科院上海物理技术研究所，2009.
[5]安德烈·K ·海姆（Andre K. Geim），菲利普·金（Philip Kim）. 延续摩尔定律的新材料[J]. 环球科学，2005，05：63-64
[6]候晓光. 基础型光学处理器的结构设计与实验研究[D]. 北京：国防科学技术大学，2009.