CPU：迎接融合时代

　　融合已成现实

　　2009年底，有专家在《计算机世界》报撰文表示，未来“CPU与GPU融合之势难挡”。而就在2010年新年伊始，英特尔在2010年CES开幕当天，正式发布了全球首批采用32nm工艺并集成图形核心的新式双核心处理器，涵盖桌面、笔记本、嵌入式三大领域和Corei7、Corei5、Corei3、Pentium、Xeon五大系列，共有30款型号。

　　就在一年之后的2011CES上，英特尔再次推出了备受期待的第二代智能英特尔酷睿处理器家族（产品研发代号：SandyBridge）。新的微架构将增强的视觉与3D图形处理技术，集成在处理器芯片内，这就意味着所有的新一代酷睿处理器内均无缝融合了基于全新架构的英特尔显卡。与上一代封装在32nm处理器中的采用45nm制成技术的显卡相比，采用新一代酷睿芯片的电脑在高清媒体处理和主流游戏等方面的图形性能均获得了显著提升。而且新一代酷睿处理器在提升性能的同时还延长了电池续航时间，为设计更轻薄、更创新的笔记本电脑和一体机电脑提供了更大的设计自由度。

　　无独有偶，在2011CES期间，AMD也正式发布了筹备多年的FusionAPU融合加速处理器。FusionAPU分为两大系列，现在面世的是基于山猫(Bobcat)处理器架构、DX11GPU图形核心的低功耗版本，最多两个处理器核心，采用台积电40nm工艺制造。AMDFusionAPU对CPU、GPU和北桥进行了全面的整合，APU的芯片尺寸只有原来的1/3。

　　技术创新寻求“芯”突破

　　CPU“融合”之后，为了保证进一步提升性能，降低能耗，延长电池续航时间及整体制造成本，同时使更小巧的系统设计成为可能，几大芯片制造商都在芯片的设计与制造工艺上不断创新。例如第二代智能英特尔酷睿处理器就是由基于英特尔32纳米制程工艺的第二代高K金属栅极晶体管技术制造的。

　　但是，随着芯片功能的增强，芯片内集成的晶体管数目越来越多，体积也越来越大，功耗也越来越高，已经超出了当前平面半导体工艺即二维器件技术的极限。尤其是在高集成度条件下，单个芯片内各个系统的互连引线过长和过多，其阻容延迟和寄生电容会使器件工作速度降低。另外，其所引发的信号传输延迟、信号带宽不足和控制时序的不一致性，会制约当前通信技术和大型计算机技术的蓬勃发展。还有，互连引线过长引起的噪声问题也不容忽视，而各种噪声均与信号在互连引线中的传输距离密切相关。所以随着将微处理器、存储器、数字信号处理器和各种逻辑电路等不同种类的芯片集成在一起的需求越来越多，也越来越迫切，CPU的设计技术正在面临新的选择。

　　2010年在美国旧金山召开的IEEE固态电子技术会议上，比利时的研究人员宣布三维器件生产已可突破生产成本的限制，进入批量生产的阶段。在2010年12月上旬召开的国际电子器件会议上，台积电也宣布，已经能够基于现有制造技术，在近1.2年内实现采用硅通孔技术（TSV）的三维器件量产。不远的未来，CPU进入三维时代已经不太遥远。

　　CPU 内外部数据传递的速度一直是制约其进一步发展的瓶颈。2010 年7 月，英特尔宣布利用混合硅激光器开发出世界上首个集成激光器的硅基光电数据联结系统，该技术可以用光束替代电子在计算机内部及周边进行数据传输。值得注意的是，过去的激光器成本非常昂贵，难以惠及普通用户，但英特尔发明的硅基光电数据联结系统， 成本低廉且易于制造， 完全没有采用高价且制造困难的砷化镓原件。

　　2010 年10 月5 日，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈. 海姆（Andre Geim）教授和康斯坦丁. 诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）教授因从事石墨烯的研究并揭示了其性质而获得2010 年诺贝尔物理学奖。这一消息，又让人们似乎看到了未来延续摩尔定律的动力。

　　CPU 的发展离不开摩尔定律，但是采用目前的工艺和硅基半导体材料来延长摩尔定律寿命的发展道路正在走向极限。硅基的计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少。此外，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。由于具有优异的性能，由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。目前，硅器件的工作速度已达到千兆赫兹的范围。而石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹，即1千兆赫兹的1000倍。如果能进一步开发，对于CPU甚至是整个半导体工业的发展，其意义不言而喻。

　　2010年IBM就宣布通过改进栅极的绝缘层等措施，开发出了截止频率高达100GHz的石墨烯场效应晶体管，上述器件能用于未来CPU的开发中。