芯片设计难度加大 英特尔难平衡能耗和速度
来源：华尔街日报 作者： 时间：2004-05-21 17:15
(华强电子世界网讯) 英特尔公司推出有史以来最快奔腾(Pentium)处理器的努力遇到了障碍，该公司因而决定摒弃以往只在芯片内部建立一个内核的做法，转而采用双核心设计。
英特尔的这一调整出乎许多观察家的意料。但人们本不应该感到如此意外。科技发展到了今天这个地步，芯片制造技术遇到了越来越多的困难。随着晶体管体积越来越小，电能难免会从单薄的绝缘层中泄露出来，导致热量增加。
在英特尔决定采用双核心设计之前，该公司已经放弃了两个新一代奔腾4处理器项目的研发工作。这两个项目分别命名为Tejas和Jayhawk，前者开发的新一代奔腾4处理器面向台式电脑，后者面向服务器。分析师们称，新一代奔腾4处理器的设计使得它们要消耗大量的电能，从而导致功率泄露过多，造成处理器发热的现象十分突出。由于英特尔多年来一直在大肆宣扬其芯片的架构，因此放弃新一代奔腾4处理器的研发确实令该公司感到十分尴尬。
英特尔总裁保罗·奥特里尼(Paul Otellini)上周四强调说，放弃新一代奔腾4处理器的研制并不意味着现有奔腾4处理器产品系列已是穷途末路。奥特里尼在分析师会议上表示，今后几年间，Prescott奔腾4处理器仍将是公司的主打产品。
Prescott处理器虽然也存在散热问题，但由于对架构做了小幅调整，这款处理器对能耗的要求已经有所降低。
奥特里尼称，“英特尔产品现在的运行频率可以轻松突破4GHz，而我们曾经认为4GHz是2004年芯片运行频率的极限。“
奥特里尼还批驳了一些观察人士的看法，称英特尔今年采用的新一代芯片生产设备并不是造成Prescott发热量较高的原因。
奥特里尼称，有许多传闻称英特尔90纳米制造工艺遇到了发热量过高的问题，但实际上并不是这么回事。
但英特尔产品发热量过高同该公司今年开始采用90纳米工艺制造芯片还是有一定的关系。90纳米工艺制造出来的晶体管的直径相当于人类头发的千分之一。
VLSI Research的总裁丹·哈金森(Dan Hutchinson)称，芯片制造商们在运用90纳米制造工艺方面都遇到了困难。随着新工艺制造出的晶体管体积越来越小，功率泄露的问题就变得越发突出。
即便是芯片处于非工作状态，电能也会从薄薄的绝缘层中泄露出来。因此，设计简陋的芯片很快就会出现问题。
在过去，晶体管体积缩小加上使用新一代生产设备通常意味着芯片的运行速度得到提高，能耗同时减少。但这次，这个规律已经不再灵验。英特尔将重新审视其NetBurst奔腾4处理器设计架构。英特尔原先曾吹嘘这种架构能够赋予处理器更强大的功能和更高的运行速度。
英特尔认为，NetBurst的设计方式将为等候芯片内核来处理的一系列任务留出剩余空间，从而提高运算速度。芯片运用剩余空间来判断出哪些计算需要优先处理，然后提前完成这些优先任务的计算，同时放弃那些最终并不需要的计算。但英特尔现在的情况是芯片上已经没有供其运用宝贵的能源来执行超额任务的过多空间。
独立的科技业分析师彼得·葛拉史柯斯基(Peter Glaskowsky)称，放弃新一代奔腾4处理器的研制实际上就是对Netburst架构的彻底否定，同时使得英特尔处境非常尴尬。一般来说，英特尔会让其工程师同时研制两种芯片核心，供新一代台式电脑使用。
葛拉史柯斯基称，现在，英特尔对于新核心的研制进程心里也没有谱。这可不是件好事。
放弃了为奔腾芯片设计速度更快的新内核的努力后，英特尔找到了提高性能的新途径──在芯片内部放置两个运行速度不是很快的内核。奥特里尼称，双核心设计表明英特尔不再一味地强调运算速度。虽然英特尔还会一如既往地提高芯片的运行速度，但同时还会为芯片增加安全性、超线程等新功能。采用超线程功能的芯片能够在同一时间处理两项任务。
但放弃新一代奔腾4处理器的研制对于英特尔来说无疑是个打击，因为竞争对手AMD正在有条不紊地推出其Opteron和Athlon芯片。
英特尔员工马克·波尔(Mark Bohr)称，双核心设计标志著英特尔找到了节约能耗的途径。波尔称，英特尔放弃新一代奔腾4处理器的研制为芯片行业在面对能耗瓶颈时如何做出相应的调整做出了很好的榜样。
他表示，放弃Tejas项目并非是因为遇到了难以克服的能耗问题，而是英特尔的工程师在能耗和速度之间难以找到平衡点，无法做到两全其美。增加芯片的耗电量固然可以提高运行速度，但同时也会导致芯片温度升高，因为芯片需要消耗能量，即便是在待机状态也有电能从薄薄的绝缘层中泄露出来。
在运用先进制造工艺方面遇到麻烦的公司可不止英特尔一家。IBM的员工伯尼·梅尔森(Bernie Meyerson)称，IBM也遇到了同样的难题。他表示，通过减小电路尺寸来提高速度和能耗现在变得越来越难以实现了。谁也不敢保证能制造出能耗更低，同时速度更快的芯片。
梅尔森称，如果在设计上不能另辟蹊径，芯片性能提升的空间将受到限制，同时晶体管的能耗可能高于预期。今年早些时候推出的Prescott就是如此。虽然这款芯片是全球第一款采用90纳米工艺制造的，但它的最高运行速度只和旧款奔腾4芯片Northwood相当，但能耗却更高。
相比之下，英特尔的笔记本电脑芯片Dothan境况较好。奔腾M芯片是第一款运用90纳米工艺制造的移动芯片。这款芯片于上周推出，运行速度和能耗都要好于其前辈Banias。但这款芯片采用的是奔腾3芯片的架构。
Cadence Design Systems Inc. (CDN)的首席技术长Aki Fujimura表示，现在的设计难度越来越大，对于顶尖的设计而言难度就更大了。
随著晶体管体积越来越小，芯片制造工艺发生了明显的转变。铜线、硅绝缘体(silicon-on-insulator)等新型材料层出不穷。
Fujimura指出，芯片的功能比以前增加了一倍，但芯片制造公司的设计人员数量却没有相应的增加。而且，每个工程师负责的任务更重了。
90纳米和65纳米技术存在著严重的功率泄露问题。但45纳米、35纳米等下一代技术将面临更多的技术难题。Fujimura表示，结果就是芯片制造的成本将更加昂贵。
另一个重要的问题是功率泄露将导致人们对已经应验了39年的摩尔定律(Moore's Law)做出新的评估。摩尔定律认为每隔18-24个月，芯片上面的晶体管数量就会增加一倍。但波尔认为摩尔定律将继续有效。
不过芯片的运行频率预计将无法继续保持每隔18-24个月增加一倍这一速度。2002年，英特尔大胆地预测将于2007年之前造出包含10亿个晶体管、运行频率高达6 GHz的芯片。最近，英特尔把芯片上晶体管的数量达到10亿个的日期提前到了2005年。波尔认为，含有10亿个晶体管的处理器可能会更早问世。
但他表示，运行频率为6GHz的芯片可能要到接近2007年时才会推出。速度提升的幅度不会像晶体管数量增加的那样明显。
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