一塊小小的處理器中卻蘊含著萬千氣象，包羅了眾多業界尖端技術，可以毫不誇張地說處理器是人類在硅晶圓上創造的最宏偉的建築，人類的聰明才智也在這塊方寸之地上得到了集中體現。處理器所引發的巨變是數不勝數的，太空探索、基因破譯、核力發電、制導導彈以及建築設計等各個領域，都有它偉岸的身影。沒有它，數字時代就會成為空中樓閣；沒有它，人類就無法超越一個又一個數學極限；沒有它，微觀和虛擬世界就不會展現在我們眼前。
我們不只是好奇，我們對處理器更多的是懷有一種難以言表的敬意。那麼這樣一塊小小的硅晶元是靠什麼制勝的呢？什麼是其興盛不衰的法寶？未來新的突破又將去往何方？接下來文中將為大家一一分享。
石英硅
硅分子構造
1822年，瑞典化學家白則裡用金屬鉀還原四氟化硅，得到了單質硅，至此人類又結識了一位新的化學元素，但此時人們無論如何也想不到，正是這一發現為開闢人類數字時代奠定下堅實的基礎。硅的化學符號是Si，原子序數為14，屬於元素週期表上IVA族的類金屬元素。它具備來源豐富、成本低廉、提煉難度小、純度高、可塑性好以及可用來充當半導體材料等特點，正是憑借這些先天性的優勢，硅成為處理器理想的材料，也成為摩爾定律驅使下的「魔方」，不斷為人類帶來一個又一個的驚喜。
自1971年第一款實用型處理器問世以來，已經過了數十年的發展，現在處理器無論是在規格參數、製造技術還是在擴展功能方面均獲得了巨大突破。不過總的來說，仍可大致分為九個方面：
1）主頻，即處理器核心使用時鐘頻率，簡單說就是處理器工作頻率。一般說來，一個時鐘週期完成的指令數是固定的，所以一般來說主頻越高，處理器的速度也就越快。不過由於處理器核心架構的不同，同頻率下的性能表現也會不盡相同，這主要是與緩存命中率有直接關係。外頻就是系統總線的工作頻率，而倍頻則是指處理器外頻與主頻相差的倍數，公式為：主頻=外頻×倍頻。
2）L1高速緩存，通常稱為一級高速緩存。處理器內置的一級高速緩存可以在很大程度上提高處理器的運行效率。L1級高速緩存的容量和結構對處理器的性能影響非常大，不過高速緩衝存儲器均由靜態RAM組成，結構較複雜，在處理器核心面積不能太大的情況下，L1級高速緩存的容量不可能做得太大。採用回寫(WriteBack)結構的高速緩存可以對讀和寫操作均有可提供緩存，而採用寫通(Write-through)結構的高速緩存僅對讀操作有效。在486以上的計算機中基本採用了回寫式高速緩存結構。在目前流行的處理器中，775針英特爾處理器採用16KB L1級數據緩存和12KB L1級追蹤緩存，而AMD Sempron和Athlon 64處理器的L1級高速緩存達到了128KB。
3）L2高速緩存，通常稱為二級高速緩存，第一個採用L2級高速緩存的是Pentium Pro處理器，它的L2高速緩存和處理器運行在相同頻率下，成本昂貴，市場生命很短，所以其後Pentium II的L2高速緩存改採成本較為低廉的高速動態RAM，運行在相當於處理器頻率的一半以下，不過之後的Celeron又開始採用全速緩存，目前無論是英特爾和AMD均採用全速L2級緩存。除速度以外，L2高速緩存容量也會影響處理器的性能，原則是越大越好，現在桌面用處理器容量最大已到4MB，而以後更會發展出8MB、16MB、甚至32MB。
4）系統總線速度，也可以稱為內存總線速度，一般等同於處理器外頻。系統總線的速度對整個系統性能來說很重要，早先時候由於內存速度的發展遠遠滯後於處理器的發展速度，為了緩解內存帶來的瓶頸，所以出現了二級緩存來協調兩者之間的差異，而內存總線速度就是指處理器和內存之間的數據交換速率。
5）流水線技術和超標量。流水線(Pipeline)是英特爾首次在486芯片中引入，流水線的工作方式就像工業生產上的裝配流水線。在處理器中由5到6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然後將一條X86指令分成5到6步後再由這些電路單元分別執行，這樣就能實現在一個處理器時鐘週期完成一條指令，因此提高了處理器的運算速度。超流水線是指某款處理器內部的流水線通常超過5到6步以上，例如Presccot核心奔騰4的流水線就長達31級。將流水線設計的級數越多，供給核心處理的指令數才會更多，因而才能使處理器工作在更高的主頻上。需要說明的是，流水線並不是越長越好，如果指令預取命中率低的話，反而會得不償失。超標量是指在一個時鐘週期內處理器可以執行一條以上的指令。這在486或者以前的處理器上是很難想像的，只有奔騰級以上處理器才具有這種超標量結構。現代的處理器已經全面採用RISC技術，因此超標量技術也得到普及。
6）協處理器，通常也稱為數學協處理器。在486以前的處理器裡面，是沒有內置協處理器的。由於協處理器主要的功能就是負責浮點運算，因此386、286、8088等微型處理器的浮點運算能力都相當差。自從486以後，處理器開始內置協處理器，而且協處理器的功能也不再局限於增強浮點運算。現在處理器的浮點單元（協處理器）往往對多媒體指令進行了優化。比如英特爾的MMX、SSE、SSE2、SSE3技術等，MMX即為「多媒體擴展指令集」的縮寫。MMX是英特爾公司在1996年為增強Pentium處理器在音像、圖形和通信應用方面的應用而採取的新技術。新增加的57條MMX指令把處理多媒體的能力提高了60％左右，足見協處理器的重要性。現在的處理器已經普遍內置了這些多媒體指令集，例如目前英特爾處理器還內置了SSE3和EM64T指令集，而AMD方面則內置了增強型的3DNow!和X86-64指令集。
7）工作電壓，指的是處理器正常工作所需的電壓。早期處理器（386、486）由於工藝落後，它們的工作電壓一般為5V（奔騰是3.5V/3.3V/2.8V等），隨著處理器的製造工藝的提高以及人們對能耗的較高要求，處理器的工作電壓呈現出逐步下調的趨勢，即使是目前英特爾的雙核心Pentium D處理器的實際工作電壓也不過1.35V，而AMD雙核心Athlon 64 X2處理器的實際工作電壓同樣不超過1.5V。
8）亂序執行和分枝預測。亂序執行是指處理器允許將多條指令不按程序規定順序發送而是分開發送給各相應電路單元處理的技術。分枝是指程序運行時需要改變的節點，分枝有無條件分枝和有條件分枝，其中無條件分枝只需要處理器按指令順序執行，而條件分枝則必須根據處理結果再決定程序運行方向是否改變，這提高了數據處理的靈活性。所謂「分枝預測」技術也就是為了完成程序對條件分枝的處理。
9）製造工藝。製造工藝雖然不會直接影響處理器的性能，但它可以極大地影響處理器的集成度和工作頻率。製造工藝越精細，處理器可以達到的頻率越高，集成的晶體管也就越多。第一代奔騰處理器的製造工藝是0.35微米，最高達到266Mhz的頻率；奔騰II和最早的賽揚是0.25微米，頻率最高達到450Mhz；銅礦核心的奔騰Ⅲ製造工藝縮小到了0.18微米，最高頻率達到1.13Ghz；最新的Presler核心Pentium D 955處理器製造工藝更是達到0.065微米，頻率也達到3.46Ghz，晶體管數量更是達到了驚人的3.76億。
處理器正是憑借這九大法寶，為人類創造無數的輝煌。然而隨著技術的進一步提高，核心的多少也成為衡量性能的一個重要指標，目前Pentium D和Athlon 64 X2處理器便是雙核家庭中的重要成員。由於頻率提升會帶來功耗及發熱量的提升，核心架構研發成本又非常高昂，利用多核並行處理數據成為未來的發展趁勢，2007年Intel和AMD就將在四核心處理器戰場上一較高低。或許有一天我們會只剩下對核心概念的理解，而無須再關注晶體管的數量，因為到那時晶體管已是一個非常龐大的群體了。
結語：
儘管處理器將來會朝多核心的方向發展，但制約處理器性能的九大法寶仍將發揮作用，同時用戶也仍然希望會有更低功耗以及更高性能的產品出現。處理芯片行業的兩大巨頭——Intel和AMD目前正展開激烈的價格戰，這無疑進一步加快了處理器的普及速度，我們也真心希望雙核乃至多核處理器可以早日普及，為我們的生活帶來更多的精彩。 |
