dec|芯片的晶体管数量，是如何走到今天？阿里|阿里巴巴集团|技术岗|阿

芯片实验室赵工半导体工程师 2022-03-01 09:41以英特尔4004的诞生为开端，五十年的微处理器历史已经书写完成。几乎没有一个领域像微处理器那样发展的如此迅速，在短短五十年间，微处理器的发展跨越了七个数量级--从2300个晶体管到540亿个。最初的4位单个ALU设计已经演变成众核巨无霸，这些进步几乎为人类生活的每个方面提供了动力。
为了说明这些变化，MPR重点突显了一些能定义整个行业的产品，包括英特尔8088、MIPS R2000、DEC Alpha 21164、英特尔Core Duo、IBM Power8和NvidiaA100。每一个产品都通过频率和微体系结构的升级展示出不断增长的性能。

在过去的50年里，晶体管数量的上升与戈登-摩尔的预测（摩尔定律）保持了惊人的一致，即晶体管的数量每两年就会翻一番。将这一翻倍速度应用于4004的晶体管，预测2020年将出现540亿个晶体管的处理器，如图1所示，Nvidia通过A100实现了这一目标。尽管晶体管数量仍然与性能密切相关，但在这段期间，各公司也通过电路结构和微体系结构创新提高了性能。

文章插图

图1 50年的晶体管数量
（按照摩尔定律，这一数字稳定的每两年翻一倍。Nvidia的A100，当前达到光罩孔极限尺寸的芯片（reticle-size chip），完美的匹配这一预测。（数据来源：各个厂商））

一个人的军队推出4004
英特尔于1971年发布了其4位4004处理器，在两英寸晶圆上以10微米的工艺制造它。与以前拥有几十或几百个晶体管的集成电路相比，它是当时最先进的设计，包括2250个晶体管。然而，它是由单独一名工程师费德里科-法金（Federico Faggin）创造的，他每周工作80小时，以按期交付740kHz的处理器（见MPR 12/18/06，"英特尔4004的35周年"）。除了设计逻辑和电路之外，他还必须手工切割用于制造光学掩模的红宝石薄膜。在一个自我陶醉的时刻，设计师在一个掩模上刻下了“F.F.”。

4004只实现了46条指令，其中5条是双倍长度。该处理器集成了一个单一的ALU，在8个时钟周期内完成4位加法（和大多数其他指令），使其有效执行率低于0.1MHz。尽管有一个完整的CPU，尺寸为12平方毫米，但4004无法独立运行，因为除了64位（16x4位）寄存器文件外，它缺乏任何存储器。因此，Faggin还交付了4001 ROM芯片、4002总线接口芯片、4002 RAM芯片和4003总线接口芯片。

4004彻底改变了市场，因为它是第一个软件可编程的芯片。它首先服务于Busicom公司的141-PF计算器，因为该公司拥有该设计的独家权利。但Intel意识到可编程性使这一设计适用于广泛的系统，因此它通过谈判达成协议，允许Intel向其他客户出售4004，从而开创了微处理器市场。即使在1971年，该公司也着眼于游戏市场；例如，4004最终进入了弹球机，为曾经的纯机械游戏增添了光彩。
8088为IBM个人电脑提供动力
16位的Intel 8088于1979年投入生产。如图2所示，该公司使用其3微米技术制造了这个包含29000个晶体管的芯片。峰值速度徘徊在5MHz左右。英特尔在其新建的以色列海法实验室创造了8088。该处理器与8086基本相同，后者引入了x86指令集，但8088将外部总线接口减少到8位以降低系统成本。与8086一样，它有一个6字节的取指队列，一个16位的ALU和16位的寄存器。它的简单流水线有两个流水段：取指/译码和执行。

文章插图

图2 AMD的8088芯片晶片管芯照片
（8088有33平方毫米和29,000个晶体管。虽然芯片最早是Intel设计的，许多类似AMD的厂商获得了设计授权能够进行制造。（照片源自Pauli Rautakorpi《维基百科<https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8088#/media/File:AMD_8088_die.JPG>》，按照CC BY 3.0授权））