距離Intel著名的64bit處理器Core 2 Duo（酷睿2）發(fā)布已經(jīng)整整十年，從普及型的E6400到旗艦級(jí)的Core2 Extreme X6800，這一系列由Intel 65nm工藝打造的處理器中有太多的經(jīng)典產(chǎn)品。可以說(shuō)，酷睿2是桌面平臺(tái)處理器的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，引用Anandtech當(dāng)年的評(píng)價(jià)就是：“這是半導(dǎo)體有史以來(lái)最振奮人心的產(chǎn)品”。

酷睿2的發(fā)布大幅改變了處理器的版圖，過(guò)去Netburst家族以Northwood和Prescott核心為首的Pentium4和Pentium D處理器一味飆主頻的路線已經(jīng)走火入魔，半導(dǎo)體的發(fā)展方向一再偏離效率，帶來(lái)了巨大的發(fā)熱和功耗問(wèn)題，在90nm遇到嚴(yán)重瓶頸后（進(jìn)入90nm工藝后，業(yè)界發(fā)現(xiàn)之前摩爾定律一貫的工藝提升，功耗下降的規(guī)律失靈了，prescott處理器因?yàn)榘l(fā)熱過(guò)大無(wú)法按既定路線突破4Ghz，甚至引發(fā)了散熱器大規(guī)模換代），對(duì)手AMD的Athlon 64X2處理器同時(shí)在性能和效率加冕為王。

當(dāng)時(shí)的intel被迫做出重大修正，微架構(gòu)上拋棄了對(duì)主頻飆升有利的超長(zhǎng)流水線設(shè)計(jì)，引入大量來(lái)自Pentium PRO和Pentium M的技術(shù)，但并不是僅僅在Yonah的微架構(gòu)上增加一些新功能或者譯碼器那么簡(jiǎn)單（在十年前盛傳酷睿2僅僅是Yonah的增強(qiáng)版）。是時(shí)候來(lái)回顧一下酷睿2帶來(lái)的震撼了。

十年前發(fā)布的Conroe有如下五款產(chǎn)品：

旗艦產(chǎn)品X6800主頻高達(dá)2.93Ghz，支持更高的前端總線頻率，芯片面積143平方毫米，比前代Pentium D的162平方毫米更小，由于不集成GPU，十年前的處理器比今天的產(chǎn)品小得多。

當(dāng)年X6800的價(jià)格為999美元，跟今天8核的Core i7-5960X相當(dāng)，而E6400則為224美元，和Core i5-6600一致，有意思的是，不知道是不是為了快點(diǎn)跟昨天說(shuō)再見(jiàn)，intel把昨天還是次旗艦產(chǎn)品的3.4Ghz的Pentium D 945砍到比E6300還低的163美元，這是intel桌面處理器歷史上獨(dú)一無(wú)二的事件。

一切盡在預(yù)?。≒refetch）

CPU執(zhí)行的指令來(lái)自譯碼器，數(shù)據(jù)取自高速緩存（Cache），在理想環(huán)境中，數(shù)據(jù)和指令都可以從底層緩存中獲?。ㄒ患?jí)緩存，L1 Cache），延遲極低，不存在瓶頸?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境可沒(méi)那么樂(lè)觀，延遲完全靠猜，核心預(yù)測(cè)所需數(shù)據(jù)并且在用到它們之前放入底層緩存的能力決定了現(xiàn)實(shí)環(huán)境的延遲，這項(xiàng)技術(shù)就是預(yù)取。

酷睿2微架構(gòu)增加了多重預(yù)取，這是過(guò)去在消費(fèi)級(jí)處理器中從沒(méi)出現(xiàn)過(guò)的，并且改進(jìn)了預(yù)取算法，每個(gè)核心有兩個(gè)數(shù)據(jù)和一個(gè)指令預(yù)取，加上二級(jí)緩存的兩個(gè)預(yù)取，在雙核酷睿2中總共有8個(gè)預(yù)取來(lái)維持處理器高效執(zhí)行。

另一方面，預(yù)取還是為緩存索引做查找標(biāo)簽，數(shù)據(jù)預(yù)取這么做是為了避免程序運(yùn)行的時(shí)候出現(xiàn)高延遲，數(shù)據(jù)預(yù)取是通過(guò)存儲(chǔ)端口（store port）進(jìn)行緩存索引，因?yàn)樵瓌t上載入操作（Load）的頻度是存儲(chǔ)操作（Store）的兩倍，intel在酷睿2中巧妙的把存儲(chǔ)端口這一相對(duì)空閑給利用起來(lái)。

緩存，多多益善離開(kāi)了低延遲數(shù)據(jù)和指令存取，快速核心將會(huì)一文不值，所以最貴的SRAM作為一級(jí)緩存被用在離執(zhí)行單元最近的位置，這里寸土寸金，限制了一級(jí)緩存的容量，所以CPU中的高速緩存都被設(shè)計(jì)成嵌套的結(jié)構(gòu)，容量大得多的二級(jí)緩存（L2 Cache）被放在外圍，一級(jí)緩存不命中（Cache Miss）就得到二級(jí)緩存甚至內(nèi)存中查找數(shù)據(jù)，這些操作會(huì)帶來(lái)延遲，影響執(zhí)行速度。因此，緩存容量，多多益善，酷睿2擁有比前代產(chǎn)品以及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都要多的緩存。

酷睿2的緩存設(shè)計(jì)較前代Pentium4的變化體現(xiàn)在一級(jí)緩存大幅增加到32KB，，延遲降低到3個(gè)時(shí)鐘周期，二級(jí)緩存則為雙核共享的4MB，延遲降低到12~14時(shí)鐘周期。對(duì)手AMD的K8雖然有更大容量的一級(jí)緩存，內(nèi)置內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)相比Pentium4有較大優(yōu)勢(shì)，但帶寬偏小，二級(jí)緩存容量也有明顯差距，實(shí)測(cè)表明，酷睿2一級(jí)緩存帶寬為K8的2倍，二級(jí)緩存則達(dá)到2.5倍。

譯碼，四發(fā)射與融合譯碼器的作用是對(duì)指令進(jìn)行解碼，并且將這些長(zhǎng)度為1~15字節(jié)不等的指令翻譯成類RISC的定長(zhǎng)指令便于執(zhí)行，在酷睿2中，稱之為微操作（micro-op）。預(yù)取配合譯碼是當(dāng)代X86處理器設(shè)計(jì)的核心，酷睿2中有四組譯碼器，其中三組為簡(jiǎn)單譯碼器，一組是復(fù)雜譯碼器，前者能將指令翻譯成一條微操作，功耗更低晶體管更少，而后者則可以轉(zhuǎn)換出四條（長(zhǎng)指令的利器）。這就是俗稱的四發(fā)射，酷睿2是X86桌面處理器中引領(lǐng)了四發(fā)射的潮流。

此外，酷睿2加入了宏操作融合（Macro-op Fusion），這樣兩條常規(guī)X86指令（或者宏操作）會(huì)被同時(shí)譯碼以增加并發(fā)，同時(shí)允許一條微指令包含兩條計(jì)算機(jī)指令，這使得四個(gè)譯碼器單周期最多可以解析5條指令，相當(dāng)于增加了譯碼帶寬，這樣也降低了亂序執(zhí)行（OoO）所需要的緩沖大小。在當(dāng)時(shí)，經(jīng)典的X86程序，20%的宏操作可以被這樣融合，由此可以帶來(lái)11%的性能提升。

另一項(xiàng)特別的技術(shù)是指令直接跟內(nèi)存地址融合，在經(jīng)典的RISC規(guī)范中，需要添加寄存器查找內(nèi)存地址的指令，所以傳統(tǒng)上要用到3條微操作：

但從Banias核心的Pentium M開(kāi)始，由于有了新技術(shù)，表中的前兩條微操作可以被融合，這稱為微操作融合（micro-op fusion），在預(yù)譯碼階段就辨識(shí)出可以融合的宏操作能夠提升并發(fā)、降低對(duì)緩沖的壓力，提高效能，配合SSE/SSE2效果更佳，這是酷睿2壓倒AMD K8的主要原因。

AMD也有微操作跟宏操作，不過(guò)定義跟Intel是不同的，因?yàn)锳MD的譯碼器是三組復(fù)雜譯碼器，通過(guò)直連路徑（Direct PATH）可以像簡(jiǎn)單譯碼器那樣快速處理，通過(guò)矢量路徑（Vector Path）就是復(fù)雜譯碼器模式，差距在于，AMD沒(méi)有宏操作融合，在執(zhí)行SSE指令的時(shí)候需要更多的時(shí)鐘周期，加上譯碼器數(shù)量3對(duì)4，譯碼并發(fā)3對(duì)5，在前端曾經(jīng)風(fēng)光無(wú)限的AMD K8已經(jīng)輸了一截。

亂序執(zhí)行OOOE

預(yù)取、高速緩存和譯碼上的努力要通過(guò)亂序執(zhí)行來(lái)發(fā)揮，亂序執(zhí)行本身的增強(qiáng)靠的是增加執(zhí)行單元和亂序記錄緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)比AMD K8，酷睿2的亂序執(zhí)行的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在三點(diǎn)上，一是記錄緩存96 ENTRY VS 72 ENTRY，酷睿2的前端有更高的并發(fā)，記錄緩存也有4:3的優(yōu)勢(shì)。二是調(diào)度管理方面相比AMD拆分為24-ENTRY整型跟36-entry浮點(diǎn)，酷睿2為統(tǒng)一的32entry保留站，三是SSE執(zhí)行單元數(shù)量達(dá)到三個(gè)，能夠最大化利用到宏操作融合的優(yōu)勢(shì)，另外，酷睿2的SSE執(zhí)行單元是128bit位寬，AMD只有64bit，在執(zhí)行128bit SSE指令時(shí)候酷睿2有壓倒性優(yōu)勢(shì)

存取也瘋狂酷睿2強(qiáng)大的前端跟亂序執(zhí)行帶來(lái)的是更大的數(shù)據(jù)吞吐需求，Intel發(fā)現(xiàn)如果允許下一次載入（Load）在存儲(chǔ)（Store）之前操作，就可以實(shí)現(xiàn)載入提速和降低延遲，其風(fēng)險(xiǎn)在于，存在需要載入尚待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可能（大約1~2%的幾率），這時(shí)候就需要浪費(fèi)20個(gè)時(shí)鐘周期等待重新載入，為此，在酷睿2中加入預(yù)測(cè)器可以避免這一場(chǎng)景出現(xiàn)。

預(yù)測(cè)器（Predictor）允許在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之前載入，同時(shí)沖突檢測(cè)邏輯（Conflict logic）會(huì)掃描亂序緩沖區(qū)（Memory reorder Buffer MOB）查找問(wèn)題，一旦發(fā)現(xiàn)立即執(zhí)行重載入，在最壞的情況下性能會(huì)有所損失。根據(jù)Intel的說(shuō)法性能提升幅度可以達(dá)到40%，實(shí)際執(zhí)行環(huán)境中也能有10~20%的增速，在整型操作中優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

超線程不再，也沒(méi)有內(nèi)置內(nèi)存控制器十年后的今天，超線程（HT）和內(nèi)置內(nèi)存控制器（IMC）是X86處理器的最基本屬性，在當(dāng)時(shí)，前任Pentium4引領(lǐng)過(guò)超線程的潮流，對(duì)手AMD則率先將內(nèi)置內(nèi)存控制器引入了PC領(lǐng)域，但酷睿2一個(gè)都沒(méi)有。

同步超線程技術(shù)（Simultaneous Hyper-Threading SMT）需要在高速緩存中開(kāi)出更大的緩沖區(qū)來(lái)滿足多出一倍的資源的要求，酷睿2引領(lǐng)時(shí)代的前端設(shè)計(jì)已經(jīng)是對(duì)當(dāng)時(shí)工藝的極限的挑戰(zhàn)，超線程實(shí)在是心有余而力不足，內(nèi)置內(nèi)存控制器AMD靠的是SOI工藝的的先天優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)，一旦工藝允許，超線程自然會(huì)回來(lái)，內(nèi)置內(nèi)存控制器也不是問(wèn)題，后來(lái)的nehalem不就是這么做的么？（原文以超線程優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在服務(wù)器上和有FB-DIMM內(nèi)存為由洗地理由并不充分）

廉頗老矣尚能飯否？

在2006年，即使是最弱的E6300，都可以在很多測(cè)試中輕松放倒之前的旗艦產(chǎn)品Pentium XE 965，中堅(jiān)產(chǎn)品E6600則成功擊敗AMD最新的旗艦產(chǎn)品FX-62，而旗艦產(chǎn)品X6800更是比E6300強(qiáng)了近一半。

今天的214美元產(chǎn)品I5-6600 VS當(dāng)年同價(jià)位的E6400，十年來(lái)我們的CPU足足快了一倍，就連入門級(jí)產(chǎn)品G1620也輕而易舉的戰(zhàn)勝了E6400，但是不要忘記這是2.13Ghz的E6400跟一群主頻接近4Ghz的產(chǎn)品作對(duì)比，事實(shí)上很多酷睿2用戶后來(lái)升級(jí)到Sandy bridge后就再也沒(méi)有換代過(guò)。

回顧十年前酷睿2發(fā)布后發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)今的skylake處理器中依舊延續(xù)了酷睿2的框架：四發(fā)射、操作融合、大容量共享高速緩存等，當(dāng)然，隨著工藝的進(jìn)步，intel在nehalem加入了內(nèi)存控制器、北橋功能和三級(jí)高速緩存，在Sandy Bridge中引入了微操作融合緩存（micro-op cache）和eDRAM，酷睿2的故事仍然沒(méi)有結(jié)束。

而那個(gè)在酷睿2時(shí)代被一舉拿下的對(duì)手AMD在十年間一蹶不振，K10和bulldozer麻煩不斷，幾乎完全退出了中高端領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，直到最近才借著新核心Zen喊出“我回來(lái)了”，然而仔細(xì)看Zen的PPT，仍然沒(méi)有看到類似當(dāng)年酷睿2那樣石破驚天的變化，所以，AMD也許能重返中端，但論挑戰(zhàn)似乎還很遠(yuǎn)。

展望未來(lái)后10至15年的半導(dǎo)體路線圖在conroe十周年紀(jì)念的日子里正值國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖報(bào)告（International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS）出爐，這份由全球各大洲的半導(dǎo)體工業(yè)的專家共同起草的長(zhǎng)達(dá)500頁(yè)的雙年報(bào)告，是廣大從業(yè)者的重要參考。報(bào)告從設(shè)備調(diào)試、工藝集成、射頻（RF）、微機(jī)電（MEMS）、光刻、封裝測(cè)試、改善良品率等多方面深入探討半導(dǎo)體工業(yè)的未來(lái)。

在過(guò)去，報(bào)告準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)過(guò)現(xiàn)在流行的finfet技術(shù)的流行，但也忽視過(guò)半導(dǎo)體的很多瓶頸，比如以下這份1993年的報(bào)告（也就是最早的報(bào)告）：

實(shí)際的特征線寬的發(fā)展表面超越了1993年的預(yù)測(cè)，2001年就開(kāi)始的130納米工藝在預(yù)測(cè)中被放到了2004年，而這時(shí)候正是intel撞上了90nm大墻?；ミB層則落后不少，預(yù)測(cè)中2004年將采用6層互連，實(shí)際上2002年AMD消費(fèi)級(jí)的Thoroughbred B處理器就用到了9層銅互連。功率問(wèn)題恐怕是整個(gè)業(yè)界的始料未及，2001年40瓦的功耗早已被主頻大戰(zhàn)拋在腦后，正如本文開(kāi)頭所述，半導(dǎo)體偏離了正軌，讓高功耗時(shí)代提早到來(lái)，經(jīng)歷過(guò)那個(gè)時(shí)代的玩家都知道，2001年的高端散熱器放在2004年根本小菜一碟，因?yàn)楦鶕?jù)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，散熱大規(guī)模引入熱管可以等到2004年，這就是偏離的后果。

至于芯片大小方面，如果用熟知的CPU、GPU來(lái)判斷的話1250平方毫米可能是天方夜譚了，畢竟就算到了今天，14/16nm時(shí)代，150億晶體管，610平方毫米的NVIDIA P100處理器幾乎到了認(rèn)知極限。但這畢竟是整個(gè)行業(yè)的報(bào)告，就拿圖像傳感器來(lái)說(shuō)，全幅CIS的尺寸大致是864平方毫米，業(yè)界量產(chǎn)的時(shí)間也正好是2000~2001年，如今，索尼已經(jīng)能夠量產(chǎn)33X44幅面的傳感器（面積接近1500平方毫米），所以面積一說(shuō)相當(dāng)準(zhǔn)確。

廢話了這么一長(zhǎng)串只是想表達(dá)，每一期的報(bào)告，都是相當(dāng)有技術(shù)含量的存在，值得參考，那么，未來(lái)10年~15年會(huì)是怎么一個(gè)狀況呢？

450毫米晶圓和2nm制程

450毫米晶圓（18寸）是十年前就在討論的概念，然而由于這十年間半導(dǎo)體世界被各種障礙搞得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)，以至于更大的晶圓都被人遺忘了，此次ITRS給出了新的時(shí)間表，2021年的DRAM工藝上會(huì)用到450毫米大晶圓，還要等五年。

到了2021年，DRAM的核心面積將縮小到780平方納米，當(dāng)今的數(shù)字為3480，2021將是最后的finfet（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管），在2030年會(huì)看到2nm工藝。

今天的當(dāng)紅小生Finfet還有5年的發(fā)展期，進(jìn)入7nm的時(shí)間表是2019年，2021年在5nm上終結(jié)。讓Athlon64大紅大紫的SOI工藝（絕緣體上硅）則會(huì)在2017年終結(jié)，末代皇帝將是10nm FDSOI，取代Finfet的將是VGAA（vertical gate all-around），2021年登場(chǎng)，預(yù)計(jì)會(huì)在2030年進(jìn)入2nm制程，這時(shí)候的核心電壓僅為0.4V。制程的未來(lái)之路是坎坷的，5nm以后會(huì)怎樣仍然有很大變數(shù)。

NAND閃存，大家不要慌，不會(huì)有什么QLC了，前些年在剛引入TLC NAND（3bit）的時(shí)候業(yè)界還在預(yù)測(cè)QLC（4bit）的存在，經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展可能業(yè)界自己對(duì)QLC的可行性已經(jīng)失去信心，畢竟TLC已經(jīng)是毒瘤般的表現(xiàn)，于是ITRS的預(yù)測(cè)中完全沒(méi)有看到QLC的存在，萬(wàn)幸。

未來(lái)NAND仍然得靠3D堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，當(dāng)前單封裝密度為三星850EVO上48層堆疊的256Gbit，到了2022年可以達(dá)到128層1Tbit，2030年到512層4Tbit，這時(shí)候就會(huì)看到64TB的SSD了。

手持平臺(tái)32核8K顯示是未來(lái)?

ITRS對(duì)手持平臺(tái)的預(yù)測(cè)是基于當(dāng)前手機(jī)SOC蓬勃發(fā)展的，2016年6核CPU 12核GPU，26.9Gbps內(nèi)存帶寬，4.42瓦功耗的數(shù)據(jù)實(shí)際已經(jīng)開(kāi)始偏離效率，從2014年開(kāi)始手機(jī)SOC對(duì)先進(jìn)工藝的渴望就趕上了臺(tái)式機(jī)CPU，以至于近年臺(tái)積電不斷表示10nm要比intel早，intel也毫不在乎。到2019年也許還能看到18核3.2Ghz，49GPU核心的怪物，但2024年真能看到3.8Ghz 32核CPU 189核GPU輕松實(shí)現(xiàn)8K應(yīng)用的怪物么？值得懷疑，畢竟今天的表現(xiàn)都已經(jīng)是對(duì)當(dāng)前工藝的深度榨取。

傳統(tǒng)意義上的摩爾定律早已消亡，但在今年的ITRS報(bào)告中依舊可以清楚的看到摩爾定律的影子，尤其是那張移動(dòng)SOC的發(fā)展路線圖，樂(lè)觀程度堪比沒(méi)有撞上90nm大墻時(shí)候的intel，這就是所謂的永生吧。