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电脑芯片在世界经济中占有举足轻重的地位。据统计，2000年芯片的销售额为2221亿美元，比上一年增长了31%，预计2001年还将增长31%。其中，微处理器将会有更大的发展。在人类跨入新世纪之际，微处理器的发展也进入了一个新的阶段。微处理器自诞生以来，在半导体加工工艺和计算机体系结构的大力支持下，加速的势头从未停顿，至今已突破1GHz大关。人们也许认为，从800MHz提升到1GHz是微处理器发展的必然，其实这是一个质的飞跃，或许它将成为微处理器发展史上的一个里程碑。
速率超过1GHz的芯片问世后人们褒贬不一，其中遭到不少置疑和指责，诸如频率不稳、速度没有前一代快、瓶颈问题、匹配问题、散热问题、价格问题等。在这些置疑和指责中，有不少是由于新品的不完善性和对新品中的创新及特性不甚了解。本期我们以产品主题报道的形式,就微处理器由MHz时代加速到GHz时代，在技术上的创新及特性进行介绍。
设计依据
众所周知，微处理器执行程序所需时间的经典性方程为：
P = I×C×T；
T = 1/F；F = XHz
在上式中,I为高级语言程序编译后在机器上运行的机器指令数目；C为执行每条机器指令所需的平均机器周期;T为每个机器周期的执行时间; F为CPU的运行频率，其单位为Hz，X为M(10E6)或G(10E9)
。
由于计算机应用是由程序通过一系列的指令来完成的，因而，对于微处理器的性能可以理解为频率越高越好，频率越高，在单位时间内CPU所能完成的指令数越多；还可以解释为P越少越好。因此，微处理器性能的提升与三个因素有关，即I、C和T，其中，T依赖于微处理器硬件本身，由半导体材料和加工工艺决定；I和C则依赖于微处理器软件及硬件，由计算机体系结构的设计决定。
从原理上看，微处理器是由众多门电路构成的，门电路又由成千上万个晶体管构成，微处理器速度提升的关键是提高晶体管内电子的流速，根据电路的基本定律，减少晶体管及其之间的长度和体积，即缩小芯片，使管间电阻减少，就可以提高电子的传输速度。
计算机体系结构的设计是微处理器设计的基础，如设计多级流水线、超标量、乱序执行、分支预测、指令预取和数据预取、指令特殊扩展技术等，可以有效地缩短微处理器执行程序所需的时间，提高微处理器的性能。
0.13微米不是梦
设计一颗新的处理器需要3年左右的时间，制作一颗处理器需要经过250个步骤以上，而生产一代新处理器则需要1年半左右的时间。在当今各微处理器的制造中，广泛使用了一种被称为“深紫外线石版印刷术”的方法。其原理是:采用金属铝沉淀在硅材料上，用深紫外线照射已被放大的模拟芯片表面，再把照出的影像用一系列透镜精确地缩小其比例，并将缩小的影像聚集到硅的感光表面，在硅表面上刻出非常小的导线和各种元器件。现在光刻的精度一般用微米表示，精度越高，表明生产工艺越先进，在同样体积的硅材料上生产出的元件就越多，所加工出的连接线就越细，而生产出的CPU的主频也越高。
缩小芯片意味着缩小线宽。线宽是指芯片上的最基本功能单元――门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度与门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着在有效的面积上要做的晶体管更多，而晶体管越小，其驱动电流也越小，越省电，在相同的芯片复杂程度下使用的晶圆越小，从而便于降低成本。
芯片缩小技术的另一个重要优点就是由于管间电阻减少，CPU所需的电压也被降低，从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。功耗降低总是好事，因为功耗太高会限制CPU速度的提高，同时会产生过多的热量，使CPU不能在安全环境下运行，甚至烧毁CPU。
以Intel的产品为例，随着线宽缩小，微处理器频率不断提高的情况如表所示。
目前，批量生产工艺技术已由微米进步到亚微米。0.18微米到底细微到什么程度？不到人的头发的1/500！比细菌还小，甚至比可见光的波长还短。
为使模具有精确的再现性，光波长至少要小于它们本身，如0.365微米的波长可生成0.35微米的效果。要取得小于0.25微米的尺寸，就要使用有0.248微米波长的氪-氟紫外线激光，而波长为0.193微米的氩-氟激光会达到更小的效果。因此，要得到更小的芯片，就要求有更短波长的光源。为此，芯片设计师们必须对所有电磁光谱进行试验，从可见光到紫外线光，并最终进入X光域。
这种工艺中的部分结构可能小于0.13微米。0.18微米工艺采用6 层互连的铝金属层和低涂氟二氧化硅电容互连绝缘体，新的Pentium 4还可以采用1.1V～1.65 V的电压(目前新发布的奔腾Ⅲ处理器产品的最低电压为1.35V)。
为了降低电流容量，在原先的电介质中(二氧化硅)，以离子植入法植入氟化物(SiOF)，以提升整体的传导速度。
另外还有电力消耗和热量问题等。电力需求越来越大会带来诸多问题，如冷却问题以及由于芯片变小可能“泄露”电力而扰乱信号问题。最主要的问题是如何向芯片供应电力。目前设计师们正在为解决这一问题而检测不同的绝缘材料，硅氧晶体管门可能在4～6年内被更薄的铝、钛或钽氧门所取代。此外，微处理器设计和市场分工也将面向高效率和低能耗的需求而被重新考虑。未来的晶体管可由为数不多的电子激活，而当前的晶体管是被轰击激活的。
利用亚微米工艺批量生产微处理器的成本相当高。例如，由0.8微米进步到0.6微米需增加成本超过5亿美元。又如，投资开发0.13微米的器件需要15亿美元。
新的0.13微米技术能使Pentium 4提升到所需的2GHz速率，且成本降低，而这将使PC的价格降到1500美元或更低。（佟平 史锋）
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