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超级计算机的CPU的实质是什么？
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吴国林
——五评中国的超级计算机天河—1A
CPU的英文是Central Processing Unit，通常称之为中央处理器，或微处理器。一般来说，CPU是电脑中最重要的核心组件。CPU包含运算/逻辑单元、控制单元和寄存器这三部分，这些单元都被集成在一块面积不大的硅晶片中。CPU的作用和大脑相似，它负责处理、运算计算机内部的所有数据。主板芯片组则更像是心脏，它控制着数据的交换。一般来说，CPU的种类和性质决定了你使用的操作系统和相应的软件，CPU的速度决定了你的计算机有多强大。
图片来自网络。
一、芯片的发展简史
1971年1月，Intel公司的霍夫(Marcian E. Hoff)研制成功世界上第一枚4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。
Intel 早在 1976 年也推出了一款型号叫 8086 的 CPU 。Intel 相继推出了8088、80186 和 80188，但不是很成功。后来 Intel 将系统部件合并到 CPU 去的概念，产生了重要影响。如 80286/80386。从 80386 起，人们就把 80 去掉了，直接称之为x86了。当 Intel 在推出 486后，Intel就将CPU型号命名为Pentium，从此，PII, PⅢ, P4 等不断升级的 CPU。
二、CPU不是一个概念，而是一个具体的实实在在的技术人工物。
从外表来看，CPU常常是矩形或正方形的块状物，通过许多的管脚与主板相连。这不过是CPU的外衣——CPU的封装。而CPU的内部，是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片，约火柴盒那么大。在这块小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，相互协调，完成着各种复杂的运算和操作。
比如，英特尔公司的首席执行官戈登·摩尔将4004称之为“人类历史上最具革新性的产品之一”。1971年，Intel公司推出了世界上第一台微处理器4004，它集成了2250个晶体管，每个晶体管的距离是10微米，它能处理4比特的数据，运算速度每秒6万次，成本不到100美元。Intel 8086集成2.9万只晶体管。 1989年，80486处理器面市。80486处理器集成了120万个晶体管。 1995年秋天，英特尔发布了Pentium Pro处理器。Pentium Pro处理器总共集成了550万个晶体管，并且整合了高速二级缓存芯片，性能比Pentium更胜一筹。1997年英特尔发布了Pentium II处理器，它集成了750万个晶体管。而Intel Pentium 8400EE处理器包含超过2.3亿个晶体管，可以搭配64位WinXP。而单个CPU的核心硅片的大小丝毫没有增大，这就要求有更先进的制造工艺，以便能生产出更精细的电路结构。
早期的CPU都使用0.5微米工艺制造出来的。随着CPU频率的增加，于是出现了0.35微米……以及现在普遍使用的0.09，0.065微米工艺。如今，最新的处理器采用的是0.065微米技术制造，即是常说的0.065微米线宽。这就要求制造工艺的革新。
线宽是指芯片上的最基本功能单元——门电路的宽度。由于门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，因此，线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，可以降低芯片功耗，系统更稳定，而且可使用更小的晶圆，并降低成本。当然，并不是可以无限的降低线宽，因为有量子力学的效应的建制，一旦门电路的宽度小到足以必须用量子力学来描述电子的运动时，原来的芯片的经典运动规律就失效了——经典计算机失效了，就必须引入量子计算的概念，引入量子计算机。
从CPU处理信息的字长来看，CPU可以分为：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。
三、CPU不是一个数学的概念，不是一个纸上设计，而且是一个技术人工物，这就是说，CPU必须涉及到集成电路的制造，这是一个工程技术问题。
有一[游客]“一个学计算机的网友 [2010-12-12 16:50:40]”说：“博主看来很‘仰视’CPU。当代微处理器的设计是一个很难的事吗？答案是否定的！不要说一个集成电路专业的学生，哪怕一个懂一点Verilog仿真器的工程师，都可以在一天内通过调用IP核（就像软件设计中的标准函数）设计一个具有相当强功能的CPU，而且这是入门级技术。而CPU设计中广泛使用的超级并行指令，超级流水线，超级调度这些技术，其实很多就是90年代以前超级计算机硬件中的成熟技术，只是因为当前集成电路技术发展了，可以把大的设计"浓缩"在微小的芯片上而已，所以并非外行人想像中的那么难。这方面我们中国并不落后，现在的关键在集成电路制造，这些年也在快速追赶中。……”
即使你在设计出了有关的CPU，但是，工程技术能否实现，包括有关的线路制造技术、热量的释放技术等，能否做到相应的线宽要求？事实上，我们国家还没有掌握目前最小线宽的集成电路的制造技术。
中国的天河-1A也采用了（NVIDIA®）的Tesla GPU。事实上，目前国际超级计算机榜单的第一名（中国天河）、第三名以及第四名均采用英伟达（NVIDIA®）Tesla GPU。GPU是图形处理器，其计算模型在一个异构计算模型中同时使用了 CPU 和 GPU，应用程序的顺序部分在 CPU 上运行，计算密集型部分在 GPU 上运行。GPU已经迅速成为打造全球顶尖超级计算机的关键技术。每颗GPU包含数以百计的并行核心，因而可以大幅提升系统性能。利用GPU和CPU打造的异构系统需要的占地面积更少、消耗的功耗更低。（图见上）
显然，由Tesla GPU提供的优越性能是不能通过互联技术来解决的，中国的超级计算机还必须依赖它。就我个人愿望来说，希望中国不依赖它，而且自己把它搞出来，并超越它。
https://m.sciencenet.cn/blog-447363-397550.html
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