6、计算机技术中的关键概念与挑战

计算机技术中的关键概念与挑战

1. 晶体管小型化的极限与 CMOS 端点

CMOS 技术正迅速接近小型化的极限，这被称为 CMOS 端点，即 CMOS 与量子物理学交汇的点。如果当前趋势持续，到 2020 年，特征尺寸将降至 10 纳米或更小。不过，“特征尺寸”并非晶体管的实际尺寸，历史上，表征一代工艺的特征尺寸是两根金属线间距的一半（即半间距），而晶体管尺寸更小。例如，在 30 纳米半间距时，栅极长度实际上为 15 纳米。

国际半导体技术路线图（ITRS）在 2007 年预测的特征尺寸显示，栅极长度预计约为半间距的一半。到 2015 年，栅极长度将达到 10 纳米。原子半径为 1 - 2 埃（1 埃 = 0.1 纳米），因此在 10 纳米时，栅极长度将是原子大小的 50 - 100 倍。此时，晶体管沟道中离散粒子数量的影响将变得明显，并以非常复杂的方式极大地影响晶体管的行为。晶体管的行为将越来越不确定，越来越具有概率性。当晶体管的关键尺寸接近原子大小时，其行为将更多地落入量子物理学领域，在该领域中，一切都不确定，二进制逻辑将被概率状态所取代。目前尚不清楚此类器件是否可用。

1.1 练习题

1.1.1 基础机器的改进

考虑对具有加载/存储指令集架构（ISA）的基础机器进行两项改进，其中浮点算术指令由软件处理程序实现。
- 第一项改进：添加硬件浮点算术单元以加速浮点算术指令。估计使用新硬件后，每条浮点指令的执行时间可减少 10 倍。
- 第二项改进：添加更多一级数据缓存以加速加载和存储操作的执行。估计使用与浮点单元相同数量的额外片上缓存空间时，加载和存储操作相对于基础机器可加速 2 倍。

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