介绍一下CPU的历史。

计算机的发展主要表现在其核心部件——微处理器的发展上。每当一种新型的微处理器出现,都会带动计算机系统其他组件的相应发展,如计算机体系结构的进一步优化、存储器访问容量和访问速度的不断提高、外围设备的不断改进以及新设备的不断涌现。

根据微处理器的字长和功能,其发展可分为以下几个阶段。

阶段1

1阶段(1971——1973)是4位和8位低档微处理器的时代,通常称为1代。其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器以及分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微型计算机。基本特点是采用PMOS技术,集成度低(4000个晶体管/芯片),系统结构和指令系统简单,主要采用机器语言或简单汇编语言,指令较少(20条以上),基本指令周期20~50μs,用于简单控制场合。

1969年,英特尔开始为日本计算机制造商Busicom的一个项目开发第一个微处理器,并为一系列可编程计算机开发了多种芯片。最后,英特尔以1971 11 15向全球市场推出了4004微处理器,当时每颗英特尔4004处理器的价格为200美元。4004是英特尔的第一款微处理器,为未来系统智能功能和个人电脑的发展奠定了基础。它的晶体管数量约为2300个。

第二相

第二阶段(1974-1977)是8位中高档微处理器时代,通常称为第二代。其典型产品有Intel8080/8085、摩托罗拉、Zilog Z80等。它们的特点是NMOS技术,集成度提高了约4倍,运算速度提高了约10~15倍(基本指令的执行时间为1~2μs)。指令系统相对完整,具有典型的计算机架构和中断、DMA等控制功能。软件方面,除了汇编语言,还有BASIC、FORTRAN等高级语言,相应的解释器、编译器,后期出现的操作系统。

1974年,英特尔推出了8080处理器作为Altair个人电脑的计算核心。牵牛星是电视剧《星舰冒险》中“企业号”飞船的目的地。当时,电脑爱好者可以花395美元购买一套Altair套件。几个月就卖出了几万套,成为历史上第一款下单后制造的机型。英特尔8080晶体管数量约为6000个。

第3阶段

第三阶段(1978-1984)是16位微处理器时代,通常称为第三代。其典型产品有Intel的8086/8088、摩托罗拉的M68000和Zilog的Z8000。其特点是采用了HMOS技术,集成度(20000 ~ 70000个晶体管/芯片)和运算速度(基本指令执行时间为0.5μs)比二代提高了一个数量级。指令系统更加丰富完善,多级中断,多种寻址方式,分段存储机制,硬件乘除部件,一个软件系统。这一时期著名的微机产品包括IBM的个人电脑。1981年,IBM推出的个人电脑采用8088CPU。然后1982年推出了扩展个人电脑IBM PC/XT,扩充了内存,增加了硬盘。

80286(也称286)是英特尔第一款可以执行旧处理器所有专有软件的处理器。该软件在兼容后成为英特尔全系列微处理器的注册商标。在六年的销售期内,估计全世界安装了654.38+05万台286个人计算机。Intel 80286处理器的晶体管数量是134000。1984年,IBM推出了以80286处理器为核心的16位增强型个人计算机IBM PC/AT。由于IBM在开发个人电脑时采取了开放技术的策略,个人电脑风靡全球。

第四阶段

第四阶段(1985-1992)是32位微处理器时代,也称为第四代。其典型产品有Intel的80386/80486,摩托罗拉的M69030/68040等。其特点是采用HMOS或CMOS工艺,集成度高达654.38+0万个晶体管/芯片,具有32位地址线和32位数据总线。每秒可完成600万条指令(MIPS)。微型计算机的功能已经达到甚至超过超级微型计算机,完全能够进行多任务、多用户操作。同时,其他一些微处理器厂商(如AMD和德州)也推出了80386/80486系列芯片。

80386DX具有32位内外数据总线和32位地址总线,可寻址4GB内存,管理64TB虚拟存储空间。其运行模式除了实模式和保护模式外,还增加了一种“虚86”工作模式,可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。80386SX是Intel为了扩大市场份额而推出的一款廉价且受欢迎的CPU。其内部数据总线为32位,外部数据总线为16位。可以接受为80286开发的16位输入输出接口芯片,降低整机成本。80386SX推出后,受到了市场的广泛欢迎,因为80386SX的性能比80286好很多,而价格只有80386的三分之一。英特尔80386微处理器包含275,000个晶体管,比最初的4004多100倍。这款32位处理器首次支持多任务设计,可以同时执行多个程序。英特尔80386晶体管数量约为275000个。

1989,我们都很熟悉的80486芯片是Intel推出的。这款历时四年研发、投资3亿美元的芯片的伟大之处在于,它实际上首次打破了654.38+0万个晶体管的边界,集成了654.38+0.2万个晶体管,并采用了654.38+0微米的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐渐提高到33MHz、40MHz、50MHz。

80486在一个芯片上集成了80386、数学协处理器80387和8KB缓存。80486中集成的80487的数字运算速度是之前80387的两倍,内部缓存缩短了微处理器和慢速DRAM的等待时间。而且80x86系列首次采用RISC(精简指令集)技术,一个时钟周期可以执行一条指令。它还采用了突发总线模式,大大提高了与存储器的数据交换速度。由于这些改进,80486的性能比带有80387数学协处理器的80386 DX高4倍。

第五阶段

第五阶段(1993-2005)是奔腾系列微处理器时代,通常称为第五代。典型产品是英特尔奔腾系列芯片以及与其兼容的AMD K6和K7系列微处理器芯片。内部采用超标量指令流水线结构,有独立的指令和数据缓存。随着MMX(多媒体扩展)微处理器的出现,微机在网络化、多媒体化和智能化方面的发展达到了一个新的高度。

1997推出的奔腾II处理器结合了英特尔MMX技术,可以高效处理电影、音效和绘图数据。首次采用内置高速缓存的单边接触(S.E.C)盒式封装。这种芯片允许计算机用户捕捉、编辑数码照片并通过网络与朋友和亲戚分享,编辑和添加文本、音乐或制作家庭电影的过渡效果,使用可视电话并通过标准电话线和互联网传输电影。英特尔奔腾II处理器的晶体管数量为750万。

1999推出的奔腾III处理器增加了70条新指令,名为MMX的互联网流SIMD扩展集可以大大提高高级图像、3D、流媒体音乐、电影、语音识别和其他应用程序的性能。它可以大大改善使用互联网的体验,使用户能够浏览逼真的在线博物馆和商店,并下载高质量的电影。英特尔首次推出0.25微米工艺,英特尔奔腾III晶体管数量约为950万。

同年,英特尔还发布了奔腾iii至强处理器。作为奔腾II至强的继任者,它不仅在内核架构上采用了全新的设计,还继承了奔腾III处理器增加的70个指令集,能够更好地执行多媒体和流媒体应用。除了面向企业市场,奔腾III至强还加强了电子商务应用和高级商业计算的能力。在缓存速度和系统总线结构方面也有许多改进,这大大提高了性能,并为更好的多处理器合作而设计。

2000年,英特尔发布了奔腾4处理器。用户可以使用基于奔腾4处理器的个人计算机制作专业质量的电影,通过互联网传输电视质量的图像,进行实时语音和图像通信,执行实时3D渲染,快速执行MP3编码和解码操作,以及在连接到互联网时运行多种多媒体软件。

奔腾4处理器集成了4200万个晶体管,改进后的奔腾4(诺斯伍德)集成了5500万个晶体管。并开始使用0.18微米进行制造,初速达到1.5GHz?

奔腾4还提供SSE2指令集,增加了144条全新指令。在SSE中,128bit压缩的数据只能以四个单精度浮点值的形式处理,而在SSE2指令集中,数据可以以多种数据结构处理:

四个单精度浮点数(SSE 2);对应两个双精度浮点数(SSE 2);对应16字节(SSE 2);对应8个字(词);对应4个双字(SSE 2);对应两个四字数字(SSE 2);对应1个整数,128位(SSE2)。

2003年,英特尔发布了奔腾M(移动)处理器。在过去,虽然有移动版的奔腾II、III甚至奔腾4-M产品,但这些产品仍然是基于台式计算机处理器的设计,增加了一些节能和管理的新功能。即便如此,奔腾III-M和奔腾4-M的能耗也远高于专门为移动计算设计的CPU,比如全美达的处理器。

英特尔奔腾M处理器结合了855芯片组家族和英特尔PRO/Wireless2100网络连接技术,成为英特尔迅驰移动计算技术最重要的组成部分。奔腾M处理器可以提供高达1.60GHz的主频速度,并包括各种性能增强功能,如用于优化电源的400MHz系统总线、微操作系统和专用堆栈管理器。这些工具可以快速执行指令集并节省电力。

2005年,英特尔推出奔腾D和奔腾至尊版,同时推出945/955/965/975芯片组,支持全新双核处理器。这两款采用90nm工艺生产的新型双核处理器,采用LGA 775接口,无引脚,但处理器底部的片电容数量有所增加,排列也有所不同。

桌面平台的处理器,代号为史密斯菲尔德,官方命名为奔腾D处理器。除了去掉阿拉伯数字,用英文字母代表双核处理器的世代交替,字母D也更能让人联想到双核的含义。

英特尔的双核架构更像是双CPU平台,奔腾D处理器继续使用Prescott架构和90nm生产工艺。实际上奔腾D内核是由两个独立的Prescott内核组成的,每个内核都有一个独立的L2缓存和1mB的执行单元,两个内核加起来是2MB。但由于处理器中的两个内核有独立的缓存,所以需要保证每个二级缓存中的信息完全一致,否则会出现操作错误。

为了解决这个问题,Intel把两个内核之间的协调交给了外部的MCH(北桥)芯片。虽然缓存之间的数据传输和存储并不庞大,但由于需要通过外部的MCH芯片来协调处理,无疑会给整个处理速度带来一定的延迟,从而影响处理器的整体性能。

由于普雷斯科特内核,奔腾D还支持EM64T技术和XD位安全技术。值得一提的是,奔腾D处理器将不支持超线程技术。原因很明显:在多个物理处理器和多个逻辑处理器之间正确分配数据流和平衡计算任务并不容易。比如一个应用需要两个计算线程,显然每个线程对应一个物理内核,但是如果有三个计算线程呢?因此,为了降低双核奔腾D架构的复杂性,英特尔决定在面向主流市场的奔腾D中取消对超线程技术的支持。

两者都来自英特尔,奔腾D和奔腾至尊版名称的不同说明这两种处理器的规格也是不同的。两者最大的区别是对超线程技术的支持。奔腾D不支持超线程技术,而奔腾至尊版没有这个限制。开启超线程技术后,双核奔腾至尊版处理器可以模拟另外两个逻辑处理器,可以被系统识别为四核系统。

奔腾EE系列以奔腾EE8xx或9xx的形式标有三位数,如奔腾EE840等。数字越大,规格越高或支持的功能越多。

奔腾EE 8x0:表示这款产品是Smithfield core,每核1MB L2缓存,800MHzFSB。它和奔腾D 8x0系列唯一的区别就是只增加了对超线程技术的支持,其他技术特性和参数都是一样的。

Pentium EE 9x5:表示这款产品是一款Presler核心,每核2MB L2缓存,1066MHzFSB。它和奔腾D 9x0系列的区别只是增加了对超线程技术的支持,并将前端总线改进为1066MHzFSB,其他技术特性和参数完全相同。

奔腾4、奔腾4 EE、赛扬D等单核CPU和奔腾D、奔腾EE等双核CPU均采用LGA775封装。与之前的插座478接口CPU不同的是,LGA 775接口CPU的底部没有传统引脚,而是775触点,即不是引脚式而是接触式,通过与相应LGA 775插槽中的775接触引脚接触来传输信号。LGA 775接口不仅可以有效提高处理器的信号强度和频率,还可以提高处理器的良率,降低生产成本。

第六阶段

第六阶段(2005年至今)是酷睿系列微处理器时代,通常称为第6代。“芯”是领先的节能新型微建筑。设计的出发点是提供出色的性能和能效,提高每瓦性能,也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。Core 2:英文名为Core 2 Duo,是英特尔于2006年推出的基于酷睿微架构的新一代产品系统。发表于2006年7月27日。Core 2是跨平台架构,包括服务器版、桌面版和移动版。其中,服务器版的开发代码为Woodcrest,桌面版的开发代码为Conroe,移动版的开发代码为Merom。

酷睿2处理器的酷睿微架构是英特尔以色列设计团队在Yonah微架构的基础上改进的新一代英特尔架构。最显著的变化在于各个关键部位的强化。为了提高两个内核之间的内部数据交换效率,采用了共享二级缓存设计,两个内核共享一个高达4MB的二级缓存。

继LGA775接口之后,英特尔首次推出LGA1366平台,定位高端旗舰系列。首款采用LGA 1366接口的处理器代号为Bloomfield,采用了改进的Nehalem内核,基于45nm工艺和原生四核设计,内置8-12MB三级缓存。LGA1366平台再次引入英特尔超线程技术,QPI总线技术取代了从奔腾4时代就开始使用的前端总线设计。最重要的是LGA1366平台支持三通道内存设计,大大提升了实际性能,这也是LGA1366旗舰平台与其他平台在定位上的一大区别。

作为高端旗舰的代表,LGA1366接口的处理器主要有45nm Bloomfield Core i7四核处理器。随着2010英特尔进入32nm工艺,高端旗舰的代表被酷睿i7-980X处理器取代。全新的32nm工艺解决了六核技术,拥有最强大的性能。对于准备搭建高端平台的用户来说,LGA1366依然占据高端市场,酷睿i7-980X和酷睿i7-950依然是不错的选择。

Core i5是基于Nehalem架构的四核处理器,采用集成内存控制器和三级缓存模式,L3达到8MB,支持Turbo Boost等技术的新处理器电脑配置。它和Core i7(Bloomfield)的主要区别是总线没有使用QPI,而是使用成熟的DMI(直接媒体接口),并且只支持双通道DDR3内存。结构上采用LGA1156接口,i5有turbo技术,在一定条件下可以超频。LGA1156接口的处理器覆盖了从入门级到高端的不同用户,32nm工艺带来了更低的功耗和更好的性能。主流代表是酷睿i5-650/760,中高端代表是酷睿i7-870/870K。我们可以清楚地看到英特尔在产品命名上的定位区分。不过总体来说,高端LGA1156处理器比低端入门更值得购买。面对AMD的低价策略,英特尔酷睿i3系列处理器在性价比上无法与之匹敌。LGA1156高端产品性能更抢眼。

Core i3可以看作是Core i5的进一步简化版(或者阉割版),还会有32nm工艺版本(开发代号为Clarkdale,基于Westmere架构)。Core i3最大的特点就是集成了GPU(图形处理器),也就是说Core i3会被CPU和GPU两个核心封装起来。由于集成GPU的性能有限,如果用户想要获得更好的3D性能,可以添加显卡。值得注意的是,即使在克拉克代尔,显示器核心的制造工艺仍将是45纳米。i3 i5最大的区别就是i3没有turbo技术。以酷睿i3-530/540为代表。

2010年6月,英特尔再次发布革命性的处理器——第二代酷睿i3/i5/i7。第二代酷睿i3/i5/i7属于第二代智能酷睿家族,均基于全新的Sandy Bridge微架构。相比第一代产品,主要带来五大重要创新:1,采用全新32nm Sandy Bridge微架构,功耗更低,性能更强。2、内置高性能GPU(核心显卡),视频编码,图形性能更强。3、睿频加速技术2.0,更智能更高效。4.引入新的环形架构,带来更高的带宽和更低的延迟。5.全新的AVX和AES指令集,加强了浮点运算和加密解密运算。

SNB(Sandy Bridge)是英特尔在2011年初发布的新一代处理器微架构。这种架构最大的意义在于重新定义了“集成平台”的概念,与处理器无缝集成的“核心显卡”终结了“集成显卡”的时代。这项开创性的工作得益于全新的32纳米制造工艺。由于Sandy Bridge框架下的处理器采用了比之前45nm工艺更先进的32nm制造工艺,理论上进一步降低了CPU的功耗,电路尺寸和性能显著优化,为集成图形核心(核心显卡)和CPU封装在同一基板上创造了有利条件。此外,第二代酷睿还加入了全新的高清视频处理单元。视频转换和解码的速度与处理器直接相关。由于增加了高清视频处理单元,新一代酷睿处理器的视频处理时间比旧款处理器至少长30%。新一代Sandy Bridge处理器采用全新LGA1155接口设计,不兼容LGA1156接口。Sandy Bridge是一种新的微架构,将取代Nehalem,但仍将采用32纳米工艺。更吸引人的是,这一次,英特尔不再是用“胶水”把CPU核心和GPU核心粘在一起,而是真正做到了合二为一。

2012北京天文馆4月24日下午,英特尔正式发布了常春藤桥(IVB)处理器。22nm Ivy Bridge将执行单元数量翻倍至最多24个,自然会带来性能的进一步飞跃。Ivy Bridge将增加一个支持DX11的集成显卡。此外,新加入的XHCI USB3.0控制器共享四个通道,因此最多提供四个USB3.0,从而支持原生USB 3.0。cpu的生产采用3D晶体管技术,CPU的功耗会降低一半。22nm工艺的Ivy Bridge产品将延续LGA1155平台的使用寿命,所以打算购买LGA1155平台的用户至少一年内不用担心接口升级的问题。

2013年6月4日,英特尔发布第四代CPU“has well”,第四代CPU引脚(CPU插座)名为Intel LGA1150,主板名为Z87、H87、Q87等8系列芯片组,其中Z87为超频播放器和高端客户群,H87为中低端通用级。Haswell CPU将用于笔记本电脑、台式机CEO封装和DIY组件CPU,取代目前的第三代Ivy Bridge。