詳述Intel系列CPU架構(gòu)的發(fā)展史

1、Intel系列CPU架構(gòu)的發(fā)展史CPU(Central processing Unit)，又稱“微處理器(Microprocessor)”，是現(xiàn)代計算機的核心部件。對于PC而言，CPU的規(guī)格與頻率常常被用來作為衡量一臺電腦性能強弱重要指標。（一）、4004時代 1971年，當時還處在起步階段的Intel公司推出了世界上第一顆微處理器4004。是第一個用于計算器的4位微處理器，含有2300個晶體管，功能相當有限，而且速度還很慢，從此以后，INTEL便與微處理器結(jié)下了不解之緣。可以這么說，CPU的歷史發(fā)展歷程一定意義上也就是Intel公司x86系列CPU的發(fā)展歷程。4004處理器核心架構(gòu)圖：（二）

2、、8008時代 世界上第一款8位處理器C8008共推出兩種速度：0.5 Mhz以及0.8 Mhz，雖然比4004的工作時脈慢，但是整體效能要比4004好上許多。8008可以支持到16KB的內(nèi)存。D8008則是后期出的量產(chǎn)版，發(fā)布時間為1972年，8位運算+16位地址總線+16位數(shù)據(jù)總線，同時它也包含一些輸入輸出端口，這是一個相當成功的設(shè)計，還有效解決了外部設(shè)備在內(nèi)存尋址能力不足的問題。（三）、8080時代 intel推出的8080不僅擴充了可尋址的存儲器容量和指令系統(tǒng)，而且指令執(zhí)行速度是8008的10倍。另一方面8080可直接與TTL（晶體管-晶體管邏輯）兼容，而8008則不能，這樣就使得接口

3、設(shè)計更容易，而且價格更便宜。8080可尋址的范圍（64KB）是8008（16KB）的4倍，隨后，1974年第一臺PC機MITS Altair 8800問世了。它寫的BASIC語言解釋程序是由Bill Gates（比爾·蓋茨）和Paul Allen于1975年開發(fā)的，他們是Microsoft公司的創(chuàng)始人。（四）、8085時代 8085的最低主頻3 MHz，最高主頻也不過6MHz。當年使用此CPU的廠商非常多，包括了AMD，F(xiàn)UJI，TOSHIBA， SIEMENS等等。此CPU是8085系列中擁有最高主頻的一顆。（五）8086時代 1978年，Intel公司首次生產(chǎn)出16位的微處理器，

4、并命名為 i8086，它的產(chǎn)品線也分了3個部分，分別是8086，80868，808610。后綴分別代表了CPU的主頻。8086是整個產(chǎn)品線中最低主頻的一顆，僅僅是4.77MHz。它與上一代產(chǎn)品最大的區(qū)別就在于它是一顆16bit的處理器。同時還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學協(xié)處理器i8087，在i8087指令集中增加了一些專門用于對數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)等的數(shù)學計算指令，這兩種芯片使用相同的指令集，可以互相配合提升科學運算的效率。（六）80286時代 1982年，Intel推出了劃時代的最新產(chǎn)品80286芯片，雖然它仍舊是16位結(jié)構(gòu)，但是在CPU的內(nèi)部含有13.4萬個晶體管，時鐘頻率由最初的6MHz逐步提高

5、到20MHz。其內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線皆為16位，地址總線24位，與8086相比，80286尋址能力達到了16MB，可以使用外存儲設(shè)備模擬大量存儲空間，還能同時運行多個任務，其速度比 8086提高了5倍甚至更多。（七）80386時代 1985年Intel推出了80386芯片，它是80x86系列中的第一種32位微處理器，制造工藝也有了很大的進步。80386內(nèi)部內(nèi)含27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz，后逐步提高到25MHz。80386的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位，地址總線也是32位，可尋址高達4GB內(nèi)存。同時也是第一種具有“多任務 ”功能的處理器這對微軟的操作系統(tǒng)發(fā)展有著重要的影響。（八）

6、80486時代 【80486，最后一代以數(shù)字編號的cpu】 1989年，Intel推出80486芯片，它集成了120萬個晶體管。80486的時鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是將80386和數(shù)學協(xié)處理器80387以及一個8KB的高速緩存集成在一個芯片內(nèi)，并且在80x86系列中首次采用了RISC（精簡指令集）技術(shù)，可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。它還采用了突發(fā)總線方式，大大提高了與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度。（九）、Pentium（奔騰）時代 【P5架構(gòu)，帶來了第一款與數(shù)字無關(guān)的處理器 】 1993年，英特爾發(fā)布了Pentium(奔騰)處理器。本來按照慣常的命名是8058

7、6，但是因為實際上“586”這樣的數(shù)字不能注冊成為商標使用，因此英特爾絕對使用自造的新詞來作為新產(chǎn)品的商標Pentium。Pentium處理器集成了310萬個晶體管，最初推出的初始頻率是60MHz、66MHz，后來提升到200MHz以上。第一代的Pentium代號為P54C。但是由于其Socket插座與其后推出的Socket 7不同，不但不能升級以外，更有極大可能是有內(nèi)部缺陷的產(chǎn)品，最后，當時的英特爾總裁安迪葛洛夫于1993年11月29日向全球用戶道歉，并承諾回收產(chǎn)品，最終的結(jié)果是重新贏得了消費者的信任，Pentium再度成為市場上最暢銷的產(chǎn)品。（十）Pentium pro 即P6架構(gòu)1995

8、年Intel推出了Pentium Pro（中文名稱“高能奔騰”），盡管性能不錯，但遠沒有達到拋離對手的程度，加上價格十分昂貴，因此Pentium Pro實際市場生命也非常的短，但Pentium Pro的設(shè)計思想和總體架構(gòu)卻對Intel此后的處理器設(shè)計造成了深遠的影響。新的處理器對多媒體功能提供了很好的支持。Pentium Pro的工作頻率有150/166/180和200MHz四種，都具有16KB的一級緩存和256KB的二級緩存，有550萬個晶體管。Pentium Pro的推出，為以后Intel推出P奠定了基礎(chǔ)。（十一）、Pentium MMX 即P6架構(gòu) 支持多媒體技術(shù) Intel在1996年

9、底推出了奔騰系列的改進版本，廠家代號P55C，也就是我們平常所說的奔騰MMX（中文名稱“多能奔騰”）。英特奔騰MMX的推出，是Intel的輝煌時代的到來。它并沒有集成當時賣力不討好的二級緩存，而是采用MMX技術(shù)去增強性能。MMX技術(shù)是INTEL最新發(fā)明的一項多媒體增強指令集技術(shù)，它的英文全稱可以翻譯“多媒體擴展指令集”。MMX是Intel公司為增強奔騰 CPU在音像、圖形和通信應用方面而采取的新技術(shù)，為CPU增加了57條MMX指令，還將CPU芯片內(nèi)的L1緩存由原來的 16KB增加到32KB（16K指命+16K數(shù)據(jù)），因此MMX CPU比普通CPU在運行含有MMX指令的程序時，處理多媒體的能力上

10、提高了60左右。MMX技術(shù)不但是一個創(chuàng)新，而且還開創(chuàng)了CPU開發(fā)的新紀元。（十二）Pentium II 融合MMX技術(shù)Intel近10年來在架構(gòu)方面最顯著的提高。 MMX技術(shù)提升了視頻的加壓和解壓、圖像處理、編碼及I/O處理，所有的這一切在今天的辦公套件、商用多媒體、通信和Internet中被廣泛地應用。 1 單指令-多數(shù)據(jù)(SIMD)技術(shù)：使得一條指令能完成多重數(shù)據(jù)的的工作。這就好比一個長官對整個排發(fā)出"立正!"的命令,而不是對每個士兵都說一遍。SIMD允許芯片減少在視頻、聲音、圖像和動畫中計算密集的循環(huán)。 2 新的指令集：Intel的工程師們特別設(shè)計了57條功能強大的指

11、令,以更有效地操作、處理視頻、聲音和圖像數(shù)據(jù)。 3. 緊密相連的512K二級高速緩存器 4. 266MHz處理器主頻,支持嵌入式應用 5. 66MHz系統(tǒng)總線頻率 6. 優(yōu)化的包裝體積：4×2.5×0.39英寸。 7. 能耗低：整個模塊最大能耗為12.4W。為滿足嵌入式應用市場的需求，Intel還將提供應用軟件開發(fā)支持、參考設(shè)計、第三方開發(fā)工具和服務零售商的聯(lián)絡(luò)信息、BIOS以及操作系統(tǒng)。在Intel奔2之后，為了占領(lǐng)更多的市場，推出了celeron系列，核心架構(gòu)也和 Pentium II 一樣，具有 MMX 多媒體指令集，但是 Pentium II 上的L2緩存沒了，除了

12、可以降低成本之外，最主要是為了和當時的主流 Pentium II 在效能上有所分別；當時Pentium II 處理器的外頻為100 MHz (最早是 Pentium II 350)，而屬于低價的 Celeron 則是維持傳統(tǒng)的66MHz。由于不具 L2 緩存的Celeron 效能以及價位上并不能夠取代 K6-2（奔騰2），所以Intel 再度推出新版本的 Celeron（核心代號：Mendocino），不但加上了 L2緩存之外，而且采用PPGA 封裝技術(shù)，在 Intel 強力促銷下，成功的成為低價處理器的主流，其中更是以 Celeron 300A 扮演著相當重要的角色?？梢钥吹贸觯珻elero

13、n與Pentium II是英特爾決定將高低產(chǎn)品線用不同的品牌區(qū)分的開始，事實也證明這種市場策略的成功。（十三）、Pentium III 時代 ：【P6架構(gòu)一直沿用】 1999年英特爾發(fā)布了Pentium III處理器，引入了70條新指令（SIMD，SSE），主要用于因特網(wǎng)流媒體擴展、3D、流式音頻、視頻和語音識別功能的提升。Pentium III可以使用戶有機會在網(wǎng)絡(luò)上享受到高質(zhì)量的影片，并以3D的形式參觀在線博物館、商店等，Pentium III處理器集成了950萬個晶體管，并且是首個使用0.26微米技術(shù)的微處理器。同樣，Pentium III也有對應型號的Celeron處理器，來應對低端市

14、場。起初的P3處理器仍然采用Slot 1接口，隨后英特爾開發(fā)出來代替SLOT架構(gòu)的Socket 370架構(gòu)，也采用零插拔力插槽，對應的CPU是370針腳，并且將制造工藝成功專制成0.18微米。與此同年，作為Pentium II Xeon的后繼者，英特爾還發(fā)布了Pentium III Xeon處理器，它加強了電子商務應用與高階商務計算的能力。在緩存速度與系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)上，也有很多進步，很大程度提升了性能，（十四）、Pentium IV時代：巔峰王朝- NetBurst架構(gòu)。 2000年英特爾發(fā)布了Pentium 4處理器，自此Intel來到了一個一統(tǒng)江湖的時代?；赑entium 4處理器的個人電

15、腦，可以讓用戶創(chuàng)建專業(yè)品質(zhì)的影片，透過因特網(wǎng)傳遞電視品質(zhì)的影像，并進行實時語音、影像通訊，實時3D渲染，快速進行MP3編碼解碼運算，在連接因特網(wǎng)時運行多個多媒體軟件。（分別為423針、478針） NetBurst架構(gòu)的Pentium 4是Intel沿用時間最長的一代構(gòu)架，具有較快的系統(tǒng)總線、高級傳輸緩存，Pentium 4還提供的SSE2指令集。盡管如今的Pentium4已經(jīng)是眾人皆知的產(chǎn)品，但是在其發(fā)展初期可并不是一帆風順。第一代Pentium 4（Willamette）核心就飽受批評。起初P4處理器集成了4200萬個晶體管，并設(shè)計有256KB二級緩存，此時的整體性能受到很大影響。很快改進版

16、的Pentium 4（Northwood）出現(xiàn)了，新款處理器集成了5500百萬個晶體管；采用0.18微米進行制造。當然Pentium 4也有對應型號的Celeron處理器，來應對低端市場。Socket 478的Pentium 4處理器面積很小，其針腳排列極為緊密。英特爾公司的Pentium 4系列和P4 賽揚系列都采用此接口。隨著制造工藝的進步，Intel將取代Northwood核心的新Prescot（普雷斯科特）核心處理器的制造工藝全面轉(zhuǎn)移到了90納米，Prescot 核心處理器已經(jīng)將晶體管數(shù)量由原來的5500萬個提升到現(xiàn)在的125億個晶體管，晶體管數(shù)量的增加能夠使芯片存儲量增至原來的兩倍，

17、而芯片的體積更小，這樣可大幅提高芯片運行速度。（十五）、安騰（Itanium）處理器 64位處理器時代的到來2001年英特爾推出的Itanium是 64位處理器家族中的首款產(chǎn)品，2002年推出英特爾安騰2（Itanium2）處理器。該處理器能為數(shù)據(jù)庫、計算機輔助工程、網(wǎng)上交易安全等提供領(lǐng)先的性能。英特爾推出新款Pentium 4處理器內(nèi)含創(chuàng)新的Hyper-Threading（HT）超執(zhí)行緒技術(shù)。超執(zhí)行緒技術(shù)能同時快速執(zhí)行多項運算應用。（十六）、奔騰M/賽揚M（Pentium M /Celeron M）處理器 【Pentium M架構(gòu)】奔騰M處理器、855芯片組家族、英特爾PRO/無線2100網(wǎng)

18、卡是英特爾迅馳 移動計算技術(shù)的三大組成部分。英特爾迅馳移動計算技術(shù)：專門用于便攜式計算，具有內(nèi)建的無線局域網(wǎng)能力和突破性的創(chuàng)新移動性能。該處理器支持更耐久的電池使用時間，以及更輕更薄的筆記本電腦造形?！綪entium D 處理器】-首顆內(nèi)含2個處理核心的Intel Pentium D處理器登場，正式揭開x86處理器多核心時代。（十七）、Core Duo處理器 =【Yonah微架構(gòu)】是用來取代Pentium M架構(gòu)的產(chǎn)品，第一款芯片的產(chǎn)品代號為Yonah，是英特爾向酷睿架構(gòu)邁進的第一步，但是它并沒有采用酷睿架構(gòu)，而是介于NetBurst和Core架構(gòu)之間（第一個基于Core架構(gòu)的處理器是酷睿2）

19、。設(shè)計的出發(fā)點是提供卓然出眾的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所謂的能效比。最初酷睿處理器是面向移動平臺的，它是英特爾迅馳3的一個模塊?？犷Ｊ闺p核技術(shù)在移動平臺上第一次得到實現(xiàn)。（十八）、Core 2 Duo 處理器 =【真正的Core微架構(gòu)】2006年7月27日英特爾推出的新一代基于Core微架構(gòu)的產(chǎn)品體系Core 2 Duo，是一個跨平臺的構(gòu)架體系，包括服務器版、桌面版、移動版三大領(lǐng)域。其中，服務器版的開發(fā)代號為Woodcrest，桌面版的開發(fā)代號為Conroe，移動版的開發(fā)代號為Merom。全新的Core架構(gòu)，徹底拋棄了Netburst架構(gòu)，全部采用65nm制造工藝，全線產(chǎn)品均為雙核心

20、，L2緩存容量提升到4MB，晶體管數(shù)量達到2.91 億個，核心尺寸為143平方毫米，性能提升40%，能耗降低40%，主流產(chǎn)品的平均能耗為65瓦特，前端總線提升至1066Mhz(Conroe)，1333Mhz(Woodcrest)，800Mhz（Merom）。有一點要特別說明：有不少消費者往往將Core和Conroe（扣肉）混淆。實際上，我們把Core音譯為酷睿，它是Intel這一代處理器產(chǎn)品統(tǒng)一采用的微架構(gòu)，而Conroe（扣肉）只是對基于Core微架構(gòu)的桌面平臺級產(chǎn)品的代號。由于上一代采用Yonah微架構(gòu)的處理器產(chǎn)品被命名為Core Duo，為了區(qū)分，Intel這一代桌面處理器Conroe以

21、及筆記本處理器Merom都將被統(tǒng)一叫做Core 2 Duo。另外，Intel的頂級桌面處理器被命名為Core 2 Extreme，以區(qū)別于主流處理器產(chǎn)品。對Core 微架構(gòu)做一個簡單的概括：Core微架構(gòu)是Intel的以色列設(shè)計團隊在Yonah微架構(gòu)基礎(chǔ)之上改進而來的新一代微架構(gòu)。最顯著的變化在于在各個關(guān)鍵部分進行強化，采取共享式二級緩存設(shè)計，2個核心共享高達4MB的二級緩存。加入對EM64T與SSE4指令集的支持。由于對EM64T的支持使得其可以擁有更大的內(nèi)存尋址空間，而且使用了Intel最新的五大提升效能和降低功耗的新技術(shù)，因此對于移動平臺意義尤為重大。目前比較普遍的看法是，Core微架構(gòu)

22、是Pentium Pro架構(gòu)，或者說是P6微架構(gòu)的延續(xù)。（十九）、Penryn家族處理器 =【也采用Core微架構(gòu)，主要是工藝改進】 2006年的Core微架構(gòu)取代NetBurst微架構(gòu)，讓Intel的Tick-Tock微架構(gòu)發(fā)展戰(zhàn)略站到了人們的面前。Tick-Tock就是時鐘的“嘀嗒”的意思，一個嘀嗒代表著一秒，而在Intel的處理器發(fā)展戰(zhàn)略上，每一個嘀嗒代表著2年一次的工藝制程進步。每個Tick-Tock中的“Tick”，代表著工藝的提升、晶體管變小，并在此基礎(chǔ)上增強原有的微架構(gòu)，而 “Tock”，則表示在維持相同工藝的前提下，進行微架構(gòu)的革新，這樣在制程工藝和核心架構(gòu)的兩條提升道路上，總

23、是交替進行，避免了同時革新可能帶來的失敗風險，降低研發(fā)的周期，并最終提升產(chǎn)品的競爭力。Intel于2007年11月12日在美國發(fā)布了仍基于Core微體系架構(gòu)的“Penryn”家族。相比于前者，Penryn把工藝制程提升至45nm，因此Penryn僅屬于Intel的“Tick”。 其中雙核處理器內(nèi)部集成超過4億個晶體管，而四核處理器則擁有超過8億個晶體管。隨著工藝制程的進一步提升和集成晶體管數(shù)量的增加，晶體管內(nèi)部的漏電現(xiàn)象愈加明顯。為了解決這一問題，Intel在“Penryn”家族中使用了基于鉻元素的高K金屬柵極硅制程技術(shù)。從65nm到45nm的工藝提升不僅僅縮小了芯片的面積，Penryn家族還

24、增了相當多的技術(shù)特性，其中包括SSE4（SIMD流指令擴展4），用以增強媒體性能。同時還增強了英特爾虛擬化技術(shù)、更快的數(shù)字除法運算速度、更快的緩存及內(nèi)存讀取速度、降低總體能源的消耗。Penryn家族桌面版雙核處理器的核心代號是Wolfdale”， 四核處理器的核心代號“Yorkfield”，是65nm Core架構(gòu)的升級版版。其中Wolfdale則是雙核心Core 2 Duo的下一代，例如E系列；Yorkfield是四核心Core 2 Extreme和Core 2 Quad的繼任者，例如Q8、Q9、QX9系列。（二十）、Nehalem家族處理器 = 【Nehalem架構(gòu)，45nm】2008年末

25、推出了新的Nehalem微架構(gòu)，它是在Core微架構(gòu)的骨架上外加增添了SMT、3層Cache、TLB和分支預測的等級化、IMC、QPI和支持DDR3等技術(shù)。該系列的全部是帶" i "的型號，像我們平時說的"Bloomfield"、"Lynnfield"、"Clarkdale"這些都是核心研發(fā)代號，而不是架構(gòu)名稱。Nehalem架構(gòu)的主要特點：1、緩存設(shè)計：采用三級全內(nèi)含式Cache設(shè)計，L1的設(shè)計與Core微架構(gòu)一樣；每個核心各擁有256KB的L2 Cache；L3則是采用共享式設(shè)計。2、集成了內(nèi)存控制器(IMC)

26、：內(nèi)存控制器從北橋芯片組上轉(zhuǎn)移到CPU片上，支持三通道DDR3內(nèi)存，內(nèi)存讀取延遲大幅減少，內(nèi)存帶寬則大幅提升。3、快速通道互聯(lián)（QPI）：取代前端總線(FSB)的一種點到點連接技術(shù)，20位寬的QPI連接其帶寬可達25.6GB/s，遠超過原來的FSB。4、SSE4.2指令集的加入，可以有效提升XML，sring和文本處理的性能。基于Nehalem微架構(gòu)的Bloomfield處理器(Bloomfield也是產(chǎn)品代碼)已經(jīng)正式命名為"酷睿 i7"。Intel Core i7是一款45nm原生四核處理器，處理器擁有8MB三級緩存，支持三通道 DDR3內(nèi)存。處理器采用LGA 1366

27、針腳設(shè)計，支持第二代超線程技術(shù)，也就是處理器能以八線程運行?？犷5處理器是英特爾的一款產(chǎn)品，同樣建基于Intel Nehalem微架構(gòu)Core i5只會集成雙通道DDR3存儲器控制器，采用全新的LGA 1156，不支持超線程技術(shù)。L2緩沖存儲器方面，每一個核心擁有各自獨立的256KB，并且共享一個達8MB的L3緩沖存儲器。處理器核心方面，代號Lynnfiled，采用45納米制程的Core i5會有四個核心，芯片組方面，會采用Intel P55，但P55不會采用較新的QPI連接，而會使用傳統(tǒng)的DMI技術(shù)。（二十一）、Westmere 家族處理器 =【Nehalem微架構(gòu)，32nm】Westme

28、re是45nm工藝Nehalem微架構(gòu)的新工藝升級版，采用32nm工藝，并增加了AES指令集等新特性。Westmere家族首批產(chǎn)品在桌面上是Clarkdale，雙核心，命名為Core i5/i3系列；接下來即將發(fā)布Gulftown，六核心，屬于Core i7系列。除了工藝之外，Westmere最大的特點就是最高集成了6個處理器核心，包括12MB L3緩存，共多達11.7億晶體管。（二十二）、Sandy bridge （SNB）家族處理器 =【sandy bridge架構(gòu)，32nm】2009年（TICK時間），Intel處理器制程邁入32nm時代，2010年的TOCK時間，Intel推出代號為Sandy Bridge的處理器，該處理器采用32nm制程。Sandy Bridge是Nehalem架構(gòu)的革新，也是其工藝升級版，從45nm進化到32nm。Sandy Bridge將有八核心版本，二級緩存仍