CPU的發(fā)展史及其未來(lái)趨勢(shì)

CPU的發(fā)展史及其未來(lái)趨勢(shì)研究報(bào)告高一（11）班謝丹琪44號(hào)HYPERLINK第一篇HYPERLINK第二篇CPU是CentralProcessingUnit（中央微處理器）的縮寫(xiě)，它是計(jì)算機(jī)中最重要的一個(gè)部分，由運(yùn)算器和控制器組成。如果把計(jì)算機(jī)比作人，那么CPU就是人的大腦。CPU的發(fā)展非常迅速，個(gè)人電腦從8088(XT)發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium4時(shí)代，只經(jīng)過(guò)了不到二十年的時(shí)間。從生產(chǎn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，最初的8088集成了29000個(gè)晶體管，而PentiumⅢ的集成度超過(guò)了2810萬(wàn)個(gè)晶體管；CPU的運(yùn)行速度，以MIPS(百萬(wàn)個(gè)指令每秒)為單位，8088是0.75MIPS，到高能奔騰時(shí)已超過(guò)了1000MIPS。不管什么樣的CPU，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)歸納起來(lái)都可以分為控制單元、邏輯單元和存儲(chǔ)單元三大部分，這三個(gè)部分相互協(xié)調(diào)，對(duì)命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、運(yùn)算并控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。CPU從最初發(fā)展至今已經(jīng)有二十多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長(zhǎng)，CPU可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及正在醞釀構(gòu)建的64位微處理器，可以說(shuō)個(gè)人電腦的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進(jìn)的。Intel40041971年，英特爾公司推出了世界上第一款微處理器4004，這是第一個(gè)可用于微型計(jì)算機(jī)的四位微處理器，它包含2300個(gè)晶體管。隨后英特爾又推出了8008，由于運(yùn)算性能很差，其市場(chǎng)反應(yīng)十分不理想。1974年，8008發(fā)展成8080,成為第二代微處理器。8080作為代替電子邏輯電路的器件被用于各種應(yīng)用電路和設(shè)備中，如果沒(méi)有微處理器,這些應(yīng)用就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由于微處理器可用來(lái)完成很多以前需要用較大設(shè)備完成的計(jì)算任務(wù)，價(jià)格又便宜，于是各半導(dǎo)體公司開(kāi)始競(jìng)相生產(chǎn)微處理器芯片。Zilog公司生產(chǎn)了8080的增強(qiáng)型Z80，摩托羅拉公司生產(chǎn)了6800，英特爾公司于1976年又生產(chǎn)了增強(qiáng)型8085,但這些芯片基本沒(méi)有改變8080的基本特點(diǎn)，都屬于第二代微處理器。它們均采用NMOS工藝,集成度約9000只晶體管,平均指令執(zhí)行時(shí)間為1μS～2μS,采用匯編語(yǔ)言、BASIC、Fortran編程，使用單用戶(hù)操作系統(tǒng)。Intel8086

1978年英特爾公司生產(chǎn)的8086是第一個(gè)16位的微處理器。很快Zilog公司和摩托羅拉公司也宣布計(jì)劃生產(chǎn)Z8000和68000。這就是第三代微處理器的起點(diǎn)。8086微處理器最高主頻速度為8MHz，具有16位數(shù)據(jù)通道，內(nèi)存尋址能力為1MB。同時(shí)英特爾還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學(xué)協(xié)處理器i8087,這兩種芯片使用相互兼容的指令集，但i8087指令集中增加了一些專(zhuān)門(mén)用于對(duì)數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算的指令。人們將這些指令集統(tǒng)一稱(chēng)之為x86指令集。雖然以后英特爾又陸續(xù)生產(chǎn)出第二代、第三代等更先進(jìn)和更快的新型CPU，但都仍然兼容原來(lái)的x86指令，而且英特爾在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直到后來(lái)因商標(biāo)注冊(cè)問(wèn)題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯?dāng)?shù)字命名。1979年，英特爾公司又開(kāi)發(fā)出了8088。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱(chēng)為16位微處理器，但8086每周期能傳送或接收16位數(shù)據(jù)，而8088每周期只采用8位。因?yàn)樽畛醯拇蟛糠衷O(shè)備和芯片是8位的，而8088的外部8位數(shù)據(jù)傳送、接收能與這些設(shè)備相兼容。8088采用40針的DIP封裝，工作頻率為6.66MHz、7.16MHz或8MHz，微處理器集成了大約29000個(gè)晶體管。8086和8088問(wèn)世后不久，英特爾公司就開(kāi)始對(duì)他們進(jìn)行改進(jìn)，他們將更多功能集成在芯片上，這樣就誕生了80186和80188。這兩款微處理器內(nèi)部均以16位工作，在外部輸入輸出上80186采用16位，而80188和8088一樣是采用8位工作。1981年，美國(guó)IBM公司將8088芯片用于其研制的PC機(jī)中，從而開(kāi)創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代。也正是從8088開(kāi)始，個(gè)人電腦(PC)的概念開(kāi)始在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來(lái)。從8088應(yīng)用到IBMPC機(jī)上開(kāi)始,個(gè)人電腦真正走進(jìn)了人們的工作和生活之中，它也標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。Intel80286

1982年，INTEL推出了80286芯片，該芯片含有13.4萬(wàn)個(gè)晶體管，80286也是16位處理器，其頻率比8086更高，它有24條地址線，內(nèi)存尋址范圍是16M字節(jié)。Intel80386

80386屬于32位微處理器，其內(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4GB內(nèi)存。它除具有實(shí)模式和保護(hù)模式外，還增加了一種叫虛擬86的工作方式，可以通過(guò)同時(shí)模擬多個(gè)8086處理器來(lái)提供多任務(wù)能力。它有以下幾種：80386SX，它是準(zhǔn)32位處理器，數(shù)據(jù)總線是16位，其內(nèi)部32位寄存器必須分兩個(gè)16位的總線來(lái)讀取。它是286計(jì)算機(jī)與386DX計(jì)算機(jī)之間的過(guò)渡產(chǎn)品。386DX是真正的32位處理器，它的數(shù)據(jù)總線和內(nèi)部寄存器都是32位。它還可以配上80387數(shù)字協(xié)處理器，以提高計(jì)算速度。386處理器的主頻有16，20，25，33，40MHz五種。除Intel公司生產(chǎn)386芯片外，還有AMD，Cyrix，Ti，IBM等公司生產(chǎn)的。

Intel80486

80486簡(jiǎn)稱(chēng)486，于1989年由Intel公司首先出，集成了120萬(wàn)個(gè)晶體管。其時(shí)鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。它也屬于32位處理器。80486是將80386和數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387以及一個(gè)8KB的高速緩存集成在一個(gè)芯片內(nèi)，并且在80X86系列中首次采用了RISC技術(shù)，可以在一個(gè)時(shí)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CPU與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度。IntelPentiumⅠPentium（奔騰）是Intel公司于1993年推出的新一代微處理器，它集成了310萬(wàn)個(gè)管。Pentium微處理器使用更高的時(shí)鐘頻率，最初為60MHZ和66MHZ，后提高到200MHZ。64位數(shù)據(jù)總線，16KB的高速緩存。奔騰CPU的出現(xiàn)進(jìn)一步加速了CPU的更新速度，CPU廠商競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈。Intel公司為了防止別的公司侵權(quán)，就為新的CPU取了"Pentium"的名字，而沒(méi)有繼續(xù)叫做80586。接著Intel推出使用MMX技術(shù)的PentiumMMX的多能奔騰。它增加了57條多媒體指令，內(nèi)部高速緩存增加到32KB。最高頻率是233MHz。MMX是MultimediaExtension的縮寫(xiě)，意即多媒體擴(kuò)展，一種基于多媒體計(jì)算以及通訊功能的技術(shù)，它能生成高質(zhì)量的圖像、視頻和音頻，加速對(duì)聲音圖像的處理。Cyrix6X86、CyrixMediaGX和AMDK5和Pentium是同一級(jí)別的CPU；AMD-K6和Cyrix6x86MMX屬于PentiumMMX同一級(jí)別CPU。PentiumProPentiumPro，中文稱(chēng)作高能奔騰，也稱(chēng)為P6。它在PentiumMMX之前面市，使用大量新技術(shù)，還包含了256KB或512KB的高速緩存，主要應(yīng)用在服務(wù)器上。

IntelPentiumⅡ1997年～1998年是CPU市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的一年，這一時(shí)期的CPU芯片異彩紛呈，令人目不暇接。PentiumⅡ的中文名稱(chēng)叫“奔騰二代”，它有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等幾種不同核心結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品，其中第一代采用Klamath核心，0.35微米工藝制造，內(nèi)部集成750萬(wàn)個(gè)晶體管，核心工作電壓為2.8V。

PentiumⅡ微處理器采用了雙重獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，即其中一條總線連通二級(jí)緩存，另一條負(fù)責(zé)主要內(nèi)存。PentiumⅡ使用了一種脫離芯片的外部高速L2Cache，容量為512KB，并以CPU主頻的一半速度運(yùn)行。作為一種補(bǔ)償，英特爾將PentiumⅡ的L1Cache從16KB增至32KB。另外，為了打敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，英特爾第一次在PentiumⅡ中采用了具有專(zhuān)利權(quán)保護(hù)的Slot1接口標(biāo)準(zhǔn)和SECC(單邊接觸盒)封裝技術(shù)。1998年4月16日，英特爾第一個(gè)支持100MHz額定外頻的、代號(hào)為Deschutes的350、400MHzCPU正式推出。采用新核心的PentiumⅡ微處理器不但外頻提升至100MHz，而且它們采用0.25微米工藝制造，其核心工作電壓也由2.8V降至2.0V，L1Cache和L2Cache分別是32KB、512KB。支持芯片組主要是Intel的440BX。在1998年至1999年間，英特爾公司推出了比PentiumⅡ功能更強(qiáng)大的CPU--Xeon（至強(qiáng)微處理器）。該款微處理器采用的核心和PentiumⅡ差不多，0.25微米制造工藝，支持100MHz外頻。Xeon最大可配備2MBCache，并運(yùn)行在CPU核心頻率下，它和PentiumⅡ采用的芯片不同，被稱(chēng)為CSRAM（CustomStaticRAM,定制靜態(tài)存儲(chǔ)器）。除此之外，它支持八個(gè)CPU系統(tǒng)；使用36位內(nèi)存地址和PSE模式（PSE36模式），最大800MB/s的內(nèi)存帶寬。Xeon微處理器主要面向?qū)π阅芤蟾叩姆?wù)器和工作站系統(tǒng)，另外，Xeon的接口形式也有所變化，采用了比Slot1稍大一些的Slot2架構(gòu)(可支持四個(gè)微處理器)。IntelPentiumⅢ1999年春節(jié)剛過(guò)，英特爾公司就發(fā)布了采用Katmai核心的新一代微處理器—PentiumⅢ。該微處理器除采用0.25微米工藝制造，內(nèi)部集成950萬(wàn)個(gè)晶體管，Slot1架構(gòu)之外，它還具有以下新特點(diǎn)：系統(tǒng)總線頻率為100MHz；采用第六代CPU核心—P6微架構(gòu)，針對(duì)32位應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化，雙重獨(dú)立總線；一級(jí)緩存為32KB(16KB指令緩存加16KB數(shù)據(jù)緩存)，二級(jí)緩存大小為512KB，以CPU核心速度的一半運(yùn)行；采用SECC2封裝形式；新增加了能夠增強(qiáng)音頻、視頻和3D圖形效果的SSE(StreamingSIMDExtensions,數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展)指令集，共70條新指令。PentiumⅢ的起始主頻速度為450MHz。和PentiumⅡXeon一樣，英特爾同樣也推出了面向服務(wù)器和工作站系統(tǒng)的高性能CPU—PentiumⅢXeon至強(qiáng)微處理器。除前期的PentiumⅡXeon500、550采用0.25微米技術(shù)外，該款微處理器是采用0.18微米工藝制造，Slot2架構(gòu)和SECC封裝形式，內(nèi)置32KB一級(jí)緩存和512KB二級(jí)緩存，工作電壓為1.6V。CPU的未來(lái)趨勢(shì)如今CPU就像一匹脫韁的野馬正以異乎尋常的速度向前發(fā)展，在短短的一段時(shí)間內(nèi)我們滿耳都充斥著頻率提升、新品發(fā)布的消息。如果說(shuō)顯示卡、聲卡的更新是技術(shù)上的創(chuàng)新，那么CPU的升級(jí)換代就是技術(shù)上的革命！毫無(wú)疑問(wèn)，高性能、低能耗、高速度和低成本將是CPU的未來(lái)的發(fā)展方向。Intel面臨勁敵超微AMDAthlon、Duron處理器在時(shí)脈上的步步進(jìn)逼，于去年11月下旬正式發(fā)表研發(fā)3年之久、原始研發(fā)代號(hào)為Willamette的第七代IA32架構(gòu)的Pentium4處理器，搭配雙Rambus信道架構(gòu)的850芯片組，試圖以新架構(gòu)帶來(lái)處理器的新氣象，一掃2000年P(guān)entiumⅢ在市場(chǎng)上受挫時(shí)的陰霾。

IntelPentium4由4200萬(wàn)顆晶體管以0.18μm制程制造，具備嶄新的NetBurst架構(gòu)，藉由內(nèi)部TraceCache架構(gòu)，256KBL2Cache，128bit整數(shù)／浮點(diǎn)SIMD運(yùn)算管線，配合144組SSE2指令集，以及外頻高達(dá)400MHz的協(xié)助，配合外接雙信道RDRAM與3.2GB/s高傳輸頻寬的配合下，在重量級(jí)多媒體，特別是影像處理、影音剪輯以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影音的處理上，有著較為出色的表現(xiàn)。雖然在執(zhí)行傳統(tǒng)文書(shū)、Office之類(lèi)的應(yīng)用程序時(shí)，Pentium4并沒(méi)有比同時(shí)脈PentiumⅢ甚至勁敵AMDAthlon處理器還要好的表現(xiàn)，但I(xiàn)ntel藉由其易于調(diào)升時(shí)脈的特質(zhì)，將Pentium4時(shí)脈快速的拉升，今年4月23日正式推出1.7GHz時(shí)脈版本的Pentium4處理器，而今年第三到第四季會(huì)進(jìn)展到2GHz，到明年年中，0.13μm制程的新Pentium4（Northwood核心）將會(huì)一舉突破2.4GHz。

Intel的企圖很明顯：先拉高時(shí)脈，爭(zhēng)取轉(zhuǎn)移到0.13μm先進(jìn)制程的時(shí)間，然后再藉由制程的進(jìn)化，進(jìn)一步改善Pentium4的體質(zhì)，徹底提升它的執(zhí)行效能。

在Intel全力推廣Pentium4的情況下，桌上型PentiumⅢ會(huì)逐漸淡出市場(chǎng)，轉(zhuǎn)戰(zhàn)筆記型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)。因?yàn)镮ntel打算先以0.13μm制程，以既有的P6核心來(lái)打造低電壓版的Tualatin處理器，高速緩存將加大到512KB，同時(shí)將外頻提高為200MHz，它的時(shí)脈預(yù)計(jì)從1.2GHz（=1,200MHz）開(kāi)始起跳，所搭配的芯片組稱(chēng)為830（Almador）芯片組，可搭配PC133以及DDR266等內(nèi)存規(guī)格的P3-DDR芯片組，將主攻中高階筆記型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)。

至于Calderon處理器，目前已經(jīng)推進(jìn)到850MHz，以因應(yīng)AMDDuron推進(jìn)到850甚至900MHz的挑戰(zhàn)，Inte