不可磨灭的记忆CPU发展史回顾.docx

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不可磨灭的记忆CPU发展史回顾

不可磨灭的记忆CPU发展史经典回顾

今天，我们可以舒适在坐在前看电影、听音乐，通过互联网寻找资料，与远方的朋友进行视频聊天，又或者通过电子商务网站购买一本杂志、一款自己心仪的播放器，一切都显得那么随意和悠然自得。

但是大部分人却都没想过，能够有如此幸福生活，是多少人前赴后继，作出了可歌可泣贡献才得到的。

　　昨天晚上，一IT界着名的朋友跟笔者说“你每天都喝水，那你有没考虑过水厂和水龙头的关系怎么样的？

”。

确实，也许并非每个朋友都对IT和其中发生的事情感兴趣，但是曾经发生的事情和有过的经历，却可以让我们更加珍惜这来之不易的幸福。

了解成功人的历史，更可让我们受益菲浅。

　　现在就让笔者带大家去回顾一下，这有趣而又激励人心的辉煌历史。

　　关于的基础知识：

的常识

　　第一篇跟大家介绍的是PC里面的心脏：

CPU（CentralProcessingUnit），被称呼为中心或者Microprocessor微处理器。

CPU是计算机的核心，其重要性好比心脏对于人一样。

实际上，处理器的作用和大脑更相似，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，而则更像是心脏，它控制着数据的交换。

CPU的种类决定了你使用的和相应的软件，CPU的速度决定了你的计算机有多强大，当然越快、越新的CPU会花掉你更多的钱。

　　CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，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。

　　如今，的CPU和其兼容统治着微型计算机——PC的大半江山，但是除了或的CPU，还是你可能听说过的其他一些CPU，如HP的PA-RISC,IBM的Power4和Sun的等，只是它们都是精简指令集运算（RISC）处理器，使用Unix的专利操作系统，例如IBM的AIX和Sun的Solaris等。

　　虽然设计方式和工作原理的过程有区别，但不同处理器依然有很多相似之处。

从外表看来，CPU常常是矩形或正方形的块状物，通过密密麻麻的众多管脚与相连。

不过，你看到的不过是CPU的外衣——CPU的封装。

而内部，CPU的核心是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片（其英文名称为die，核心）。

在这块小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。

左边是揭了盖可以看到核心的处理器

　　硅能成为生产CPU核心的半导体材料主要是因为其分布的广泛性和便宜。

此外，硅可以形成品质极佳的大块晶体，通过切割，得到直径8英寸甚至更大而厚度不足1毫米的圆形薄片——晶片（也叫晶圆）。

一片晶片可以划分切割成许多小片，每一小片就是一块单独CPU的核心。

当然，在切割之前有许多处理过程要做。

　　Intel发布的第一颗处理器4004仅仅包含2000个晶体管，而目前最新的IntelPentium8400EE处理器包含超过2.3亿个晶体管，集成度提高了十万倍，这可以说是当今最复杂的集成电路了。

与此同时，你会发现单个CPU的核心硅片的大小丝毫没有增大，甚至变得更小了，这就要求不断地改进制造工艺以便能生产出更精细的电路结构。

如今，最新的处理器采用的是0.065微米技术制造，也就是常说的0.065微米线宽。

840EE+HT（左边）65nm（右）

Pentium840EE处理器采用90nm制程的Smithfield核心，每核心1MB二级缓存，800MHZ的FSB，支持EDB防毒和EMT64T，可以搭配64位WinXP，90纳米制程，206平方毫米芯片面积，2.3亿晶体管。

Pentium4643（3.2GHz）采用65nm工艺的CedarMill，集成2MB二级缓存，单核心，支持HT、EM64T，VT。

　　需要说明的是，线宽是指芯片上的最基本功能单元——门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以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，CPU得以运行在更高的频率下，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。

　　随着线宽的不断降低，以往芯片内部使用的铝连线的导电性能将不敷使用，AMD在其K7系列开始采用铜连线技术。

而现在这一技术已经得到了广泛应用。

关于的基础知识：

的制造过程

切割晶圆

　　所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核（Die）。

2.影印（Photolithography）

在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻（Photoresist）物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。

3.蚀刻（Etching）

　　用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。

然后把所有光阻物质清除，就得到了有沟槽的硅基片。

4.分层

　　为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。

5.离子注入（IonImplantation）

　　通过离子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，形成门电路。

接下来的步骤就是不断重复以上的过程。

一个完整的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层间电路的连接。

完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装，一个CPU便制造出来了。

　关于的基础知识：

的主要性能指标

主频

　　即CPU的时钟频率（CPUClockSpeed），这是我们最关心的，我们所说的3.2GHz、2.0GHz等就是指它，一般说来，主频越高，CPU的速度就越快，整机的就越高。

不过现在都采用了更加模糊的命名方式，企图让消费者淡化以主频率计算性能的观念。

比如Athlon3000+，它的频率有可能是2.20GHz，也有可能是2.0GHz。

则采用了Pentium643这种更易让人眼花缭乱的命名方式，一般人不查参数，很难记得它的意义。

FSB前端总线

　　即CPU的外部时钟频率，由提供，以前一般是133MHz，目前公司最新的芯片组i925XE芯片组使用1066MHz的FSB。

内部缓存（L1Cache）

　　封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频一致，L1缓存的容量单位一般为KB。

L1缓存越大，CPU工作时与存取速度较慢的L2缓存和间交换数据的次数越少，相对电脑的运算速度可以提高。

外部缓存（L2Cache）

　　CPU外部的高速缓存，现在的L2Cache是和CPU运行在相同频率下的（以前P2P3的二级缓存运行在相当于CPU频率一半下）。

　　其它的还有封装技术、接口技术、、制造工艺、指令集等就不再详细解释，不然就是写书而不是写文章了。

不如如果这系列文章可以持续写下去的话，以后便好好跟大家再交流一下。

远去的历史：

微发展的第一阶段

　　讲完了一些技术的简单内容，现在就带大家去看看是怎样从无到有，并且一步步发展起来的。

根据大家的记忆，笔者把它分为了几个发展阶段。

注意，这并非按照教科书去分，而是我们的记忆。

公司成立于1968年，格鲁夫（左）、诺依斯（中）和摩尔（右）是微电子业界的梦幻组合

　　4004

　　1971年1月，Intel公司的霍夫（MarcianE.Hoff）研制成功世界上第一枚4位微处理器芯片Intel4004，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。

因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。

　　4004当时只有2300个晶体管，是个四位系统，时钟频率在108KHz，每秒执行6万条指令（0.06MIPs）。

功能比较弱,且计算速度较慢,只能用在Busicom计算器上。

格鲁夫“只有偏执狂才能生存”

　　1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器），其中4004（上图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。

Intel8008

　　1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。

由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。

　　Intel8080，第二代微处理器

　　1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。

主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。

　　摩尔定律

　　摩尔预言，晶体管的密度每过18个月就会翻一番，这就是着名的摩尔定律。

　　第一台微型计算机：

Altair8800

　　1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair8800，售价375美元，带有1KB存储器。

这是世界上第一台微型计算机。

　　1976年,Intel发布8085处理器

　　当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。

Zilog公司于1976年对8080进行扩展,开发出Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。

直到今天，Z80仍然是8位处理器的巅峰之作，还在各种场合大卖特卖。

CP/M就是面向其开发的。

许多着名的软件如:

WORDSTAR和DBASEII都基于此款处理器。

　　WordStar

　　处理程序WordStar是当时很受欢迎的应用软件，后来也广泛用于DOS平台。

曾经的辉煌代表：

AppleⅠ

　　1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs开发出微型计算机AppleI，4月1日愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。

AppleII

　　1976年：

一些离开了Motorola公司的部分工程人员自组成立MOSTechnology公司，并且开发出了6502。

它的位宽为8bit，频率只有1MHz，并且无协处理器。

但它是IBMPC机问世之前世界上最流行的微型计算机AppleII（苹果机）的。

AppleII是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。

AppleII及其系列改进机型风靡一时，这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。

8086

　　1978年6月，推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。

它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。

不过当时由于360美元过于昂贵，大部分人都没有足够的钱购买使用此芯片的，于是Intel在1年之后,推出4.77MHz的8位微处理器8088。

IBM公司1981年生产的第一台电脑就是使用的这种芯片。

这也标志着x86架构和IBMPC兼容电脑的产生。

　　发布的时候，8086的时钟频率有4.77，8和10MHz三个版本，包括了具有300个操作的指令集。

其中8MHz版本包含了大约28,000个晶体管，具备0.8MIPs的能力。

当BillGates崭露头角时，昔日校友正在哈佛上二年级

“让每个家庭每张桌子上都放一台电脑。

”

　　1979年6月1日，Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088,它是8086的廉价版本,为大众所接受。

在性能方面，它在内部以16位运行，但支持8位数据总线，采用现有的8位设备控制芯片，包含29000个3微米技术的晶体管，可访问1MB地址，速度为0.33MIPS。

Intel8088电路

　　同年9月，Motorola推出M6800016位微处理器，它因采用了68000个晶体管而得名。

该处理器主要供应Apple公司的Macintosh和Atari的ST系列电脑上。

后继版本的处理器，包括68020则被使用在MacintoshII机型。

Microsoft的秘密交易

　　1980年10月，Microsoft把握了一次绝佳的发展机遇。

IBM在秘密进行代号为“跳棋计划”的开发项目（第一台IBMPC）过程中，向Microsoft提出采购一套。

PaulAllen抓住机会与SeattleComputerProducts的TimPatterson签约，向其支付了不到10万美元，获得了其DOS操作系统的版权并进行了一些修改，从而做成了与这个神秘客户（IBM）的大买卖。

今天的Windows系列操作系统仍然兼容DOS，这个系统对于老一代电脑用户来说再熟悉不过了。

IBMPC创造历史

　　早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBMPC的产品。

一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBMPC诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻，迄今正好25年。

　　第一台IBMPC采用了主频为4.77MHz的Intel8088，操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。

IBM将其命名为“个人电脑（PersonalComputer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。

IBM原来预计在一年中售出241683台PC，然而用户的需求被大大低估了，实际上一个月的订货量就超出了预计。

1981年：

80186和80188发布。

这两款微处理器内部均以16位工作,在外部输入输出上80186采用16位,而80188和8088一样均是采用8位工作。

这是一颗性能介于8088,80286之间的的。

但事实上80186从来都没有在PC中应用,它仅仅存在于一个小范围的圈子中,作为一个小型的控制器出现,哪怕是今天。

从这个时候起,公司已经开始生产80186CPU了。

1982年2月1日：

在80186发布后的几周，80286就发布了。

80286处理器集成了大约13.4万个晶体管,最大主频为20MHz,采用16位资料总线和24位位址总线。

与8086相比，80186/80188增强了部分软硬件功能80286增加了实存（24位地址）和虚拟存储器管理,可以在两种不同的模式下工作,一种叫实模式,另一种叫保护方式。

80286开始正式采用一种被称为PGA的正方形包装。

Intel80386

　　1985年10月，Intel推出16MHz80386DX微处理器（最高33MHz主频），可以直接访问4G字节的内存,并具有异常处理机制;虚拟86模式可以同时模拟多个8086处理器来加强多任务处理能力。

80386的广泛应用,将PC机从16位时代带入了32位时代。

此外它还具有比80286更多的指令集。

发布时，80386的最快速版本的主频为20MHz，具备6.0MIPs，包含275,000个晶体管。

　　当时，IBM已经收到大量286机器的订单，不愿立即转向386，同时IBM担心长期受制于Intel芯片，开始暗中开发自己的处理器，所以对是否采用386芯片不置可否。

Compaq乘机而上，推出386芯片的电脑，迅速占领了市场。

　　1988年6月16日：

80386SX发布，它是80386DX的廉价版本，只有16-bit总线宽度。

希的记忆：

我们曾有过第一次亲密接触

　　前面的我们都积少接触，接下来的，也许大家就比较清楚了，因为我们第一次接触的，就是此类处理器。

486

　　更新速度加快，造就了越来越多的兼容机厂商。

　　1989年4月，推出25MHz486微处理器。

1989年5月10日：

我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。

这款经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限,集成了120万个晶体管,使用1微米的制造工艺。

其实486就是80386+80387协处理器+8KB一级缓存,是超级版本的386。

　　Compaq由于持有大量386订单而对采用Intel486犹豫不决，Dell趁机推出了自己的486整机，并通过直销模式在兼容机市场后来居上。

1991年，25岁的MichaelDell成为《财富》全美500家大企业中最年轻的总裁。

1995年，Dell进入全球个人5强行列。

　　1991年5月22日：

80486DX的廉价版本80486SX发布，它和DX的区别是没有整合FPU。

Pentium浮出水面

　　1993年3月22日：

全面超越486的新一代586问世，为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰，英特尔公司把自己的新一代命名为Pentium（奔腾）以区别和Cyrix的产品。

AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86微处理器来对付芯片巨人，但是由于奔腾微处理器的性能最佳，英特尔逐渐占据了大部分市场。

Pentum处理器的性能接近主要的RISCCPU并兼容80x86，同时继承了长期积累下来的价值约500亿美元的庞大软件资源。

　　Pentium最初级的CPU是Pentium60和Pentium66，分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz两种频率下，没有我们现在所说的倍频设置。

1994年3月7日：

Intel发布90和100MHz的Pentium处理器

1994年10月10日：

Intel发布75MHz版本的Pentium处理器

1995年3月27日：

Intel发布120MHz的Pentium处理器

1995年6月1日：

Intel发布133MHz版本Pentium处理器

PentiumPro

　　Intel推出PentiumPro微处理器，采用了一种新的总线接口Socket8。

新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。

　　1995年11月1日，Intel推出了PentiumPro处理器。

PentiumPro的工作频率有150/166/180和200MHz四种，都具有16KB的一级缓存和256KB的二级缓存。

它是基于Pentium完全相同的指令集和兼容性，达到了440MIPs的处理能力和5.5M个晶体管。

这几乎相当于比4004处理器的晶体管提升了2400倍。

值得一提的是PentiumPro采用了“PPGA”封装技术。

即一个256KB的二级缓存芯片与PentiumPro芯片封装在一起，两个芯片之间用高频宽的内部总线互连，处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中，这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。

　　例如PentiumPro200MHzCPU的L2Cache就是运行在200MHz，也就是工作在与处理器相同的频率上，这在当时可以算得上是CPU技术的一个创新。

PentiumPro的推出，为以后Intel推出PⅡ奠定了基础。

1996年1月4日：

Intel发布150&166MHzPentium处理器，包括了越3.3M个晶体管

1996年10月6日：

Intel发布200MHzPentium处理器

IntelPentiumMMX　

　　1997年1月8日：

Intel在1996年推出的Pentium系列的改进版本，内部代号P55C，也就是我们平常所说的PentiumMMX。

PentiumMMX在原Pentium的基础上进行了重大的改进，增加了片内16KB数据缓存和16KB指令缓存，4路写缓存以及从PentiumPro、Cyrix而来的分支预测单元和返回堆栈技术，特别是新增加的57条MMX多媒体指令。

　　MMX技术是Intel最新发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译成“多媒体扩展指令集”。

使得PentiumMMX即使在运行非MMX优化的程序时也比同主频的PentiumCPU要快的多。

57条MMX指令专门用来处理音频、视频等数据，这些指令可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间，使CPU拥有更强大的数据处理能力。

MMXCPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力提高了60％左右。

MMX技术开创了CPU开发的新纪元。

　　PentiumMMX系列的频率只有三种：

166MHz、200MHz、233MHz，一级缓存从Pentium的16KB增加到了32KB，核心电压2.8v，倍频分别为2.5、3、3.5。

插槽都是Socket7。

　　与此同时，作为Intel的主要竞争对手，AMD也发布了AMD-K6-MMX处理器，包含相近的指令集，从而导致了一连串的法律纠纷。

　　1997年4月7日。

英特尔发布了PentiumII处理器。

内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令集技术。

此时，英特尔PentiumII架构已经从Socket7转成SlotEdgeContact）技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。

Slot1的PentiumII晶体管数为900万，并且具有两种版本的核心：

Klamath与Deschutes。

同时代竞争的是AMD的K6II，这时候的口碑也相当不错

1997年6月2日：

Intel发布233MHzPentiumMMX

1998年2月：

Intel发布333MHzPentiumII处理器，开发代号为Deschutes，并且首次采用了0.25微米制造工艺，在低发热量的情况下提供比以前产品更快的速度。

1999年2月22日：

AMD发布K6-III400MHz版本，在一些测试中，它的性能超越了后来发布的IntelPentiumIII。

它包括了23M晶体管，并且基于100MHzSpuersocket7，与那些使用66MHz总线的芯片相比，性能的提升是卓越的。

一起走过的日子：

淘汰的记忆

　　以下部分是我们曾经用过的，最后却远远地抛进了淘汰的行列，对于有两台甚至多台的朋友来说，印象尤其深刻。

因为电脑和不同，它的特点是需要我们不断地更新、升级。

　　当然，目前仍有部分用户还在使用这些。

向网络看齐，发布PentiumIII

　　1999年1月，推出奔腾III处理器，它采用0.25微米制造工艺，拥有32K一级缓存和512K二级缓存（运行在芯片核心速度的一半下），包含MMX指令和Intel自己的“3D”指令SSE，最初发行的PIII有450和500MHz两种规格，其系统总线频率为100MHz。

此外其身份代码还可通过Internet读取。

　　Intel的主要对手之一加紧跟进的步伐，于同年8月发布Athlon处理器。

10月，在微处理器论坛会议上，Intel宣布了代号为麦赛德（Merced）的处理器的正式名称Itanium（安腾）。

　　1999年10月，Intel推出了基于0.18微米工艺制造的PentiumIII处理器，这款PentiumIII处理器有256K在二级高速缓存，代码名为Coppermine。

Coppermine以733MHz登台。

随着工艺尺寸从0.25微米减少到0.18微米，不仅提高了PentiumIII处理器的时钟速度，也使的Intel在技术上能够推出了集成的二级高速缓存。

虽然集成的二级高速缓存只有老式PentiumIII处理器的一半，但在处理器全速下运行，性能仍有显着提高。

　　其后Intel推出了PentiumIIIXeon处理器。

作为PentiumIIXeon的后继者，除了在内核架构上采纳全新设计以外，也继承了PentiumIII处理器新增的70条指令集，以更好执行多媒体、流媒体应用软件。

除了面对企业级的市场以外，PentiumIIIXeon加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。

Intel还将Xeon分为两个部分，低端Xeon和高端Xeon。

其中，低端Xeon和普通的Coppermine一样，仅装备256KB二级缓存，并且不支持多处理器。

这样低端Xeon和普通的PentiumIII的性能差距很小，也相差不多；而高端Xeon还是具有以前的特征，支持更大的缓存和多处理器。

1999年11月2