漫谈英特尔CPU的发展历程

      CPU 2004-8-4 20:23
1971年由当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器,也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器!4004含有2300个晶体管,功能相当有限,而且速度还很慢,被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾,但是它毕竟是划时代的产品,从此以后,INTEL便与微处理器结下了不解之缘。 可以这么说,CPU的历史发展历程其实也就是INTEL公司X86系列CPU的发展历程。

  在此后的1978年,Intel公司再次领导潮流,名为首次生产出16位的微处理器,并命i8086,同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集,但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087,所以人们也这些指令集统一称之为X86指令集。虽然以后Intel又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU,但都仍然兼容原来的X86指令,而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列,如286、386等等。


PentiumⅡ篇:


  在经过了486、586时代之后,CPU市场的竞争越来越趋向于激烈化,INTEL觉得不能再让AMD和其他公司用同样的名字来抢自己的饭碗,于是提出了商标注册,由于在美国的法律里面是不能用阿拉伯数字注册的,于是INTEL玩了花样,用拉丁文去注册商标。Pentium在拉丁文里面就是"五"的意思了。INTEL公司还替它起了一个相当好听的中文名字“奔腾”。从此以后,Intel公司出品的CPU均以“Pentium”和“奔腾”作为自己处理器产品开头。这也就是为什么从586以后市面上再也没有586的后继产品的原因之所在。如果说在Pentium一代处理器与其它厂商处理器的差距不是很大的时候(只是更换名称、提高了主频和加入MMX多媒体指令),1997年五月,INTEL又推出了和Pentium Pro同一个级别的产品,也就是影响力最大、划时代的CPU“PentiumⅡ”处理器。有人这样评价Pentium Ⅱ,说它是为了弥补Pentium Pro里面的缺陷,然后再加上MMX指令而生产开发出来的产品。PentiumⅡCPU有众多的分支和系列产品,其中第一代的产品就是PentiumⅡKlamath芯片。

  作为PentiumⅡ的第一代芯片,它运行在66MHz总线上,主频分233、266、300、333四种。PentiumII采用了与Pentium Pro相同的核心结构,从而继承了原有Pentium Pro处理器优秀的32位性能。 PentiumⅡ虽采用了与Pentium Pro相同的核心结构,但它加快了段寄存器写操作的速度,并增加了MMX指令集,以加速16位操作系统的执行速度。由于配备了可重命名的段寄存器,因此 PentiumⅡ可以猜测地执行写操作,并允许使用旧段值的指令与使用新段值的指令同时存在。在制造工艺方面,Intel一改过去BiCMOS制造工艺的笨拙且耗电量大的双极硬件,将750万个晶体管压缩到一个203平方毫米的印模上。PentiumⅡ只比Pentium Pro大6平方毫米,但它却比Pentium Pro多容纳了200万个晶体管。由于使用只有0.28微米的扇出门尺寸,因此加快了这些晶体管的速度,从而达到了X86前所未有的时钟速度。在总线方面,PentiumⅡ处理器采用了双独立总线结构,即其中一条总线联接二级高速缓存,另一条负责主要内存。 然而PentiumⅡ的二级高速缓存实际上还是比Pentium Pro的二级缓存慢一些。这是因为由于PentiumPro使用了一个双容量的陶瓷封装,Intel在Pentium Pro中配置了板上的L2高速缓存,可以与CPU运行在对等的时钟速度下。

诚然,这种方案的效率相当高,可是在制造的成本方面却非常昂贵。为了降低生产成本,PentiumⅡ使用了一种脱离芯片的外部高速缓存,可以运行在相当于CPU自身时钟速度一半的速度下。所以尽管PentiumⅡ的高速缓存仍然要比Pentium的高速缓存快得多,但比起200MHz的Pentium Pro里面的高速缓存就要逊色一些了。作为一种补偿,Intel将PentiumⅡ上的L1高速缓存从16K加倍到32K,从而减少了对L2高速缓存的调用频率。由于这一措施,再加上更高的时钟速度,PentiumⅡ(配有512K的L2高速缓存)在WindowsNT下性能比Pentium Pro(配有256K的L2高速缓存)超出大约25%。 在接口技术方面,为了击跨INTEL的竞争对手,以及获得更加大的内部总线带宽,PentiumⅡ首次采用了最新的solt1接口标准,它不再用陶瓷封装,而是采用了一块带金属外壳的印刷电路板,该印刷电路板不但集成了处理器部件,而且还包括32KB的一级缓存。


  就在PentiumⅡ在高端市场奋力博杀的时候,Intel公司又推出了Celeron处理器。可以说Celeron处理器是Intel为抢占低端市场而专门推出的。1000美元以下PC的热销,另AMD与Cyrix在与Intel的抗争中打了个漂亮的翻身仗,也令Intel如芒刺在背。于是,Intel把Pentium II的二级缓存和相关电路抽离出来,再把塑料盒子也去掉,再改一个名字,这就是Pentium Celeron。第一代Celeron采用0.35微米工艺制造,外频为66MHz,最初推出的有266与300两款。接着又出现了333,直到刚刚新鲜出炉不久的赛扬500。从赛扬333开始,就已经采取了0.25微米的制造工艺。开始阶段,Celeron最为人所诟病的是其抽掉了芯片上的L2 Cache,在实际应用中,Celeron266装在技嘉BX主板上,性能比PII266下降超过25%!与此同时,AMD公司衬Intel公司Celeron处理器性能低下之时携带着自己最新开发的3D Now!技术的K6-2处理器开始蚕食Intel公司来之不易的低端市场,由于K6-2处理器在整数处理方面的性能与同频PentiumⅡ处理器不分伯仲,从而收到了许多商业用户喜爱。

  在另一方面,Intel公司抓紧着手改进Celeron处理器的架构,接口由原来的SLOT1改为Socket370,使CPU的发热量和生产成本都降低许多,也是这一批的CPU具有良好的超频性。其中最为经典就属300AMHzCPU,其优秀的超频性能为众多DIYer所喜爱。400,366,333和300AMHz英特尔赛扬处理器包括集成128KL2缓存。400,366,333和300AMHz处理器使用增加了L2缓存界面的英特尔P6微架构多事项系统总线。L2缓存总线和处理器到主储存器系统总线的结合增加了在单总线处理器上的带宽和性能。

(编者注:Socket370是Intel最新推出的为一种低端产品开发的系统架构。其实,就是又退回PGA的封装。它的优点是降低了CPU的生产成本,并对用Socket370的赛扬及配置系统架构采用更多成熟且价格更低的技术来实现。于是有了这两种高低相应的产品Intel公司可以进一步细分市场。一来用赛扬搭配Socket370降低整个系统的成本,增加系统在价格上的竞争能力.同时,由于没有采用最先进的技术,如100MHz系统总线,SSE指令等,避免了再同高档的PentiumIII发生碰车事件,二来高端当然由PentiumIII和至强处理器来驾御,挤身高级服务器和工作站市场。)


Pentium III篇:

  Pentium III处理器是Intel公司的新一代产品,它采用0.25微米制造工艺,使用的是Katmai内核,新的SECC2插口。PIII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,Streaming SIMD Extensions。最初发行的PIII有450和500MHz两种规格,其系统总线频率为100MHz。 PIII新增的SSE指令集的确可以使它的性能有脱胎换骨的提升。最初这项技术曾被叫做"KNI",但最终还是换成了流式SIMD扩展(StreamingSIMDExtension)的简称。它总共包含70条指令,其中50条SIMD(单指令多数据)浮点指令、12条全新MMX指令和8条系统内存数据流传送优化指令。它通过8个全新的128位单精度寄存器,能同时处理4个单精度浮点变量,提供了全新的"处理器分离模式",这是自十年前的386模式之后,对系统首次进行构架模块化的变动。

  99年10月底Intel正式发布代号为"Coppermine"的新一代Pentium Ⅲ处理器,其系统前端总线为133MHz,CPU主频最高达到733MHz。Coppermine采用全新的核心设计,内置256KB与CPU主频同步运行的二级缓存,并率先采用0.18微米的制程。由于制造工艺的提高,新一代的Coppermine处理器的集成度大为提高,它的核心集成了二千八百万个晶体管,远超过原来Katmai处理器。制程工艺的改进也使得单位面积的晶体管数量更多,CPU硅芯片可以做得更小,从而使芯片面积更小,功耗大为减小、成本也得以降低,这样,更适用于笔记本电脑使用。另外,它先进的缓存转换架构,在数据传输的带宽、系统响应周期等方面都比katmai要快得多,因而整体性能比同频的Katmai有明显的提高。而Tualatin核心的Celeron处理器是面向低端市场代替基于0.18微米制程Copermine-128核心的老式Celeron(1GHz 、1.1GHz)的主流产品。Tualatin核心的Celeron也称作Tualatin-256或是Celeron III,因为它二级的缓存数量为256KB,频率从900MHz到1.4GHz,外频100MHz,工作电压1.475v-1.5v,目前依然是市场上的低端主流CPU。低主频Celeron III的超频性能很好,1G和1.1G的CPU一般都能运行在133MHz的外频下。因为Tualatin核心的频率极限在1.5GHz左右,因此也就没有再高频率的Tualatin核心的处理器诞生了。



Pentium 4篇:

  2000年11月下旬,Intel公司发布了Willamette核心的P4处理器。Willamette核心的P4处理器有mPGA 423和mPGA 478两种封装,后者被定名为Willamette-N,两者都采用0.18um铝布线工艺,二级缓存皆为256KB。 Socket 478规格的2GHz P4由于采用的仍是0.18um技术,因此可以断定这颗2GHz P4处理器并非之前传闻的Northwood核心P4,而是旧制程的Willamette核心;而且据悉这颗处理器并没有采用任何的新技术,只是单纯的提升了工作频率而已。另外2GHz也将是基于Willamette核心P4的最高频率。

  2002年1月8日正式发布了Northwood核心的P4处理器,并寓意为“新年新起点,‘芯'品新高峰”。与前代Willamette核心相比,Northwood核心最显著的特点体现在三个方面:0.13微米制造工艺、512KB二级缓存和铜连接工艺。接着5月8日,英特尔发布了3种前端总线为533MHz的P4,主频分别为2.53GHz、2.4GHz和2.26GHz。从此,P4在数据处理带宽问题上前进了一步,实际的CPU的外频也由以前的100MHz提升到了133MHz。2002年5月,Intel公司发布了Willamette核心的Celeron处理器。Willamette Celeron的核心与Willamette P4基本相同,惟一的区别就是前者的二级缓存只有128KB。需要特别指出的是,这回Celeron与P4在核心架构上的差距并不像当初Coppermine时代那样大。所以1.7GHz和1.8GHz的Celeron迅速成为了DIY用户的新欢。英特尔乘胜追击,在第四季度发布了Northwood核心的Celeron,不过让人遗憾的是,二级缓存仍然只有128KB,主频从2.0GHz起跳。这主要是为了和P4划清界限,以免冲击到中高端市场。2004年2月2日,英特尔将正式推出采用90纳米工艺生产的Prescott系列处理器。这款处理器内部集成了1亿2500万个晶体管,是目前P4处理器5500万个晶体管的一倍以上。同时,Prescott还将集成13条新的HT指令集,并采用7层铜连接Low-K硅片技术。据悉,Prescott将借奔腾4之名继续出售。Prescott处理器芯片将包含13条新指令,以提高多媒体性能并获得比现有奔腾4更高的运行速度。

结束语:

  这里,笔者为大家简要的介绍了一下x86CPU的发展历程。但是随着Athlon64 FX处理器的发布。它的推出标志着桌面处理器从32位向64位的过渡正式拉开了序幕。虽然目前还有很多人在考虑64位处理器到底有没有需要,但是从长远的观点来看,64位取代32位是迟早的事。只要相关的软件的支持及时更新。64位处理器走向成功就必定是一件水到渠成的事了。(完)

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