Intel处理器 发展历程回顾与展望.docx

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Intel处理器发展历程回顾与展望

Intel处理器发展历程回顾与展望

　　自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。

半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此被称为“产业的种子”。

　　中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。

　　随着英特尔公司（Intel）Core2Duo的发布，新一代性能井喷就这样爆发了。

英特尔从最初的4004到现在的Core2Duo已经发展了35年。

　　英特尔在1969年第一次开始开发微处理器。

该微处理器是英特尔为日本计算器制造商Busicom开发的一套可编程计算器项目的一部分，即为一系列可程式化计算机研发多款晶片。

　　Busicom最初为这个计划提供12种定制的芯片。

但英特尔的工程师TedHoff提出了多功能逻辑设备的概念，它被认定可能是一个更好更有效的解决方案。

他的理念后来引领微处理器的发展。

正是由于他的提议，才使4004微处理器得以开发。

　　当初，Busicom支付英特尔6万美元取得此微处理器的所有权，但在察觉该晶片的发展潜力后，英特尔退还这这笔费用，购回微处理器设计的相关权利。

　　最终，英特尔在1971年11月15日向全球市场推出4004微处理器。

当时，Intel4004微处理器每颗售价为200多美元。

英特尔发明的4004微处理器是世界上第一个商用微处理器。

这个突破性的发明为Busicom计算器提供了蓬勃动力，也为在无生命的物体以及个人电脑中的智能嵌入铺平了道路。

　　Intel4004微处理器是世界上第一款商用计算机微处理器，就像当时的广告说的一样，它是“一件划时代的作品”。

它片内集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108KHz，成本不到100美元。

英特尔公司的首席执行官戈登·摩尔将4004称之为“人类历史上最具革新性的产品之一”。

　　最初的Intel4004微处理器采用金顶白色陶瓷封装，后期才出现了普通黑陶瓷以及塑料封装（英特尔生产早期微处理器的惯例：

）金顶白陶Intel4004微处理器又分为普通白陶、灰色痕迹白陶、5系白陶三类。

其中，灰色痕迹白陶瓷版最为珍贵。

英特尔还曾开发出4001（动态内存DRAM）、4002（只读存储器ROM）、4003（Register），三者再加上4004，就可架构出一台微型计算机系统。

　　1972年4月，英特尔的霍夫等人开发出世界上第一款8位微处理器。

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，但其运算能力是4004的2倍。

8008共推出两种速度，0.5Mhz以及0.8Mhz，虽然比4004的工作时脉慢，不过因为是8位元处理器，整体效能要比4004好上许多。

8008可以支援到16KB的内存。

　　《无线电电子学》于1974年刊载一篇文章介绍一部采用8008的Mark-8装置，被公认是第一部家用电脑。

在当时的标准来看，这部电脑在制造、维护与运作方面都相当困难。

Intel8008晶体管数目约为3500颗。

　　1974年，英特尔推出8080处理器，并作为Altair个人电脑的运算核心。

Altair在《星舰奇航》电视影集中是企业号太空船的目的地。

电脑迷当时可用395美元买到一组Altair的套件。

它在数个月内卖出数万套，成为史上第一款下订单后制造的机种。

Intel8080晶体管数目约为6000颗。

　　在取得IBM个人电脑部门敲定的重要销售合约之后，Intel8088处理器不仅成为了IBM个人电脑的大脑，而且还让IBM个人电脑成为新款畅销产品。

为此，Intel8088处理器的成功，也将英特尔进入“财富杂志500大企业排行榜”，《财富》杂志将英特尔评为“70年代最成功的企业”之一。

Intel8088晶体管数目约为2.9万颗。

　　1978年英特尔公司生产的8086是第一个16位的微处理器。

很快Zilog公司和摩托罗拉公司也宣布计划生产Z8000和68000。

这就是第三代微处理器的起点。

　　8086微处理器最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。

同时，英特尔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的指令。

人们将这些指令集统一称之为x86指令集。

虽然以后英特尔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?

?

到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。

　　1979年，英特尔公司又开发出了8088。

8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器，但8086每周期能传送或接收16位数据，而8088每周期只采用8位。

因为最初的大部分设备和芯片是8位的，而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。

8088采用40针的DIP封装，工作频率为6.66MHz、7.16MHz或8MHz，微处理器集成了大约29000个晶体管。

　　8086和8088问世后不久，英特尔公司就开始对他们进行改进。

他们将更多功能集成在芯片上，这样就诞生了80186和80188。

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8088一样是采用8位工作。

　　1981年，IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中，从而开创了全新的微机时代。

也正是从8088开始，个人电脑（PC）的概念开始在全世界范围内发展起来。

从8088应用到IBMPC机上开始,个人电脑真正走进了人们的工作和生活之中，它也标志着一个新时代的开始。

　　1982年，英特尔公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器，该微处理器的最大主频为20MHz，内、外部数据传输均为16位，使用24位内存储器的寻址，内存寻址能力为16MB。

　　80286（也被称为286）是英特尔首款能执行所有旧款处理器专属软件的处理器，用现代语言说，就是英特尔的首个具有完全兼容性的处理器，即所有为286以前的英特尔的处理器写的程序均可运行在286上。

这种软件的兼容是英特尔微处理器发展过程中的一个里程碑。

同时，这种软件相容性之后成为英特尔全系列微处理器的注册商标。

　　80286可工作于两种方式，一种叫实模式，另一种叫保护方式。

　　在实模式下，微处理器可以访问的内存总量限制在1兆字节;而在保护方式之下，80286可直接访问16兆字节的内存。

此外，80286工作在保护方式之下，可以保护操作系统，使之不像实模式或8086等不受保护的微处理器那样，在遇到异常应用时会使系统停机。

　　IBM公司将80286微处理器用在先进技术微机即AT机中，引起了极大的轰动。

80286在以下四个方面比它的前辈有显著的改进：

支持更大的内存;能够模拟内存空间;能同时运行多个任务;提高了处理速度。

最早PC机的速度是4MHz，第一台基于80286的AT机运行速度为6MHz至8MHz，一些制造商还自行提高速度，使80286达到了20MHz，这意味着性能上有了重大的进步。

　　80286的封装是一种被称为PGA的正方形包装。

PGA是源于PLCC的便宜封装，它有一块内部和外部固体插脚。

在6年的销售期中，全球各地共安装了1500万部286个人电脑。

Intel80286处理器晶体管数目为13.4万颗。

　　为适应企业的全球化发展，英特尔于1985年秋以一种特殊的形式在伦敦、慕尼黑、巴黎、旧金山和东京同时发布了英特尔386微处理器。

该处理器不是一种由以前的英特尔微处理器进化而来的一个产品，相反，它是一种革命性的产品。

它是一个32位的芯片，拥有27.5万颗晶体管，每秒可以处理500万条指令，并且可以运行所有流行的操作系统包括Windows。

同时，它还是一个多任务的微处理器，也就是说，它可以同时处理多个程序。

Intel80386微处理器内含27.5万颗晶体管—比当初的4004多了100倍以上。

　　英特尔给80386设计了三个技术要点：

使用“类286”结构，开发80387微处理器增强浮点运算能力，开发高速缓存解决内存速度瓶颈。

　　1985年10月17日，英特尔正式发布了划时代的产品——80386DX。

80386DX的内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存，并可以管理64TB的虚拟存储空间。

它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种“虚拟86”的工作方式，可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。

80386DX有比80286更多的指令，频率为12.5MHz的80386每秒钟可执行6百万条指令，比频率为16MHz的80286快2.2倍。

80386最经典的产品为80386DX-33MHz，一般我们说的80386就是指它。

　　由于32位微处理器的强大运算能力，PC的应用扩展到很多的领域，如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐。

80386使32位CPU成为了PC工业的标准。

　　虽然当时80386没有完善和强大的浮点运算单元，但配上80387协处理器，80386就可以顺利完成许多需要大量浮点运算的任务，从而顺利进入了主流的商用电脑市场。

另外，30386还有其他丰富的外围配件支持，如82258（DMA控制器）、8259A（中断控制器）、8272（磁盘控制器）、82385（Cache控制器）、82062（硬盘控制器）等。

针对内存的速度瓶颈，英特尔为80386设计了高速缓存（Cache），采取预读内存的方法来缓解这个速度瓶颈，从此以后，Cache就和CPU成为了如影随形的东西。

　　1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。

这款经过4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100万颗晶体管的界限，集成了120万颗晶体管，使用1微米的制造工艺。

80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。

　　Intel80486处理器世代让电脑从命令列转型至点选式（pointtoclick）的图形化操作环境。

史密森美国历史博物馆的科技史学家DavidK.Allison认为：

“当时我拥有第一部彩色萤幕电脑，开始能以大幅加快的速度进行桌面排版作业。

”Intel80486处理器率先内建数学协同处理器，由于能扮演中央处理器处理复杂数学运算，因此能加快整体运算的速度。

　　486处理器的应用意味着用户从此摆脱了命令形式的计算机，进入到一个“选中和点击”的计算机时代。

Intel486处理器首次增加了一个内置的数学处理器。

由于这个数学协处理器可以将复杂的数学运算功能从中央处理器中分离出来，所以它可以增加微处理器的运算速度。

　　80486是将80386和数学协微处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内。

80486中集成的80487的数字运算速度是以前80387的2倍，内部缓存缩短了微处理器与慢速DRAM的等待时间。

并且，在80x86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。

它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。

由于这些改进，80486的性能比带有80387数学协微处理器的80386DX性能提高了4倍。

　　随着芯片技术的不断发展，CPU的频率越来越快，而PC机外部设备受工艺限制，能够承受的工作频率有限，这就阻碍了CPU主频的进一步提高。

在这种情况下，出现了CPU倍频技术。

该技术使CPU内部工作频率为微处理器外频的2～3倍，486DX2、486DX4的名字便是由此而来。

　　1993年：

IntelPentium处理器

　　1993年，全面超越486的新一代586CPU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产品命名为Pentium（奔腾）以区别AMD和Cyrix的产品。

　　Pentium是Intel首个放弃利用数字来命名的处理器产品，在微架构上取得突破，让电脑更容易处理“现实世界”的资料，例如语音、声音、书写、以及相片影像。

源自漫画与电视脱口秀的Pentium，在问市后立即成为家喻户晓的名字。

IntelPentium处理器晶体管数目为310万颗。

　　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，没有现在所说的倍频设置。

　　早期的奔腾75MHz～120MHz使用0.5微米的制造工艺，后期120MHz频率以上的奔腾则改用0.35微米工艺。

经典奔腾的性能相当平均，整数运算和浮点运算都不错。

　　1997年：

IntelPentiumII处理器

　　内含750万颗晶体管的PentiumII处理器结合了IntelMMX技术，能以极高的效率处理影片、音效、以及绘图资料，首次采用SingleEdgeContact（S.E.C）匣型封装，内建了高速快取记忆体。

这款晶片让电脑使用者撷取、编辑、以及透过网际网络和亲友分享数位相片、编辑与新增文字、音乐或制作家庭电影的转场效果、使用视讯电话以及透过标准电话线与网际网络传送影片，IntelPentiumII处理器晶体管数目为750万颗。

　　1999年：

IntelPentiumIII处理器

　　1999年春节刚过，英特尔公司就发布了采用Katmai核心的新一代微处理器—PentiumⅢ。

该微处理器除首次导入0.25微米工艺制造技术，内部集成950万颗晶体管、Slot1架构之外，它还具有多种新特点：

系统总线频率为100MHz;采用第六代CPU核心—P6微架构，针对32位应用程序进行优化，双重独立总线;一级缓存为32KB（16KB指令缓存加16KB数据缓存），二级缓存大小为512KB，以CPU核心速度的一半运行;采用SECC2封装形式;新增加了能够增强音频、视频和3D图形效果的SSE（StreamingSIMDExtensions,数据流单指令多数据扩展）指令集，共70条新指令。

PentiumⅢ的起始主频速度为450MHz。

　　IntelPentiumIII处理器加入70个新指令，加入网际网络串流SIMD延伸集称为MMX，能大幅提升先进影像、3D、串流音乐、影片、语音辨识等应用的性能，它能大幅提升网际网络的使用经验，让使用者能浏览逼真的线上博物馆与商店，以及下载高品质影片。

　　和PentiumⅡXeon一样，英特尔同样也推出了面向服务器和工作站系统的高性能CPU—PentiumⅢXeon至强微处理器。

除前期的PentiumⅡXeon500、550采用0.25微米技术外，该款微处理器是采用0.18微米工艺制造、Slot2架构和SECC封装形式，内置32KB一级缓存和512KB二级缓存，工作电压为1.6V。

　　2000年：

IntelPentium4处理器

　　2000年，英特尔发布了超线程技术Pentium4处理器。

尽管它不是真正意义上的双核，但这种开创性的理念拉开了多核时代的大幕。

　　Pentium4处理器内建了4200万颗晶体管，以及采用0.18微米的电路，首款微处理器Intel4004的运作频率为108KHz，Pentium4初期推出版本的速度就高达1.5GHz。

有人做了一个形象的比喻：

若汽车速度在同一时期以相同的速度向上攀升，从旧金山开车到纽约仅仅需要13秒。

翌年8月，Pentium4处理理达到2GHz的里程碑。

　　基于Pentium4处理器的个人电脑可以创造出专业品质的电影，通过互联网传送像电视品质的视频图像，通过实时的语音进行沟通、实时地提供3D图像，快速地为MP3播放器进行编码，以及同时运行多个通过互连的多媒体应用程序。

　　2002年：

IntelPentium4w/HyperThreading处理器

　　2002年，英特尔推出新款IntelPentium4处理器内含创新的Hyper-Threading（HT）超线程技术。

　　超线程技术打造出新等级的高性能桌上型电脑，能同时快速执行多项运算应用，或针对支持多重线程的软件带来更高的性能。

超线程技术让电脑性能增加25%。

除了为桌上型电脑使用者提供超线程技术外，英特尔实现了另一项电脑里程碑，就是推出运作频率达3.06GHz的Pentium4处理器，这是首款每秒执行30亿个运算周期的商业微处理器。

翌年，内建超线程技术的IntelPentium4处理器频率达到3.2GHz。

　　2005：

IntelPentiumD处理器

　　PentiumD处理器

　　2005年，英特尔让首颗内含2个处理核心的IntelPentiumD处理器登场，从而正式揭开了x86处理器多核心时代。

　　IntelPentiumD处理器架构了90纳米技术，是双核心加了64位指令集，这是它和Pentium4最本质的区别。

PentiumD处理器是用于台式机的双内核处理器。

它在一个物理处理器内包含两个完整的执行内核，这2个内核以相同的频率运行。

2个内核共享相同的封装和芯片组/内存接口。

双内核处理器类似于四车道，可处理相当于双车道可处理的车辆数的2倍，而无需让每辆车速度提高1倍。

　　PentiumD处理器与英特尔945高速芯片组结合使用产生了将实现新计算体验的平台。

这一新平台通过提供可扩展计算机性能（更高的吞吐量和并行计算）的额外计算资源来提供价值。

同样，使用基于英特尔双内核处理器的计算机，用户可执行多个任务，例如同时下载音乐和玩游戏，甚至允许多个用户同时进行此类处理。

　　基于PentiumD处理器的电脑与数字媒体适配器及家庭网络完美结合，使得位于同一房间内或位于家中不同位置的两个人能够共享同一台电脑中的内容。

例如，一个人正在查收电子邮件，同时另一个人通过远程控制访问该台电脑中存储的数字照片，并在起居室内通过电视惬意欣赏这些照片。

　　2006年：

IntelCore2Duo处理器

　　Core2处理器

　　Core微架构桌面处理器，核心代号Conroe将命名为Core2（酷睿2）Duo/Extreme家族，其E67002.6GHz型号比先前推出之最强的IntelPentiumD960（3.6GHz）处理器，在性能方面提升了40%，省电效率也增加40%，Core2Duo处理器内含2.91亿颗晶体管。

　　2007年：

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企业事业部总经理帕特·基辛格手持45纳米处理器芯片。

　　2007年11月，英特尔公司公布了45纳米技术，并同时发布了16款45纳米环保型服务器及高端PC处理器，均采用全新的晶体管技术。

这意味着英特尔的摩尔定律也许会再延长10年。

　　45纳米技术使得摩尔定律得以延续。

这批处理器，还率先在其内部数以亿计的晶体管中采用了英特尔最新的基于铪的高-K金属栅极技术。

这一突破性技术亦被英特尔公司联合创始人戈登▪摩尔称赞为晶体管技术40年发展史上所取得的最大进步。

这批英特尔Core2至尊处理器及英特尔至强处理器同时还是首批采用英特尔45纳米制程的产品，从而可进一步提升系统性能，大幅降低能耗。

　　这两大优势加上全新的处理器特性，使得英特尔能够继续创造更加快速、更节能、更环保的处理器产品。

这一重大突破为英特尔设计比前代产品小25%的处理器铺平了道路，并且为设计出更加经济高效、轻便小巧的产品的发展开辟了道路，此外还为其2008年开发新型超移动及消费电子“片上系统”（“systemonchip”）产品打好了基础。

　　凭借45纳米技术，英特尔一举拉开与竞争对手的差距。

而这一切，都归功于英特尔放弃了使用了40年的二氧化硅，采用了一种全新的半导体材料：

铪（音：

hā）。

铪解决了二氧化硅的漏电问题。

目前CPU上的晶体管的组成部分最薄之处已经达到5个原子的厚度，采用全新材料铪之后，晶体管漏电问题已经能够得到继续。

　　英特尔的45纳米处理器的晶体管密度，比上一代65纳米处理器几乎翻了1倍，每个四核处理器上装载了8.2亿颗晶体管，使得英特尔的处理器可以比上代产品体积缩小了25%。

当时，英特尔高级副总裁兼数字企业事业部总经理帕特·基辛格博士就表示，英特尔在2008年将推出以整个45纳米技术为基础的处理器。

　　英特尔Core2至尊四核处理器QX9650是全球首款采用了45纳米高-K芯片技术的台式机处理器，能激起顶级游戏玩家和媒体发烧友提供期冀已久的兴奋。

更大容量的二级高速缓存、支持全新英特尔SSE4多媒体指令集等更多增强技术的配备，将台式机的性能推向新的巅峰。

　　与前代四核英特尔至强5300系列处理器相比，45纳米高-k英特尔至强处理器的性能功耗比提升了38%，进一步巩固了其性能功耗比领先优势。

　　从65纳米到45纳米的转变，不仅仅是当前芯片设计在体积上的缩小。

此类处理器中还增加了许多新的特性，如全新的英特尔SIMD流指令扩展4（SSE4），可通过47条全新指令加快包括视频编码在内的工作负载的处理速度，从而支持高清晰度画质和照片处理，以及重要的HPC和企业应用。

　　当时，根据型号、主频、特性和定购数量的不同，45纳米高-k英特尔至强理器的千枚单价在177-1279美元之间不等。

45纳米高-k英特尔Core2至尊四核处理器QX9650的千枚单价为999美元。

　　同时，英特尔还计划为入门级市场推出Core2DuoE5000双核系列以取代原来的E4000系列。

当时说，首批E5000系列处理器有望在第二年4月份出货，价格是133美元/千颗。

　　2009年将推出32纳米处理器

　　就在大家还为45纳米处理器的到来感到兴奋无比的时候，英特尔的研究人员已经在为32纳米处理器技术忙得不可开交了。

英特尔每年都会在处理器架构和技术方面做出新的调整，如果这个规律还存在的话，32纳米处理器很可能将在两年后——也就是2009年底发布，代号可能是“Westmere（Nehalem-C）”。

　　这也给大家透露出一个信息：

英特尔将会发布博锐（vPro）商业平台的升级版——暂且把它称为“vPro2.0”。

此外，英特尔还会有一个名为“CastlePeak（城堡顶峰）”的vPro消费者版。

　　除了这些，英特尔的研究人员还为自己制定了两个目标：

第一，要在2010年完成功耗低于1W的万亿次计算（Teraflop）研究用处理器芯片;第二，同时要完成32纳米SandyBridge微架构处理器的研发。

　　链接：

　　晶体管发展历史及其重要里程碑

　　1947年12月16日：

威廉·邵克雷（WilliamShockley）、约翰·巴顿（JohnBardeen）和沃特·布拉顿（WalterBrattain）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。

　　1953年：

第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。

　　1965年：

摩尔定律诞生。

当时，戈登·摩尔（GordonMoore）预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻1倍（10年后修正为每2年）。

　　1968年7月：

罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童（Fairchild）半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设