CPU发展史.docx

1、CPU发展史CPU发展简史班级：计科201301 姓名：杨人和 学号：20133375中央处理器，Central Processing Unit，简称CPU，是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU主要包括运算器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。他的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。1971年11月15日，INTEL公司的工程师霍夫发明了世界上第一款商用微处理器4004，。它是一个包含了2300个晶体管的4位微处理器，也是第一款个人有能力购买的电脑处理器。与现在的CPU相比，它的功能相当有限，而且速度还很慢，甚至比不上194

2、6年世界第一台计算机ENIAC，在当时并不被一些大公司和众多民众看好。但以现在的目光来看，这是一个谁也不能否认掉的划时代的产物。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。图1 Intel 4004当然，Intel 4004只能称为世界上第一款商用处理器，而不是世界上第一款微处理器。第一款微处理器应该是美国军方研制，用于F-14雄猫战机中由6颗晶片组成的中央空气数据计算机：CADC（CenterAir Data Computer），虽然它的构造比4004还要简单，速度只有9.15KHz。1972年，Intel公司研制出了世界上第一台八位元处理器Intel C

3、8008。8008共推出两种速度，0.5 Mhz以及0.8 Mhz，虽然比4004的工作时脉慢，不过因为是八位元处理器（比起4004的四位元），整体效能要比4004好上许多。8008可以支持16KB的内存。C8008是比较珍贵的紫色陶瓷镀金接脚版本，D8008则是后期出的量产版。图2 Intel C8008Intel4004和Intel8008也被归为第一代微处理器。紧接着，Intel在1974年发布了Intel 8080，它是一枚8位元处理器，主频为2MHz，它集成6000只晶体管，每秒运算29万次，拥有16位地址总线和八位数据总线，包含7个八位寄存器，支持16位寻址，同时它也包含一些输入输

4、出端口，这也是一个相当成功的设计，有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。自1975年第一台个人电脑诞生以后，8080芯片帮助Intel在几年后占据了电脑芯片的霸主地位 。与此同时，1976年Zilog 制造了与8080兼容的CPU z-80。图3 Intel 8080大家一般都知道8086，但很少有知道在它之前，还有一个8085,。而Intel 8080/8085，Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800被归为第二代微处理器。与第一代微处理器相比，集成度提高了14倍，运算速度提高了1015倍，指令系统相对比较完善，已具备典型的计算机体系结构及中断、直接存储器存取等功能。存

5、储容量达64KB，配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备构成。图4 Intel 8085通常来说，Intel 8080/8085便被归属于第二代微处理器。说道Intel 8086，那可就是大家非常熟悉的一种CPU了。Intel 8086是一个主要采用H-MOS新工艺的16位微处理器芯片，8086 CPU有20条地址线，可直接寻址1MB的存储空间，每一个存储单元可以存放一个字节（8位）二进制信息。Intel 8086微处理器的功能比在Intel 8085性能上又提高了十倍。这个处理器标志着x86王朝的开始，为什么要纪念英特尔x86架构25周年？主要原因是从8086开始，才有了目前应用最广泛的P

6、C行业基础。虽然从1971年，英特尔制造4004至今，已经有四十多年历史；但是从没有像8086这样影响深远的神来之作。图5 Intel 80861978 年，Intel公司率先推出16位微处理器8086，同时，为了方便原来的8位机用户，Intel公司又提出了一种准16位微处理器8088。在Intel公司推出8086、8088 CPU之后，各公司也相继推出了同类的产品，有Zilog公司Z8000和Motorola公司的M68000等。16位微处理器比8位微处理器有更大的寻址空间、更强的运算能力、更快的处理速度和更完善的指令系统。所以，16位微处理器已能够替代部分小型机的功能，特别在单任务、单用户

7、的系统中，8086等16位微处理器更是得到了广泛的应用。1982年，Intel公司又推出16位高级微处理器80286。微处理器采用短沟道高性能NMOS工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护等，时钟频率提高到525MHz。在20世纪80年代中、后期至1991年初，80286一直是微机的驻留CPU。图6 Intel 80286而这些，也就是第三代微处理器。1985年10月17日，英特尔再度发力推出了80386处理器。80386处理器被广泛应用在1980年代中期到1990年代中期的IBM PC相容机中。这些PC机称为80386电脑或386电脑，有时也简称803

8、86或386。80386的广泛应用，将PC机从16位时代带入了32位时代。80386的强大运算能力也使PC机的应用领域得到巨大扩展，商业办公、科学计算、工程设计、多媒体处理等应用得到迅速发展。80386有着许多的重要特点，比如：它首次在x86处理器中实现了32位系统，它可配合使用80387数字辅助处理器增强浮点运算能力，而且还首次采用高速缓存（外置）解决内存速度瓶颈问题。由于这些设计，80386的运算速度达到了前代产品80286的数倍。386时代，Intel在技术有了很大的进步。80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，其后又提*到20MHz、25MHz、33MHz等。8

9、0386DX的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址*达4GB内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟模式的工作方式，可同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。图7 Intel 80386随着集成电路工艺水平的进一步提高，1989年，Intel公司又推出了性能更高的32位微处理器80486，在芯片上集成约120万个晶体管，是80386的4倍，80486由3个部件组成：一个是80386体系结构的主处理器，一个是与80387兼容的数字协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器，并采用了RISC（精简指令集计算机）技术和突发总线技术，提高了速度，在相同频率下，8048

10、6的处理速度一般比80386快24倍。而80486也是Intel最后一代以数字编号的CPU。以这些高性能32位微处理器为CPU构成的微机的性能指标已达到或超过当时的高档小型机甚至大型机的水平，被称为高档或超级微机。同期推出的产品还有飞思卡尔MC68040和NEC公司的V80。图8 Intel 80486这些，汇成了第四代微处理器。继承着80486大获成功的东风，赚大笔美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能处理器Pentium（中文译名为奔腾）。Pentium微处理器的推出使微处理器的技术发展到了一个崭新的阶段，标志着微处理器完成从CISC向RISC 时代的过渡，也标志着微处理器向工

11、作站和超级小型机冲击的开始。奔腾的厂家代号是P54C，PENTIUM的内部含有的晶体管数量高达310万个，时钟频率由最初推出的60MHZ和66MHZ，后提高到200MHZ。单单是最初版本的66MHZ的PENTIUM微处理器，它的运算性能比33MHZ的80486DX就提高了3倍多，而100MHZ的PENTIUM则比33MHZ的80486DX要快6至8倍。也就是从PENTIUM开始，我们大家有了超频这样一个用尽量少的钱换取尽量多的性能的好方法。作为世界上第一个586级处理器，PENTIUM也是第一个令人超频的最多的处理器，由于Pentium的制造工艺优良，所以整个系列的CPU的浮点性能也是各种各样

12、性能是CPU中最强的，可超频性能最大，因此赢得了586级CPU的大部分市场。Pentium家族里面的频率有60/66/75/90/100/120/133/150/166/200，至于CPU的内部频率则是从60MHz到66MHz不等。图9 奔腾11997年推出的Pentium II处理器结合了Intel MMX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Single Edge Contact (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、使用可视电话以及透过标准电话线与网

13、际网络传送影片，Intel Pentium II处理器晶体管数目为750万颗。图10 Pentium II1999年推出的Pentium III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，Intel首次导入0.25微米技术，Intel Pentium III晶体管数目约为950万颗。图11 Pentium III与此同年，英特尔还发布了Pentium IIIXeon处理器。作为Pentium II Xeon的后继者，除了

14、在内核架构上采纳全新设计以外，也继承了Pentium III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，Pentium III Xeon加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。在缓存速度与系统总线结构上，也有很多进步，很大程度提升了性能，并为更好的多处理器协同工作进行了设计。2000年英特尔发布了Pentium 4处理器。用户使用基于Pentium 4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。Pentium 4处理器集成了4

15、200万个晶体管，到了改进版的Pentium 4(Northwood)更是集成了5千5百万个晶体管；并且开始采用0.18微米进行制造，初始速度就达到了1.5GHz。Pentium 4还提供的SSE2指令集，这套指令集增加144个全新的指令，在128bit压缩的数据，在SSE时，仅能以4个单精度浮点值的形式来处理，而在SSE2指令集，该资料能采用多种数据结构来处理图12 Pentium 42003年英特尔发布了Pentium M(mobile)处理器。以往虽然有移动版本的Pentium II、III，甚至是Pentium 4-M产品，但是这些产品仍然是基于台式电脑处理器的设计，再增加一些节能，管

16、理的新特性而已。即便如此，Pentium III-M和Pentium 4-M的能耗远高于专门为移动运算设计的CPU，例如全美达的处理器。2005年Intel推出的双核心处理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition，同时推出945/955/965/975芯片组来支持新推出的双核心处理器，采用90nm工艺生产的这两款新推出的双核心处理器使用是没有针脚的LGA 775接口，但处理器底部的贴片电容数目有所增加，排列方式也有所不同。同出自Intel之手，而且Pentium D和Pentium Extreme Edition两款双核心处理器名字上的差别也预示着这两款处理器在规

17、格上也不尽相同。其中它们之间最大的不同就是对于超线程（Hyper-Threading）技术的支持。Pentium D不支持超线程技术，而Pentium Extreme Edition则没有这方面的限制。在打开超线程技术的情况下，双核心Pentium Extreme Edition处理器能够模拟出另外两个逻辑处理器，可以被系统认成四核心系统。图13 Pentium D图14 Pentium Extreme Edition除了Intel的微处理器，同期推出的微处理器还有IBM、Apple和Motorola这3家公司联盟PowerPC（这是一种完全的RISC微处理器），以及AMD公司的K5，K6-3

18、,Athlon(即K7)和Cyrix公司的M1等。而这些，从1993年到2005年间产生的CPU，都属于第五代微处理器。从2005年到如今，也就是可以划分为微处理器的第六代的时间段。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的，而Intel先推出的CORE用于移动计算机上市不久即被CORE2取代。图15 Core英文名称为Core 2 Duo，是英特尔在2006年推出的新一代基于Core微架构的产品体系统称。于2006年7月27日发布。酷睿2是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大

19、领域。其中，服务器版的开发代号为Woodcrest，桌面版的开发代号为Conroe，移动版的开发代号为Merom。它们都基于全新设计的英特尔酷睿微架构，每个芯片将包含两个处理内核，或曰“大脑”，因此用“双核”加以区别。酷睿2处理器的Core微架构是Intel的以色列设计团队在Yonah微架构基础之上改进而来的新一代英特尔架构。最显著的变化在于在各个关键部分进行强化。为了提高两个核心的内部数据交换效率采取共享式二级缓存设计，2个核心共享高达4MB的二级缓存。酷睿2微架构处理器(台式机)包括酷睿2单核，双核,四核等产品，如以酷睿2为核心的赛扬400系列,赛扬双核1000系列，PE2000系列,酷睿

20、2E4000系列，酷睿2E6000系列,酷睿2E7000系列，酷睿2E8000系列.PE5000系列。图16 Core 2作为高端旗舰的代表，早期LGA1366接口的处理器主要包括45nm Bloomfield核心酷睿i7四核处理器。随着Intel在2010年迈入32nm工艺制程，高端旗舰的代表被酷睿i7-980X处理器取代，全新的32nm工艺解决六核心技术，拥有最强大的性能表现。对于准备组建高端平台的用户而言，LGA1366依然占据着高端市场，酷睿i7-980X以及酷睿i7-950依旧是不错的选择。Core i5是一款基于Nehalem架构的四核处理器，采用整合内存控制器，三级缓存模式，L3

21、达到8MB，支持Turbo Boost等技术的新处理器电脑配置。它和Core i7（Bloomfield）的主要区别在于总线不采用QPI，采用的是成熟的DMI（Direct Media Interface），并且只支持双通道的DDR3内存。结构上它用的是LGA1156 接口，i5有睿频技术，可以在一定情况下超频。LGA1156接口的处理器涵盖了从入门到高端的不同用户，32nm工艺制程带来了更低的功耗和更出色的性能。主流级别的代表有酷睿i5-650/760，中高端的代表有酷睿i7-870/870K等。我们可以明显的看出Intel在产品命名上的定位区分。但是整体来看中高端LGA1156处理器比低端

22、入门更值得选购，面对AMD的低价策略，Intel酷睿i3系列处理器完全无法在性价比上与之匹敌。而LGA1156中高端产品在性能上表现更加抢眼。Core i3可看作是Core i5的进一步精简版（或阉割版），将有32nm工艺版本（研发代号为Clarkdale，基于Westmere架构）这种版本。Core i3最大的特点是整合GPU（图形处理器），也就是说Core i3将由CPU+GPU两个核心封装而成。由于整合的GPU性能有限，用户想获得更好的3D性能，可以外加显卡。值得注意的是，即使是Clarkdale，显示核心部分的制作工艺仍会是45nm。i3 i5 区别最大之处是 i3没有睿频技术。代表有

23、酷睿i3-530/540。2010年6月，Intel再次发布革命性的处理器第二代Core i3/i5/i7。第二代Core i3/i5/i7隶属于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的Sandy Bridge微架构，相比第一代产品主要带来五点重要革新：1、采用全新32nm的Sandy Bridge微架构，更低功耗、更强性能。2、内置高性能GPU（核芯显卡），视频编码、图形性能更强。 3、睿频加速技术2.0，更智能、更高效能。4、引入全新环形架构，带来更高带宽与更低延迟。5、全新的AVX、AES指令集，加强浮点运算与加密解密运算。图17 Core i3/i5/i7在2012年4月24日下午北京天文馆

24、，intel正式发布了Ivy Bridge（IVB）处理器。22nm Ivy Bridge会将执行单元的数量翻一番，达到最多24个，自然会带来性能上的进一步跃进。Ivy Bridge会加入对DX11的支持的集成显卡。另外新加入的XHCI USB 3.0控制器则共享其中四条通道，从而提供最多四个USB 3.0，从而支持原生USB3.0。cpu的制作采用3D晶体管技术，CPU耗电量会减少一半。2013年6月4日intel 发表四代CPU“Haswell”，第四代CPU脚位(CPU接槽)称为Intel LGA1150，主机板名称为Z87、H87、Q87等8系列晶片组，Z87为超频玩家及高阶客群，H8

25、7为中低阶一般等级，Q87为企业用。Haswell CPU 将会用于笔记型电脑、桌上型CEO套装电脑以及 DIY零组件CPU，陆续替换现行的第三世代Ivy Bridge。而未来的CPU会怎样发展呢？根据摩尔定律，计算机处理器芯片上的晶体管数量每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，价格也会更便宜。然而这一理论似乎快走到尽头了。 工程专家一直尝试用不同的方法保持计算机处理性能快速增长，其中量子计算就是提高计算机处理性能最好的办法之一。量子计算理论如今已经在实验室被证实，其性能超越目前所有的超级计算机，然而能否投入正常使用短期内依然无法下定论。量子计算带来的影响力可能是我们今生最具有影响力的事物。如果科学家能够创造一台稳定、可靠的量子计算机，那些长久以来困扰人们的数学难题可被轻易解决。量子计算机可能就是下一个“陈景润”。 量子计算机有多少处理能力？理论上是无限的。科学家能够依次创造出更智能的计算机，设计出能进行远距离太空飞行的宇宙飞船。量子计算或许还能让真正的人工智能成为现实。每个月我们几乎都能看到量子计算的新消息，我相信，在不久的将来，我们会迎来量子计算机的时代。