Intel CPU 发展史说课材料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Intel CPU 发展史-IntelCPU发展史2007年是“晶体管”诞辰60周年，然而说到“晶体管”这个专业名词，也许您并不熟悉，而Intel本周一放出官方新闻稿，宣布他们将在12月16日庆祝晶体管的60周岁生日，所以我们就借由Intel的工艺发展史来向您讲述，处理器是如何一步一步发展到今天的。1971年11月15日：世界上第一块个人微型处理器4004诞生1971年11月15日，Intel公司的工程师霍夫发明了世界上第一个商用微处理器4004，从此这一天被当作具有全球IT界里程碑意义的日子而被永远的

2、载入了史册。这款4位微处理器虽然只有45条指令，每秒也只能执行5万条指令，运行速度只有108KHz，甚至比不上1946年世界第一台计算机ENIAC。但它的集成度却要高很多，集成晶体管2300只，一块4004的重量还不到一盅司。这一突破性的发明最先应用于Busicom计算器，为无生命体和个人计算机的智能嵌入铺平了道路。4004微处理器Busicom最初计划是需要12个定制芯片。而英特尔工程师霍夫提出了通用逻辑设备的概念，它可能是一个更出色、更高效的解决方案。正是由于他的提议才使得微处理器得以开发。起初，Busicom向英特尔支付了60000美元，获得了微处理器所有权。在认识到“大脑”芯片的无限潜

3、力之后，英特尔提出用60000美元换回微处理器设计的所有权。Busicom同意了英特尔的请求。1971年11月15日，英特尔面向全球市场推出了4004微处理器，每个售价为200美元。4004微处理器编号为4004，第一个“4”代表此芯片是客户订购的产品编号，后一个“4”代表此芯片是英特尔公司制作的第四个订制芯片。这种数字代号却延用至今。霍夫终于如愿以偿，他在世界第一个微处理器上，集成了2000多个晶体管，发明了世界第一块大规模集成电路4004，在电子计算机历史上，写下了光辉的一页。4004芯片基本具备了微处理器的特点，用它来做计算器，改变了传统计算器的形象。采用4004芯片后，再配用一块程序存

4、储器，数据存储器，移位寄存器，再加上键盘和数码管，就构成了一台完整的微型计算机。1972年：8008微处理器让英特尔以外的是推出4004芯片后，业内的反应相当平淡。一些分析家称这款芯片虽然有些意思，但4004的处理能力实在有限，还不足以引起人们的兴趣。然而，当一年后英特尔推出其8008微处理器时，业内的目光都几乎集中到了英特尔身上。8008频率为200Khz，晶体管的总数已经达到了3500个，能处理8比特的数据。更为重要的是，英特尔还首次获得了处理器的指令技术。8008微处理器8008它的性能是4004的两倍，拥有3500晶体管数量，速度为200KHz，并且于1974年被一款名为Mark-8的

5、设备采用，Mark-8是第一批家用计算机之一，此时台式机基本上形成了一个最初雏形。8008微处理器8008芯片原本是为德克萨斯州的Datapoint公司设计的，但是这家公司最终却没有足够的财力支付这笔费用。于是双方达成协议，英特尔拥有这款芯片所有的知识产权，而且还获得了由Datapoint公司开发的指令集。这套指令集奠定了今天英特尔公司X86系列微处理器指令集的基础。1974年：8080微处理器在微处理器发展初期，具有革新意义的芯片非Intel8080莫属了。英特尔公司于1974年推出了这款划时代的处理器，立即引起了业界的轰动。由于采用了复杂的指令集以及40管脚封装，8080的处理能力大为提高

6、，其功能是8008的10倍，每秒能执行29万条指令，集成晶体管数目6000，运行速度2MHz。8080微处理器与此同时，微处理器的优势已经被业内人士所认同，于是更多的公司开始接入这一领域，竞争开始变得日益激烈。当时与英特尔同台竞技的有RCA(美国无线电公司)、Honeywell、Fairchild、美国国家半导体公司、AMD、摩托罗拉以及Zilog公司。值得一提的是Zilog，世界上第一块4004芯片的设计者Faggin就加盟了该公司。由该公司推出的Z80微处理器比Intel8080功能更为强大，而且直到今天这款处理器仍然被尊为经典。8080微处理器8080有幸成为了第一款个人计算机Altai

7、r的大脑。据说Altair这个名称是源自星际旅行电视节目中一个星际飞行计划(StarshipEnterprise)的目的地名称。计算机爱好者花费395美元即可购得Altair套件。数月内，Altair的销售量达到数万台，造成了电脑销售历史上第一次缺货现象。这足以看出来8080对于电脑发展是具有划时代意义的。1978年：8086-8088微处理器1978年，英特尔推出了首枚16位微处理器8086，同时生产出与之配合的数学协处理器8087，这两种芯片使用相同的指令集，以后英特尔生产的处理器，均对其兼容。趁着市场销售正好的时机，以及市场需求的提升，Intel在同一年推出了性能更出色的8088处理器。

8、三款处理器都拥有29000只晶体管，速度可分为5MHz、8MHz、10MHz，内部数据总线(处理器内部传输数据的总线)、外部数据总线(处理器外部传输数据的总线)均为16位，地址总线为20位，可寻址1MB内存。首次在商业市场给消费者提供了更自由选择。8086微处理器8088微处理器同时Intel成功将8088销售给IBM全新的个人计算机部门，1981年，IBM推出的首批个人电脑机选用了英特尔8088芯片，使得8088成为了IBM全新热销产品IBMPC的大脑。本来IBM准备采用摩托罗拉的芯片，但是最终阴差阳错，还是由8088芯片承担了这项光荣的使命。随着个人电脑的流行，英特尔也开始名扬四海。808

9、8的大获成功使英特尔顺利跻身财富500强之列，财富杂志将该公司评为“七十大商业奇迹之一(BusinessTriumphsoftheSeventies)”。事后，英特尔高度评价了与IBM这笔交易的重要性。的确，如果没有这笔交易，很可能现在芯片市场是由摩托罗拉等一统天下。1982年：80286微处理器英特尔的最后一块16位处理器80286(也称286)是处理器进入全新技术的标准产品，具备16位字长，集成了14.3万只晶体管，具有6MHz、8MHz、10MHz、12.5MHz四个主频的产品。286是Intel第一款具有完全兼容性的处理器，即可以运行所有针对其前代处理器编写的软件，这一软件兼容性也成为

10、了Intel处理器家族一个恒久不变的特点。该产品发布后的6年内，全世界基于286处理器的个人计算机便达到了大约1500万台。80286微处理器80286微处理器1985年：80386英特尔的第一代32位处理器此后，英特尔的微处理器开始进入到了32位时代。为适应企业的全球化发展，1985年秋，英特尔再度发力，并且以一种特殊的形式在伦敦、慕尼黑、巴黎、旧金山和东京同时推出了Intel80386处理器。这是英特尔第一款32位处理器，集成了27万5千只晶体管，超过了4004芯片的一百倍，每秒可以处理500万条指令。同时也是第一款具有“多任务”功能的处理器，所谓“多任务”就是说它可以同时处理多个程序程序

11、的指令，这对微软的操作系统发展有着重要的影响。80386微处理器80386微处理器IntelRapidCAD被遗忘的微处理器还有一款微处理器被很多人忽视，这就是IntelRapidCAD。RapidCAD是英特尔有史以来第一款为旧款个人计算机所提供的升级套件(也就是OverDrive的始祖)。原386的使用者不需要更换主机板，只要把RapidCAD买回来将主机板上旧有的中央处理器芯片(CPU)替换掉，就可以享受接近486的运算能力。RapidCAD其实就是把486DX芯片去掉内部高速缓存然后装入386的封装里面，RapidCAD也不支持486增加的新指令。不过由于386封装的频宽限制，Rapi

12、dCAD对整体的效能提升比不上直接升级到486DX。相同频率下，486DX可以有比386/387快上两倍的速度，而RapidCAD在整数运算方面最多只能提升35%，在浮点运算方面，则可以提升将近70%。IntelRapidCADIntelRapidCAD特殊的地方在于，它是由两颗芯片组成，缺一不可。这归咎于486DX内建浮点运算器(FPU)，而386则是将浮点运算器分开(就是387)。由于RapidCAD-1本身就含有浮点运算器(因为它就是486DX阉割版)，根本不需要387，所以RapidCAD-2就是用来替代原来主机板上的387芯片。RapidCAD-1负责所有的运算，而RapidCAD-

13、2则是负责假装浮点运算器，以防止旧有主机板以为没有安装浮点运算功能(尤其在执行286/287的程序时)。市面上有时候把RapidCAD-1与RapidCAD-2分开卖，这是就是不了解RapidCAD运作方式的结果。1989年：Intel80486英特尔最后一款以数字为编号的处理器1989年，英特尔发布了Intel80486处理器。486处理器是英特尔非常成功的商业项目。很多厂商也看清了英特尔处理器的发展规律，因此很快就随着英特尔的营销战而转型成功。80486处理器集成了125万个晶体管，时钟频率由25MHz逐步提升到33MHz、40MHz、50MHz及后来的100Mhz。Intel80486处

14、理器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“选中并点击(point-and-click)”的计算时代。史密森学会美国历史国家博物馆的技术历史学家DavidK.Allison回忆道：“当时我拥有了彩色计算机，并且以很快的速度进行桌面排版工作。”英特尔486处理器首次采用内建的数学协处理器，将负载的数学运算功能从中央处理器中分离出来，从而显著加快了计算速度。386和486推向市场后，均大获成功，英特尔在芯片领域的霸主地位日益凸现。此后，英特尔开始告别微处理器数字编号时代，进入到了Pentium时代。1994年3月10日：IntelPentium中央处理器芯片1993年，英特尔

15、发布了Pentium(俗称586)中央处理器芯片(CPU)。本来按照惯常的命名规律是80586，但是因为实际上“586”这样的数字不能注册成为商标使用，因此任何竞争对手都可以用586来扰乱消费市场。事实上在486发展末期，就已经有公司将486等级的产品标识成586来销售了。因此英特尔决定使用自创的品牌来作为新产品的商标Pentium。世界上第一款Pentium处理器Pentium处理器内部结构英特尔奔腾处理器采用了0.60微米工艺技术制造，核心由320万个晶体管组成。支持计算机更轻松的集成“现实世界”数据，如语音、声音、手写体和图片等。“奔腾”二字频繁出现在漫画和电视谈话节目中，使其在推出之后

16、很快成为一个家喻户晓的词语。奔腾是一个划时代的产品，并且影响了PC领域十年之久，目前该“名字”依然在沿用。IntelPentium处理器Pentium是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至3.3V。Pentium刚推出的时候拥有浮点数除法不正确的错误(FDIVBug)，导致英特尔大量回收第一代产品(1994年十二月之前的产品)，所以有FDIVBug的微处理器所剩不多。Pentium50Mhz也有这个FDIV错误，不过A80501-50只是业界样本，从来没有在市场上出现过。上图IntelPentium60Mhz就是整个Pentium系列第一款产

17、品，也是含有BugFDIV的一款。这颗工程样品为目前世界上有在英特尔官方纪录里最早的PentiumCPU(Q0352)，也是目前世界上已知仅存的一颗。1995年3月27日，英特尔发布Pentium120MHz处理器，采用了0.60微米/0.35两种工艺技术，不过核心依旧由320万个晶体管组成。1995年6月，英特尔发布Pentium133MHz处理器，采用0.35工艺技术制造,核心提升到由330万个晶体管组成。1995年11月1日，英特尔发布Pentium150MHz、Pentium166MHz、Pentium180MHz、Pentium200MHz四款处理器，并且采用了0.60微米/0.35

18、两种工艺技术,核心提升到由550万个晶体管组成。此时INTEL在以前设计基础上增加了L2cache为256K和512K两种版本。1996年1月4日，英特尔又发布Pentium150MHz、Pentium166MHz两款处理器，采用了0.35微米工艺技术,不过核心由330万个晶体管组成。1996年6月10日，英特尔发布Pentium200MHz处理器，采用了0.35微米工艺技术，不过核心还是由330万个晶体管组成。1997年1月：IntelPentiumMMX中央处理器1997年1月，Intel公司推出了PentiumMMX芯片，它在X86指令集的基础上加入了57条多媒体指令。这些指令专门用来处

19、理视频、音频和图象数据，使CPU在多媒体操作上具有更强大的处理能力，PentiumMMX还使用了许多新技术。单指令多数据流SIMD技术能够用一个指令并行处理多个数据，缩短了CPU在处理视频、音频、图形和动画时用于运算的时间；流水线从5级增加到6级，一级高速缓存扩充为16K，一个用于数据高速缓存，另一个用于指令高速缓存，因而速度大大加快；PentiumMMX还吸收了其他CPU的优秀处理技术，如分支预测技术和返回堆栈技术。PentiumMMX中央处理器PentiumMMX等于是Pentium的加强版中央处理器芯片(CPU)，除了增加67个MMX(Multi-MediaeXtension)指令以及6

20、4位数据型态之外之外，也将内建指令及数据暂存(Cache)从之前的8KB增加到16KB，内部工作电压降到2.8V。而英特尔之后的桌上型中央处理器皆包含了MMX指令。1997年：IntelPentiumOverdriveIntelPentiumOverdrive处理器IntelPentiumOverDrive中央处理器芯片(CPU)，又是一项英特尔造福旧计算机使用者的升级选择。PentiumOverDrive有两种，一种(不含MMX，5V)是给80486升级用的，另一种(含MMX，3.3V)是给Pentium早期产品(Socket6,50-66Mhz)升级的。他们都有含散热器及风扇。IntelP

21、entiumMMXoverdrive2001997-1998年：PentiumII处理器1997年5月7日，英特尔发布PentiumII233MHz、PentiumII266MHz、PentiumII300MHz三款PII处理器，采用了0.35微米工艺技术,核心提升到750万个晶体管组成。采用SLOT1架构，通过单边插接卡(SEC)与主板相连，SEC卡盒将CPU内核和二级高速缓存封装在一起，二级高速缓存的工作速度是处理器内核工作速度的一半；处理器采用了与PentiumPRO相同的动态执行技术，可以加速软件的执行；通过双重独立总线与系统总线相连，可进行多重数据交换，提高系统性能；PentiumI

22、I也包含MMX指令集。Intel此举希望用SLOT1构架的专利将AMD等一棍打死，可没想到Socket7平台在以AMD的K6-2为首的处理器的支持下，走入了另一个春天。而从此开始，Intel也开始走上了一条前途不明的道路，开始频繁的强行制定自己的标准，企图借此达到迅速挤垮竞争对手的目的，但市场与用户的需要使得Intel开始不断的陷入被动和不利的局面。PentiumII处理器在这个时期100MHZ频率的SDR内存已经出现在市场上，但是Intel却惊人地宣布他们将放弃并行内存而主推一种名为Rambus的内存，而一时间众多大公司如西门子、HP和DELL等都投入了Rambus的门下，不过后来DDR内存

23、的流行也证明了Intel的失败。1997年6月2日，英特尔发布MMX指令技术的PentiumII233MHz处理器，采用了0.35微米工艺技术,核心由450万个晶体管组成。1997年8月18日，英特尔发布L2cache为1M的PentiumII200MHz处理器，采用了0.35微米工艺技术,核心由550万个晶体管组成。1998年1月26日，英特尔发布PentiumII333MHz处理器，采用了0.35微米工艺技术，核心由750万个晶体管组成。1998年4月15日，英特尔发布PentiumII350MHz、PentiumII400MHz和第一款Celeron266MHz处理器，此三款CPU都采用

24、了最新0.25微米工艺技术,核心由750万个晶体管组成。1998年8月24日，英特尔发布PentiumII450MHz处理器，采用了0.25微米工艺技术,核心由750万个晶体管组成。CPU发展到这个时期，就不能不说说IntelPentiumIICerelon处理器。英特尔将Celeron处理器的L2Cache设定为只有PentiumII的一半(也就是128KB)，这样既有合理的效能，又有相对低廉的售价(有A字尾的)；这样的策略一直延续到今天。不过很快有人发现，使用双Celeron的系统与双PentiumII的系统差距不大，而价格却便宜很多，结果造成了Celeron冲击高阶市场的局面。后来英特尔

25、决定取消Celeron处理器的SMP功能，才解决了这个问题。PentiumIICeleron处理器赛扬300A，是一个让多少人闻之动容的产品，又陪伴了多少曾经年少的读者度过悠长的学生时代。赛扬300A，从某种意义上已经是Intel的第二代赛扬处理器。第一代的赛扬处理器仅仅拥有266MHz、300MHz两种版本，第一代的Celeron处理器由于不拥有任何的二级缓存，虽然有效的降低了成本，但是性能也无法让人满意。为了弥补性能上的不足，Intel终于首次推出带有二级缓存的赛扬处理器采用Mendocino核心的Celeron300A、333、366。经典，从此诞生。PentiumIICeleron处理

26、器1999年：IntelPentiumIII处理器1999年2月26日，英特尔发布PentiumIII450MHz、PentiumIII500MHz处理器，同时采用了0.25微米工艺技术,核心由950万个晶体管组成，从此INTEL开始踏上了PIII旅程。IntelPentiumIII处理器PentiumIII是给桌上型计算机的中央处理器芯片(CPU)，等于是PentiumII的加强版，新增七十条新指令(SIMD，SSE)。PentiumIII与PentiumII一样有Mobile、Xeon以及Cerelon等不同的版本。Celeron系列与PentiumIII最大的差距在于二级缓存，100MH

27、z外频的TualatinCeleron1GHz可以轻松地跃上133MHz外频。更为重要的是，TualatinCeleron还有很好的向下兼容性，甚至440BX主板在使用转接卡之后也有望采用该CPU，因此也成为很多升级用户的首选。IntelPentiumIII处理器特别指出的是，PentiumIII光是桌上型就拥有KatmaiSlot1、CoppermineSlot1以及CoppermineSocket370等三种不同的系列。到后期，英特尔放弃插卡式界面而又回归到插槽界面(Socket370)。socket370封装开始推出的时候，有一部分消费者舍弃了slot1平台而选择了新的处理器。新的PGA

28、封装分为PPGA和FC-PGA两种，前者较为廉价，因而被赛扬处理器所采用，而更为昂贵的后者则被奔腾III处理器所采用。例外的是：采用Mendocino核心的赛扬处理器同时有这两种不同封装的版本。采用PPGA封装的赛扬处理器可以通过转接卡在slot1主板上使用，而采用FC-PGA封装的奔三处理器则无能为力了。2000年：IntelPentium4处理器Pentium4相信大家都不陌生。这也是英特尔市场策略进入新纪元的开始。从P4开始，Intel已经不再每一两年就推出全新命名的中央处理器芯片(CPU)，反而一再使用Pentium4这个名字，这个作法，导致Pentium4这个家族有一堆兄弟姊妹，而且

29、这个P4家族延续了五年，这英特尔的市场策略是前所未见的。Penitum4有分许多制程，Willamette为P4最早的产品，其中还包括Socket423这个跟之后都不兼容的封装(因为接脚数不同嘛)，不过正是因为不能升级而且只能使用Rambus这个怪物内存规格，所以此款销售并不怎么好。Socket423针脚的P4处理器Socket423是与slot1接口同样短命的一个产物，它从2000年10月推出到2001年8月仅仅使用了不到一年。多数用户最后都升级到了更成熟的socket478平台，而很多购买了socket423处理器的用户的投资都打了水漂。采用socket423接口的CPU只有一款，即Wil

30、lamette核心的奔腾四处理器。最终这款处理器在市场上的销售情况远低于预期，但在同期Intel的市场份额还有所增长，奔腾四和Netburst的发布给了人们很大的鼓舞，直到今天Intel的3.8GHZ主频的处理器采用的还是这种架构。在新的处理器中还应用了一系列的新技术例如支持快速视频流编码的SSE2指令集等。478针脚的P4处理器随着处理器主频和内部集成晶体管数目的增加，处理器消耗的能量也开始大大增加。为了满足处理器所需要的巨大电能，因为奔腾四处理器的功率达到了72W，因此它需要在主板上附设额外的电源接口来满足处理器的供电需要，而由于发热量的增加，一个散热风扇也成了一个必需品。Intel主推的

31、与奔腾四搭配的平台是850平台，双通道的Rambus内存达到了前所未有的2.5GB/S的内存数据带宽，但是由于Rambus内存价格昂贵所以使得早期P4平台相当昂贵。而由于契约的限制Intel又无法使用当时已经出现在市场上的DDR内存。尽管新的奔四处理器相当成熟，但是在市场上的销量仍然不尽如人意，主要原因就是昂贵的RDRAM内存。虽然后来Intel推出了845解决方案使得用户可以使用SDR内存，但是SDR内存的数据传输速率显然不能够让人满意。当时市场上已经出现了DDR内存，但由于协议问题Intel不能使用这种廉价的解决方案。经过了消费者漫长的等待Intel终于和Rambus达成了协议，之后Int

32、el马上推出了845D和845GD两种基于DDR内存平台的芯片组。虽然DDR相对SDR数据带宽增加了一倍，但是相对于Rambus还是有所不足，知道双通道DDR内存的出现才解决了这一问题。2002-2004年：超线程P4处理器2002年11月14日，英特尔在全新英特尔奔腾4处理器3.06GHz上推出其创新超线程(HT)技术。超线程(HT)技术支持全新级别的高性能台式机，同时快速运行多个计算应用，或为采用多线程的单独软件程序提供更多性能。超线程(HT)技术可将电脑性能提升达25%。除了为台式机用户引入超线程(HT)技术外，英特尔在推出英特尔奔腾4处理器3.06GHZ时达到了一个电脑里程碑。这是第一

33、款商用微处理器，运行速率为每秒30亿周期，并且采用当时业界最先进的0.13微米制程制作。奔腾4处理器3.06GHz英特尔发布前端总线为533MHz的Pentium43.06GHz处理器，采用了0.13微米工艺技术,提供L2cache为512K的二级缓存，核心由5500万个晶体管组成。时隔一年，英特尔发布了支持超线程(HT)技术的P4处理器至尊版3.20GHz。基于这一全新处理器的高性能电脑专为高端游戏玩家和计算爱好者而设计，现已由全球的系统制造商全面推出。英特尔奔腾4处理器至尊版采用英特尔的0.13微米制程构建而成，具备512KB二级高速缓存、2MB三级高速缓存和800MHz系统总线速度。P4

34、处理器至尊版3.20GHz该处理器可兼容现有的英特尔865和英特尔875芯片组家族产品以及标准系统内存。2MB三级高速缓存可以预先加载图形帧缓冲区或视频帧，以满足处理器随后的要求，使在访问内存和I/O设备时实现更高的吞吐率和更快的帧带率。最终，这可带来更逼真的游戏效果和改进的视频编辑性能。增强的CPU性能还可支持软件厂商创建完善的软件物理引擎，从而带来栩栩如生的人物动作和人工智能，使电脑控制的人物更加形象、逼真。半年之后，2004年6月，英特尔发布了P43.4GHz处理器，该处理器支持超线程(HT)技术，采用0.13微米制程，具备512KB二级高速缓存、2MB三级高速缓存和800MHz系统前端总线速度。Northwood是第二代产品，采用0.13微米制程，具有电压低、体积小、温度低的优点。接着就是Prescott(0.09微米)，虽然这技术很新，不过由于效能提升并不明显，而且有过热的问题。后来英特尔又推出HyperThreading技术，大大增