CPU的发展史及其未来趋势

CPU的发展史及其未来趋势研究报告高一（11）班谢丹琪44号HYPERLINK第一篇HYPERLINK第二篇CPU是CentralProcessingUnit（中央微处理器）的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成。如果把计算机比作人，那么CPU就是人的大脑。CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium4时代，只经过了不到二十年的时间。从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。不管什么样的CPU，其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。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：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。Intel40041971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管。随后英特尔又推出了8008，由于运算性能很差，其市场反应十分不理想。1974年，8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，如果没有微处理器,这些应用就无法实现。由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务，价格又便宜，于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。Zilog公司生产了8080的增强型Z80，摩托罗拉公司生产了6800，英特尔公司于1976年又生产了增强型8085,但这些芯片基本没有改变8080的基本特点，都属于第二代微处理器。它们均采用NMOS工艺,集成度约9000只晶体管,平均指令执行时间为1μS～2μS,采用汇编语言、BASIC、Fortran编程，使用单用户操作系统。Intel8086

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，而且英特尔在后续CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直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，美国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。Intel80286

1982年，INTEL推出了80286芯片，该芯片含有13.4万个晶体管，80286也是16位处理器，其频率比8086更高，它有24条地址线，内存寻址范围是16M字节。Intel80386

80386属于32位微处理器，其内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址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86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。它有以下几种：80386SX，它是准32位处理器，数据总线是16位，其内部32位寄存器必须分两个16位的总线来读取。它是286计算机与386DX计算机之间的过渡产品。386DX是真正的32位处理器，它的数据总线和内部寄存器都是32位。它还可以配上80387数字协处理器，以提高计算速度。386处理器的主频有16，20，25，33，40MHz五种。除Intel公司生产386芯片外，还有AMD，Cyrix，Ti，IBM等公司生产的。

Intel80486

80486简称486，于1989年由Intel公司首先出，集成了120万个晶体管。其时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。它也属于32位处理器。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC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CPU与内存的数据交换速度。IntelPentiumⅠPentium（奔腾）是Intel公司于1993年推出的新一代微处理器，它集成了310万个管。Pentium微处理器使用更高的时钟频率，最初为60MHZ和66MHZ，后提高到200MHZ。64位数据总线，16KB的高速缓存。奔腾CPU的出现进一步加速了CPU的更新速度，CPU厂商竞争愈加激烈。Intel公司为了防止别的公司侵权，就为新的CPU取了"Pentium"的名字，而没有继续叫做80586。接着Intel推出使用MMX技术的PentiumMMX的多能奔腾。它增加了57条多媒体指令，内部高速缓存增加到32KB。最高频率是233MHz。MMX是MultimediaExtension的缩写，意即多媒体扩展，一种基于多媒体计算以及通讯功能的技术，它能生成高质量的图像、视频和音频，加速对声音图像的处理。Cyrix6X86、CyrixMediaGX和AMDK5和Pentium是同一级别的CPU；AMD-K6和Cyrix6x86MMX属于PentiumMMX同一级别CPU。PentiumProPentiumPro，中文称作高能奔腾，也称为P6。它在PentiumMMX之前面市，使用大量新技术，还包含了256KB或512KB的高速缓存，主要应用在服务器上。

IntelPentiumⅡ1997年～1998年是CPU市场竞争异常激烈的一年，这一时期的CPU芯片异彩纷呈，令人目不暇接。PentiumⅡ的中文名称叫“奔腾二代”，它有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等几种不同核心结构的系列产品，其中第一代采用Klamath核心，0.35微米工艺制造，内部集成750万个晶体管，核心工作电压为2.8V。

PentiumⅡ微处理器采用了双重独立总线结构，即其中一条总线连通二级缓存，另一条负责主要内存。PentiumⅡ使用了一种脱离芯片的外部高速L2Cache，容量为512KB，并以CPU主频的一半速度运行。作为一种补偿，英特尔将PentiumⅡ的L1Cache从16KB增至32KB。另外，为了打败竞争对手，英特尔第一次在PentiumⅡ中采用了具有专利权保护的Slot1接口标准和SECC(单边接触盒)封装技术。1998年4月16日，英特尔第一个支持100MHz额定外频的、代号为Deschutes的350、400MHzCPU正式推出。采用新核心的PentiumⅡ微处理器不但外频提升至100MHz，而且它们采用0.25微米工艺制造，其核心工作电压也由2.8V降至2.0V，L1Cache和L2Cache分别是32KB、512KB。支持芯片组主要是Intel的440BX。在1998年至1999年间，英特尔公司推出了比PentiumⅡ功能更强大的CPU--Xeon（至强微处理器）。该款微处理器采用的核心和PentiumⅡ差不多，0.25微米制造工艺，支持100MHz外频。Xeon最大可配备2MBCache，并运行在CPU核心频率下，它和PentiumⅡ采用的芯片不同，被称为CSRAM（CustomStaticRAM,定制静态存储器）。除此之外，它支持八个CPU系统；使用36位内存地址和PSE模式（PSE36模式），最大800MB/s的内存带宽。Xeon微处理器主要面向对性能要求更高的服务器和工作站系统，另外，Xeon的接口形式也有所变化，采用了比Slot1稍大一些的Slot2架构(可支持四个微处理器)。IntelPentiumⅢ1999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。该微处理器除采用0.25微米工艺制造，内部集成950万个晶体管，Slot1架构之外，它还具有以下新特点：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。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。CPU的未来趋势如今CPU就像一匹脱缰的野马正以异乎寻常的速度向前发展，在短短的一段时间内我们满耳都充斥着频率提升、新品发布的消息。如果说显示卡、声卡的更新是技术上的创新，那么CPU的升级换代就是技术上的革命！毫无疑问，高性能、低能耗、高速度和低成本将是CPU的未来的发展方向。Intel面临劲敌超微AMDAthlon、Duron处理器在时脉上的步步进逼，于去年11月下旬正式发表研发3年之久、原始研发代号为Willamette的第七代IA32架构的Pentium4处理器，搭配双Rambus信道架构的850芯片组，试图以新架构带来处理器的新气象，一扫2000年PentiumⅢ在市场上受挫时的阴霾。

IntelPentium4由4200万颗晶体管以0.18μm制程制造，具备崭新的NetBurst架构，藉由内部TraceCache架构，256KBL2Cache，128bit整数／浮点SIMD运算管线，配合144组SSE2指令集，以及外频高达400MHz的协助，配合外接双信道RDRAM与3.2GB/s高传输频宽的配合下，在重量级多媒体，特别是影像处理、影音剪辑以及实时动态影音的处理上，有着较为出色的表现。虽然在执行传统文书、Office之类的应用程序时，Pentium4并没有比同时脉PentiumⅢ甚至劲敌AMDAthlon处理器还要好的表现，但Intel藉由其易于调升时脉的特质，将Pentium4时脉快速的拉升，今年4月23日正式推出1.7GHz时脉版本的Pentium4处理器，而今年第三到第四季会进展到2GHz，到明年年中，0.13μm制程的新Pentium4（Northwood核心）将会一举突破2.4GHz。

Intel的企图很明显：先拉高时脉，争取转移到0.13μm先进制程的时间，然后再藉由制程的进化，进一步改善Pentium4的体质，彻底提升它的执行效能。

在Intel全力推广Pentium4的情况下，桌上型PentiumⅢ会逐渐淡出市场，转战笔记型计算机市场。因为Intel打算先以0.13μm制程，以既有的P6核心来打造低电压版的Tualatin处理器，高速缓存将加大到512KB，同时将外频提高为200MHz，它的时脉预计从1.2GHz（=1,200MHz）开始起跳，所搭配的芯片组称为830（Almador）芯片组，可搭配PC133以及DDR266等内存规格的P3-DDR芯片组，将主攻中高阶笔记型计算机市场。

至于Calderon处理器，目前已经推进到850MHz，以因应AMDDuron推进到850甚至900MHz的挑战，Inte