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INTEL CPU的发展史(转)

1971年11月15日,Intel开发了全球第一款微处理器“Intel
4004”,时至今日即将整整40年。为了纪念这历史性的一刻,Intel今天放出了大量珍贵的历史资料,尤其是历代17款处理器的超高清大图特写(外壳与内核),值得收藏,不容错过。

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首先来看一段老祖宗4004与当今最快处理器Sandy Bridge Core
i7的有趣对比:

Intel于1971年发售了自己的第一款4位微处理器,设计与ROM 4001,RAM
4002和移位寄存器4003配合工作。其中4004自身负责运算,其它部分则是使CPU正常工作的重要组成。大部分4004被用于计算器和其它类似的设备,而不是用在计算机中。它的最大频率只有740KHz。4004的后继产品是4040,实质上是4004的改进版本,增加了扩展指令集并提高了性能。

1、对比晶体管速度,4004就像是蜗牛,每小时前进5米,而现在就是肯尼亚选手帕特里克·马卡乌·穆斯约基今年9月25日在德国柏林创造的马拉松长跑记录:2小时3分38秒,平均时速20.6公里。从频率上对比,二者就分别是蜗牛和闪电博尔特。

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2、如今一台笔记本每年的能耗价值约25欧元(¥220),而如果1971年来处理器功耗不变,如今的笔记本每年要在能耗上支出大约10万欧元(¥87万元),没几个人能用得起。

二.8008和8080

Intel 凌动 D525 产品参数Intel 凌动 Z3735F 产品参数

3、4004的内核包含2300个晶体管,Sandy
Bridge则是9.95亿个,就像一个小村落和整个中国的人口对比。如果每颗晶体管都是一粒米,9.95亿颗足够波兰波兹南、德国斯图加特、英国格拉斯哥或者任何56.7万左右人口的大城市的所有人都饱饱地吃上一顿。

4004使得Intel成为了一家微处理器公司,为了适应潮流,Intel发布了新的8位处理器系列。8008,8080和8085分别于1972年,1974年和1975年发布。

基本参数

4、Sandy
Bridge采用32纳米工艺制造,内核面积216平方毫米,而如果使用4004的10微米工艺,Sandy
Bridge的内核面积将是21平方米,或者说7×3米。感谢摩尔定律。

尽管8008是第一款8位处理器,但是并没有前任4004或者继任者8080那么著名。借助于8位数据传输,它的性能比4004有所提升,但频率依旧保守地定在200-800KHz之间,使用10微米工艺制造的8008的性能并没有打动消费者们。

适用类型

5、4004的频率为74KHz,Sandy
Bridge则可达4GHz左右。如果汽车的速度也照此提升,那么今天从旧金山开到纽约,或者从葡萄牙里斯本开到俄罗斯莫斯科,都只需要1秒钟。

Intel的8080处理器则要成功的多,它增加了新的指令集并采用了6微米的制造工艺。这让频率几乎翻了一番,1974年性能最高的8080达到了2MHz的频率。8080被用到了大量的设备上去,这吸引了许多开发者,例如刚成立不久的微软,投身到Intel处理器的软件开发上。到8086发布的时候,它通过兼容8080来保持软件兼容性。结果是8080系列处理器和其他的关键硬件遍布当时所有的X86微机系统,8080的软件可以在任何X86处理器上运行。8085是8080的低价高能版本,尽管很成功但影响力不大

笔记本

6、从4004到Sandy
Bridge,晶体管的速度提升了5000倍,功耗只有当初的5000分之一,价格则降低到了50000分之一。

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手机/平板

7、贝尔实验室1947年发明的晶体管有一个手掌那么大,而在22nm三栅极工艺下,一个针头(直径约1.5毫米)的空间就能放下10多亿个晶体管。

8086:X86的起点

适用类型

8、一个英文句点(0.1平方毫米)就能容纳600多万晶体管。

Intel的第一款16微处理器,相比于8080大有提升。不仅频率更高,而且16位总线和其它附加硬件允许8086同时执行两条8位指令。它也能执行更高效的16位任务,但此时大多数软件是8位软件,所以支持16位在多任务能力面前显得不那么重要。地址总线则扩展到了20位,使得8086可以存取1MB的内存,因而提高了性能。

CPU系列

好了,下边开始看图——

8086是史上第一款X86处理器,使用第一版的X86指令集架构,这是日后AMD和Intel几乎所有处理器的基石。

凌动

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4004处理器:740KHz(0.74MHz),10微米

Intel与此同时也在生产8088处理器,这款处理器以8086为蓝本,但是外部总线只有8位。因为依旧能访问1MB内存和运行在较高频率,它比Intel的旧8位处理器性能快得多。

凌动

4004,时至今日即将整整40年。为了纪念这历史性的一刻,Intel今天放出了大量珍贵的历史…

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CPU系列

80186和80188

包装形式

继8086之后Intel发布了一些使用相似架构的16位处理器。首先是80186处理器,设计用于缓解使用80186
CPU成品机的制造压力。Intel将一些原本在主板上的硬件移到了CPU中,包括时钟发生器,中断控制器和计时器,通过集成这些部分,80186比8086快上许多,Intel也通过提高时钟频率来提升性能

 

80188同样集成了部分硬件,但是像8088那样总线被限制为8位总线

散装

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包装形式

80286:更多的内存 更好的性能

CPU频率

80286和80186于同年发布,有着几乎相同的特性,但是80286的地址总线扩展到了24位,使得最高能访问16MB的内存

CPU主频

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1.8GHz

iAPX 432

1.33GHz

iAPX 432是Intel对于偏离X86的不同设计的一种尝试。Intel希望 iAPX
432性能能够更上一步,但因为一些设计上的缺陷,这款处理器最终以失败告终。尽管X86处理器已经很复杂了,iAPX
432则将CISC复杂度更上一层。芯片的设计过于庞杂,迫使Intel不得不把它做成分离的两片芯片。处理器对于数据吞吐的庞大需求致使带宽不足而性能表现不佳。它比8080和8086表现要好,但不敌后续的X86处理器,最终被放弃

CPU主频

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最大睿频

i960:Intel的RICS初尝试

 

Intel在1984年推出了自家的第一款RICS处理器,但它并不是设计与自家的X86处理器竞争,而是主要被用于嵌入式安全解决方案。它的内部设计基于BerkeleyRISC
32位超标量设计概念。最初的i960处理器频率非常低,低速模式仅仅有10MHz,但是经过逐年改进和更先进的制程,它的最终频率达到了100MHz。同样支持4GB内存,被广泛应用于军事系统和商业系统中

1.83GHz

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最大睿频

80386:X86的32位开端

CPU插槽

Intel的第一款32位X86处理器是80386,于1985年发布。其中最关键的特性就是采用了32位地址总线最大支持4GB内存,尽管这个数字比当时大多数人用的要大得多,但RAM的限制损害了早先X86处理器和它的竞品的性能。与现代CPU不同的是,在80386时代,更多的RAM能够直接转化为性能的提升。Intel同时采用了一些架构改进来提升相同RAM大小的性能表现

插槽类型

为了让产品线在价格上更加友好,Intel发布了80386SL,和32位的80386几乎相同,不过限制了只能进行16位操作,不过它同样支持最大4GB
RAM,但只能运行16位应用

FCBGA559

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BGA 592

.i860

插槽类型

在1989年,Intel再次尝试了非X86处理器,他们推出了全新的RICS处理器i860。不像早先的i960,这次的i860被设计用于直接在桌面级市场竞争,但是这次的设计问题繁多,它最明显的缺陷是处理器的性能严重依赖于编译器在软件启动时将指令编排好顺序,这虽然帮助Intel将芯片尺寸缩小,复杂度降低,但是在编译过程中将指令从头到尾正确排序几乎是不可能的,最终导致了处理过程中的高延迟

针脚数目

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80486:整合浮点运算

592pin

80486是CPU性能史上的又一里程碑,它成功的关键在于在CPU中整合更多的元件。80486上第一次出现了一级缓存,早期的80486封装了8KB缓存,使用1000nm制程。不过随着制程发展到600nm,一级缓存增加到了16KB

针脚数目

此外,Intel还整合了FPU,在此之前一直作为一个分离的处理单元。通过将FPU整合进CPU,它们之间的延迟大大降低。80486还使用了更快的FSB接口来提升带宽和其它技术来提升性能。这些改进显著提高了80486的性能。

封装模式

最初的80486时钟频率为50MHz,后来的采用600nm制程的型号达到了100MHz。在消费领域还发布了80486SX,移除了FPU部分

 

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BGA

P5:最初的Pentium

封装模式

最初的Pentium
CPU在1993年发布,但没有沿用80X86的命名方式。Pentium采用了P5架构,这是Intel在X86
CPU首次采用超标量技术(注:这与我们现在常提到的超线程技术不同),尽管全面超越了80486,但最突出的进步是改进了FPU。

CPU内核

最初的Pentium FPU性能达到80486的十倍,在接下来推出的Pentium
MMX中这一特点更加显著,它和最初的Pentium处理器架构相同,但新的MMX
SIMD指令集令性能大幅提升

核心代号

Intel同样提升了一级缓存的大小,Pentium提升到16KB,Pentium
MMX提升到32KB。当然频率也在提升,最初的Pentium使用800nm制程,运行在60MHz,但在之后的版本中,采用250nm的Pentium达到了300MHz的频率

wireless display

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Trinity

P6架构:Pentium Pro

核心代号

Intel计划在Pentium之后迅速推出基于P6架构的Pentium
Pro系列,但是遇到了技术问题。借助于Out-of-Order设计,Pentium
Pro的性能大大提高。最显著的特性是其内部有一个将指令分解为微指令的架构,随后送到通用执行单元。此外还采用了典型的14级流水线结构

核心数量

最初的目标是面向服务器市场,将地址总线提升至32位并且增加了PAE,使得最大能支持到64GB
RAM,这远超一般消费者的需求,但大容量内存支持对服务器市场来说很重要

双核心

缓存系统也得到了改进,一级缓存使用在2片8KB高速缓存,一片存取指令,一片存取数据。为了弥补和Pentium
MMX
16KB缓存的差距,Intel采用了从256KB到1MB大小不等的二级缓存,以与CPU相连的单独芯片形式封装在CPU中,它与CPU通过BSB总线相连

四核心

Intel原来打算把Pentium
Pro推向消费者市场,不过最终只在服务器市场销售,Pentium
Pro带来了几种革命性改进,但是表现难以在Pentium和Pentium
MMX面前脱颖而出,后两者在16位操作下性能优异,而那时软件市场还是16位的天下,同时由于缺乏对于MMX指令集的支持,结果导致Pentium
Pro在MMX指令集优化软件下表现不佳

核心数量

PentiumPro或许会在消费级市场站住脚,但是由于分离的辅助芯片导致造价依旧昂贵。最快的Pentium
Pro处理器能达到200MHz,制造工艺为500nm和350nm

线程数

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四线程

P6架构: Pentium II(1997-1999)

四线程