2022年详述Intel系列CPU架构的发展史 .pdf

Intel 系列 CPU 架构的发展史CPU(Central processing Unit)，又称“微处理器(Microprocessor)”，是现代计算机的核心部件。对于 PC 而言，CPU 的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。（一）、4004 时代1971 年，当时还处在起步阶段的Intel 公司推出了世界上第一颗微处理器4004。是第一个用于计算器的4 位微处理器，含有 2300 个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，从此以后，INTEL 便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU 的历史发展历程一定意义上也就是Intel 公司 x86系列 CPU 的发展历程。4004 处理器核心架构图：（二）、8008 时代世界上第一款8 位处理器C8008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，但是整体效能要比4004 好上许多。8008 可以支持到 16KB 的内存。D8008则是后期出的量产版，发布时间为1972 年，8 位运算+16位地址总线+16 位数据总线，同时它也包含一些输入输出端口，这是一个相当成功的设计，还有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。（三）、8080 时代intel 推出的 8080 不仅扩充了可寻址的存储器容量和指令系统，而且指令执行速度是 8008 的 10 倍。另一方面 8080 可直接与 TTL（晶体管-晶体管逻辑）兼容，而 8008则不能，这样就使得接口设计更容易，而且价格更便宜。8080 可寻址的范围（64KB）是 8008（16KB）的 4 倍，随后，1974 年第一台 PC 机 MITS Altair 8800问世了。它写的 BASIC 语言解释程序是由Bill Gates（比尔 盖茨）和 Paul Allen 于 1975 年开发的，他们是 Microsoft 公司的创始人。（四）、8085 时代8085 的最低主频3 MHz，最高主频也不过6MHz。当年使用此 CPU 的厂商非常多，包括了AMD，FUJI，TOSHIBA，SIEMENS 等等。此 CPU 是 8085 系列中拥有最高主频的一颗。（五）8086 时代1978 年，Intel 公司首次生产出16 位的微处理器，并命名为i8086，它的产品线也分了 3 个部分，分别是 8086，80868，808610。后缀分别代表了CPU 的主频。8086是整个产品线中最低主频的一颗，仅仅是 4.77MHz。它与上一代产品最大的区别就在于它是一颗 16bit 的处理器。同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，在 i8087 指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等的数学计算指令，这两种芯片使用相同的指令集，可以互相配合提升科学运算的效率。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -（六）80286 时代1982 年，Intel 推出了划时代的最新产品80286 芯片，虽然它仍旧是16 位结构，但是在CPU 的内部含有13.4 万个晶体管，时钟频率由最初的 6MHz 逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16 位，地址总线24 位，与 8086相比，80286 寻址能力达到了16MB，可以使用外存储设备模拟大量存储空间，还能同时运行多个任务，其速度比8086 提高了 5 倍甚至更多。（七）80386 时代1985 年 Intel 推出了 80386 芯片，它是80 x86 系列中的第一种32 位微处理器，制造工艺也有了很大的进步。80386 内部内含 27.5 万个晶体管，时钟频率为 12.5MHz，后逐步提高到25MHz。80386 的内部和外部数据总线都是32 位，地址总线也是32 位，可寻址高达4GB 内存。同时也是第一种具有“多任务”功能的处理器 这对微软的操作系统发展有着重要的影响。（八）80486 时代【80486，最后一代以数字编号的cpu】1989 年，Intel 推出 80486 芯片，它集成了120 万个晶体管。80486 的时钟频率从 25MHz 逐步提高到33MHz、50MHz。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 80 x86 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。（九）、Pentium（奔腾）时代【P5 架构，带来了第一款与数字无关的处理器】1993 年，英特尔发布了Pentium(奔腾)处理器。本来按照惯常的命名是80586，但是因为实际上“586”这样的数字不能注册成为商标使用，因此英特尔绝对使用自造的新词来作为新产品的商标Pentium。Pentium 处理器集成了310 万个晶体管，最初推出的初始频率是60MHz、66MHz，后来提升到200MHz 以上。第一代的Pentium代号为 P54C。但是由于其Socket 插座与其后推出的Socket 7 不同，不但不能升级以外，更有极大可能是有内部缺陷的产品，最后，当时的英特尔总裁安迪葛洛夫于1993年 11 月 29 日向全球用户道歉，并承诺回收产品，最终的结果是重新赢得了消费者的信任，Pentium 再度成为市场上最畅销的产品。（十）Pentium pro 即 P6 架构1995 年 Intel 推出了 Pentium Pro（中文名称“高能奔腾”），尽管性能不错，但远没有达到抛离对手的程度，加上价格十分昂贵，因此Pentium Pro实际市场生命也非常的短，但 Pentium Pro的设计思想和总体架构却对Intel 此后的处理器设计造成了深远的影响。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。Pentium Pro的工作频率有150/166/180和 200MHz四种，都具有16KB的一级缓存和256KB的二级缓存，有 550 万个晶体管。Pentium Pro的推出，为以后Intel 推出 P奠定了基础。（十一）、Pentium MMX 即 P6 架构支持多媒体技术Intel 在 1996 年底推出了奔腾系列的改进版本，厂家代号P55C，也就是我们平常所说的奔腾MMX（中文名称“多能奔腾”）。英特奔腾 MMX 的推出，是 Intel 的辉煌时名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -代的到来。它并没有集成当时卖力不讨好的二级缓存，而是采用MMX 技术去增强性能。MMX 技术是INTEL 最新发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译“多媒体扩展指令集”。MMX 是 Intel 公司为增强奔腾CPU 在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术，为CPU 增加了57 条 MMX 指令，还将CPU芯片内的L1 缓存由原来的16KB 增加到32KB（16K 指命+16K 数据），因此 MMX CPU 比普通CPU 在运行含有MMX 指令的程序时，处理多媒体的能力上提高了60 左右。MMX 技术不但是一个创新，而且还开创了CPU 开发的新纪元。（十二）Pentium II 融合 MMX 技术 Intel 近 10 年来在架构方面最显著的提高。MMX 技术提升了视频的加压和解压、图像处理、编码及I/O 处理，所有的这一切在今天的办公套件、商用多媒体、通信和Internet 中被广泛地应用。1 单指令-多数据(SIMD)技术：使得一条指令能完成多重数据的的工作。这就好比一个长官对整个排发出立正!的命令,而不是对每个士兵都说一遍。SIMD 允许芯片减少在视频、声音、图像和动画中计算密集的循环。2 新的指令集：Intel 的工程师们特别设计了57 条功能强大的指令,以更有效地操作、处理视频、声音和图像数据。3.紧密相连的512K 二级高速缓存器4.266MHz 处理器主频,支持嵌入式应用5.66MHz 系统总线频率6.优化的包装体积：42.50.39 英寸。7.能耗低：整个模块最大能耗为12.4W。为满足嵌入式应用市场的需求，Intel 还将提供应用软件开发支持、参考设计、第三方开发工具和服务零售商的联络信息、BIOS 以及操作系统。在Intel 奔 2 之后，为了占领更多的市场，推出了 celeron 系列，核心架构也和Pentium II 一样，具有MMX 多媒体指令集，但是Pentium II 上的 L2 缓存没了，除了可以降低成本之外，最主要是为了和当时的主流Pentium II 在效能上有所分别；当时Pentium II 处理器的外频为100 MHz(最早是Pentium II 350)，而属于低价的Celeron 则是维持传统的66MHz。由于不具L2 缓存的 Celeron 效能以及价位上并不能够取代K6-2（奔腾 2），所以 Intel 再度推出新版本的Celeron（核心代号：Mendocino），不但加上了L2缓存之外，而且采用PPGA 封装技术，在Intel 强力促销下，成功的成为低价处理器的主流，其中更是以Celeron 300A 扮演着相当重要的角色。可以看得出，Celeron与 Pentium II是英特尔决定将高低产品线用不同的品牌区分的开始，事实也证明这种市场策略的成功。（十三）、Pentium III 时代：【P6 架构一直沿用】1999 年英特尔发布了Pentium III 处理器，引入了 70 条新指令（SIMD，SSE），主要用于因特网流媒体扩展、3D、流式音频、视频和语音识别功能的提升。Pentium III可以使用户有机会在网络上享受到高质量的影片，并以3D 的形式参观在线博物馆、商店等，Pentium III 处理器集成了950 万个晶体管，并且是首个使用0.26 微米技术的微处理器。同样，Pentium III 也有对应型号的Celeron 处理器，来应对低端市场。起初的P3 处理器仍然采用Slot 1 接口，随后英特尔开发出来代替SLOT 架构的 Socket 370 架构，也采用零插拔力插槽，对应的CPU 是 370 针脚，并且将制造工艺成功专制成0.18微米。与此同年，作为Pentium II Xeon的后继者，英特尔还发布了Pentium III Xeon名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -处理器，它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，（十四）、Pentium IV 时代：巅峰王朝-NetBurst架构。2000 年英特尔发布了Pentium 4 处理器，自此 Intel 来到了一个一统江湖的时代。基于 Pentium 4 处理器的个人电脑，可以让用户创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，并进行实时语音、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。（分别为423 针、478 针）NetBurst 架构的 Pentium 4 是 Intel 沿用时间最长的一代构架，具有较快的系统总线、高级传输缓存，Pentium 4还提供的 SSE2 指令集。尽管如今的Pentium4 已经是众人皆知的产品，但是在其发展初期可并不是一帆风顺。第一代 Pentium 4（Willamette）核心就饱受批评。起初 P4 处理器集成了4200 万个晶体管，并设计有 256KB 二级缓存，此时的整体性能受到很大影响。很快改进版的Pentium 4（Northwood）出现了，新款处理器集成了5500 百万个晶体管；采用 0.18 微米进行制造。当然 Pentium 4 也有对应型号的 Celeron 处理器，来应对低端市场。Socket 478的 Pentium 4 处理器面积很小，其针脚排列极为紧密。英特尔公司的Pentium 4 系列和 P4 赛扬系列都采用此接口。随着制造工艺的进步，Intel 将取代 Northwood核心的新 Prescot（普雷斯科特）核心处理器的制造工艺全面转移到了90 纳米，Prescot 核心处理器已经将晶体管数量由原来的5500 万个提升到现在的125 亿个晶体管，晶体管数量的增加能够使芯片存储量增至原来的两倍，而芯片的体积更小，这样可大幅提高芯片运行速度。（十五）、安腾（Itanium）处理器64 位处理器时代的到来2001 年英特尔推出的Itanium 是 64 位处理器家族中的首款产品，2002 年推出英特尔安腾 2（Itanium2）处理器。该处理器能为数据库、计算机辅助工程、网上交易安全等提供领先的性能。英特尔推出新款Pentium 4处理器内含创新的Hyper-Threading（HT）超执行绪技术。超执行绪技术能同时快速执行多项运算应用。（十六）、奔腾M/赛扬 M（Pentium M/Celeron M）处理器【Pentium M架构】奔腾 M 处理器、855 芯片组家族、英特尔PRO/无线 2100 网卡是英特尔迅驰?移动计算技术的三大组成部分。英特尔迅驰移动计算技术：专门用于便携式计算，具有内建的无线局域网能力和突破性的创新移动性能。该处理器支持更耐久的电池使用时间，以及更轻更薄的笔记本电脑造形。【Pentium D 处理器】-首颗内含 2 个处理核心的 Intel Pentium D处理器登场，正式揭开x86 处理器多核心时代。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -（十七）、Core Duo处理器=【Yonah 微架构】是用来取代Pentium M架构的产品，第一款芯片的产品代号为Yonah，是英特尔向酷睿架构迈进的第一步，但是它并 没有采用酷睿架构，而是介于NetBurst和 Core 架构之间（第一个基于Core 架构的处理器是酷睿2）。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。最初酷睿处理器是面向移动平台的，它是英特尔迅驰3 的一个模块。酷睿使双核技术在移动平台上第一次得到实现。（十八）、Core 2 Duo 处理器=【真正的Core 微架构】2006 年 7 月 27 日英特尔推出的新一代基于Core 微架构的产品体系Core 2 Duo，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。全新的 Core 架构，彻底抛弃了Netburst架构，全部采用65nm制造工艺，全线产品均为双核心，L2 缓存容量提升到4MB，晶体管数量达到2.91 亿个，核心尺寸为143 平方毫米，性能提升40%，能耗降低40%，主流产品的平均能耗为65 瓦特，前端总线提升至1066Mhz(Conroe)，1333Mhz(Woodcrest)，800Mhz（Merom）。有一点要特别说明：有不少消费者往往将Core 和 Conroe（扣肉）混淆。实际上，我们把Core 音译为酷睿，它是 Intel 这一代处理器产品统一采用的微架构，而 Conroe（扣肉）只是对基于Core 微架构的桌面平台级产品的代号。由于上一代采用Yonah 微架构的处理器产品被命名为Core Duo，为了区分，Intel 这一代桌面处理器Conroe 以及笔记本处理器Merom 都将被统一叫做Core 2 Duo。另外，Intel 的顶级桌面处理器被命名为Core 2 Extreme，以区别于主流处理器产品。对 Core 微架构做一个简单的概括：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微架构。最显著的变化在于在各个关键部分进行强化，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。加入对EM64T与 SSE4 指令集的支持。由于对EM64T的支持使得其可以拥有更大的内存寻址空间，而且使用了Intel 最新的五大提升效能和降低功耗的新技术，因此对于移动平台意义尤为重大。目前比较普遍的看法是，Core 微架构是Pentium Pro 架构，或者说是P6 微架构的延续。（十九）、Penryn家族处理器=【也采用Core 微架构，主要是工艺改进】2006 年的 Core 微架构取代NetBurst微架构，让 Intel 的 Tick-Tock微架构发展战略站到了人们的面前。Tick-Tock就是时钟的“嘀嗒”的意思，一个嘀嗒代表着一秒，而在Intel的处理器发展战略上，每一个嘀嗒代表着2 年一次的工艺制程进步。每个Tick-Tock中的“Tick”，代表着工艺的提升、晶体管变小，并在此基础上增强原有的微架构，而“Tock”，则表示在维持相同工艺的前提下，进行微架构的革新，这样在制程工艺和核心架构的两条提升道路上，总是交替进行，避免了同时革新可能带来的失败风险，降低研发的周期，并最终名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -提升产品的竞争力。Intel 于 2007 年 11 月 12 日在美国发布了仍基于Core 微体系架构的“Penryn”家族。相比于前者，Penryn把工艺制程提升至45nm，因此Penryn仅属于Intel的“Tick”。其中双核处理器内部集成超过4 亿个晶体管，而四核处理器则拥有超过 8 亿个晶体管。随着工艺制程的进一步提升和集成晶体管数量的增加，晶体管内部的漏电现象愈加明显。为了解决这一问题，Intel 在“Penryn”家族中使用了基于铬元素的高K 金属栅极硅制程技术。从 65nm 到 45nm 的工艺提升不仅仅缩小了芯片的面积，Penryn家族还增了相当多的技术特性，其中包括SSE4（SIMD 流指令扩展4），用以增强媒体性能。同时还增强了英特尔虚拟化技术、更快的数字除法运算速度、更快的缓存及内存读取速度、降低总体能源的消耗。Penryn家族桌面版双核处理器的核心代号是Wolfdale”，四核处理器的核心代号“Yorkfield”，是65nm Core架构的升级版版。其中Wolfdale则是双核心 Core 2 Duo的下一代，例如E 系列；Yorkfield是四核心Core 2 Extreme和Core 2 Quad的继任者，例如Q8、Q9、QX9 系列。（二十）、Nehalem家族处理器=【Nehalem架构，45nm】2008 年末推出了新的Nehalem微架构，它是在Core 微架构的骨架上外加增添了SMT、3 层 Cache、TLB 和分支预测的等级化、IMC、QPI 和支持DDR3等技术。该系列的全部是带 i 的型号，像我们平时说的Bloomfield、Lynnfield、Clarkdale这些都是核心研发代号，而不是架构名称。Nehalem架构的主要特点：1、缓存设计：采用三级全内含式Cache 设计，L1 的设计与Core 微架构一样；每个核心各拥有256KB的 L2 Cache；L3 则是采用共享式设计。2、集成了内存控制器(IMC)：内存控制器从北桥芯片组上转移到CPU 片上，支持三通道DDR3 内存，内存读取延迟大幅减少，内存带宽则大幅提升。3、快速通道互联（QPI）：取代前端总线(FSB)的一种点到点连接技术，20位宽的QPI 连接其带宽可达25.6GB/s，远超过原来的FSB。4、SSE4.2指令集的加入，可以有效提升XML，sring和文本处理的性能。基于 Nehalem微架构的Bloomfield处理器(Bloomfield也是产品代码)已经正式命名为酷睿i7。Intel Core i7是一款45nm 原生四核处理器，处理器拥有8MB 三级缓存，支持三通道DDR3 内存。处理器采用LGA 1366针脚设计，支持第二代超线程技术，也就是处理器能以八线程运行。酷睿 i5 处理器是英特尔的一款产品，同样建基于Intel Nehalem微架构Core i5只会集成双通道DDR3 存储器控制器，采用全新的LGA 1156，不支持超线程技术。L2 缓冲存储器方面，每一个核心拥有各自独立的256KB，并且共享一个达 8MB 的 L3 缓冲存储器。处理器核心方面，代号Lynnfiled，采用45 纳米制程的 Core i5会有四个核心，芯片组方面，会采用Intel P55，但 P55 不会采用较新的 QPI 连接，而会使用传统的DMI 技术。（二十一）、Westmere 家族处理器=【Nehalem微架构，32nm】Westmere是 45nm 工艺 Nehalem微架构的新工艺升级版，采用 32nm 工艺，并增加了AES 指令集等新特性。Westmere家族首批产品在桌面上是Clarkdale，双核心，命名为Core i5/i3系列；接下来即将发布Gulftown，六核心，属于Core 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -i7 系列。除了工艺之外，Westmere最大的特点就是最高集成了6 个处理器核心，包括 12MB L3缓存，共多达11.7 亿晶体管。（二十二）、Sandy bridge（SNB）家族处理器=【sandy bridge架构，32nm】2009 年（TICK 时间），Intel 处理器制程迈入32nm 时代，2010 年的 TOCK时间，Intel 推出代号为Sandy Bridge的处理器，该处理器采用32nm 制程。Sandy Bridge 是 Nehalem架构的革新，也是其工艺升级版，从 45nm 进化到 32nm。Sandy Bridge 将有八核心版本，二级缓存仍为512KB，但三级缓存将扩容至16MB。而Sandy Bridge最主要特点则是加入了game instrution AVX(Advanced Vectors Extensions)技术，也就是之前的VSSE。intel宣称使用AVX技术进行矩阵计算的时候将比SSE 技术快90%。其重要性堪比1999 年 Pentium III引入 SSE。SNB 家族仍然沿用Core i7/i5/i3的品牌+2XXX 命名方式，编号上则采用四位数字。对于桌面版的CPU 来说：其中第一位均为“2”，代表第二代Core ix系列；最后末尾：K 代表不锁定倍频，都是高端产品；S 代表性能优化，原始频率比没有字母后缀的低很多，但是单核心加速最高频率基本相同，另外热设计功耗都是65W；T 代表功耗优化，热设计功耗只有45W 或 35W，但是频率也是最低的。移动版末尾带有M，（二十三）、Ivy bridge 家族处理器=【sandy bridge架构，22nm】2012 年 4 月 24 日，Intel 在北京正式发布了ivy bridge处理器。根据官方网站上的描述，Ivy Bridge将会成为第三代酷睿处理器，也就是说继续使用Core i7/i5/i3的品牌+3XXX的命名方式。32nm Sandy Bridge已经实现了处理器、图形核心、视频引擎的单芯片封装，其中图形核心拥有最多12个执行单元，支持DX10.1、OpenGL 2.1，在此基础上，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。此前还有消息称，Ivy Bridge会终于加入对DX11 的支持。未来处理器领域的整合趋势仍然相当明显，英特尔仍然会将图形核心整合到CPU内部，与其搭配的仍将是DMI总线芯片组，并且支持FDI功能，也就是Flexible Display Interface技术，此技术可以支持用户同时输出两屏或者三屏显示。英特尔承诺未来的Ivy Bridge 将会拥有更佳的能效比，这当然首先是来自于更为先进的22 纳米制造工艺，当然其他的优化也是能效提升的重要因素。型号级别描述举例XM 移动四核至尊版i7-2920XM QM 移动四核标准版i7-2820QM M 移动双核电源优化版i7-2620M 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -