Intel系列CPU架构的发展史

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800810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800816KB)的4倍,随后,1974年第一台PCMITS Altair 8800问世了。写的BASIC语言解释程序是由Bill Gates(比尔·盖茨)和Paul Allen1975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AMDFUJITOSHIBASIEMENS等等。此CPU8085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808680868808610。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。

 

(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,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   

 1985Intel推出了80386芯片,它是80x86系列中的第一种32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25MHz80386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33MHz50MHz80486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(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——PentiumPentium处理器集成了310万个晶体管,最初推出的初始频率是60MHz66MHz,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19931129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  P6架构

1995Intel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150/166/180200MHz四种,都具有16KB的一级缓存和256KB的二级缓存,有550个晶体管。Pentium Pro的推出,为以后Intel推出PⅡ奠定了基础。

 

(十一)、Pentium MMX   P6架构  支持多媒体技术

      Intel1996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MMXIntel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57MMX指令,还将CPU芯片内的L1缓存由原来的 16KB增加到32KB16K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——Intel10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4×2.5×0.39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Intel2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, 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,CeleronPentium 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(SIMDSSE),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CPU370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 4Intel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 4Willamette)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 4Northwood)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 478Pentium 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 64位处理器家族中的首款产品,2002年推出英特尔安腾2Itanium2)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-ThreadingHT)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MPentium 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。

(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没有采用酷睿架构,而是介于NetBurstCore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】

2006727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)800MhzMerom)。

有一点要特别说明:有不少消费者往往将CoreConroe(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。

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EM64TSSE4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IntelTick-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,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,并最终提升产品的竞争力。

Intel20071112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。

65nm45nm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SSE4SIMD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 ExtremeCore 2 Quad的继任者,例如Q8Q9QX9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SMT3CacheTLB和分支预测的等级化、IMCQPI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256KBL2 CacheL3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FSB4SSE4.2指令集的加入,可以有效提升XMLsring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8MBL3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

Westmere45nm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 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 BridgeNehalem架构的革新,也是其工艺升级版,从45nm进化到32nmSandy 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VSSEintel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1999Pentium 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65WT代表功耗优化,热设计功耗只有45W35W,但是频率也是最低的。移动版末尾带有M

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

 

(二十三)、Ivy bridge 家族处理器   ===sandy bridge架构,22nm

2012424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DX10.1OpenGL 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。

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