Intel的CPU发展史

1Intel的CPU发展史生物资源与环境科学学院生物科学（师范）专业2009级付鹏桢20094071006摘要：本文将对intel系列CPU及其架构做简要介绍，CPU(CentralprocessingUnit)，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。关键词：Intel的CPUCore微架构一Intel的cpu发展史1968年7月18日，鲍勃-诺斯和戈登-摩尔的新公司在美国加利福尼亚州，美丽的圣弗朗西斯科湾畔芒延维尤城的梅多费大街365号开张了。并在成立不久斥资15000美元从一家叫INTELCO的公司手中买下了INTEL名称的使用权。由此INTEL这位半导体巨人开始了他在IT行业传奇般的历史。1971年11月15日，这一天被当作全球IT界具有里程碑意义的日子而被写入许多计算机专业教科书。INTEL公司的工程师霍夫发明了世界上第一个微处理器—4004，这款4位微处理器虽然只有45条指令，而且每秒只能执行5万条指令。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，一块4004的重量还不到一盅司。1993年，具有里程碑意义的INTELPentium处理器正式发布，宣布个人电脑开始进入多媒体时代。2003年3月，INTEL有史以来首次发布一种完整的计算解决方案—迅驰移动计算技术，此次发布可以看作是INTEL全面进军移动便携式电脑的先兆。微处理器的发展一直在遵循着摩尔定律，始终没有违背，但正式按照定律和目前的研发速度，专家们推断目前的微处理器生产技术即将面临一道难以逾越的鸿沟。INTEL似乎看到了处理器发照举步艰难。因此再次敞开了广博的胸襟，把臂膀伸向自己尽可能触及的芯片制造领域中，迅驰移动技术也成了INTEL叩开未来之门的敲门砖。1965年，戈登-摩尔在准备一个演讲时发现了一个具有历史意义的现象。当他开始制作图表来表示内存芯片性能增长数据时，发现了一个惊人的增长趋势，芯片容量每18—24个月增长一倍。据此推理，如果按照这一趋势发展下去，在较短的时间内计算能力将呈现规律增长。INTEL经典芯片1、Intel430FX芯片组Intel430FX芯片组是Intel公司生产的第一款芯片组，当时Intel公司就凭它在芯片组领域一炮打红，从此IntelCPU配Intel芯片组主板性能极佳的说法被人们广为流传。2TritonFirst芯片组，其是当时最早提供对EDODRAM支持的奔腾级芯片组，它所构建的以高速EDODRAM与第一代原始Pentium处理器相配和的方案在很长一段时间内都是追求高性能用户的理想选择。此款芯片组的CACHE类型为管线突发式，最大容量为512KB，缓存容量为64MB。在内存方面，他最大支持128MB的内存容量，EDODRAM读取时间为7-2-2-2FPMDRAM读取时间为7-3-3-3，数据带宽为64BIT，这在当时是很难想象的。2、Intel430VX芯片组Intel在推出了两款最成功的CPU之后突然觉得还缺点什么，原因是原始的FX芯片不能满PentiumMMXCPU的需要，而HX芯片组性能好，但它昂贵的价格并不能被一般用户所接受。所以Intel急需推出一款新的芯片组来补充FX芯片组与HX芯片组之间的真空地带。就是在这种情况下Intel430VX芯片组诞生人们习惯的称它为TritonThree。但人们发现这款TritonThree在性能上并不比Triton2强，只是他低廉的价格被经济不富裕得人津津乐道。3、Intel440LX芯片组Intel440LX芯片组随着CPU制造工艺的高速发展，一款功能强大的PentiumII处理器终于横空出世了。为了推广这款CPU，1997年5月，Intel特意为它定做了一套新衣服——440LX芯片组。首次支持AGP、SDRAM和Ultra/33功能，而且它支持两个处理器，是当时最强劲的芯片组。4、440BX芯片Intel440BX芯片组是寿命最长的一款芯片组，也可以说是Intel公司最成功的芯片组产品了，直到今天它还是被很多人津津乐道。这款440BX配合Intel的CeleronCPU能发挥出极好的超频效果，而且它的价格也不昂贵，所以它在长达两年的时间里一直被广大DIY爱好者所喜爱。5、Intel810芯片组继成功推出IntelBX之后，Intel便下了大赌注全部投在下一代芯片组产品上，这就是I810。I810不仅仅是Intel首款整合型芯片组产品，同时也是Intel尝试的新式“固件控制中心”架构式设计，一改以往的南北桥设计，这种新式的设计独道之处在于，将各部分性能分解成为独立的芯片，重新设计了芯片间通道的传输方式和速度，因而在性能上得以提高。不过，这款产品的市场反映并不是很好，使Intel有些黯淡。6、Intel820芯片组有了RAMBUS的助阵，加之I820的许多新设计，Intel便在梦想着收复所有失去的芯片组领地，但是事实又给了Intel重重的一击。因为RAMBUS内存的授权权益金相当高昂，加之RAMBUS内存的生产成本居高不下，对于普通的用户来说简直是无法想像的。I820的上市，可以说是让Intel用钞票买来了一个教训，因为Intel在I820身上损失惨重。37、Intel815芯片组时近千禧年末，Intel传来了一个好消息，那就是简洁版的I815芯片组I815EP全面上市，除了增加了对ATA100的支持以外，还去掉了内置的昂贵I752显示模块。这下，性价比大幅提升，是I815EP主板在PIII市场呼风唤雨。8、Intel850芯片组2000年11月21日，Intel发布了新一代的奔腾处理器—奔腾四，采用Willamette核心，Sock423接口，配套的芯片组产品是I845和I850，I845支持PC-133SD内存，而I850则使用Rambus内存，这是820芯片组回收时间后，Intel再次推出支持Rambus内存的芯片组。二Intel的处理器构架简介一、P5与P6架构奔腾采用P5架构，这被证明是伟大的创举。在英特尔的发展历史中，第一代奔腾绝对是具有里程碑意义的产品，这一品牌甚至沿用至今，已经有十几年的历史了。尽管第一代奔腾60的综合表现很一般，甚至不比486DX66强多少，但是当主频优势体现出来之后，此时所表现出来的威力令人震惊。奔腾75、奔腾100以及奔腾133，经典的产品一度称雄业界。在奔腾时代，虽然英特尔在处理器微架构方面一直保持着领先，但是英特尔并未停止前进的步伐，于是在发布奔腾的下一代产品奔腾II时，英特尔采用了专利保护的P6架构。P6架构与奔腾的P5架构最大的不同在于，以前集成在主板上的二级缓存被移植到了处理器内，从而大大地加快了数据读取和命中率，提高了性能。二、NetBurst架构Netburst微架构是P6微架构的后继者，第一个使用这架构的是Willamette核心，于2000年推出。Willamette是第一代奔腾IV处理器所用的核心，而全部的奔腾IV处理器都是使用Netburst微架构。2001年推出的Foster（至强处理器）也是使用本架构，同时基于奔腾IV的赛扬、赛扬D，以及双核心的奔腾D、奔腾ExtremeEdition都是使用本架构。立足于性能而设计的英特尔NetBurst微架构将频率提升超过了40%，虽然IPC值较低，但由于频率的增加弥补了不足（性能=频率×IPC），并且为最终用户提供了更高的整体性能。和P6微架构一样，英特尔NetBurst微架构凭借无序推测执行，尽管分支预测算法相当精确，但也不可能100%正确。为了使由于分支误预测而引起的损失降到最低并使IPC均值最大化，采用扩展深度流水线技术的IntelNetBurst微架构极大地减小了分支预测错误的数量，并提供了从这些错误恢复的快速方法。为了能使误预测引起的损失最小，英特尔NetBurst微架构实现了高级动态执行引擎和一个执行跟踪缓存。4不过值得一提的是，英特尔NetBurst微架构中使用了超流水线技术，这使得流水线的深度相比P6微处理器体系结构的提高了一倍，不过在后来的实际应用中表明提高流水线长度之后会令执行效率大幅度降低，能够弥补这个问题的办法只能是再次提高主频和增加二级缓存容量。不过由于当时处理器工艺制成的限制，导致处理器的主频的可提升空间越来越小，与此同时巨大的缓存容量也是一个负担，这不仅提高了成本，也令发热量骤升。这一点使得英特尔必须要及时地对处理器微架做出新的，根本性地调整。三、Core微架构由于NetBurst架构已经无法满足未来处理器发展的需要，所以英特尔于2006年推出了具有革新意义的Core微架构。1．流水线效率大幅度提升主频至上的处理器研发思路显然已经被淘汰。Core微架构的处理器将超流水线缩短到14级，这将大幅度提升整体效率。此外Core微架构采用了四组指令编译器，就是指能够在单一频率周期内编译四个x86指令。这四组指令编译器由三组简单编译器（SimpleDecoder）与一组复杂编译器（ComplexDecoder）组成。四组指令编译器中，仅有复杂编译器可处理最多由四个微指令所组成的复杂x86指令。如果不幸碰到非常复杂的指令，复杂编译器就必须呼叫微码循序器（MicrocodeSequencer），以便取得微指令序列。为了配合超宽的编译单元，Core微架构的指令读取单元在一个频率周期内，从第一阶指令快取中，抓取六个x86指令至指令编译缓冲区（InstructionQueue），判定是否有符合宏指令融合的配对，然后再将最多五个x86指令，交派给四组指令编译器。四组指令编译器在每个频率周期中，发给保留站（ReservationStation）四个编译后的微指令，保留站再将存放的微指令交派（dispatch）给五个执行单元。因为x86指令集的指令长度、格式与定址模式都相当混乱，导致x86指令解码器的设计是非常困难的。但是如今的局面已经有所改变，一方面是高主频对于四组精简结构有着很大的依赖性，另一方面是其它辅助性技术也能很大程度上弥补解决定址模式混乱的难题。毫无疑问，英特尔的这一创举将是在处理器核心架构设计上具有里程碑意义的。2．全新的整数与浮点单元从P6到NetBurst架构，整数与浮点单元的变化还是相当明显，不过Core微架构的变化也同样不小，只是部分关键技术又改回P6架构时代的设计。Core具备了3个64bit的整数执行单元，每一个都可以单独完成的64位整数运算操作。能够独立完成64bit整数运算对英特尔x86处理器来说还是头一回，这也让Core得以走在了竞争对手的前列。此外，64bit的整数单元使用彼此独立的数据端口，因此Core能够在一个周期内同时完成3组64bit的整数运算。极强的整数运算单元使得Core在包括游戏、服务器项目、移动等方面都能够发挥广泛而强大的作用。在以往的NetBurst架构中，浮点单元的性能很一般，Core构架针对这个问题进行了不小的改进。5Core构架拥有2个浮点执行单元同时处理向量和标量的浮点运算，其中一个浮点单元执行负责加减等简单的处理，而另一个浮点单元则执行负责乘除等运算。尽管不能说Core构架令浮点性能有很大幅度的提升，但是其改进效果还是显而易见的。3．数据预读机制与缓存结构Core微架构的预读取机制还有更多新特性。数据预取单元经常需要在缓存中进行标签查找。为了避免标签查找可能带来的高延迟，数据预取单元使用存储接口进行标签查找。存储操作在大多数情况下并不是影响系统性能的关键，因为在数据开始写入时，处理器即可以马上开始进行下面的工作，而不必等待写入操作完成。缓存/内存子系统会负责数据的整个写入到缓存、复制到主内存的过程。此外，Core架构使用了SmartMemoryAccess算法，这将帮助处理器在前端总线与内存传输之间实现更高的效率。Core架构的缓存系统也令人印象深刻。双核心Core架构的二级缓存容量高达4MB，且两个核心共享，访问延迟仅12到14个时钟周期。每个核心还拥有32KB