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标题: 不可磨灭的记忆 CPU发展史经典回顾 [打印本页]
作者: 风中落叶    时间: 2005-12-17 10:13     标题: 不可磨灭的记忆 CPU发展史经典回顾

今天，我们可以舒适在坐在电脑前看电影、听音乐，通过互联网寻找资料，与远方的朋友进行视频聊天，又或者通过电子商务网站购买一本杂志、一款自己心仪的MP3播放器，一切都显得那么随意和悠然自得 。但是大部分人却都没想过，能够有如此幸福生活，是多少人前赴后继，作出了可歌可泣贡献才得到的。
　　昨天晚上，一IT界著名的朋友跟笔者说“你每天都喝水，那你有没考虑过水厂和水龙头的关系怎么样的？”。确实，也许并非每个朋友都对IT和其中发生的事情感兴趣，但是曾经发生的事情和有过的经历，却可以让我们 更加珍惜这来之不易的幸福。了解成功人的历史，更可让我们受益菲浅。

　　现在就让笔者带大家去回顾一下，这有趣而又激励人心的辉煌历史。



　　关于CPU的基础知识：CPU的常识

　　第一篇跟大家介绍的是PC里面的心脏：CPU(Central Processing Unit)，被称呼为中心处理器或者Microprocessor微处理器。CPU是计算机的核心，其重要性好比心脏对于人一样。实际上，处理器的作用和大脑更相似，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，而主板芯片组则更像是心脏，它控制着数据的交换。CPU的种类决定了你使用的操作系统和相应的软件，CPU的速度决定了你的计算机有多强大，当然越快、越新的CPU会花掉你更多的钱。 　

　　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：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。

　　如今，Intel的CPU和其兼容产品统治着微型计算机——PC的大半江山，但是除了Intel或AMD的CPU，还是你可能听说过的其他一些CPU，如HP的PA-RISC,IBM的Power4和Sun的UltraSparc等，只是它们都是精简指令集运算（RISC）处理器，使用Unix的专利操作系统，例如IBM的AIX和Sun的Solaris等。

　　虽然设计方式和工作原理的过程有区别，但不同处理器依然有很多相似之处。从外表看来，CPU常常是矩形或正方形的块状物，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。不过，你看到的不过是CPU的外衣——CPU的封装。而内部，CPU的核心是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片(其英文名称为die，核心)。在这块小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。



                        左边是揭了盖可以看到核心的处理器


　　硅能成为生产CPU核心的半导体材料主要是因为其分布的广泛性和价格便宜。此外，硅可以形成品质极佳的大块晶体，通过切割，得到直径8英寸甚至更大而厚度不足1毫米的圆形薄片——晶片(也叫晶圆)。一片晶片可以划分切割成许多小片，每一小片就是一块单独CPU的核心。当然，在切割之前有许多处理过程要做。

　　Intel发布的第一颗处理器4004仅仅包含2000个晶体管，而目前最新的Intel Pentium 8400EE处理器包含超过2.3亿万个晶体管，集成度提高了十万倍，这可以说是当今最复杂的集成电路了。与此同时，你会发现单个CPU的核心硅片的大小丝毫没有增大，甚至变得更小了，这就要求不断地改进制造工艺以便能生产出更精细的电路结构。如今，最新的处理器采用的是0.065微米技术制造，也就是常说的0.065微米线宽。


                               840EE+HT（左边）65nm(右）
   Pentium 840EE处理器采用90nm制程的Smithfield核心，每核心1MB二级缓存，800MHZ的FSB，支持EDB防毒和EMT64T，可以搭配64位WinXP，90纳米制程，206平方毫米芯片面积，2.3亿晶体管。Pentium 4 643 (3.2GHz)采用65nm工艺的CedarMill，集成2MB二级缓存，单核心，支持HT、EM64T，VT。

　　需要说明的是，线宽是指芯片上的最基本功能单元——门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，可以降低芯片功耗，系统更稳定，CPU得以运行在更高的频率下，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。

　　随着线宽的不断降低，以往芯片内部使用的铝连线的导电性能将不敷使用，AMD在其K7系列开始采用铜连线技术。而现在这一技术已经得到了广泛应用。


　　关于CPU的基础知识：CPU的制造过程

切割晶圆
　　所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核(Die)。

2.影印（Photolithography）
    在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。

3.蚀刻(Etching)
　　用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。然后把所有光阻物质清除，就得到了有沟槽的硅基片。

4.分层
　　为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、 蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。

5.离子注入(IonImplantation)
　　通过离子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，形成门电路。接下来的步骤就是不断重复以上的过程。一个完整的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层间电路的连接。完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装，一个CPU便制造出来了。


　　关于CPU的基础知识：CPU的主要性能指标

主频

　　即CPU的时钟频率(CPU Clock Speed)，这是我们最关心的，我们所说的3.2GHz、2.0GHz等就是指它，一般说来，主频越高，CPU的速度就越快，整机的就越高。不过现在AMD都采用了更加模糊的命名方式，企图让消费者淡化以主频率计算性能的观念。比如Athlon 3000+，它的频率有可能是2.20GHz，也有可能是2.0GHz 。Intel 则采用了Pentium 643这种更易让人眼花缭乱的命名方式，一般人不查参数，很难记得它的意义。

FSB前端总线

　　即CPU的外部时钟频率，由电脑主板提供，以前一般是133MHz，目前Intel公司最新的芯片组i925XE芯片组使用1066MHz的FSB。

内部缓存（L1 Cache）

　　封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频一致，L1缓存的容量单位一般为KB。L1缓存越大，CPU工作时与存取速度较慢的L2缓存和内存间交换数据的次数越少，相对电脑的运算速度可以提高。

外部缓存（L2 Cache）

　　CPU外部的高速缓存，现在处理器的L2 Cache是和CPU运行在相同频率下的（以前P2 P3的二级缓存运行在相当于CPU频率一半下）。


　　其它的还有封装技术、接口技术、、制造工艺、指令集等就不再详细解释，不然就是写书而不是写文章了。不如如果这系列文章可以持续写下去的话，以后便好好跟大家再交流一下。远去的历史：微处理器发展的第一阶段

　　讲完了一些技术的简单内容，现在就带大家去看看CPU是怎样从无到有，并且一步步发展起来的。 根据大家的记忆，笔者把它分为了几个发展阶段。注意，这并非按照教科书去分，而是我们的记忆。




Intel公司成立于1968年，格鲁夫（左）、诺依斯（中）和摩尔（右）是微电子业界的梦幻组合




　　Intel 4004
　　1971年1月，Intel公司的霍夫(Marcian E.Hoff)研制成功世界上第一枚4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。
　　4004当时只有2300个晶体管，是个四位系统，时钟频率在108KHz，每秒执行6万条指令（0.06 MIPs)。功能比较弱,且计算速度较慢,只能用在Busicom计算器上。


格鲁夫 “只有偏执狂才能生存”
　　1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器），其中4004（上图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。


Intel 8008
　　1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。


　　Intel 8080 ，第二代微处理器
　　1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。


　　摩尔定律
　　摩尔预言，晶体管的密度每过18个月就会翻一番，这就是著名的摩尔定律。

　　第一台微型计算机：Altair 8800
　　1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。

　　1976年,Intel 发布8085处理器



　　当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。Zilog公司于1976年对8080进行扩展,开发 出Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。直到今天，Z80仍然是8位处理器的巅峰之作，还在各种场合大卖特卖。CP/M就是面向其开发的操作系统。许多著名的软件如:WORDSTAR 和DBASE II都基于此款处理器。


　　WordStar
　　处理程序WordStar是当时很受欢迎的应用软件，后来也广泛用于DOS平台。

曾经的辉煌代表产品：






Apple Ⅰ
　　1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计算机Apple I，4月1日愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。


Apple II
　　1976年：一些离开了Motorola公司的部分工程人员自组成立MOS Technology公司，并且开发出了6502处理器。它的位宽为8bit，频率只有1MHz，并且无协处理器。但它是IBM PC机问世之前世界上最流行的微型计算机Apple II(苹果机)的CPU。Apple II是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时，这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。


Intel 8086
　　1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。 不过当时由于360美元过于昂贵，大部分人都没有足够的钱购买使用此芯片的电脑，于是 Intel 在1年之后,推出4.77MHz的8位微处理器8088。IBM公司1981年生产的第一台电脑就是使用的这种芯片。这也标志着x86架构和IBM PC 兼容电脑的产生。      
　　发布的时候，8086的时钟频率有4.77，8和10MHz 三个版本，包括了具有300个操作的指令集。其中8MHz 版本包含了大约28,000个 晶体管，具备0.8 MIPs 的能力。


当Bill Gates崭露头角时，昔日校友正在哈佛上二年级


“让每个家庭每张桌子上都放一台电脑。”
　　1979年6月1日，Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088,它是8086的廉价版本,价格为大众所接受。在性能方面，它在内部以16位运行，但支持8位数据总线，采用现有的8位设备控制芯片，包含29000个3微米技术的晶体管，可访问1MB内存地址，速度为0.33MIPS。

Intel 8088电路
　　同年9月，Motorola推出M68000 16位微处理器，它因采用了68000个晶体管而得名。该处理器主要供应Apple公司的Macintosh 和Atari 的ST系列电脑上。后继版本的处理器，包括68020则被使用在Macintosh II 机型。


Microsoft的秘密交易
　　1980年10月，Microsoft把握了一次绝佳的发展机遇。IBM在秘密进行代号为“跳棋计划”的开发项目（第一台IBM PC）过程中，向Microsoft提出采购一套操作系统。Paul Allen抓住机会与Seattle Computer Products的Tim Patterson签约，向其支付了不到10万美元，获得了其DOS操作系统的版权并进行了一些修改，从而做成了与这个神秘客户（IBM）的大买卖。
    今天的Windows系列操作系统仍然兼容DOS，这个系统对于老一代电脑用户来说再熟悉不过了。


IBM PC创造历史
　　早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBM PC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBM PC诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻，迄今正好25年。
　　第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088，操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。IBM原来预计在一年中售出241683台PC，然而用户的需求被大大低估了，实际上一个月的订货量就超出了预计。　


　　1981年：80186和80188发布。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8088一样均是采用8位工作。这是一颗性能介于8088,80286之间的的CPU。但事实上80186从来都没有在PC中应用,它仅仅存在于一个小范围的圈子中,作为一个小型的控制器出现,哪怕是今天。从这个时候起,AMD公司已经开始生产80186 CPU了。

　　1982年2月1日：在80186发布后的几周，80286就发布了。80286处理器集成了大约13.4万个晶体管,最大主频为20MHz,采用16位资料总线和24位位址总线。与8086相比，80186/80188增强了部分软硬件功能 80286增加了实存(24位地址)和虚拟存储器管理,可以在两种不同的模式下工作,一种叫实模式,另一种叫保护方式。80286开始正式采用一种被称为PGA的正方形包装。


Intel 80386
　　1985年10月，Intel推出16MHz 80386DX微处理器(最高33MHz 主频)，可以直接访问4G字节的内存,并具有异常处理机制;虚拟86模式可以同时模拟多个8086处理器来加强多任务处理能力。 80386的广泛应用,将PC机从16位时代带入了32位时代。此外它还具有比80286更多的指令集。发布时，80386的最快速版本的主频为20MHz，具备6.0 MIPs ，包含275,000个晶体管。
　　当时，IBM已经收到大量286机器的订单，不愿立即转向386，同时IBM担心长期受制于Intel芯片，开始暗中开发自己的处理器，所以对是否采用386芯片不置可否。Compaq乘机而上，推出386芯片的电脑，迅速占领了市场。
　　1988年6月16日：80386SX 发布，它是80386DX的廉价版本，只有16-bit总线宽度。


希的记忆：我们曾有过第一次亲密接触
　　前面的处理器我们都积少接触，接下来的，也许大家就比较清楚了，因为我们第一次接触的，就是此类处理器。

Intel 486
　　CPU更新速度加快，造就了越来越多的兼容机厂商。
　　1989年4月，Intel推出25MHz 486微处理器。1989年5月10日：我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。这款经过四年开发和3亿美 元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限,集成了120万个 晶体管,使用1微米的制造工艺。其实486就是80386+80387协处理器+8KB一级缓存,是超级版本的386。
　　Compaq由于持有大量386订单而对采用Intel 486犹豫不决，Dell趁机推出了自己的486整机，并通过直销模式在兼容机市场后来居上。1991年，25岁的Michael Dell成为《财富》全美500家大企业中最年轻的总裁。1995年，Dell进入全球个人电脑5强行列。
　　1991年5月22日：80486 DX 的廉价版本80486 SX 发布，它和DX的区别是没有整合FPU。

Pentium浮出水面
　　1993年3月22日：全面超越486的新一代586 CPU问世，为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰，英特尔公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86微处理器来对付芯片巨人，但是由于奔腾微处理器的性能最佳，英特尔逐渐占据了大部分市场。Pentum 处理器的性能接近主要的RISC CPU并兼容80x86，同时继承了长期积累下来的价值约500亿美元的庞大软件资源。

　　Pentium最初级的CPU是Pentium 60和Pentium 66，分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz两种频率下，没有我们现在所说的倍频设置。
1994年3月7日：Intel 发布90和100MHz 的Pentium 处理器
1994年10月10日：Intel 发布75MHz 版本的Pentium 处理器
1995年3月27日：Intel 发布120MHz 的Pentium 处理器
1995年6月1日：Intel 发布133MHz 版本Pentium 处理器


Pentium Pro
　　Intel推出Pentium Pro微处理器，采用了一种新的总线接口Socket 8。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。
　　1995年11月1日，Intel推出了Pentium Pro处理器。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。它是基于Pentium 完全相同的指令集和兼容性，达到了440 MIPs 的处理能力和5.5 M个晶体管。这几乎相当于比4004处理器的晶体管提升了2400倍。值得一提的是Pentium Pro采用了“PPGA” 封装技术。即一个256KB的二级缓存芯片与Pentium Pro芯片封装在一起 ，两个芯片之间用高频宽的内部总线互连，处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中，这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。
　　例如Pentium Pro 200MHz CPU的L2 Cache就是运行在200MHz，也就是工作在与处理器相同的频率上，这在当时可以算得上是CPU技术的一个创新。Pentium Pro的推出，为以后Intel推出PⅡ奠定了基础。
1996年1月4日：Intel 发布150&166 MHz Pentium 处理器，包括了越3.3M 个晶体管
1996年10月6日： Intel 发布200MHz Pentium 处理器

Intel Pentium MMX　
　　1997年1月8日：Intel在1996年推出的Pentium 系列的改进版本，内部代号P55C，也就是我们平常所说的Pentium MMX 。Pentium MMX在原Pentium的基础上进行了重大的改进，增加了片内16KB数据缓存和16KB指令缓存，4路写缓存以及从Pentium Pro、Cyrix而来的分支预测单元和返回堆栈技术，特别是新增加的57条MMX多媒体指令。
　　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成“多媒体扩展指令集”。使得Pentium MMX即使在运行非MMX优化的程序时也比同主频的Pentium CPU要快的多。57条MMX指令专门用来处理音频、视频等数据，这些指令可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间，使CPU拥有更强大的数据处理能力。MMX CPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力提高了60％左右。MMX技术开创了CPU开发的新纪元。
　　Pentium MMX系列的频率只有三种：166MHz、200MHz、233MHz，一级缓存从Pentium的16KB增加到了32KB，核心电压2.8v，倍频分别为2.5、3、3.5。插槽都是Socket 7。

　　与此同时，作为Intel的主要竞争对手，AMD也发布了AMD-K6-MMX 处理器，包含相近的指令集，从而导致了一连串的法律纠纷。


　　1997年4月7日 。英特尔发布了Pentium II处理器。内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令集技术。此时，英特尔 Pentium II架构已经从Socket 7转成Slot 1，并首次引入了S.E.C封装(Single Edge Contact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。Slot 1的Pentium II晶体管数为900万，并且具有两种版本的核心：Klamath与Deschutes。

同时代竞争的是AMD的K6II，这时候的口碑也相当不错
1997年6月2日： Intel发布233MHz Pentium MMX
1998年2月：Intel 发布333MHz Pentium II 处理器，开发代号为Deschutes，并且首次采用了0.25微米制造工艺，在低发热量的情况下提供比以前产品更快的速度。

1999年2月22日：AMD 发布K6-III 400MHz 版本，在一些测试中，它的性能超越了后来发布的Intel Pentium III 。它包括了23M 晶体管，并且基于100MHz Spuer socket7 主板，与那些使用66MHz 总线的芯片相比，性能的提升是卓越的。


一起走过的日子：淘汰的记忆
　　以下部分处理器是我们曾经用过的，最后却远远地抛进了淘汰的行列，对于有两台甚至多台电脑的朋友来说，印象尤其深刻。因为电脑和电视不同，它的特点是需要我们不断地更新、升级。
　　当然，目前仍有部分用户还在使用这些产品。


Intel向网络看齐 ，发布Pentium III　
　　1999年1月，Intel推出奔腾III处理器，它采用0.25微米制造工艺，拥有32K一级缓存和512K二级缓存（运行在芯片核心速度的一半下），包含MMX指令和Intel自己的“ 3D”指令SSE，最初发行的PIII有450和500MHz两种规格，其系统总线频率为100MHz。此外其身份代码还可通过Internet读取。

　　Intel的主要对手之一AMD加紧跟进的步伐，于同年8月发布Athlon处理器。10月，在微处理器论坛会议上，Intel宣布了代号为麦赛德（Merced）的处理器的正式名称Itanium（安腾）。
　　1999年10月，Intel推出了基于0.18微米工艺制造的Pentium III处理器，这款Pentium III处理器有256K在二级高速缓存，代码名为Coppermine。Coppermine以733MHz登台。随着工艺尺寸从0.25微米减少到0.18微米，不仅提高了Pentium III处理器的时钟速度，也使的Intel在技术上能够推出了集成的二级高速缓存。虽然集成的二级高速缓存只有老式Pentium III处理器的一半，但在处理器全速下运行，性能仍有显著提高。
　　其后Intel推出了Pentium III Xeon处理器。作为Pentium II Xeon的后继者，除了在内核架构上采纳全新设计以外，也继承了Pentium III处理器新增的70条指令集，以更好执行多媒体、流媒体应用软件。除了面对企业级的市场以外，Pentium III Xeon加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。Intel还将Xeon分为两个部分，低端Xeon和高端Xeon。其中，低端Xeon和普通的Coppermine一样，仅装备256KB二级缓存，并且不支持多处理器。这样低端Xeon和普通的Pentium III的性能差距很小，价格也相差不多；而高端Xeon还是具有以前的特征，支持更大的缓存和多处理器。
1999年11月29日：AMD 发布了Athlon 750MHz ，在主频和性能上超过Intel 。
2000年3月6日 ： AMD 发布Athlon 1GHz
2000年3月8日： Intel 限量供应1GHz Pentium III 处理器
　　Intel和AMD炽手可热的花旦
　　接下来为大家介绍的就是目前炽手可热的处理器,Intel 的Pentium IV 和AMD Athlon64 。虽然按照发布时间来说，Athlon64 要比Pentium IV 迟一个时代（Pentium IV 发布时间是2000年11月，而Athlon64 则是2003年9月），但Pentium IV 经过了几年的的换芯，性能也获得了显著提升。
　　此外在Intel和AMD 的发展版图上来说，它们是竞争对手，而且现在都加入了64-bit和双核等等技术特性，以下对它们进行比较详细的解释。   
　　1、Pentimu 4技术解释
　　2000年11月21日，Intel 在全球同步发布了其最新一代的微处理器—Pentium4（奔腾4）。Pentium4处理器原始代号为 Willamette，采用0.18微米铝导线工艺，配合低温半导体介质（Low-Kdiclcctric）技术制成，是一颗具有超级深层次管线化架构的处理器。
　　Pentium 4处理器最主要的特点就是抛弃了Intel沿用了多年的P6结构，采用了新的 NetBurst CPU结构 。NetBurst结构具有不少明显的优点：20段的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存、SSE2指令扩展集和400MHz的前端总线等等

新的处理器系统总线（ FSB）
　　英特尔近来在前端系统总线（FSB）方面一直不敌AMD：Pentium Ⅲ最高为133MHz的FSB和内存频率（外频）；而AMD雷鸟用的 是100MHz的内存频率（外频）和266MHz的FSB（类似于CPU倍频的方式来连接这两个频率）。
　　Pentium 4终于有了突破：虽然 Pentium 4 系统总线仅为 100Mhz，并且也是 64位数据宽度，但由于利用与 APG4X 相同的原理“四倍泵速”，因此可传输高达 8 位 * 100 百万次/秒 * 4 = 3,200 MB/秒 的数据传输速度。明显地远超过 AMD 最近公布的Athlon 总线数据传输速度。 Athlon 总线速度为133Mhz，64位、2倍速，提供 8 位 * 133 百万次/秒 * 2 = 2,133 MB/秒的数据传输率。
　　这项特色使得 Pentium 4 传输数据到系统的其它部分比目前所有的 x86 处理器还快，也一并去除了 Pentium III 系统所遭受的瓶颈限制。 不过，如果主存储器无法提供相对数据传输的话，这么快的处理器总线速度也是英雄无用武之地。因此，早期此处理器的芯片组 850 就搭配了两条Rambus 信道并使用昂贵的 RDRAM 内存。这两个 RDRAM 信道能提供与 Pentium 4 系统总线(3,200MB/s)相同的数据频宽，这样的搭配将是理论上最完美的结合─提供处理器、系统与主存储器间最高的数据传输率，这也是最明显的优势之一。不过系统的整体系统的成本将会因为使用较昂贵的 RDRAM 而提高。
高速执行缓存
　　为了增加8KB的数据缓存，P4包含了一个执行跟踪缓存，可存储12K的微指令以帮助程序执行。这些指令不在主程序循环中执行，不被存储，从而大大提高了系统性能。
快速执行引 擎
　　算术逻辑单元（ALU）以双倍的时钟速度运行，这让类似于加、减、逻辑与、逻辑或等基本运算的执行只用了1/2时钟。例如，1.5GHz的快速执行引擎其实是以3GHz在运算。
高级动态执行
　　高级动态执行是控制CPU执行顺序的动态单元。P4可以发出126条动态指令，使流水线完成48次载入和24次存储。与前一代的PⅢ处理器相比，它能够增加33%的预处理速度，还可以在缓存中存储更多的历史信息从而快速取出。
改进的浮点数运算和多媒体单元
　　P4的128位运算动态增加了运算单元，使得浮点数运算和多媒体表现都得到了较大的改进。
网络数据流单指令多数据扩展2（SSE2）
　　通过增加的144条新指令，SSE2具有更强多媒体增强指令和数据流单指令。这些特性包括一个128位单指令多数据整数运算和128位单指令多数据双精度浮点指令，这些指令减少了原有的指令执行数量，大大增加了执行速度。使得用户的视频、音频、图象处理、加密、财政、工程和科学应用都极大增强。SSE2可以提高多媒体的执行效率，特别是DVD/MP3/MPEG4的回放，可以最大效果地体现P4新指令集的威力。
　　总结：在理论上，Pentium IV是完美无缺，可是实际状况却远非Intel想象的那么简单。第一代Pentium IV 可以说是Intel 近几年内的最大失败。
　　首先是P4耗电惊人，所以P4系统使用的主板被设计为电源的12V电压（ATX12），通过一个4脚的插座和3.3V、5V一起供给主板，另外还在20针电源接口的旁边另加了一个6针的辅助电源接口。
　　最致命的硬伤还是Willamette核心属于Pentium 4最早期的产品，因此它的发热量很大、频率提升困难，只有1.7GHz和1.8GHz两个版本。而且它的二级缓存只有256KB，超深的处理流水线使得总体性能并不理想，特别是对于超频用户来说，这类产品难以让人感到满意 。
　　因此Intel很快就开发出了Northwood核心的产品，以满足消费者的需求。Northwood核心的Pentium 4采用0.13微米工艺制造，相比Willamette内核的处理器，其主频有了很大飞跃，二级缓存也从256K翻番到512KB。而Prescott核心的Pentium 4采用了另人咋舌的31级流水线设计，配备16KB的一级数据缓存和多达1MB的二级缓存。
　　接着是双核心的Intel Pentium 840EE 发布，此时Intel Pentium IV 核心已经发展到了颠峰。
　　2、Athlon64 技术解释

　　2003年美国时间 9 月 23 日，全球第一款桌面系统 64bit 处理器在美国正式发布。几经波折， Athlon 64 终于在人们期待的目光中揭开了神秘面纱。Athlon 64 的诞生对于桌面处理器领域具有划时代的意义。对于 AMD 来说，这更是具有战略意义的关键一步。AMD——终于打破了最近时期的不利局面——按照原定布局领先对手步入了 64bit 时代。跳开对手在架构和制造工艺等方面的追击，另辟战场利用 Athlon 64 再度出击。
　　Athlon64 的发布，使得桌面电脑可以迅速迈入64-bit 时代，目前操作系统、软件都已经逐渐成熟。AMD 正在迎来丰收时期。　
　　发布之初，Athlon64的产品线划分非常明确，一为采用Socket940接口，面向顶级桌面用户的Athlon64 FX系列；另一个就是面向主流用户，采用Socket754接口的Athlon64系列。但是，随着时间的推移和竞争对手的不断变化，Athlon64处理器家族也渐渐庞大了起来。到如今，Athlon64家族已经演变成为了一个拥有4种核心、3种接口、2种制程、近20款产品的复杂体系。   
　　它的主要技术特点如下：
64位计算能力
　　这是Athlon64与传统32位处理器的最大区别所在。在Athlon64和Athlon64 FX处理器中，AMD加入了一个被称为x86-64的指令集，正是这个指令集赋予了Athlon64系列处理器64位的计算能力。同时，AMD清醒地认识到，64位应用目前还远未成为主流，所以，它并没有将Athlon64/FX设计成一款仅支持64位计算的处理器，而是在支持64位代码的基础上提供了对32位和16位代码的良好兼容。正是这样的设计使得Athlon64/FX在执行32位代码时不必重新进行编译，从而避免了效率低下所导致的性能损失。总体来说，Athlon64/FX既为我们提供了64位计算能力，又完全兼容目前的32位甚至16位应用，是一款全能型处理器。
　　2．超过4GB的内存寻址能力
　　除了64位计算能力，x86-64指令集还使Athlon64系列处理器拥有了64位的地址空间和64位的数据空间，换句话说就是x86-64指令集使Athlon64/FX可以支持4GB以上的内存（64位处理器理论上支持2的64次方寻址空间，可支持上亿GB的内存），而传统的32位处理器最高仅支持4GB内存。更大容量的内存支持能力使Athlon64/FX在诸如大型数据库、CAD/CAM建模以及对系统要求越来越BT的3D游戏等高端应用中有着不可比拟的优势。
　　3．处理器内部集成内存控制器
　　这也是Athlon64系列的独门绝技之一。与传统的处理器把内存控制器放在芯片组相比，处理器把内存控制器内置可以极大地降低数据收发延迟、缩短读写请求的反应时间，处理器的性能将因此获得可观的提升。除此之外，处理器内部集成内存控制器还可以简化北桥芯片的结构，目前，一些芯片组厂商已经成功设计出了单芯片的Athlon64主板产品。
　　4．HyperTransport总线
　　在Athlon64处理器架构中，HyperTransport总线负责的是处理器与北桥芯片间的数据传输，它的带宽直接影响了系统的整体性能。目前，Athlon64的HyperTransport总线共有两种频率：800MHz和1GHz，它们均采用了与DDR内存相同的Dual Pump技术，在一个时钟周期内可以传输两次数据，其上下行位宽为相同的16bit，所以，800MHz HyperTransport总线的数据带宽为6.4GB/s，而1GHz HyperTransport总线的数据带宽则达到了惊人的8GB/s。
　　5．Execution Protection防病毒技术
　　Execution Protection技术是AMD公司应用在Athlon64中的又一项新技术，这项技术可以防止病毒的缓冲区溢出攻击（指病毒使CPU因缓冲区溢出而执行恶意代码的攻击技术）。应用这项技术后，CPU缓冲区的数据将会只读而不能执行，可以有效地防止恶意代码的执行。目前，这项技术已经被封装在了Athlon64系列CPU中，不过还需要Windows XP Service Pack 2的支持方能发挥作用。
　　总结：64-bit、双核和其它
　　算一下微处理器的发展史也不过30余年，但在这30余年里微处理器的发展历程却是天翻地覆的变化。从Intel的4004开始，到了Intel，AMD，Cyrix三足鼎立，到Intel一家独大，再到现在Intel，AMD分庭抗衡。时代的进步，科技的发展。30余年，给人带来的回忆是太多太多。
　　CPU将向速度更快、64位结构、多核心方向前进。CPU的制作工艺将更加精细，将会由现在0.09微米向0.065微米过渡。到2007年时，大部分CPU厂商都将采用0.065微米工艺制造处理器。制造工艺的提高，味着体积更小，集成度更高，耗电更少。
　　在另一方面，由于CPU的性能已经足够满足个人大多数应用的需要，所以人们在买PC的时候，CPU已经不再是唯一的标准。高速3D处理能力、HDTV视频、高保真音频、大容量硬盘已经成为重要标准。
　　在未来，APU、GPU都具备相似能力的时候，CPU的作用还有如此重要吗？

[ Last edited by 风中落叶 on 2005-12-17 at 10:17 ]



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