CPU的發(fā)展歷史是什么
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CPU發(fā)展史
第1階段
第1階段(1971——1973年)是4位和8位低檔微處理器時代,通常稱為第1代,其典型產品是Intel4004和Intel8008微處理器和分別由它們組成的MCS-4和MCS-8微機。基本特點是采用PMOS工藝,集成度低(4000個晶體管/片),系統(tǒng)結構和指令系統(tǒng)都比較簡單,主要采用機器語言或簡單的匯編語言,指令數(shù)目較少(20多條指令),基本指令周期為20~50μs,用于簡單的控制場合。
Intel在1969年為日本計算機制造商Busicom的一項專案,著手開發(fā)第一款微處理器,為一系列可程式化計算機研發(fā)多款晶片。最終,英特爾在1971年11月15日向全球市場推出4004微處理器,當年Intel 4004處理器每顆售價為200美元。4004 是英特爾第一款微處理器,為日后開發(fā)系統(tǒng)智能功能以及個人電腦奠定發(fā)展基礎,其晶體管數(shù)目約為2300顆。
第2階段
第2階段(1974——1977年)是8位中高檔微處理器時代,通常稱為第2代,其典型產品是Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。它們的特點是采用NMOS工藝,集成度提高約4倍,運算速度提高約10~15倍(基本指令執(zhí)行時間1~2μs)。指令系統(tǒng)比較完善,具有典型的計算機體系結構和中斷、DMA等控制功能。軟件方面除了匯編語言外,還有BASIC、FORTRAN等高級語言和相應的解釋程序和編譯程序,在后期還出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。
1974年,Intel推出8080處理器,并作為Altair個人電腦的運算核心,Altair在《星艦奇航》電視影集中是企業(yè)號太空船的目的地。電腦迷當時可用395美元買到一組Altair的套件。它在數(shù)個月內賣出數(shù)萬套,成為史上第一款下訂單后制造的機種。Intel 8080晶體管數(shù)目約為6千顆。
第3階段
第3階段(1978——1984年)是16位微處理器時代,通常稱為第3代,其典型產品是Intel公司的8086/8088,Motorola公司的M68000,Zilog公司的Z8000等微處理器。其特點是采用HMOS工藝,集成度(20000~70000晶體管/片)和運算速度(基本指令執(zhí)行時間是0.5μs)都比第2代提高了一個數(shù)量級。指令系統(tǒng)更加豐富、完善,采用多級中斷、多種尋址方式、段式存儲機構、硬件乘除部件,并配置了軟件系統(tǒng)。這一時期著名微機產品有IBM公司的個人計算機。1981年IBM公司推出的個人計算機采用8088CPU。緊接著1982年又推出了擴展型的個人計算機IBM PC/XT,它對內存進行了擴充,并增加了一個硬磁盤驅動器。
80286(也被稱為286)是英特爾首款能執(zhí)行所有舊款處理器專屬軟件的處理器,這種軟件相容性之后成為英特爾全系列微處理器的注冊商標,在6年的銷售期中,估計全球各地共安裝了1500萬部286個人電腦。Intel 80286處理器晶體管數(shù)目為13萬4千顆。1984年,IBM公司推出了以80286處理器為核心組成的16位增強型個人計算機IBM PC/AT。由于IBM公司在發(fā)展個人計算機時采用 了技術開放的策略,使個人計算機風靡世界。
第4階段
第4階段(1985——1992年)是32位微處理器時代,又稱為第4代。其典型產品是Intel公司的80386/80486,Motorola公司的M69030/68040等。其特點是采用HMOS或CMOS工藝,集成度高達100萬個晶體管/片,具有32位地址線和32位數(shù)據(jù)總線。每秒鐘可完成600萬條指令(Million Instructions Per Second,MIPS)。微型計算機的功能已經達到甚至超過超級小型計算機,完全可以勝任多任務、多用戶的作業(yè)。同期,其他一些微處理器生產廠商(如AMD、TEXAS等)也推出了80386/80486系列的芯片。
80386DX的內部和外部數(shù)據(jù)總線是32位,地址總線也是32位,可以尋址到4GB內存,并可以管理64TB的虛擬存儲空間。它的運算模式除了具有實模式和保護模式以外,還增加了一種“虛擬86”的工作方式,可以通過同時模擬多個8086微處理器來提供多任務能力。80386SX是Intel為了擴大市場份額而推出的一種較便宜的普及型CPU,它的內部數(shù)據(jù)總線為32位,外部數(shù)據(jù)總線為16位,它可以接受為80286開發(fā)的16位輸入/輸出接口芯片,降低整機成本。80386SX推出后,受到市場的廣泛的歡迎,因為80386SX的性能大大優(yōu)于80286,而價格只是80386的三分之一。Intel 80386 微處理器內含275,000 個晶體管—比當初的4004多了100倍以上,這款32位元處理器首次支持多工任務設計,能同時執(zhí)行多個程序。Intel 80386晶體管數(shù)目約為27萬5千顆。
1989年,我們大家耳熟能詳?shù)?0486芯片由英特爾推出。這款經過四年開發(fā)和3億美元資金投入的芯片的偉大之處在于它首次實破了100萬個晶體管的界限,集成了120萬個晶體管,使用1微米的制造工藝。80486的時鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。
80486是將80386和數(shù)學協(xié)微處理器80387以及一個8KB的高速緩存集成在一個芯片內。80486中集成的80487的數(shù)字運算速度是以前80387的兩倍,內部緩存縮短了微處理器與慢速DRAM的等待時間。并且,在80x86系列中首次采用了RISC(精簡指令集)技術,可以在一個時鐘周期內執(zhí)行一條指令。它還采用了突發(fā)總線方式,大大提高了與內存的數(shù)據(jù)交換速度。由于這些改進,80486的性能比帶有80387數(shù)學協(xié)微處理器的80386 DX性能提高了4倍。
第5階段
第5階段(1993-2005年)是奔騰(pentium)系列微處理器時代,通常稱為第5代。典型產品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6、K7系列微處理器芯片。內部采用了超標量指令流水線結構,并具有相互獨立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著MMX(Multi Media eXtended)微處理器的出現(xiàn),使微機的發(fā)展在網絡化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的臺階。
1997年推出的Pentium II處理器結合了Intel MMX技術,能以極高的效率處理影片、音效、以及繪圖資料,首次采用Single Edge Contact (S.E.C) 匣型封裝,內建了高速快取記憶體。這款晶片讓電腦使用者擷取、編輯、以及透過網絡和親友分享數(shù)位相片、編輯與新增文字、音樂或制作家庭電影的轉場效果、使用可視電話以及透過標準電話線與網際網絡傳送影片,Intel Pentium II處理器晶體管數(shù)目為750萬顆。
1999年推出的Pentium III處理器加入70個新指令,加入網際網絡串流SIMD延伸集稱為MMX,能大幅提升先進影像、3D、串流音樂、影片、語音辨識等應用的性能,它能大幅提升網際網絡的使用經驗,讓使用者能瀏覽逼真的線上博物館與商店,以及下載高品質影片,Intel首次導入0.25微米技術,Intel Pentium III晶體管數(shù)目約為950萬顆。
與此同年,英特爾還發(fā)布了Pentium IIIXeon處理器。作為Pentium II Xeon的后繼者,除了在內核架構上采納全新設計以外,也繼承了Pentium III處理器新增的70條指令集,以更好執(zhí)行多媒體、流媒體應用軟件。除了面對企業(yè)級的市場以外,Pentium III Xeon加強了電子商務應用與高階商務計算的能力。在緩存速度與系統(tǒng)總線結構上,也有很多進步,很大程度提升了性能,并為更好的多處理器協(xié)同工作進行了設計。
2000年英特爾發(fā)布了Pentium 4處理器。用戶使用基于Pentium 4處理器的個人電腦,可以創(chuàng)建專業(yè)品質的影片,透過因特網傳遞電視品質的影像,實時進行語音、影像通訊,實時3D渲染,快速進行MP3編碼解碼運算,在連接因特網時運行多個多媒體軟件。
Pentium 4處理器集成了4200萬個晶體管,到了改進版的Pentium 4(Northwood)更是集成了5千5百萬個晶體管;并且開始采用0.18微米進行制造,初始速度就達到了1.5GHz。?
Pentium 4還提供的SSE2指令集,這套指令集增加144個全新的指令,在128bit壓縮的數(shù)據(jù),在SSE時,僅能以4個單精度浮點值的形式來處理,而在SSE2指令集,該資料能采用多種數(shù)據(jù)結構來處理:
4個單精度浮點數(shù)(SSE)對應2個雙精度浮點數(shù)(SSE2);對應16字節(jié)數(shù)(SSE2);對應8個字數(shù)(word);對應4個雙字數(shù)(SSE2);對應2個四字數(shù)(SSE2);對應1個128位長的整數(shù)(SSE2) 。
2003年英特爾發(fā)布了Pentium M(mobile)處理器。以往雖然有移動版本的Pentium II、III,甚至是Pentium 4-M產品,但是這些產品仍然是基于臺式電腦處理器的設計,再增加一些節(jié)能,管理的新特性而已。即便如此,Pentium III-M和Pentium 4-M的能耗遠高于專門為移動運算設計的CPU,例如全美達的處理器。
英特爾Pentium M處理器結合了855芯片組家族與Intel PRO/Wireless2100網絡聯(lián)機技術,成為英特爾Centrino(迅馳)移動運算技術的最重要組成部分。Pentium M處理器可提供高達1.60GHz的主頻速度,并包含各種效能增強功能,如:最佳化電源的400MHz系統(tǒng)總線、微處理作業(yè)的融合(Micro-OpsFusion)和專門的堆棧管理器(Dedicated Stack Manager),這些工具可以快速執(zhí)行指令集并節(jié)省電力。
2005年Intel推出的雙核心處理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition,同時推出945/955/965/975芯片組來支持新推出的雙核心處理器,采用90nm工藝生產的這兩款新推出的雙核心處理器使用是沒有針腳的LGA 775接口,但處理器底部的貼片電容數(shù)目有所增加,排列方式也有所不同。
桌面平臺的核心代號Smithfield的處理器,正式命名為Pentium D處理器,除了擺脫阿拉伯數(shù)字改用英文字母來表示這次雙核心處理器的世代交替外,D的字母也更容易讓人聯(lián)想起Dual-Core雙核心的涵義。
Intel的雙核心構架更像是一個雙CPU平臺,Pentium D處理器繼續(xù)沿用Prescott架構及90nm生產技術生產。Pentium D內核實際上由于兩個獨立的Prescott核心組成,每個核心擁有獨立的1MB L2緩存及執(zhí)行單元,兩個核心加起來一共擁有2MB,但由于處理器中的兩個核心都擁有獨立的緩存,因此必須保證每個二級緩存當中的信息完全一致,否則就會出現(xiàn)運算錯誤。
為了解決這一問題,Intel將兩個核心之間的協(xié)調工作交給了外部的MCH(北橋)芯片,雖然緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸與存儲并不巨大,但由于需要通過外部的MCH芯片進行協(xié)調處理,毫無疑問的會對整個的處理速度帶來一定的延遲,從而影響到處理器整體性能的發(fā)揮。
由于采用Prescott內核,因此Pentium D也支持EM64T技術、XD bit安全技術。值得一提的是,Pentium D處理器將不支持Hyper-Threading技術。原因很明顯:在多個物理處理器及多個邏輯處理器之間正確分配數(shù)據(jù)流、平衡運算任務并非易事。比如,如果應用程序需要兩個運算線程,很明顯每個線程對應一個物理內核,但如果有3個運算線程呢?因此為了減少雙核心Pentium D架構復雜性,英特爾決定在針對主流市場的Pentium D中取消對Hyper-Threading技術的支持。
同出自Intel之手,而且Pentium D和Pentium Extreme Edition兩款雙核心處理器名字上的差別也預示著這兩款處理器在規(guī)格上也不盡相同。其中它們之間最大的不同就是對于超線程(Hyper-Threading)技術的支持。Pentium D不支持超線程技術,而Pentium Extreme Edition則沒有這方面的限制。在打開超線程技術的情況下,雙核心Pentium Extreme Edition處理器能夠模擬出另外兩個邏輯處理器,可以被系統(tǒng)認成四核心系統(tǒng)。
Pentium EE系列都采用三位數(shù)字的方式來標注,形式是Pentium EE8xx或9xx,例如Pentium EE840等等,數(shù)字越大就表示規(guī)格越高或支持的特性越多。
Pentium EE 8x0:表示這是Smithfield核心、每核心1MB二級緩存、800MHzFSB的產品,其與Pentium D 8x0系列的唯一區(qū)別僅僅只是增加了對超線程技術的支持,除此之外其它的技術特性和參數(shù)都完全相同。
Pentium EE 9x5:表示這是Presler核心、每核心2MB二級緩存、1066MHzFSB的產品,其與Pentium D 9x0系列的區(qū)別只是增加了對超線程技術的支持以及將前端總線提高到1066MHzFSB,除此之外其它的技術特性和參數(shù)都完全相同。
單核心的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D以及雙核心的Pentium D和Pentium EE等CPU采用LGA775封裝。與以前的Socket 478接口CPU不同,LGA 775接口CPU的底部沒有傳統(tǒng)的針腳,而代之以775個觸點,即并非針腳式而是觸點式,通過與對應的LGA 775插槽內的775根觸針接觸來傳輸信號。LGA 775接口不僅能夠有效提升處理器的信號強度、提升處理器頻率,同時也可以提高處理器生產的良品率、降低生產成本。
第6階段
第6階段(2005年至今)是酷睿(core)系列微處理器時代,通常稱為第6代。“酷睿”是一款領先節(jié)能的新型微架構,設計的出發(fā)點是提供卓然出眾的性能和能效,提高每瓦特性能,也就是所謂的能效比。早期的酷睿是基于筆記本處理器的。 酷睿2:英文名稱為Core 2 Duo,是英特爾在2006年推出的新一代基于Core微架構的產品體系統(tǒng)稱。于2006年7月27日發(fā)布??犷?是一個跨平臺的構架體系,包括服務器版、桌面版、移動版三大領域。其中,服務器版的開發(fā)代號為Woodcrest,桌面版的開發(fā)代號為Conroe,移動版的開發(fā)代號為Merom。
酷睿2處理器的Core微架構是Intel的以色列設計團隊在Yonah微架構基礎之上改進而來的新一代英特爾架構。最顯著的變化在于在各個關鍵部分進行強化。為了提高兩個核心的內部數(shù)據(jù)交換效率采取共享式二級緩存設計,2個核心共享高達4MB的二級緩存。
繼LGA775接口之后,Intel首先推出了LGA1366平臺,定位高端旗艦系列。首顆采用LGA 1366接口的處理器代號為Bloomfield,采用經改良的Nehalem核心,基于45納米制程及原生四核心設計,內建8-12MB三級緩存。LGA1366平臺再次引入了Intel超線程技術,同時QPI總線技術取代了由Pentium 4時代沿用至今的前端總線設計。最重要的是LGA1366平臺是支持三通道內存設計的平臺,在實際的效能方面有了更大的提升,這也是LGA1366旗艦平臺與其他平臺定位上的一個主要區(qū)別。
作為高端旗艦的代表,早期LGA1366接口的處理器主要包括45nm Bloomfield核心酷睿i7四核處理器。隨著Intel在2010年邁入32nm工藝制程,高端旗艦的代表被酷睿i7-980X處理器取代,全新的32nm工藝解決六核心技術,擁有最強大的性能表現(xiàn)。對于準備組建高端平臺的用戶而言,LGA1366依然占據(jù)著高端市場,酷睿i7-980X以及酷睿i7-950依舊是不錯的選擇。
Core i5是一款基于Nehalem架構的四核處理器,采用整合內存控制器,三級緩存模式,L3達到8MB,支持Turbo Boost等技術的新處理器電腦配置。它和Core i7(Bloomfield)的主要區(qū)別在于總線不采用QPI,采用的是成熟的DMI(Direct Media Interface),并且只支持雙通道的DDR3內存。結構上它用的是LGA1156 接口,i5有睿頻技術,可以在一定情況下超頻。LGA1156接口的處理器涵蓋了從入門到高端的不同用戶,32nm工藝制程帶來了更低的功耗和更出色的性能。主流級別的代表有酷睿i5-650/760,中高端的代表有酷睿i7-870/870K等。我們可以明顯的看出Intel在產品命名上的定位區(qū)分。但是整體來看中高端LGA1156處理器比低端入門更值得選購,面對AMD的低價策略,Intel酷睿i3系列處理器完全無法在性價比上與之匹敵。而LGA1156中高端產品在性能上表現(xiàn)更加搶眼。
Core i3可看作是Core i5的進一步精簡版(或閹割版),將有32nm工藝版本(研發(fā)代號為Clarkdale,基于Westmere架構)這種版本。Core i3最大的特點是整合GPU(圖形處理器),也就是說Core i3將由CPU+GPU兩個核心封裝而成。由于整合的GPU性能有限,用戶想獲得更好的3D性能,可以外加顯卡。值得注意的是,即使是Clarkdale,顯示核心部分的制作工藝仍會是45nm。i3 i5 區(qū)別最大之處是 i3沒有睿頻技術。代表有酷睿i3-530/540。
2010年6月,Intel再次發(fā)布革命性的處理器——第二代Core i3/i5/i7。第二代Core i3/i5/i7隸屬于第二代智能酷睿家族,全部基于全新的Sandy Bridge微架構,相比第一代產品主要帶來五點重要革新:1、采用全新32nm的Sandy Bridge微架構,更低功耗、更強性能。2、內置高性能GPU(核芯顯卡),視頻編碼、圖形性能更強。 3、睿頻加速技術2.0,更智能、更高效能。4、引入全新環(huán)形架構,帶來更高帶寬與更低延遲。5、全新的AVX、AES指令集,加強浮點運算與加密解密運算。
SNB(Sandy Bridge)是英特爾在2011年初發(fā)布的新一代處理器微架構,這一構架的最大意義莫過于重新定義了“整合平臺”的概念,與處理器“無縫融合”的“核芯顯卡”終結了“集成顯卡”的時代。這一創(chuàng)舉得益于全新的32nm制造工藝。由于Sandy Bridge 構架下的處理器采用了比之前的45nm工藝更加先進的32nm制造工藝,理論上實現(xiàn)了CPU功耗的進一步降低,及其電路尺寸和性能的顯著優(yōu)化,這就為將整合圖形核心(核芯顯卡)與CPU封裝在同一塊基板上創(chuàng)造了有利條件。此外,第二代酷睿還加入了全新的高清視頻處理單元。視頻轉解碼速度的高與低跟處理器是有直接關系的,由于高清視頻處理單元的加入,新一代酷睿處理器的視頻處理時間比老款處理器至少提升了30%。新一代Sandy Bridge處理器采用全新LGA1155接口設計,并且無法與LGA1156接口兼容。Sandy Bridge是將取代Nehalem的一種新的微架構,不過仍將采用32nm工藝制程。比較吸引人的一點是這次Intel不再是將CPU核心與GPU核心用“膠水”粘在一起,而是將兩者真正做到了一個核心里。
在2012年4月24日下午北京天文館,intel正式發(fā)布了Ivy Bridge(IVB)處理器。22nm Ivy Bridge會將執(zhí)行單元的數(shù)量翻一番,達到最多24個,自然會帶來性能上的進一步躍進。Ivy Bridge會加入對DX11的支持的集成顯卡。另外新加入的XHCI USB 3.0控制器則共享其中四條通道,從而提供最多四個USB 3.0,從而支持原生USB3.0。cpu的制作采用3D晶體管技術,CPU耗電量會減少一半。采用22nm工藝制程的Ivy Bridge架構產品將延續(xù)LGA1155平臺的壽命,因此對于打算購買LGA1155平臺的用戶來說,起碼一年之內不用擔心接口升級的問題了。
2013年6月4日intel 發(fā)表四代CPU“Haswell”,第四代CPU腳位(CPU接槽)稱為Intel LGA1150,主機板名稱為Z87、H87、Q87等8系列晶片組,Z87為超頻玩家及高階客群,H87為中低階一般等級,Q87為企業(yè)用。Haswell CPU 將會用于筆記型電腦、桌上型CEO套裝電腦以及 DIY零組件CPU,陸續(xù)替換現(xiàn)行的第三世代Ivy Bridge。