CPU的发展
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。 1971年,早期的Intel公司推出了世界上第一台微处理器4004,这便是第一个用于计算机的四位微处理器,它包含2300个晶体管,由于性能很差,其市场反应十分不理想。
随后,Intel公司又研制出了8080处理器、8085处理器,加上当时Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog公司的Z80微处理器,一起组成了八位微处理器的家族。
十六位微处理器的典型产品是Intel公司的8086微处理器,以及同时生产出的数学协处理器,即8087。这两种芯片使用互相兼容的指令集,但在8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算指令,由于这些指令应用与8086和8087,因此被人们统称为X86指令集。此后Intel推出的新一代的CPU产品,均兼容原来的X86指令。
1979年Intel推出了8088芯片,它仍是十六位微处理器,内含29000个晶体管,时钟频率为4.77MHz,地址总线为20位,可以使用1MB内存。8088的内部数据总线是16位,外部数据总线是8位。1981年,8088芯片被首次用于IBM PC机当中,如果说8080处理器还不为各位所熟知的话,那么8088则可以说是家喻户晓了,个人电脑――PC机的第一代CPU便是从它开始的。1982年的80286芯片虽然是16位芯片,但是其内部已包含13.4万个晶体管,时钟频率也达到了前所未有的20MHz。其内、外部数据总线均为16位,地址总线为24位,可以使用16MB内存,可使用的工作方式包括实模式和保护模式两种。
三十二位微处理器的代表产品首推Intel公司1985年推出的80386,这是一种全三十二位微处理器芯片,也是X86家族中第一款三十二位芯片,其内部包含27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位,地址总线也是32位,可以寻址到4GB内存。它除了具有实模式和保护模式以外,还增加了一种虚拟86的工作方式,可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。1989年Intel公司又推出准三十二位处理器芯片80386SX。它的内部数据总线为三十二位,与80386相同,外部数据总线为十六位。也就是说,80386SX的内部处理速度与80386接近,也支持真正的多任务操作,而它又可以接受为80286开发输入/输出接口芯片。80386SX的性能优于80286,而价格只是80386的三分之一。386处理器没有内置协处理器,因此不能执行浮点运算指令,如果您需要进行浮点运算时,必须额外购买昂贵的80387协处理器芯片。
八十年代末九十年代初,80486处理器面市,它集成了120万个晶体管,时钟频率由25MHz逐步提升到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,并在X86系列中首次使用了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,由于这些改进,80486的性能比带有80387协处理器的80386提高了4倍。早期的486分为有协处理器的486DX和无协处理器的486SX两种,其价格也相差许多。随着芯片技术的不断发展,CPU的频率越来越快,而PC机外部设备受工艺限制,能够承受的工作频率有限,这就阻碍了CPU主频的进一步提高,在这种情况下,出现了CPU倍频技术,该技术使CPU内部工作频率为处理器外频的2-3倍,486DX2、486DX4的名字便是由此而来。
九十年代中期,全面超越486的新一代586处理器问世,为了摆脱486时代处理器名称混乱的困扰,最大的CPU制造商Intel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处理器来对付Intel,但是由于奔腾处理器的性能最佳,Intel逐渐占据了大部分市场。
此后CPU的发展情况不用我说想必大家都已经很了解了,97年初Pentium MMX上市,年中Pentium II和AMD K6上市,年末Cyrix 6x86MX面市,98年更是“三足”鼎立,PII、赛扬、K6-2、MII杀得你死我活。自从推出Pentium II后,Intel便放弃了逐渐老化的Socket 7市场转而力推先进的Slot 1架构,但是这一次Intel却打错了主意,随着全球低于1000美元低价PC需求量的增长,AMD的K6-2处理器填补了Intel在这个低端领域的空白,AGP总线技术、100MHz外频,这些原先只有在Slot 1上才能实现的技术在AMD首先倡导的Super 7时代也实现了,虽然K6-2和Super 7的性能比起同主频的PII来说还有差距,但是低廉的价格还是让AMD抢得了将近30%的CPU零售市场份额。AMD更是以一副不畏强者的姿态,博得了众多消费者的好感。
可惜到了99年,面对Intel猛烈反扑,AMD开始走下坡路,市场销量很糟。Cyrix更是在这场处理器大战中一败涂地,本想依*NS(美国国家半导体公司)东山再起,无奈时机已晚,最终在六月份被芯片组厂商VIA(威盛)收购。
随后的IDT和Rise两家新杀入处理器市场的公司在技术的创新上以及市场定位上均有自己的独到之处,IDT的Winchip C6、Winchip C6-2主要面向低端家用市场,Rise的处理器则主要进军移动电脑领域。无奈生不逢时,在Intel产品的挤压下,它们的日子也是举步为坚,99年年中,也正是Cyrix被收购一个月以后,威盛又收购了IDT公司,同时,Rise也被另一家芯片组厂商SIS(矽统科技)收购,随后传出Rise退出PC处理器市场,主攻家电处理芯片市场的消息,这样,经过重新调整之后,PC处理器市场呈现新三足鼎立的局面:Intel凭借自己优秀的产品以及良好的市场运作继续占领大部分市场份额;AMD则通过8月份发布的Athlon—K7打了个漂亮的翻身仗,K7成为历史上首次性能全面超越Intel同类产品的最快处理器,其市场占有率有进一步扩大的趋势;威盛在收购Cyrix和IDT之后,集成两家公司的最新技术,计划在2000年初推出Socket370兼容的Joshua—约书亚处理器,主攻低端市场。1999年2月底,Intel公司发布了采用Katmai核心的新一代处理器-PⅢ。该处理器采用0.25微米工艺制造,内部集成了950万个晶体管。由于第一代PⅢ处理器性能不如AMD公司发布的K7 Athlon处理器,Intel公司于1999年底推出了第二代PⅢ,给予Coppermine结构,采用0.18微米工艺制造,核心频率达到1G以上。2000年11月,Intel公司发布了采用Willamette结构的第四代Pentium处理器,主频频率为1.5GHz,随后陆续推出了更高频率的处理器,目前处理器的最高频率已经达到3.8GHz。2004年底,AMD和Inel公司先后推出了64位个人用处理器。随后又推出了双核处理器,将CPU的发展带了一个新的时代。
CPU的厂商
1.Intel公司 Intel是生产CPU的老大哥,它占有80%多的市场份额,Intel生产的CPU就成了事实上的x86CPU技术规范和标准。最新的PII成为CPU的首选。
2.AMD公司目前使用的CPU有好几家公司的产品,除了Intel公司外,最有力的挑战的就是AMD公司,最新的K6和K6-2具有很好性价比,尤其是K6-2采用了3DNOW技术,使其在3D上有很好的表现。
3.IBM和Cyrix 美国国家半导体公司IBM和Cyrix公司合并后,使其终于拥有了自己的芯片生产线,其成品将会日益完善和完备。现在的MII性能也不错,尤其是它的价格很低。
4.IDT是处理器厂商的后起之秀,曾经的CPU厂商。
5.VIA威盛公司
VIA威盛是台湾一家主板芯片组厂商,收购了前述的 Cyrix和IDT的cpu部门,推出了自己的CPU
6.国产龙芯
龙芯(英语:Loongson,旧称GODSON) 小名狗剩,是国有自主知识产权的通用处理器,目前已经有2代产品,
最新的龙芯2F已经赶上intel中端P4的水平
CPU的内核
核心(Die)又称为内核,是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心,是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的,CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构,一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。
为了便于CPU设计、生产、销售的管理,CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号,这也就是所谓的CPU核心类型。
不同的CPU(不同系列或同一系列)都会有不同的核心类型(例如Pentium 4的Northwood,Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等等),甚至同一种核心都会有不同版本的类型(例如Northwood核心就分为B0和C1等版本),核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误,并提升一定的性能,而这些变化普通消费者是很少去注意的。每一种核心类型都有其相应的制造工艺(例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等)、核心面积(这是决定CPU成本的关键因素,成本与核心面积基本上成正比)、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集(这两点是决定CPU实际性能和工作效率的关键因素)、功耗和发热量的大小、封装方式(例如S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2等等)、接口类型(例如Socket 370,Socket A,Socket 478,Socket T,Slot 1、Socket 940等等)、前端总线频率(FSB)等等。因此,核心类型在某种程度上决定了CPU的工作性能。
一般说来,新的核心类型往往比老的核心类型具有更好的性能(例如同频的Northwood核心Pentium 4 1.8A GHz就要比Willamette核心的Pentium 4 1.8GHz性能要高),但这也不是绝对的,这种情况一般发生在新核心类型刚推出时,由于技术不完善或新的架构和制造工艺不成熟等原因,可能会导致新的核心类型的性能反而还不如老的核心类型的性能。例如,早期Willamette核心Socket 423接口的Pentium 4的实际性能不如Socket 370接口的Tualatin核心的Pentium III和赛扬,现在的低频Prescott核心Pentium 4的实际性能不如同频的Northwood核心Pentium 4等等,但随着技术的进步以及CPU制造商对新核心的不断改进和完善,新核心的中后期产品的性能必然会超越老核心产品。
CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积(这会降低CPU的生产成本从而最终会降低CPU的销售价格)、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能(例如集成内存控制器等等)以及双核心和多核心(也就是1个CPU内部有2个或更多个核心)等。CPU核心的进步对普通消费者而言,最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。
在CPU漫长的历史中伴随着纷繁复杂的CPU核心类型,以下分别就Intel CPU和AMD CPU的主流核心类型作一个简介。主流核心类型介绍(仅限于台式机CPU,不包括笔记本CPU和服务器/工作站CPU,而且不包括比较老的核心类型)。
Intel
Tualatin
这也就是大名鼎鼎的“图拉丁”核心,是Intel在Socket 370架构上的最后一种CPU核心,采用0.13um制造工艺,封装方式采用FC-PGA2和PPGA,核心电压也降低到了1.5V左右,主频范围从1GHz到1.4GHz,外频分别为100MHz(赛扬)和133MHz(Pentium III),二级缓存分别为512KB(Pentium III-S)和256KB(Pentium III和赛扬),这是最强的Socket 370核心,其性能甚至超过了早期低频的Pentium 4系列CPU。
Willamette
这是早期的Pentium 4和P4赛扬采用的核心,最初采用Socket 423接口,后来改用Socket 478接口(赛扬只有1.7GHz和1.8GHz两种,都是Socket 478接口),采用0.18um制造工艺,前端总线频率为400MHz, 主频范围从1.3GHz到2.0GHz(Socket 423)和1.6GHz到2.0GHz(Socket 478),二级缓存分别为256KB(Pentium 4)和128KB(赛扬),注意,另外还有些型号的Socket 423接口的Pentium 4居然没有二级缓存!核心电压1.75V左右,封装方式采用Socket 423的PPGA INT2,PPGA INT3,OOI 423-pin,PPGA FC-PGA2和Socket 478的PPGA FC-PGA2以及赛扬采用的PPGA等等。Willamette核心制造工艺落后,发热量大,性能低下,已经被淘汰掉,而被Northwood核心所取代。
Northwood
这是目前主流的Pentium 4和赛扬所采用的核心,其与Willamette核心最大的改进是采用了0.13um制造工艺,并都采用Socket 478接口,核心电压1.5V左右,二级缓存分别为128KB(赛扬)和512KB(Pentium 4),前端总线频率分别为400/533/800MHz(赛扬都只有400MHz),主频范围分别为2.0GHz到2.8GHz(赛扬),1.6GHz到2.6GHz(400MHz FSB Pentium 4),2.26GHz到3.06GHz(533MHz FSB Pentium 4)和2.4GHz到3.4GHz(800MHz FSB Pentium 4),并且3.06GHz Pentium 4和所有的800MHz Pentium 4都支持超线程技术(Hyper-Threading Technology),封装方式采用PPGA FC-PGA2和PPGA。按照Intel的规划,Northwood核心会很快被Prescott核心所取代。
Prescott
这是Intel最新的CPU核心,目前还只有Pentium 4而没有低端的赛扬采用,其与Northwood最大的区别是采用了0.09um制造工艺和更多的流水线结构,初期采用Socket 478接口,以后会全部转到LGA 775接口,核心电压1.25-1.525V,前端总线频率为533MHz(不支持超线程技术)和800MHz(支持超线程技术),主频分别为533MHz FSB的2.4GHz和2.8GHz以及800MHz FSB的2.8GHz、3.0GHz、3.2GHz和3.4GHz,其与Northwood相比,其L1 数据缓存从8KB增加到16KB,而L2缓存则从512KB增加到1MB,封装方式采用PPGA。按照Intel的规划,Prescott核心会很快取代Northwood核心并且很快就会推出Prescott核心533MHz FSB的赛扬。
Athlon XP的核心类型
Athlon XP有4种不同的核心类型,但都有共同之处:都采用Socket A接口而且都采用PR标称值标注。
Palomino
这是最早的Athlon XP的核心,采用0.18um制造工艺,核心电压为1.75V左右,二级缓存为256KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为266MHz。
Thoroughbred
这是第一种采用0.13um制造工艺的Athlon XP核心,又分为Thoroughbred-A和Thoroughbred-B两种版本,核心电压1.65V-1.75V左右,二级缓存为256KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为266MHz和333MHz。
Thorton
采用0.13um制造工艺,核心电压1.65V左右,二级缓存为256KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为333MHz。可以看作是屏蔽了一半二级缓存的Barton。
Barton
采用0.13um制造工艺,核心电压1.65V左右,二级缓存为512KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为333MHz和400MHz。
新Duron的核心类型
AppleBred
采用0.13um制造工艺,核心电压1.5V左右,二级缓存为64KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为266MHz。没有采用PR标称值标注而以实际频率标注,有1.4GHz、1.6GHz和1.8GHz三种。
Athlon 64系列CPU的核心类型
Clawhammer
采用0.13um制造工艺,核心电压1.5V左右,二级缓存为1MB,封装方式采用mPGA,采用Hyper Transport总线,内置1个128bit的内存控制器。采用Socket 754、Socket 940和Socket 939接口。
Newcastle
其与Clawhammer的最主要区别就是二级缓存降为512KB(这也是AMD为了市场需要和加快推广64位CPU而采取的相对低价政策的结果),其它性能基本相同。