英特爾和AMD
編者按:任何事物都會經歷壹個從發展到成長的過程。CPU能發展到今天這個規模和成就，其發展歷史更是耐人尋味。作為電腦的“核心”，CPU也不例外。這篇文章讓我們進入了壹個短暫但激烈的CPU開發過程。在這個回顧的過程中，我們主要描述了兩大CPU巨頭——Intel和AMD的產品開發過程。對於其他CPU公司，比如Cyrix和IDT，因為我們很少看到他們的產品，所以由於篇幅所限，我們就不贅述了。
壹、X86時代的CPU
CPU可以追溯到1971年。當年，還處於研發階段的英特爾推出了全球首款微處理器4004。這不僅是第壹個用於計算器的4位微處理器，也是第壹個個人買得起的電腦處理器！！4004包含2300個晶體管，功能相當有限，速度還很慢。被當時的藍色巨人IBM和大部分商業用戶所不齒，但畢竟是劃時代的產品。從那時起，英特爾就與微處理器結下了不解之緣。可以說，CPU的歷史發展歷程其實就是INTEL X86系列CPU的發展歷程，我們將通過它展開我們的“CPU歷史之旅”。
4004處理器內核架構圖
1978年，Intel再次引領潮流，首次生產出16位的微處理器，命名為i8086。同時還出了配套的數學協處理器i8087。這兩個芯片使用了兼容的指令集，但在i8087指令集上增加了壹些專門用於對數、指數和三角函數等數學計算的指令。因為這些指令集應用於i8086和i8087，所以人們也稱之為X86指令集。雖然英特爾生產了更先進、更快速的第二代、第三代等新CPU，但仍然兼容原有的X86指令，英特爾在命名後續CPU時沿用了原有的X86順序，直到後來由於商標註冊問題，放棄了繼續用阿拉伯數字命名。至於後來發展起來的其他公司，比如AMD、Cyrix，486之前(含486)的CPU都是以自己的X86 CPU命名的，但是到了586的時候，市場競爭越來越激烈。由於商標註冊問題，他們不能再使用與英特爾的X86 CPU相同或相似的命名，因此他們必須命名自己的586和686兼容CPU。
1979年，INTEL推出8088芯片，仍然屬於16位微處理器，包含29000個晶體管。時鐘頻率4.77MHz，地址總線20位，可使用1MB內存。8088的內部數據總線是16位，外部數據總線是8位，而它的兄弟8086是16位。1981 8088芯片首次用於IBM PC，開創了壹個全新的微機時代。也是從8088年開始，PC(個人電腦)的概念開始在全世界發展。
英特爾8086處理器
1982年，很多年輕讀者還在繈褓中的時候，INTE就已經推出了最新的劃時代產品Zao 80286芯片，相比8006和8088有了很大的發展。雖然它仍然是16位結構，但它在CPU中包含了134，000個晶體管。其內部和外部數據總線均為16位，地址總線為24位，可尋址16MB內存。從80286開始，CPU演變為兩種工作模式:實模式和保護模式。
英特爾80286處理器
1985年，INTEL推出了80386芯片，這是80X86系列的第壹款32位微處理器，其制造工藝也有了很大的進步。與80286相比，80386包含275000個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz，之後提升到20MHz、25MHz、33MHz。80386的內部和外部數據總線都是32位，地址總線也是32位，最高可尋址4GB內存。除了實模式和保護模式之外，它還增加了壹種叫做虛擬86的工作模式，可以通過同時模擬多個8086處理器來提供多任務能力。除了標準的80386芯片，也就是我們之前常說的80386DX，出於不同的市場和應用考慮，INTEL還陸續推出了壹些其他類型的80386芯片:80386SX、80386SL、80386DL等等。1988推出的80386SX是壹款市場定位在80286和80386DX之間的芯片。與80386DX的區別在於外部數據總線和地址總線與80286相同，分別為16位和24位(即尋址能力為16MB)。1990推出的80386 SL和80386 DL是低功耗節能芯片，主要用於便攜式電腦和節能臺式機。80386 SL和80386 DL的區別在於，前者基於80386SX，後者基於80386DX，但兩者都增加了新的工作模式:系統管理模式(SMM)。進入系統管理模式時，CPU會自動降低運行速度，控制顯示屏、硬盤等部件停止工作，甚至停止運行，進入“睡眠”狀態，達到節能的目的。
英特爾80386處理器
1989年，眾所周知的80486芯片是INTEL推出的。這款芯片的偉大之處在於，它實際上打破了1萬個晶體管的界限，集成了1.2萬個晶體管。80486的時鐘頻率從25MHz逐漸提高到33MHz和50MHz。80486將80386、數學協處理器80387和壹個8KB緩存集成在壹個芯片中，80X86系列首次采用RISC(精簡指令集)技術，壹個時鐘周期可以執行壹條指令。它還采用了突發總線模式，大大提高了與存儲器的數據交換速度。由於這些改進，80486的性能比帶有80387數學協處理器的80386DX高4倍。和80386壹樣，80486也有幾種類型。上面介紹的原型號是80486DX。1990介紹了80486SX，是486型的低價機型。它和80486DX的區別在於它沒有數學協處理器。80486 DX2從機采用時鐘倍頻技術，這意味著芯片內部的運行速度是外部總線的兩倍，即內部芯片以兩倍於系統時鐘的速度運行，但仍以原來的時鐘速度與外界通信。80486 DX2的內部時鐘頻率主要包括40MHz、50MHz和66MHz。80486 DX4也是壹款采用時鐘倍頻技術的芯片，可以讓其內部單元以兩倍或三倍於外部總線的速度運行。為了支持這種提高的內部工作頻率，其片內高速緩存擴展到16KB。80486 DX4的時鐘頻率為100MHz，比80486 DX2的66MHz快40%。80486還有SL增強型，有系統管理模式，用於便攜式電腦或節能臺式機。
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二、奔騰時代的CPU
繼承80486的巨大成功，賺了幾倍錢的英特爾在1993推出了新壹代高性能處理器——奔騰。隨著CPU市場的競爭趨於越來越激烈，英特爾覺得AMD和其他公司不能再用同壹個名字搶飯碗了，於是提出了商標註冊。由於在美國法律中不能使用阿拉伯數字進行註冊，所以英特爾玩了個花招，用拉丁文註冊了商標。奔騰在拉丁文中是“五”的意思，英特爾也給它起了壹個很好聽的中文名字——奔騰。奔騰的廠商代碼是P54C。奔騰的晶體管數量高達365，438+百萬，時鐘頻率從60MHZ、66MHZ提升到200MHZ。只有66MHZ的奔騰原版微處理器，其運算性能比33MHZ的80486 DX高3倍以上，而100MHZ的奔騰比33MHZ的80486 DX快6到8倍。也就是從奔騰開始，我們都有超頻，壹個用盡可能少的錢換取盡可能多的性能的好方法。作為全球首款586級處理器，奔騰也是第壹款超頻最多的處理器。由於其出色的制造工藝，全系列CPU的浮點性能也是各種性能中最強的，超頻性能最大，從而贏得了586級CPU的大部分市場。奔騰家族中的頻率為60/66/75//90/100/120/133/150/166/200，而CPU內部頻率為60 MHz-66 MHz。值得壹提的是，從奔騰75開始，CPU的socket技術正式從之前的Socket4轉變為同時支持Socket 5和Socket 7，其中Socket 7壹直沿用至今。而且所有奔騰CPU都內置16K壹級緩存，處理性能更加強大。
英特爾奔騰處理器
同時，AMD推出了K5系列CPU。(AMD也改名了！)有六種頻率:75/90/100/120/133/16KB。內部總線的頻率和奔騰差不多，都是60或者66MHz。雖然在浮點運算上不如奔騰，但K5系列CPU都是。即便如此，由於k5系列的發貨日期壹拖再拖，AMD最終還是在“586”的競爭中敗給了英特爾。
1，初期挫折——奔騰Pro:
最初占據壹部分CPU市場的英特爾並沒有停下腳步。當其他公司還在追趕他們的奔騰時，它在1996推出了最新壹代的第六代X86系列CPU——P6。P6只是它的研究代號。上市後，P6有了壹個非常響亮的名字——奔騰Pro。Pentimu Pro包含多達550萬個晶體管，內部時鐘頻率為133MHZ，處理速度幾乎是奔騰100MHZ的兩倍。Pentimu Pro的壹級(片內)緩存是8KB指令和8KB數據。
英特爾奔騰Pro處理器
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值得註意的是，在Pentimu Pro的壹個封裝中，除了Pentimu Pro芯片之外，還有壹個256KB的二級緩存芯片。兩個芯片通過高帶寬的內部通信總線互連，處理器和緩存之間的連接線也放在這個封裝中，這樣緩存可以更容易地以更高的頻率運行。奔騰Pro 200MHZCPU的L2高速緩存運行在200MHZ，這意味著它的工作頻率與處理器相同。這種設計使奔騰Pro達到了最高的性能。Pentimu Pro最引人註目的是它擁有壹項名為“動態執行”的創新技術，這是奔騰突破超標量架構後的又壹次飛躍。Pentimu Pro系列工作頻率為150/166/180/200，壹級緩存為16KB，前三者均有256KB二級緩存。至於主頻200的CPU，有三個版本，不同的是它們的內置緩存分別是256KB。但由於當時緩存技術並不成熟，而且當時的緩存芯片非常昂貴，Pentimu Pro的性能雖然不錯，但遠沒有被競爭對手甩在身後。此外，價格非常昂貴，Pentimu Pro實際壹次性售出的數量最少，市場壽命非常短。Pentimu Pro可以說是英特爾第壹款失敗的產品。
2.輝煌的開始——奔騰MMX:
借鑒奔騰Pro的經驗，英特爾在1996年底推出了壹款改進版的奔騰系列，廠商代碼為P55C，也就是我們通常所說的奔騰MMX。這款處理器當時並沒有集成吃力不討好的二級緩存，而是另辟蹊徑，使用MMX技術來提升性能。
MMX技術是英特爾新發明的多媒體增強指令集技術，英文全稱可翻譯為“多媒體擴展指令集”。MMX是英特爾公司在1996中采用的壹項新技術，用於增強奔騰CPU在音頻、視頻、圖形和通信方面的應用。它給CPU增加了57條MMX指令。除了在指令集上增加MMX指令，還將CPU芯片中L1的緩存從原來的16KB增加到32KB(16K指壽命+65438)。MMX技術不僅是壹項創新，也是CPU發展的新時代，後來的SSE，現在的3D！iso指令集也是從MMX發展而來的。
英特爾奔騰MMX處理器
在英特爾推出奔騰MMX幾個月後，AM也推出了自己的新產品K6。K6系列CPU * * *有五個頻率，分別是:166/200/ 233/266/300。五款都是66外頻，但是後來的233/266/300通過升級主板的BIOS可以支持100外頻，所以CPU的性能得到了提升。特別值得壹提的是，他們的壹級緩存已經增加到64KB，是MMX的兩倍，因此其商業性能甚至優於奔騰MMX。然而，由於缺乏多媒體擴展指令集，K6的多媒體性能，包括遊戲，不如奔騰MMX。
3、優勢的建立——奔騰ⅱ:
1997年5月，英特爾推出了與奔騰Pro同級的產品，也就是最具影響力的CPU——奔騰II。第壹代奔騰II的核心叫Klamath。作為奔騰二代的第壹代芯片，運行在66MHz總線上，有233，266，300，333Mhz四個主頻，然後推出了100Mhz總線的奔騰二代，頻率有300，350，400，450Mhz。奔騰II采用了與奔騰Pro相同的內核結構，從而繼承了原奔騰Pro處理器優秀的32位性能，但它加速了段寄存器的寫操作，並增加了MMX指令集，以加快16位操作系統的執行速度。由於配備了可重命名的段寄存器，奔騰II可以推測性地執行寫操作，並允許使用舊段值的指令與使用新段值的指令共存。在奔騰II中，英特爾改變了過去BiCMOS制造工藝笨拙而耗電的雙極硬件，將750萬個晶體管壓縮到203平方毫米的管芯中。奔騰II只比奔騰Pro大6平方毫米，但比奔騰Pro多容納200萬個晶體管。由於扇柵尺寸只有0.28微米，這些晶體管的速度加快，從而達到X86前所未有的時鐘速度。
英特爾奔騰ⅱ處理器
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在接口技術方面，奔騰II為了擊敗英特爾的競爭對手，獲得更大的內部總線帶寬，首次采用了最新的solt1接口標準。它沒有采用陶瓷封裝，而是采用了金屬外殼的印刷電路板，不僅集成了處理器組件，還包括32KB的壹級緩存。如果要用單面插卡(也叫SEC卡)連接奔騰II處理器，只需要直接將印刷電路板(PCB)卡在SEC卡上即可。SEC卡的塑料包裝外殼叫單面插卡盒，也叫SEC(單邊接觸卡脊)卡盒，上面有奔騰II的logo和奔騰II的彩色圖像印象。在SEC卡盒中，處理器封裝、L2緩存和TagRAM連接到壹個底座(即SEC卡)，底座的壹側(包含處理器內核的壹側)提供有鋁制散熱器，另壹側用黑色塑料密封。奔騰CPU有壹個32KB的片內L1緩存(16K指令/16K數據)；57 MMX指令；八個64位MMX寄存器。由750萬個晶體管組成的核心部分是在203平方毫米的工藝中制造的。處理器固定在小型印刷電路板(PCB)上，對雙向SMP具有良好的支持。至於L2緩存，有512K，屬於四路級聯片外同步突發SRAM緩存。這些高速緩存以核心處理器壹半的速度運行(對於266MHz的CPU，速度為133MHz)。Pentium II的SEC卡設計用於插入1插槽(約為ISA插槽大小)。所有Slot1主板都有壹個由兩個塑料支架組成的固定裝置。SEC卡可以從兩個塑料支架之間滑入插槽1。將SEC卡插入到位後，可以將散熱器連接到其鋁制散熱器上。266MHz的奔騰II只比200MHz的奔騰Pro略熱(其功率分別為38.2瓦和37.9瓦)，但由於SEC卡的尺寸更大，奔騰II的散熱槽幾乎是Socket7或Socket8處理器所用散熱槽的兩倍。
除了通用的奔騰II，英特爾還推出了面向服務器和高端工作站的至強系列處理器，采用Slot 2 socket技術，32KB壹級緩存，512KB和1MB二級緩存，雙獨立總線結構，100MHz系統總線，最多支持8個CPU。
英特爾奔騰ⅱ至強處理器
為了對抗浩浩蕩蕩的奔騰II，1998年，AMD推出了K6-2處理器。它的核心電壓是2.2伏，所以發熱量比較低，壹級緩存64KB。更重要的是，為了對抗英特爾的MMX指令集，AMD還開發了自己的多媒體指令集，命名為3DNow！。3DNow！它是壹套***21新指令，可以提高三維圖形、多媒體和浮點運算密集型的個人計算機應用的計算能力，使三維圖形加速器充分發揮性能。K6-2所有型號都內置了3DNow！指令集使得AMD的產品在壹些程序應用中首次在整數性能和浮點運算性能上超越英特爾，這讓英特爾感受到了危機。然而，與奔騰II相比，K6-2仍然沒有集成L2緩存，因此盡管它廣受好評，但在市場份額上仍未能擊敗奔騰II。
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