1.3 微處理器的產(chǎn)生、發(fā)展及多核處理器

以大規(guī)模集成電路工藝和計(jì)算機(jī)組成原理為基礎(chǔ)的微處理器和微計(jì)算機(jī)的問(wèn)世是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上新的里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)進(jìn)入了第四代。1971年，美國(guó)舊金山南部的森特克拉郡（硅谷）的Intel公司首先制成4004微處理器，并用它組成MCS-4（Microcomputer System-4）微計(jì)算機(jī)。自此，微處理器和微計(jì)算機(jī)就以其異乎尋常的速度發(fā)展著，每隔2年～4年就換代一次。這種換代通常是以CPU的字長(zhǎng)位數(shù)及功能來(lái)劃分的。

第一代（1971——1973年），4位和低檔8位微處理器時(shí)代。代表產(chǎn)品是Intel的4004（集成度：1200個(gè)晶體管/片）和由它組成的MCS-4微計(jì)算機(jī)及隨后的Intel 8008（集成度：2000個(gè)晶體管/片）和由它組成的MCS-8微計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是采用PMOS工藝，速度較慢，基本指令執(zhí)行時(shí)間為10～20μs，引腳采用16條、24條，指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)算功能較差，但價(jià)格低廉，主要用于家用電器、計(jì)算器和進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制等。

第二代（1973——1978年），8位微處理器時(shí)代。其集成度提高了1～2倍，代表產(chǎn)品有Intel公司的8080（集成度：4900個(gè)晶體管/片）、Motorola公司的MC6800（集成度：6800個(gè)晶體管/片）和Zilog公司的Z80（集成度：10000個(gè)晶體管/片）。其特點(diǎn)是采用NMOS工藝，用40條引腳的雙列直插式封裝，運(yùn)算速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，基本指令執(zhí)行時(shí)間為1～2μs，指令系統(tǒng)比較完善，尋址能力有所增強(qiáng)。8位微處理器和微計(jì)算機(jī)曾是應(yīng)用的主流，主要用于教學(xué)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和工業(yè)控制、智能儀器中。

第三代（1978——1984年），16位微處理器時(shí)代。1978年，Intel公司推出Intel8086（集成度：29000個(gè)晶體管/片），相繼Zilog公司推出Z-8000（集成度：17500個(gè)晶體管/片），Motorola公司推出MC68000（集成度：68000個(gè)晶體管/片）。其特點(diǎn)是均采用高性能的HMOS工藝，各方面性能指標(biāo)比第二代又提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。Intel8086的基本指令執(zhí)行時(shí)間約為0.5μs，指令執(zhí)行速度為2.5MIPS（MIPS為每秒百萬(wàn)條指令）。1982年，Intel公司推出高性能的16位CPU 80286，采用68條引腳的無(wú)引線的方形封裝。指令執(zhí)行速度提高到4MIPS。Intel 80286設(shè)計(jì)了兩種工作方式————實(shí)模式和保護(hù)模式。當(dāng)工作在實(shí)模式時(shí)，保持與8086兼容，且工作速度更快。80286整體功能比8086強(qiáng)6倍。16位微處理器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)。IBM公司首先用Intel公司的產(chǎn)品組建個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal computer，PC）IBM PC/XT和IBM PC/AT機(jī)，并成為世界銷量最大的PC機(jī)型。

第四代（1985——1992年），32位微處理器時(shí)代。1985年，Intel公司推出Intel 80386，采用CHMOS工藝和132條引腳的針筒陣列封裝（集成度達(dá)到27.5萬(wàn)個(gè)晶體管/片），指令執(zhí)行速度提高到10MIPS。其工作方式除80286的實(shí)模式和保護(hù)模式外，還增加了虛擬8086模式。在實(shí)模式下，能運(yùn)行8086指令，運(yùn)行速度比80286快3倍。80386是Intel公司推出的第一個(gè)實(shí)用的32位微處理器。

1989年，Intel公司又推出另一個(gè)高性能的32位微處理器80486，其集成度達(dá)100萬(wàn)個(gè)晶體管/片。與80386顯著不同的是，80486將多種不同功能的芯片電路集成到一個(gè)芯片上。在80486芯片上，除有80386 CPU外，還集成了80387浮點(diǎn)運(yùn)算處理器（FPU）、82385高速暫存控制器和8KB的高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）。這樣，80486就在80386的基礎(chǔ)上更加高速化。當(dāng)時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)，指令執(zhí)行速度達(dá)15MIPS，時(shí)鐘為33MHz時(shí)，達(dá)19MIPS。

第五代（1993——2005年），奔騰（Pentium）產(chǎn)品時(shí)代。1993年，Intel公司推出Pentium微處理器（也稱為Intel 80586，或P5）。該微處理器集成度為310萬(wàn)個(gè)晶體管/片，在時(shí)鐘頻率為60MHz下，指令執(zhí)行速度為100MIPS。芯片內(nèi)部也有一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，但其浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的處理速度比80486高5倍。

Pentium微處理器的面市稱得上是微機(jī)發(fā)展史上的里程碑。Pentium微處理器不僅是對(duì)前代產(chǎn)品80486的改進(jìn)，而且從設(shè)計(jì)思想上把提高微處理器內(nèi)部指令的并行性和高效率作為指導(dǎo)，它把芯片上的Cache加倍為16KB（這里K=1024），并分為兩個(gè)，一個(gè)8KB作為指令緩沖存儲(chǔ)器（L1），另一個(gè)8KB作為數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器（L2）；數(shù)據(jù)總線寬度由32位增加到64位；采用雙整數(shù)處理器技術(shù)，允許每個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)執(zhí)行兩條指令。這種有兩個(gè)獨(dú)立的整數(shù)處理器技術(shù)又稱為超標(biāo)量（Superscalar）技術(shù)。為了擺脫80486時(shí)代處理器名稱的混亂，Intel公司把新一代的產(chǎn)品命名為Pentium（奔騰）。另一個(gè)CPU制造商AMD公司把自己的這代產(chǎn)品命名為K5，Cyrix公司則命名為6x86。以后，Intel公司不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新，相繼發(fā)布了Pentium Por、Pentium MMX、PentiumⅡ、PentiumⅢ和Pentium4。AMD公司也相繼發(fā)布了K6、K7產(chǎn)品。目前，Intel公司和AMD公司是這代CPU的兩個(gè)最大的制造商。

1995年，Intel公司推出Pentium Pro（高能奔騰），又稱為P6，集成度為550萬(wàn)個(gè)晶體管/片，時(shí)鐘頻率為150MHz，運(yùn)行速度達(dá)到400MIPS，是一種比P5更快的第二代奔騰產(chǎn)品，具有更優(yōu)化的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)；整數(shù)處理器增加為3個(gè)，浮點(diǎn)運(yùn)算速度也加快，內(nèi)部可以同時(shí)執(zhí)行3條指令；片內(nèi)除原有的第一級(jí)16KB高速緩沖存儲(chǔ)器L1外，還增加一個(gè)256KB的第二級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器L2；采用雙重獨(dú)立總線和動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)，地址總線增加了4條（共36條），能尋址64GB存儲(chǔ)空間。

1996年，Intel公司將多媒體擴(kuò)展技術(shù)MMX（MultiMedia eXtension）應(yīng)用到Pentium芯片上，推出Pentium MMX微處理器，其外部引腳與P5兼容，但在指令系統(tǒng)中增加了57條多媒體指令，用于音頻、視頻、圖形圖像數(shù)據(jù)處理，使多媒體、通信處理能力得到了很大的提高。

1997年，Intel公司推出PentiumⅡ（PⅡ）微處理器。實(shí)際上，這是Pentium Pro級(jí)的MMX處理器，芯片集成度達(dá)到750萬(wàn)個(gè)晶體管/片，時(shí)鐘頻率高達(dá)450MHz。第一級(jí)（L1）數(shù)據(jù)和指令Cache每個(gè)擴(kuò)展為16KB，支持片外的第二級(jí)（L2）Cache，其容量為256KB、512KB和1MB。Intel Celeron提供集成第二級(jí)Cache為128KB，是PentiumⅡ的簡(jiǎn)化版本，以降低CPU的成本。PⅡ微處理器封裝不再采用Pentium和Pentium Pro所用的陶瓷封裝，而采用新的封裝結(jié)構(gòu)————單邊接觸SEC（Single Edge Contact）插件盒和一塊帶金屬外殼的印制板電路，PⅡCPU和L2 Cache都集成（捆綁）安裝在這塊印制板上。

1999年，Intel公司推出PentiumⅢ（PⅢ）微處理器，芯片集成度為950萬(wàn)個(gè)晶體管/片，最初推出時(shí)的時(shí)鐘頻率為450MHz和500MHz。PⅢ將PⅡ的片外第二級(jí)（L2）Cache集成進(jìn)片內(nèi)。PⅢ的最大特點(diǎn)是增加了70條單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展SSE（Streaming SIMD eXtension）指令集。

2000年11月，Intel公司推出Pentium4微處理器（時(shí)鐘頻率為1.5GHz，工藝尺寸為0.18μm），采用了稱為NetBurst的全新Intel 32位微體系結(jié)構(gòu)（IA-32），集成度達(dá)4200萬(wàn)個(gè)晶體管/片，時(shí)鐘頻率在1.5GHz以上，增加了功能更強(qiáng)大的執(zhí)行跟蹤緩存（Excution Trace Cache）。在SSE指令基礎(chǔ)上新增了76組SSE2指令，更加滿足網(wǎng)絡(luò)、圖像圖形處理、視頻和音頻流編解碼等多媒體的應(yīng)用。Pentium4使用Socket423或Socket478插座。由于其集成度和時(shí)鐘頻率增高帶來(lái)的發(fā)熱量增加，除了封裝采用金屬外殼外，安裝時(shí)還要加帶散熱片的微型風(fēng)扇。2002年11月，Intel公司公布了更新的Pentium 4微處理器，其時(shí)鐘頻率已達(dá)3.06GHz（工藝尺寸為0.13μm）。

2004至2005年，Intel與AMD為爭(zhēng)奪微處理器市場(chǎng)，不斷推出新的產(chǎn)品，基于NetBurst的Pentium4處理器家族也逐漸龐大起來(lái)，出現(xiàn)了支持超線程技術(shù)和SSE3的新Pentium4微處理器。這時(shí)期，微處理器的最高集成度可達(dá)十幾億個(gè)晶體管/片。

目前，市場(chǎng)上可實(shí)現(xiàn)64位計(jì)算的CPU主要來(lái)自Intel和AMD公司。Intel IA64，基于安騰2處理器，不兼容32位應(yīng)用。Intel EM64T基于XeonDP Nocona和MP處理器，兼容32位應(yīng)用，是Intel-32結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，因而可在兼容IA-32軟件情況下，允許軟件利用更多的內(nèi)存地址空間，并且允許軟件進(jìn)行32位線性地址寫入。AMD64，基于Opteron處理器，兼容32位應(yīng)用。

當(dāng)代（2006年至今）片上多核處理器時(shí)代，隨著半導(dǎo)體制造工藝不斷進(jìn)步，集成度的提高，單純靠采用提高時(shí)鐘頻率來(lái)提高微處理器性能的辦法也帶來(lái)了因功耗提高而難以解決的散熱問(wèn)題。在這種背景下，各主流處理器廠商紛紛將產(chǎn)品戰(zhàn)略從提高芯片時(shí)鐘頻率的研究和開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向多線程、多內(nèi)核（core）等技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)上。

2006年，Intel推出了基于新的Core微結(jié)構(gòu)的Core 2 Duo處理器酷睿2。這種采用低功耗的雙核設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅提高了性能，而且由于采用較低運(yùn)行頻率，降低了功耗需求，也提高了微處理的能效。這推動(dòng)了片上多核處理器的研究熱潮，而進(jìn)入了片上多核處理器CMP（Chip Multi-Processors）的時(shí)代。

所謂CMP，就是在一個(gè)芯片上做出多個(gè)（如2、4個(gè)或更多）結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的處理器內(nèi)核。這些內(nèi)核既可采用簡(jiǎn)單流水線結(jié)構(gòu)，又可使用中等復(fù)雜的超標(biāo)量處理器，多個(gè)內(nèi)核并行執(zhí)行多線程任務(wù)，從而有效地?cái)U(kuò)展了處理器的性能。

2008年，Intel公司推出一款代號(hào)為“Nehalem”的全新微體系結(jié)構(gòu)，這是Intel的8個(gè)內(nèi)核處理器的全新芯片設(shè)計(jì)代號(hào)。2010年，Intel公司公布了超多核商用芯片產(chǎn)品“Knights Corner”，它可以將50個(gè)以上處理器核集成到一塊芯片上。

當(dāng)代的多核處理器已成微處理器發(fā)展的必然趨勢(shì)，無(wú)論是在移動(dòng)式、嵌入式、桌面式微機(jī)和服務(wù)器的應(yīng)用中都將被采用，其未來(lái)前景將十分廣闊。