微处理器发展.doc

1、微处理器发展一、基本理论摩尔定律摩尔定律是指 IC 上可容纳的晶体管数目，约每隔 18 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律是由英特尔(Intel)名誉董事长戈登摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发现得之。钟摆理论在奇数年，英特尔将会推出新的工艺；而在偶数年，英特尔则会推出新的架构。简单的说，就是奇数工艺年和偶数架构年的概念。钟摆策略发展趋势一般是今年架构、明年工艺，是让大家循序渐进，而且实行钟摆策略也是带着整个行业按着这个钟摆形成一种共同的结构往前走。二、微处理器的发展大致可分为第一代微处理器（1971 1973 年）通常以字长是 4 位或 8 位微处理器，典型的是美国 I

2、ntel 4004 和 Intel 8008 微处理器。Intel 4004 是一种 4 位微处理器，可进行 4 位二进制的并行运算，它有 45 条指令，速度0.05MIPs（Million Instruction Per Second，每秒百万条指令） 。Intel 4004 的功能有限，主要用于计算器、电动打字机、照相机、台秤、电视机等家用电器上，使这些电器设备具有智能化，从而提高它们的性能。Intel 8008 是世界上第一种 8 位的微处理器。存储器采用PMOS 工艺。该阶段计算机工作速度较慢，微处理器的指令系统不完整，存储器容量很小，只有几百字节，没有操作系统，只有汇编语言。主要用于

3、工业仪表、过程控制。第二代微处理器（1974 1977 年）典型的微处理器有 Intel 8080/8085，Zilog 公司的 Z80 和 Motorola 公司的 M6800。与第一代微处理器相比，集成度提高了 14 倍，运算速度提高了 1015 倍，指令系统相对比较完善，已具备典型的计算机体系结构及中断、直接存储器存取等功能。 由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务，价格又便宜，于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。Zilog 公司生产了 8080 的增强型 Z80，摩托罗拉公司生产了 6800，英特尔公司于 1976 年又生产了增强型 8085,但这些芯片基本没

4、有改变8080 的基本特点，都属于第二代微处理器。它们均采用 NMOS 工艺,集成度约 9000 只晶体管,平均指令执行时间为 1S2S,采用汇编语言、BASIC、Fortran 编程，使用单用户操作系统。第三代微处理器（1978 1984 年）即 16 位微处理器。1978 年，Intel 公司率先推出 16 位微处理器 8086，同时，为了方便原来的 8 位机用户，Intel 公司又提出了一种准 16 位微处理器 8088。在 Intel 公司推出 8086、8088 CPU 之后，各公司也相继推出了同类的产品，有 Zilog 公司 Z8000 和 Motorola 公司的 M68000

5、等。1981 年，美国 IBM 公司将 8088 芯片用于其研制的1IBM-PC 机中，从而开创了全新的微机时代。也正是从 8088 开始，个人电脑(PC)的概念开始在全世界范围内发展起来。从 8088 应用到 IBM PC 机上开始,个人电脑真正走进了人们的工作和生活之中，它也标志着一个新时代的开始。 第四代微处理器（1985 1992 年）即 32 位微处理器。1985 年 10 月 17 日，英特尔划时代的产品80386DX 正式发布了，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20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量的 40MHz 产品。 由于

6、32 位微处理器的强大运算能力，PC 的应用扩展到很多的领域，如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐。1989 年， 英特尔推出了 80486 芯片.第五代微处理器（1993-2005 年）第 5 阶段（1993-2005 年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第 5 代。典型产品是 Intel 公司的奔腾系列芯片及与之兼容的 AMD 的 K6 系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（MultiMediaeXtended）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。 200

7、0 年推出的 Pentium 4 处理器内建了 4200 万个晶体管，以及采用 0.18 微米的电路，Pentium 4 初期推出版本的速度就高达 1.5GHz，晶体管数目约为 4200 万颗，翌年 8 月，Pentium 4 处理理达到 2 GHz 的里程碑。2002 年英特尔推出新款 Intel Pentium 4 处理器内含创新的 Hyper-Threading(HT）超线程技术。第六代微处理器（2005 年至今）第 6 阶段（是酷睿（core）系列微处理器时代，通常称为第 6 代。 “酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的

8、能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。 酷睿 2：英文名称为 Core 2 Duo，是是英特尔在 2006 年推出的新一代基于 Core 微架构的产品体系统称。于 2006 年 7 月 27 日发布。酷睿 2 是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。其中，服务器版的开发代号为 Woodcrest，桌面版的开发代号为 Conroe，移动版的开发代号为Merom。 SNB(Sandy Bridge）是英特尔在 2011 年初发布的新一代处理器微架构，这一构架的最大意义莫过于重新定义了“整合平台”的概念，与处理器“无缝融合”的“核芯显卡”终结了“集成显卡”的时代。 在 201

9、2 年 4 月 24 日下午北京天文馆，intel 正式发布了 ivy bridge（IVB）处理器。22nm Ivy Bridge 会将执行单元的数量翻一番，达到最多 24 个，自然会带来性能上的进一步跃进。Ivy Bridge 会加入对 DX11 的支持的集成显卡。另外新加入的 XHCI USB 3.0 控制器则共享其中四条通道，从而提供最多四个 USB 3.0，从而支持原生 USB3.0。cpu 的制作采用 3D晶体管技术的 CPU 耗电量会减少一半。2AMD CPU 发展史1: 1999 年 6 月 23 日，Athlon 诞生，当时为 K7 架构，主频从 500-700 MHz 之间

10、，配备512 KB 的半速二级缓存。2: 2000 年 3 月 6 日，世界出现第一款速度达到 1GHz 的处理器Athlon 1GHz 。AMD 是第一家发表与销售 1 GHz 处理器的厂商 (Athlon)，比 Intel 的 1 GHz Pentium III 早了两天。1GHz 的 Athlon 处理器是一款非常优秀的产品，主频率的优势使它的性能显得出类拔萃，虽然受到 1/3 速 L2Cache 的影响，它的整体性能仍然是当时测试过的处理器中最出色的。对于 AMD 公司来说，Athlon 1GHz 的象征意义更大于实用价值。3: 2001 年 10 月 9 日，Athlon XP 处理

11、器出现， “XP”指 Extreme Performance(卓越性能） ，重启 PR 值对 CPU 性能进行标注，最终频率为 1733MHz，PR 值为 2100+。4:2002 年 6 月 10 日，新版 Athlon XP 处理器出现，是是 AMD 首次采用 0.13 微米工艺的处理器。5: 2003 年 2 月 10 日，出现配备 512KB 二级缓存的 Athlon XP 3000+处理器。2003 年 9 月 23 日，第八代 CPU（K8）Athlon 64 登场，首次支持 64bit 计算、并内置内存控制器。6: 2004 年 8 月，Socket 939 接口 Athlon

12、64 出现，引入 90 纳米工艺，加速 64bit 计算普及。7: 2005 年 4 月， Athlon FX 出现，频率达到 3GHz， Athlon 64 X2 出现。8:2006 年 5 月底，首款 Socket AM2 接口双核心 Athlon 64 X2，支持双通道 DDR2 800 内存。9: 2007 年 9 月，桌面 CPU 规格最高的 Athlon 64 X2 6000+出现，Athlon 64 X2 5000+黑盒版诞生。10: 2008 年 12 月，AMD 推出 K10 架构的 Athlon 64 X2 7750 黑盒版。11: 2009 年 4 月，AMD 推出 At

13、hlon 64 X2 7850 黑盒版。Athlon X2 7850 BE 是 Athlon X2 7750 BE 的后续产品，也是 Kuma 巅峰之作。Athlon X2 7850 Black Edition 的定位主要是面向超频市场，虽然它的主频仍未超越 3GHz，但是由于此处理器的定价不会太高，所以很适合普通超频爱好者使用。历经十年的发展，Athlon 处理器见证了 32 位到 64 位的转变，也推动了单核到多核的进步，最新一代的 Athlon X2 7xxx 系列已经日益成熟，核心架构由 K8 升级到 K10，拥有了 K10架构才有的 2MB 三级缓存，HT 3.0 总线等完整技术规格

14、，在游戏性能与高效能计算上相比前代 5000、6000 系列有了大幅提高。中国微处理器简介2004 年 2 月 18 日，由清华大学自主研发的 32 位微处理器 THUMP 芯片终于领到了由国家教育部颁发的“身份证”：典型工作频率 400MHz，功耗 1.17mW/MHz，芯片颗粒 40 片，最高工作频率可达 500MHz，是目前国内工作频率最高的微处理器。 “这标志着我国在自主研发3CPU 芯片领域迈开了实质性的一大步。 ”教育部对 THUMP 的诞生给予了较高评价。 在龙芯 1 号、龙芯 2 号的基础上，中国正在自主研发新一代的龙芯 3 号。 龙芯 3A 的工作频率为 900MHz1GHz

15、，功耗约 15W，频率为 1GHz 时双精度浮点运算速度峰值达到每秒 160 亿次，单精度浮点运算速度峰值每秒 320 亿次。龙芯 3A 采用意法半导体公司（STMicro）65 纳米 CMOS 工艺生产，晶体管数目达 4.25 亿个，芯片采用 BGA 封装，引脚的数目为 1121 个，功耗小于 15 瓦。 龙芯 3A 集成了四个 64 位超标量处理器核、4MB 的二级Cache、两个 DDR2/3 内存控制器、两个高性能 HyperTransport 控制器、一个 PCI/PCIX 控制器以及 LPC、SPI、UART、GPIO 等低速 I/O 控制器。龙芯 3A 的指令系统与 MIPS64

16、 兼容并通过指令扩展支持 X86 二进制翻译。 龙芯 3 号在包括服务器、高性能计算机、低能耗数据中心、个人高性能计算机、高端桌面应用、高吞吐计算应用、工业控制、数字信号处理、高端嵌入式应用等产品中具有广阔的市场应用前景。微处理器发展史1971 年：4004 微处理器1972 年：8008 微处理器1974 年：8080 微处理器1978 年：8086-8088 微处理器1982 年：286 微处理器1985 年：英特 38664 微处理器1989 年：英特尔 48664 DX CPU 微处理器1993 年：英特尔奔腾（Pentium）处理器1995 年：英特尔高能奔腾（Italium Pen

17、tium）处理器1997 年：英特尔奔腾 II（Pentium II）处理器1998 年：英特尔奔腾 II 至强（Xeon）处理器1999 年：英特尔赛扬（Celeron）处理器1999 年：英特尔奔腾 III（Pentium III）处理器1999 年：英特尔奔腾 III 至强（Pentium III Xeon）处理器2000 年：英特尔奔腾 4（Pentium 4）处理器2001 年：英特尔至强（Xeon）处理器2001 年：英特尔安腾（Itanium）处理器2002 年：英特尔安腾 2 处理器（Itanium2） Intel Pentium 4 /Hyper Threading 处理器2

18、003 年：英特尔奔腾 M（Pentium M）/赛扬 M （Celeron M）处理器2005 年：Intel Pentium D 处理器2005 年：Intel Core 处理器2006 年：Intel Core2 （酷睿 2，俗称“扣肉”）/ 赛扬 Duo 处理器2007 年：Intel 四核心服务器用处理器42007 年：Intel QX9770 四核至强 45nm 处理器2008 年：Intel Atom 凌动处理器Intel TerraFlops 80 核处理器2008 年 11 月 17 日：英特尔发布 core i7 处理器2010 年 3 月 30 日，Intel 公司宣布推

19、出 Intel 至强处理器 7500 系列2011 年 4 月 6 日，Intel 正式发布了基于上代 Westmere 架构的 Westmere-EX基于新一代 Sandy Bridge 架构的 Sandy Bridge-EN，。 2012 年 4 月 24 日下午北京天文馆，intel 正式发布了 ivy bridge（IVB）处理器。三、Intel 与 amd 比较1、从单晶硅工艺上：INTEL：0.09，AMD：0.132、从流水线上：INTEL：31 级（主频高，发热量大，造成指令执行效率低）；AMD：20级（频率提升有限，发热量相对较低，效率和频率是 2 个不同的发展方向，主要看使

20、用者的选择了） 3、缓存：INTEL：1 级 16K，2 级 1M-2M（整数运算以及游戏性能没有 AMD 的快但对于网络和多媒体（浮点运算）的应用比对手强 ）AMD：1 级 128K，2 级：512K（整数运算快，游戏性能好，但对于多媒体的应用稍微逊色）4、内存管理架够：INTEL 采用由主板上的南北桥方式来管理，AMD 是 CPU 内部集成内存控制器减少了 CPU 与内存数据传输的延时，但 AMD 集成内存架构不利于升级。5、指令集 INTEL：MMX，SSE，SSE2，SSE3，EM64T 但 64 位指令对于现在新的 64 位系统有兼容性的缺点。AMD：3DNOW+，MMX，SSE，S

21、SE2，SSE3，X86-646、AMD 有先进的 K8 架构，仅仅 14 级流水线，执行效率更高，而 intel 的 prescott 核心有 31 级。虽然有更高的频率，但这个频率是依靠高流水线。 AMD 和英特尔 CPU 的制造是两种完全不同的技术，所以不能由主频来看 AMD 的性能！AMD 性价比是毫无质疑的. 7、AMDcpu 中集成了内存控制器，这样可以大大减小延迟。 8、由于核心的问题，AMD 功耗更小。 9、AMD 的 cpu 价格便宜。但是，为了和 Intel 竞争，AMD 大幅地加大了 Cpu 本身的晶体管数量，他付出比 Intel多 3 倍的晶体管在 Cpu 内部，尽管提

22、高性能，但也就牺牲了部分的系统稳定性，增加了发热量。四、市场占有率2010 年的全球微处理器市场营收同比增长 25%到 400 亿美元。英特尔在该市场中的份额达到了 81%，相比 2009 年的 80.6%增长 0.4 个百分点;排在第二位的 AMD 去年份额为 11.4%，相比 2009 年的 12.2%下降 0.8 个百分点。2011 年 Q4 全球 CPU 市场营收额度达到 109 亿美元，相比 2011 年 Q3 增幅 1.8%。5桌面处理器市场部分，英特尔的份额是 73.8%，提升 1.7%；AMD 为 26%，下滑 1.6%；移动处理器市场，英特尔占据 83.8%，损失 2.6%，

23、同时 AMD 凭借着 APU 的问世获得了 16%的市场份额，提升 2.7%；服务器和工作站市场，英特尔依旧保持着主导地位，市场份额为 94.5%，获得 1.5%提升，AMD 5.5%，损失 1.5%2012 年 9 月份的 CPU 市场上，品牌关注格局从整体来看比较稳定。依然是 Intel 领先，其本月的品牌关注比例为 53.4%，市场关注份额超过了五成。AMD 新动向今年 10 月份，在经过苦苦的等待之后，AMD 终于正式发布了全新一代桌面版 APU，代号为 Trinity 的新一代融合加速处理器在早些时候率先登陆移动平台，而这一次它将代表着AMD 的意志向桌面领域再次出击。去年年初，AM

24、D 发布了第一款融合加速处理器，为 PC 处理器进行了重新定义：将 CPU 与GPU 完美融合，以全新的协同工作、加速计算理念引领了硬件发展潮流。现如今新一代桌面级 APU 终于发布，这一次它来势更加凶猛，经过一年半的锤炼，它拥有了全新武器，大幅提升了自身效能并引入全新特性，可以预见到它会再次对 PC 硬件带来一番不小的震动。AMD 新一代 APU 产品延续了前代产品的系列名称，依然归属为 A 系列处理器，目前已经公布的系列包括 A10、A8、A6、A4 等四个系列六款产品，以 5 开头的四位数字命名，并且仍将有无显卡版本的速龙款处理器，已经确定两款，命名为 700 系列。整体图形性能：新 A

25、PU 比上代产品增强不少，并且大幅超越 Intel 酷睿 i5 处理器。在游戏性能上取得了非常优异的表现。新一代 APU 的主要亮点在于图形性能表现，这也是 APU 最大优势所在，新产品保持住了这一优势，而 CPU 部分也进化至最新架构，表现可圈可点。尽管 CPU 部分性能并没有取得长足的进步，但是在一些改变之中我们仍可以对 AMD 未来的产品抱有期待，尤其是在一些经过优化的应用中，A10-5800K 的表现可以超越对手，相信未来这样的应用会越来越多。此外，厚道的价格和 A85X 芯片组丰富的扩展性也为 Trinity 加了不少分数。对于用户来说，更多的选择总是一件好事情。五、CPU 发展趋势

26、Intel 会继续以摩尔定律为基准开发处理器产品，但是随着 CPU 线宽的逐渐减小，最终会导致发生量子效应。我们需要寻求新的技术，新的材料来解决微观世界产生的量子问题。CPU 将会向多核心发展，提高其性能。CPU 不在靠单一的提高主频来提高性能，而是通过集成更多的核心来提高其性能。未来可能会生产出 6 核 8 核甚至更多核心的 CPU。高能低耗。CPU 的性能会逐步提升，但是处理器厂商会利用各处技术降低 CPU 的功耗和处理器的电压。CPU 集成度会继续提高，目前 intel，AMD 以及开始将显卡逐步集成在 CPU 内部。未来会将CPU 和 GPU 整合在一起，生产出性能更进一步的产品；同时 CPU 将会可能整合内存到 CPU 片内。