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发表于 2003-3-1 08:50:38
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“心脏”的革命
本报记者 新城
01-7-19 上午 11:46:29
在PC机诞生20年的时候，回顾PC的“心脏”——CPU的发展历程是有趣而耐人回味的，因为20年来在这个领域发生了很多有趣和令人惊异的事件。
不过直到目前为止，这个领域有一件事还是像它初生时一样，那就是CPU一直还严格遵守着摩尔定律，即每18个月处理器的集成度翻一番。该定律由现任Intel名誉会长的摩尔博士于1965年提出。
一枝独秀
在PC诞生的前10年中，大多数的时间是Intel公司一家在唱独脚戏。
不过，PC机CPU的萌芽早在1971年就开始了，当时Intel公司推出了世界上第一枚微处理器——4004芯片，该芯片包含2300个晶体管，是一种4位微处理器。这项突破性的发明当时被用于Busicom计算器中，开创了人类将智能内嵌于电脑和无生命设备的历程。从这个意义上讲，4004是伟大的，不过由于其性能较差，并未引起人们的广泛关注。
历史的时针很快指向了1972年，Intel公司又推出了8008芯片。8008芯片采用8位总线带宽，工作于200kHz时钟频率下，性能是4004的两倍，被应用在一种号称“电视打字机”的哑终端设备中。
人类历史上第一台电脑的“大脑”诞生于1974年，这一年Intel公司推出了新一代8位微处理器——8080。采用8080的电脑称为Altair，其名称据说取自于电视节目《Star Trek》中星际飞船Enterprise的目的地。整套Altair设备的售价为395美元。仅仅几个月内其销量就达到了几万台。同期的著名8位处理器产品还有Motorola公司的MC68000和Zilog公司的Z80处理器，后者曾经广泛地应用于单片机系统中。
世界上第一颗PC的心脏——8080微处理器
初步的成功极大地激励了Intel的斗志，经过4年的艰苦努力，Intel的第一款16位微处理器8086终于面世。不过16位微处理器真正得到广泛应用则是1979年，当时IBM公司推出了采用Intel 8088芯片的新电脑，8088与8086的唯一不同是前者采用了8位的外部数据总线。由于8088和IBM电脑的成功，Intel跨入了财富500强的行列。现在看来，当时还有一件极有意义的事是互联网已经在诸如斯坦福和麻省理工学院这样的大学里出现并逐渐发展起来。
8088的成功延续到了1981年，配合一种从早期CP/M“改装”来的操作系统——DOS 1.0，IBM 公司首创出个人电脑（即PC）的概念，并为PC制订了全球通用的工业标准，开放给整个业界。这是一个对人类历史有重大影响的历史事件，使得这一产业迅速地发展起来。
真正使Intel获得国际性声誉和成功的是1982年80286处理器的诞生，这时处理器的时钟频率已经提高到了6MHz，并逐渐扩展到10MHz和12.5MHz。更为重要的是，80286处理器是第一款能够运行所有为其前代产品编写的软件的Intel微处理器，从而奠定了影响深远的x86体系结构的基础，在此基础上逐渐形成了Intel处理器家族，使其后续产品具有良好的兼容性和轻松的升级能力。在80286推出后的6年内，全球一共售出了大约1500万台基于80286的PC。
1985年10月，Intel第一款全32位处理器80386（DX）来到世界上，除了拥有80286已经具备的实模式和保护模式外，还增加了386保护模式和V86模式，将CPU寻址空间扩展到了4GB，同时废除了80286 的64KB段地址限制，在V86模式下还可以同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。1988年Intel推出准32位处理器80386SX，将外部数据总线设计成16位，从而将处理器成本降低了2/3。不过80386处理器的缺点是没有内置协处理器，进行浮点运算时需要安装昂贵的80387协处理器芯片。
1989年4月10日，新一代32位处理器80486DX首次突破片内集成100万个晶体管的限制，达到120万个，同时将80386、80387和8KB的一级缓存集成在一个芯片内，并在X86处理器中首次采用RISC技术，提高了执行指令的效率。80486内部的突发总线工作方式提高了与内存的数据交换速度，性能比带80387协处理器的80386提高了4倍。而CPU倍频技术的首次使用使CPU内部工作频率为其外部频率的数倍，解决了PC外部设备工作速度要与CPU同步升级的难题，同时也使得一种系列的处理器具有更丰富和更高可伸缩性的产品型号。
群雄并起
时光荏苒，Intel在微处理器领域仍然惟我独尊，其产品无论是从实际性能还是体系结构上均遥遥领先，虽然它的一个看来微不足道的竞争对手AMD公司曾经于1991年和1993年分别推出过与Intel对应的AM386和AM486产品。
芯片巨人的辉煌继续延续着。1993年3月，已经有些习惯于领先的Intel公司推出了全面超越486的新一代586处理器，为了有别于AMD和Cyrix的产品，Intel给它起了个响亮好听又极富象征意义的名字——Pentium（奔腾）。奔腾处理器的最初处理速度为60MHz和66MHz，其内部代号为P54C。所有的奔腾芯片均内置16KB一级缓存，同时外部数据总线带宽也已经悄悄地提高到了64位。与其前代产品相比，奔腾采用了全新的超标量体系结构，性能提高了数倍，主频规格也令人眼花缭乱，林林总总有10余种，不过至今给我们留下最深印象的还是其卓越的超频性能。
Intel推出奔腾处理器后，在486时代崭露头角的Cyrix也很快推出了自己的5X86处理器，不过5X86并不成功，不但浮点性能极差，Cyrix以往拿手的整数性能也乏善可陈。着急之余匆匆推出6X86救驾，并首创用PR等级来标记CPU频率，目标直指Intel。可是6X86处理器的浮点性能仍然不佳，而且发热量惊人，虽然后续的6X86L将外频提高到75MHz，强化了整数运算性能，并采用双电压设计降低了发热量，不过兼容性仍然不好。
不甘寂寞的AMD也忙不迭地推出K5处理器，但由于在研发时遇到了问题，直到1996年3月才上市，而且整体性能一般，浮点运算能力远落后于奔腾，整数运算能力又不如6x86，是一款不太成功的奔腾级处理器。
与强大的奔腾处理器同处一个时代是不幸的，Intel的竞争对手只能默默地看着其攻城略地，并在严酷的市场竞争中逐渐学会了忍耐和积累，为日后的追赶积蓄力量。
感受到竞争压力的Intel在1997年1月推出了集成“多媒体扩展指令”（即MMX）的Pentium MMX处理器，内部代号为P55C，这时候互联网已经蓬勃地发展起来。P55C新增的57条MMX多媒体指令全面优化了Intel CPU的音频和视频性能，使得Intel在CPU大战中继续保持领先，向互联网应用大步地迈进。
不过，AMD显然已经不甘于久居人后，开始了积极的反攻。就在Intel P55C处理器上市3个月后，AMD推出了新一代的K6处理器，试图超越Intel的产品。K6处理器采用了比P55C高一倍的片内缓存，整体性能已经与P55C不相上下，只是浮点和MMX运算能力比P55C还有一定的差距。
AMD在处理器设计上的长足进步让Intel着实吃惊不小，不过芯片巨人早有防备。早在1995年11月的时候，Intel就推出了第6代X86芯片——Pentium Pro(高能奔腾)。Pentium Pro有几项引人注目的特性使得它很适合做工作站和低端服务器的处理器：在Pentium Pro的内核中首次封装了与CPU同频的256KB二级缓存，同时采用了一种称为“动态执行”的创新技术，这是继奔腾在超标量体系结构上实现突破之后的又一次飞跃。继承了Pentium Pro优异的体系结构，并融合了先进MMX技术的Pentium Ⅱ处理器于1997年5月7日隆重面世，这无疑是对Intel竞争对手的一个沉重打击。制造工艺的改进，使得PⅡ处理器比Pentium Pro处理器多容纳了200万个晶体管，面积仅增大6平方毫米，起始时钟频率也提高到233MHz。不过为了节约成本，PⅡ的二级缓存从片内移植到了片外，运行频率也降到了CPU核心频率的一半，使得其性能稍受影响，但CPU内部的一级缓存从16KB增加到了32KB。为了获得更大的内部总线带宽，PⅡ处理器抛弃了从奔腾处理器以来的Socket 7架构，而采用了Slot1接口。PⅡ的推出暂时平息了处理器市场上的纷争，世界似乎又回复了平静。
有趣的Pentium 4推销广告画面:3个蓝人推P4
Intel的另一个可能的竞争对手Cyrix则逐渐地衰落下去，1997年末推出的6X86MX及1998年4月份推出的改进产品MII依然没有解决好浮点运算能力差的毛病，只能在低端市场苦苦挣扎。
经过大约1年的准备，在1998年年中的时候，AMD推出了一个真正令世界刮目相看的产品——K6-2。K6-2首次采用了一种称为3DNow!的指令技术来提高CPU处理3D和多媒体运算的能力，这是完全脱离Intel技术范畴的一种新特性。虽然正常情况下K6-2的浮点能力仍与PⅡ有一定的差距，但在经过优化后的软件的支持下，K6-2的性能甚至超过了PⅡ。
两强相争
AMD的崛起令Intel感到不安，同时也直接造成了PⅡ处理器的降价。不过Intel并未狼狈不堪，为迎合1000美元以下PC机市场的需求，Intel早在1998年4月的时候就将PⅡ的二级缓存去掉，生产出了日后广为流行的Celeron(赛扬)处理器，由于降低了成本并且具有很强的超频能力，所以性价比较为突出：因为赛扬处理器的浮点运算性能与PⅡ基本持平，后续的产品中由于加入了全速128KB缓存使其整数性能也大幅提高。从这时起Intel公司就始终坚持两条腿走路的策略，高低搭配，胜负的天平很快就倾向了Intel。
经过了多年的竞争，处理器的发展逐渐进入到平稳期，用户对CPU速度提高的要求也渐渐地降低，因为处理器本身的速度已经足够快了，瓶颈在于外围设备速度的提升。对于处于领先竞争优势的Intel公司显然需要刺激新的需求。互联网让Intel找到了感觉。1999年2月26日，又一个划时代的产品奔腾Ⅲ处理器呼啸而出。奔腾Ⅲ处理器所带来的最大新意是在处理器内加入了70条旨在提升3D、音频、视频和语音识别能力的SSE指令。奔腾Ⅲ处理器的出炉进一步巩固了Intel在PC机处理器市场上的领先地位。
AMD显然也意识到了这一点，加紧研制新一代的处理器以期与Intel抗衡。终于，在1999年8月，全新一代的K7处理器（即Athlon）面世，这是一款真正能够与Intel最高性能处理器进行正面竞争的产品。K7采用0.25微米工艺制造，支持高达200MHz的系统总线频率，使用高效的EV6系统总线协议（来源于Alpha芯片），浮点和整数运算性能明显提升，彻底改变了AMD处理器在性能上总是比Intel慢“半拍”的形象。
AMD雷鸟处理器
Intel也不甘示弱，于1999年10月25日推出了采用最新0.18微米工艺的Coppermine（铜矿）内核PⅢ处理器，将全速256KB的二级缓存置于片内，内部总线传输带宽也从64位升级为256位，性能上再次超越了AMD的Athlon处理器。可是好景不长，2000年6月，AMD代号Thunderbird(雷鸟)的Athlon处理器粉墨登场，拥有了与铜矿PⅢ几乎一样的缓存特性，同时将二级缓存间联合并发处理的通道数从2个提高到了16个，性能因而大幅提升，在一些性能测试中总体表现甚至超过了铜矿PⅢ。同时，仿效Intel的战略，推出简化版本的Athlon产品Duron，在高低端两个市场上与Intel展开竞争。
感受到强烈竞争压力的Intel公司于2000年11月20日亮出了杀手锏——P4处理器。与以往不同，P4采用了全新的NetBurst处理器架构，其基本指令流水线长度达到20级，内部的算术逻辑单元是内核频率的2倍，直接加速了整数指令的执行速度；高效的乱序推测能力减少了预测失败引起的延迟。同时，P4的系统总线工作速度达到了400MHz，配合800MHz的RDRAM，内存带宽最高可达3.2GB/s。此外，P4新增的144条SSE2指令对Internet、3D和多媒体应用的性能也有很大改善。
在Intel的P4处理器出现以后，CPU之间性能的竞争逐渐变得复杂起来。内存和系统总线带宽对CPU的影响巨大，针对多媒体指令集的软件优化也至关重要，而P4体系结构的优越性想得到充分发挥还要等待2GHz以上处理器的推出，所以到底鹿死谁手目前还很难讲。
未来属谁？
互联网的发展极大地拓展了处理器的应用领域，严格的微处理器时代也已经渐渐离我们远去，现在PC机已经普及到在商场就能很方便地买到的程度，它对人类的影响已经渗透到了我们的日常生活中。
处理器的摩尔定律至少还能延续10年左右，速度虽然还是未来PC处理器必争的一个制高点，但目前32位微处理器的潜力已经挖掘得差不多了，未来64位处理器将会发挥更大的作用；同时，作为互联网多样应用的一个附着点，处理器也向多功能方向发展。
伴随着PC机辉煌的20年，CPU走过了精彩而激动人心的一段时光。虽然未来的路还很漫长，但我们有理由相信，经历了风雨洗礼的处理器会依然辉煌。 |
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