英特尔奔腾处理器发展史

英特尔奔腾处理器发展史

奔腾时代的CPU 继承着80486大获成功的东风，赚翻了几倍资金的INTEL在1993年推出了全新一代的 高性能处理器——奔腾。由于CPU市场的竞争越来越趋向于激烈化，INTEL觉得不能再让AMD和其他公司用同样的名字来抢自己的饭碗了，于是提出了商标 注册，由于在美国的法律里面是不能用阿拉伯数字注册的，于是INTEL玩了哥花样，用拉丁文去注册商标。奔腾在拉丁文里面就是“五”的意思了。INTEL 公司还替它起了一个相当好听的中文名字——奔腾。 Intel 奔腾处理器 奔腾的厂家代号是P54C，奔腾的内部含有的晶体管数量高达310万个，时钟频率由最初推出 的60MHZ和66MHZ，后提高到200MHZ。单单是最初版本的66MHZ的奔腾微处理器，它的运算性能比33MHZ的80486 DX就提高了3倍多，而100MHZ的奔腾则比33MHZ的80486 DX要快6至8倍。也就是从奔腾开始，我们大家有了超频这样一个用尽量少的钱换取尽量多的性能的好方法。作为世界上第一个586级处理器，奔腾也是第一个 令人超频的最多的处理器，由于奔腾的制造工艺优良，所以整个系列的CPU的浮点性能也是各种各样性能是CPU中最强的，可超频性能最大，因此赢得了586 级CPU的大部分市场。奔腾家族里面的频率有60/66/75//90/100/120/133/150/166/200，至于CPU的内部频率则是从 60MHz到66MHz不等。值得一提的是，从奔腾75开始，CPU的插座技术正式从以前的Socket4转换到同时支持Socket 5和7同时支持，其中Socket 7还一直沿用至今。而且所有的奔腾 CPU里面都已经内置了16K的一级缓存，这样使它的处理性能更加强大。 与此同时，AMD公司也不甘示弱推出了K5系列的CPU。（AMD公司也改名字了！）它的频 率一共有六种：75/90/100/120/133/166，内部总线的频率和奔腾差不多，都是60或者66MHz，虽然它在浮点 运算方面比不上奔腾，但是由于K5系列CPU都内置了24KB的一级缓存，比奔腾内置的16KB多出了一半，因此在整数运算和系统整体性能方面甚至要高于 同频率的奔腾。即便如此，因为k5系列的 交付日期一再后拖，AMD公司在“586”级别的竞争中最终还是败给了INTEL。 牐1、初受挫折——奔腾 Pro：牐牫醪秸季萘艘徊糠諧PU市场的INTEL并没有停下自己的脚步，在其他公司还在不断追赶自己的奔腾之际，又在1996年推出了最新一代的第六代 X86系列CPU——P6。P6只是它的研究代号，上市之后P6有了一个非常响亮的名字——奔腾 Pro。Pentimu Pro的内部含有高达550万个的晶体管，内部时钟频率为133MHZ，处理速度几乎是100MHZ的奔腾的2倍。Pentimu Pro的一级(片内)缓存为8KB指令和8KB数据。 Intel奔腾 Pro处理器 值得注意的是在Pentimu Pro的一个封装中除Pentimu Pro芯片外还包括有一个256KB的二级缓存芯片，两个芯片之间用高频宽的内部通讯总线互连，处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中，这样就使 高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。奔腾 Pro 200MHZCPU的L2 CACHE就是运行在200MHZ，也就是工作在与处理器相同的频率上。这样的设计领奔腾 Pro达到了最高的性能。 而Pentimu Pro最引人注目的地方是它具有一项称为“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实破之后的又一次飞跃。Pentimu Pro系列的工作频率是150/166/180/200，一级缓存都是16KB，而前三者都有256KB的二级缓存，至于频率为200的CPU还分为三种 版本，不同就在于他们的内置的缓存分别是256KB，512KB，1MB。不过由于当时缓存技术还没有成熟，加上当时缓存芯片还非常昂贵，因此尽管 Pentimu Pro性能不错，但远没有达到抛离对手的程度，加上价格十分昂贵，一次Pentimu Pro实际上出售的数目非常至少，市场生命也非常的短，Pentimu Pro可以说是Intel第一个失败的产品。 2、辉煌的开始——奔腾 MMX： INTEL吸取了奔腾 Pro的教训，在1996年底推出了奔腾系列的改进版本，厂家代号P55C，也就是我们平常所说的奔腾 MMX（多能奔腾）。这款处理器并没有集成当时卖力不讨好的二级缓存，而是独辟蹊径，采用MMX技术去增强性能。 MMX技术是INTEL最新发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译“多媒体 扩展指令集”。MMX是Intel公司在1996年为增强奔腾 CPU在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术，为CPU增加了57条MMX指令，除了指令集中增加MMX指令外，还将CPU芯片内的L1缓存由原来的 16KB增加到32KB（16K指命+16K数据），因此MMX CPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力上提高了60％左右。MMX技术不但是一个创新，而且还开创了CPU开发的新纪元，后 来的SSE，3D NOW！等指令集也是从MMX发展演变过来的。 Intel奔腾MMX处理器 在Intel推出奔腾 MMX的几个月后，AM也推出了自己研制的新产品K6。K6系列CPU一共有五种频率，分别是：166/200/ 233/266/300，五种型号都采用了66外频，但是后来推出的233/266/300已经可以通过升级主板的BIOS 而支持100外频，所以CPU的性能得到了一个飞跃。特别值得一提的是他们的一级缓存都提高到了64KB，比MMX足足多了一倍，因此它的商业性能甚至还 优于奔腾 MMX，但由于缺少了多媒体扩展指令集这道杀手锏，K6在包括游戏在内的多媒体性能要逊于奔腾 MMX。 3、优势的确立——奔腾 Ⅱ： 1997年五月，INTEL又推出了和奔腾 Pro同一个级别的产品，也就是影响力最大的CPU——奔腾 Ⅱ。第一代奔腾 Ⅱ核心称为Klamath。作为奔腾Ⅱ的第一代芯片，它运行在66MHz总线上，主频分233、266、300、333Mhz四种，接着又推出 100Mhz总线的奔腾 Ⅱ，频率有300、350、400、450Mhz。奔腾II采用了与奔腾 Pro相同的核心结构,从而继承了原有奔腾 Pro处理器优秀的32位性能，但它加快了段寄存器写操作的速度,并增加了MMX指令集,以加速16位操作系统的执行速度。由于配备了可重命名的段寄存 器,因此奔腾Ⅱ可以猜测地执行写操作，并允许使用旧段值的指令与使用新段值的指令同时存在。在奔腾Ⅱ里面，Intel一改过去BiCMOS制造工艺的笨拙 且耗电量大的双极硬件,将750万个晶体管压缩到一个203平方毫米的印模上。奔腾Ⅱ只比奔腾 Pro大6平方毫米,但它却比奔腾 Pro多容纳了200万个晶体管。由于使用只有0.28微米的扇出门尺寸,因此加快了这些晶体管的速度,从而达到了X86前所未有的时钟速度。 Intel奔腾Ⅱ处理器   与此同时，AMD公司也不甘示弱推出了K5系列的CPU。（AMD公司也改名字了！）它的频 率一共有六种：75/90/100/120/133/166，内部总线的频率和奔腾差不多，都是60或者66MHz，虽然它在浮点 运算方面比不上奔腾，但是由于K5系列CPU都内置了24KB的一级缓存，比奔腾内置的16KB多出了一半，因此在整数运算和系统整体性能方面甚至要高于 同频率的奔腾。即便如此，因为k5系列的 交付日期一再后拖，AMD公司在“586”级别的竞争中最终还是败给了INTEL。 5、世纪末的辉煌——奔腾III： 在99年初，Intel发布了第三代的奔腾处理器——奔腾III，第一批的奔腾III 处理器采用了Katmai内核，主频有450和500Mhz两种，这个内核最大的特点是更新了名为SSE的多媒体指令集，这个指令集在MMX的基础上添加 了70条新指令，以增强三维和浮点应用，并且可以兼容以前的所有MMX程序。 不过平心而论，Katmai内核的奔腾III除了上述的SSE指令集以外，吸引人的地方并不 多，它仍然基本保留了奔腾II的架构，采用0.25微米工艺，100Mhz的外频，Slot1的架构，512KB的二级缓存（以CPU的半速运行）因而性 能提高的幅度并不大。不过在奔腾III刚上市时却掀起了很大的热潮，曾经有人以上万元的高价去买第一批的奔腾III。 第一代Pentium III处理器 (Katmai) 可以大幅提升，从500Mhz开始，一直到1.13Ghz，还有就是超频性能大幅提高，幅度可以达到50%以上。此外它的二级缓存也改为和CPU主频同步，但容量缩小为256KB。 第二代Pentium III处理器 (Coppermine) 除了制程带来的改进以外，部分Coppermine 奔腾III还具备了133Mhz的总线频率和Socket370的插座，为了区分它们，Intel在133Mhz总线的奔腾III型号后面加了个“B”, Socket370插座后面加了个“E”，例如频率为550Mhz，外频为133Mhz的Socket370 奔腾III就被称为550EB。 看到Coppermine核心的奔腾III大受欢迎，Intel开始着手把Celeron处 理器也转用了这个核心，在2000年中，推出了Coppermine128核心的Celeron处理器，俗称Celeron2，由于转用了0.18的工 艺，Celeron的超频性能又得到了一次飞跃，超频幅度可以达到100%。 第二代Celeron(Coppermine128核心)处理器 6、AMD的绝地反击——Athlon 在AMD公司方面，刚开始时为了对抗奔腾III，曾经推出了K6-3处理器。K6-3处理器 是三层高速缓存（TriLevel）结构设计，内建有64K的第一级高速缓存（Level 1）及256K的第二层高速缓存（Level 2），主板上则配置第三级高速缓存（Level 3）。K6-3处理器还支持增强型的3D Now！指令集。由于成本上和成品率方面的问题，K6-3处理器在台式机市场上并不是很成功，因此它逐渐从台式机市场消失，转进笔记本市场。 真正让AMD扬眉吐气的是原来代号K7的Athlon处理器。Athlon具备超标量、超管 线、多流水线的Risc核心（3Way SuperScalar Risc core），采用0.25微米工艺，集成2,200万个晶体管，Athlon包含了三个解码器，三个整数执行单元（IEU），三个地址生成单元 （AGU），三个多媒体单元（就是浮点运算单元），Athlon可以在同一个时钟周期同时执行三条浮点指令，每个浮点单元都是一个完全的管道。K7包含3 个解码器，由解码器将解码后的macroOPS指令（K7把X86指令解码成macroOPS指令，把长短不一的X86指令转换成长短一致的 macroOPS指令，可以充分发挥RISC核心的威力）送给指令控制单元，指令控制单元能同时控制（保存）72条指令。再把指令送给整数单元或多媒体单 元。整数单元可以同时调度18条指令。每个整数单元都是一个独立的管道，调度单元可以对指令进行分支预测，可以乱序执行。K7的多媒体单元（也叫浮点单 元）有可以重命名的堆栈寄存器，浮点调度单元同时可以调度36条指令，浮点寄存器可以保存88条指令。在三个浮点单元中，有一个加法器，一个乘法器，这两 个单元可以执行MMX指令和3DNow指令。还有一个浮点单元负责数据的装载和保存。由于K7强大的浮点单元，使AMD处理器在浮点上首次超过了 Intel当时的处理器。 Athlon内建128KB全速高速缓存（L1 Cache），芯片外部则是1／2时频率、512KB容量的二级高速缓存（L2 Cache），最多可支持到8MB的L2 Cache，大的缓存可进一步提高服务器系统所需要的庞大数据吞吐量。 Athlon的封装和外观跟Pentium Ⅱ相似，但Athlon采用的是Slot A接口规格。Slot A接口源于Alpha EV6总线，时钟频率高达200MHz，使峰值带宽达到1.6GB/S，在内存总线上仍然兼容传统的100MHz总线，现这样就保护了用户的投资，也降低 了成本。后来还采用性能更高的DDR SDRAM，这和Intel力推的800MHz RAMBUS的数据吞吐量差不多。EV6总线最高可以支持到400MHz，可以完善的支持多处理器。所以具有天生的优势，要知道Slot1只支持双处理器 而SlotA可支持4处理器。SlotA外观看起来跟传统的Slot1插槽很像，就像Slot1插槽倒转180度一样，但两者在电气规格、总线协议是完全 不兼容的。Slot 1／Socket370的CPU，是无法安装到Slot A插槽的Athlon主板上，反之亦然。 三、踏入新世纪的CPU 进入新世纪以来，CPU进入了更高速发展的时代，以往可望而不可及的1Ghz大关被轻松突破 了，在市场分布方面，仍然是Intel跟AMD公司在两雄争霸，它们分别推出了Pentium4、Tualatin核心Pentium Ⅱ和Celeron、Tunderbird核心Athlon、AthlonXP和Duron等处理器，竞争日益激烈。 1、在Intel方面，在上个世纪末的2000年11月，Intel发布了旗下第四代的 Pentium处理器，也就是我们天天都能接触到的Pentium 4。Pentium 4没有沿用PIII的架构，而是采用了全新的设计，包括等效于的400MHz前端总线(100 x 4), SSE2指令集，256K-512KB的二级缓存，全新的超管线技术及NetBurst架构，起步频率为1.3GHz。 第一个Pentium4核心为Willamette，全新的Socket 423插座，集成256KB的二级缓存，支持更为强大的SSE2指令集，多达20级的超标量流水线，搭配i850/i845系列芯片组，随后Intel陆 续推出了1.4GHz-2.0GHz的Willamette P4处理器，而后期的P4处理器均转到了针角更多的Socket 478插座。 第一代的Pentium4（Socket423）处理器 和奔腾III一样，第一个Pentium4核心并不受到太多的好评，主要原因是新的CPU架 构还不能受到程序软件的充分支持，因此Pentium4经常大幅落后于同频的Athlon，甚至还如Intel自己的奔腾III。但在一年以后， Intel发布了第二个Pentium4核心，代号为Northwood，改用了更为精细的0.13微米制程，集成了更大的512KB二级缓存，性能有了 大幅的提高，加上Intel孜孜不倦的推广和主板芯片厂家的支持，目前Pentium4已经成为最受欢迎的中高端处理器。 第二代的Pentium4（Socket478）处理器 在低端CPU方面，Intel发布了第三代的Celeron核心，代号为Tualatin， 这个核心也转用了0.13微米的工艺，与此同时二级缓存的容量提高到256KB，外频也提高到100Mhz，目前Tualatin Celeron的主频有1.0、1.1、1.2、1.3Ghz等型号。Intel也推出了Tualatin核心的奔腾III，集成了更大的512KB二级 缓存，但它们只应用于服务器和笔记本电脑市场，在台式机市场很少能看到。 第三代Tualatin核心的Celeron处理器 2、在AMD方面，在2000年中发布了第二个Athlon核心——Tunderbird， 这个核心的Athlon有以下的改进，首先是制造工艺改进为0.18微米，其次是安装界面改为了SocketA，这是一种类似于Socket370，但针 脚数为462的安装接口。最后是二级缓存改为256KB，但速度和CPU同步，与Coppermine核心的奔腾III一样。 Tunderbird核心的Athlon不但在性能上要稍微领先于奔腾III，而且其最高的 主频也一直比奔腾III高，1Ghz频率的里程碑就是由这款CPU首先达到的。不过随着Pentium4的发布，Tunderbird开始在频率上落后于 对手，为此，AMD又发布了第三个Athlon核心——Palomino，并且采用了新的频率标称制度，从此Athlon型号上的数字并不代表实际频率， 而是根据一个公式换算相当于竞争对手（也就是Intel）产品性能的频率，名字也改为AthlonXP。例如AthlonXP1500+处理器实际频率并 不是1.5Ghz，而是1.33GHz。最后，AthlonXP还兼容Intel的SSE指令集，在专门为SSE指令集优化的软件中也能充分发挥性能。 第三代Tunderbird核心的Athlon处理器 在低端CPU方面，AMD推出了Duron CPU，它的基本架构和Athlon一样，只是二级缓存只有64KB。Duron从发布开始，就能远远抛离同样主攻低端市场的Celeron，而且价格更 低廉，一时间Duron成为低价DIY兼容机的第一选择，但Duron也有它致命的弱点，首先是继承了Athlon发热量大的特点，其次是它的核心非常脆 弱，在安装CPU散热器时很容易损坏。因此尽管在兼容机市场很受欢迎，但始终打不进利润最高的品牌机市场。 Duron处理器