「计算机基础」CPU历史之Intel系列

我要新鲜事2023-05-14 02:04:440阅

在之前《「计算机基础」计算机是怎么认识代码的》这篇文章的末尾，我们提到了世界上第一款微处理器4004是Intel公司的，本篇文章我们来看看Intel系列的产品。

Cpu历史之intel系列

4004

4004是美国英特尔公司(Intel)推出的第一款微处理器，也是全球第一款微处理器；1971年11月15日发布。4004处理器的尺寸为3mm×4mm，外层有16只针脚，内有2300个晶体管，采用五层设计，10um的制程工艺。4004的最高时脉有0.74MHz，能执行4位元运算，支援8位元指令集及12位元位址集。当时钟频率仅为108KHz时，可以每秒运算6万次。

第一款4位处理器

8086

1978和1979年，Intel公司先后推出了8086和8088芯片，它们都是16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。内部数据总线是16位，外部数据总线8088是8位，8086是16位。1981年8088，芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。

8086的dip40封装

8086的die shot

外形和课本上的8051芯片很像，功能性能都类似，但8051更像一颗SOC。1981年INTEL推出的MCS-51单芯片，数据是8bit，8051是其中一种，后来授权给其它芯片公司开发出各种形态的51单片机产品。

1982年，Intel推出了80286芯片，该芯片含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。80286有两种工作方式：实模式和保护模式。

80286（PLCC封装）

80286的指令流水线有3级：取指，译码和执行。比8086多了一级译码。

1985年，Intel推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一种32位微处理器，内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。其内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存。80386的广泛应用,将PC机从16位时代带入了32位时代。比80286更多的指令集。

386陶瓷封装

这种陶瓷封装很有质感，成本估计不菲，现在估计只有在军品中可以看见身影了。

1989年，Intel推出了80486芯片，这种芯片实破了100万个晶体管的的界限，集成了120万个晶体管。其时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。

80486的性能比带有80387数学协处理器的80386DX提高了4倍。

1989年上市时价格为950美元，这时CISC中也加入了RISC技术，其实后来大家都在互相借鉴，都不适合简单粗暴的用cisc和risc来区分了。

Intel公司于1993年03月22 日，发布了P5架构的80586，其正式名称为PENTIUM。PENTIUM含有310万个晶体管，L1为16KB（8 8）时钟频率最初为60MHZ和66MHZ，Socket 4 ( 273 針腳 PGA 封裝)，电压5V，采用0.8um BiCMOS工艺制造。

Intel Pentium (P5, 80501)两种不同封装

Intel Pentium (P5) Die shot

奔腾后续还有出几代强化版本。1994 年 10 月 10 日P54C Microarchitecture，75 MHz ~ 120 MHz，电压降低为3.3V，Socket 5 ( 273 針腳 PGA 封裝) / Socket 7 ( 321 針腳 PGA 封裝)，320万

Intel Pentium (P54C, 80502)

1995 年 06 月 10 日P54CS Microarchitecture，133 MHz ~ 200 MHz，Socket 7 ( 321 針腳 PGA 封裝)，330万，提升到0.35微米

Intel Pentium (P54CS, 80502)

1997 年 01 月 08 日P55C Microarchitecture，120 MHz ~ 233 MHz，L1 快取大小：32 KB (資料與指令快取各 16 KB) 4-way，Socket 7 ( 321 針腳 PGA 封裝)，450，采用0.35和0.25um工艺，首次映入MMX指令集

Pentium MMX

四種 Intel Pentium OverDrive左而右依序為 Socket 4、Socket 3、Socket 5、Socket 5 或 Socket 7 (MMX) 四種

1997 年 08 月筆電專屬版本：Tillamook, 166 MHz ~ 300 MHz, 32 KB (資料與指令Cache各 16 KB) 4-way, 插槽：MMC-1 (280 針可攜式電腦專用處理器卡匣),2.5v,450万，采用0.25um工艺。

Tillamook 的 MMC-1 模組的外型

信息来源：https://isite.tw/2016/01/27/14785

Intel Pentium Pro

1995年11月1日，Intel推出了Pentium Pro处理器。Pentium Pro的工作频率有150/166/180和200MHz四种，都具有16KB的一级缓存和256KB的二级缓存。它是基于Pentium 完全相同的指令集和兼容性，达到了440 MIPs 的处理能力和5.5 M个晶体管。这几乎相当于比4004处理器的晶体管提升了2400倍。值得一提的是Pentium Pro采用了“PPGA” 封装技术。即一个256KB的二级缓存芯片与Pentium Pro芯片封装在一起，两个芯片之间用高频宽的内部总线互连，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。TDP：31.7 W ~ 44 W，16 KB (資料與指令快取各 8 KB) 4-way，L2 快取大小：256 KB / 512 KB / 1 MB，Socket 8 ( 387 針腳 PGA 封裝)，550万晶体管。

例如Pentium Pro 200MHz CPU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，这在当时可以算得上是CPU技术的一个创新。Pentium Pro的推出，为以后Intel推出PⅡ奠定了基础。

Intel Pentium Pro L2 Cache区域和CPU逻辑区域

PENTIUM引起的轰动尚未结束，Intel公司又推出了新一代微处理器——P6。P6含有550万个晶体管，时钟频率为133MHZ，处理速度几乎是100MHZ的PENTIUM的2倍。

P6的一级（片内）缓存为8KB指令和8KB数据。值得注意的是在P6的一个封装中除P6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。P6最引人注目的是具有一项称为“动态执行”的创新技术，这是继PENTIUM在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。

1997年，在奔腾（P54C）和P6的基础上又有了新的发展，一块奔腾（P54C），加上57条多媒体指令，就得到了多能奔腾（P55C），相对P54C，P55C在以下几方面做了改进：（1）支持称为MMX多媒体扩展的新指令集，有57条新指令，用于高效地处理图形、视频、音频数据；（2）内部Cache从16KB增加到32KB。（3）优化了CPU的执行核心。

大小对比从左到右Pentium Pro (Socket 8)Xeon E7420 (PGA604)Xeon E5-2690 (LGA2011)Core i7-2820QM (PGA988)

金灿灿的年代到奔腾pro就结束了，后续的cpu封装感觉少了一份豪华感，据说这种封装里有价值上百的黄金

参考：https://encyclopedia.thefreedictionary.com/Pentium

为了弥补P6的某些缺陷，Intel在P6基础上开发了两个变体：Klamath（即PentiumⅡ）和Deschutes来补充完善它。

PentiumⅡ使用MMX和AGP技术，其系统总线速度达到66MHz，一级Cache含16KB指令Cache和16KB数据Cache，二级Cache为512KB，采用了0.35微米的工艺，CPU工作电压为2.8V。203平方毫米.

Deschueses（PII350以上的CPU）是PentiumⅡ的一个0.25微米版本，具有更低的电源电压，外频为100MHz。

PentiumII改变了以往的PGA陶瓷封装，而把处理器芯片、L2高速缓存以及TAGPAM（用来管理L2高速缓存）集成在一块电路板上，然后封装在新的SEC（SingleEdgeContact，单边接触盒）内。由于采用了新的SEC封装，PentiumII必须插在242线的SLOT1插槽内，也就是说，PentiumII不兼容Socket7结构。

Intel Pentium II（32KB L1）和外置512KB L2高速缓

Intel® Pentium® II（Slot 1）

移动版本的Pentium II处理器(MMC封装)

Die shot（https://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Intel Pentium II）

1998年去掉L2缓存的Celeron

Intel® Pentium® II Xeon(正面和背面) 512KB-2MB (Full Speed Off Die)L2

Pentium II OverDrive（左侧处理器），带有 512KB 的 L2 缓存（右侧）

Intel Pentium II OverDrive PODP66X333

图片来源：http://www.cpu-collection.de/?l0=i&i=1814&s=big&tb=1&n=0&sd=0

当时的减配版本，L2缓存减半的超频神器赛扬300A，当时由于cpu功耗大约20W，不像现在动辄一百多瓦，稍微改善一下散热就有超频环境，当时这颗CPU也成为经典，特别是370封装的，主板芯片组跨度大，实惠的选择很多。

更多信息参考：https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/30897

1999年2月26日推出奔腾III 处理器 800MHz、256K高速缓存、133MHz FSB ，TPD20.8 瓦，180纳米，与Pentium II相同，也有低阶的Celeron版本和高阶的Xeon版本。

最初版本Katmai与Pentium Ⅱ均使用0.25μm制程，唯一的差别是加入了SSE，改进一级缓存控制器，效能有所提升。

第二个版本Coppermine（铜矿）开始普遍采用了新的Socket 370（FC-PGA）接口，由于使用了0.18μm制程，INTEL能够在CPU芯片内集成了低延迟性全速256KB第二级缓存。

Coppermine-T：FC-PGA2封装的Coppermine CPU针脚与Coppermine不同，无法与FC-PGA兼容。

最后一个版本Tualatin只是实际上英特尔的0.13μm制程试验。在2001年至2002年早期推出，主频分别为1.0、1.13、1.2、1.26、1.33和1.4 GHz，同样采用了256K二级缓存。但由于使用FC-PGA2封装而无法与之前的主板兼容。针对桌面市场的Tualatin产量很少，大部分Tualatin特别是512KB二级缓存的衍生版本（称为 Pentium Ⅲ-S）用于服务器市场。

Katmai核心Pentium III（slot封装）

Socket 370封装的Pentium III（Coppermine核心）

Intel Pentium 4

英特尔公司于2000年11月发布的第7代x86微处理器。是继1995年出品的Pentium Pro之后的第一款重新设计过的处理器，这一新的架构称做NetBurst。首款产品代码为：Willamette，拥有1.4GHz左右的内核时钟，并使用Socket 423脚位架构，首款处理器于2000年11月发布。开启频率大战，性能却没有大幅度提升。到4GHz时，功耗问题止步，2005年年中放弃了Pentium 4，并转向升温更少的Pentium M。

Intel Pentium 4 不同规格

Intel处理器清单

以上信息来源intel官网：https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark.html#@Processors

Intel 处理器品牌和简要说明

酷睿（Core）是英特尔公司推出的面向中高端消费者、工作站和发烧友的一系列CPU。酷睿替代了曾经是中高端的奔腾（PenTium），将奔腾移至入门级，并将赛扬（Celeron）处理器推向低端。当前常见的I3I5I5就是这个系列，I7还出过至尊版Intel Core i7 Extreme EdiTIon，还有I9处理器。

奔腾（PenTium）是英特尔公司的一个注册商标，作为其x86处理器品牌之一，于1993年推出。之前奔腾是英特尔的唯一的x86处理器产品线，后来随着其产品线的扩展衍生出低端的赛扬（Celeron）系列、供服务器以及工作站使用的至强（Xeon）系列。2006年英特尔推出酷睿（Core）系列处理器产品线，取代原奔腾处理器系列的市场定位。如今奔腾定位中端系列，介于赛扬和酷睿之间。

赛扬（Celeron）是英特尔公司中央处理器的一个注册商标。赛扬处理器是Intel旗下经济型产品，于1998年推出。

至强（Xeon）是Intel的一个中央处理器品牌，主要供服务器及工作站使用，亦有超级计算机采用此处理器。Intel XeonE3-1230曾因高性价比而受到电脑DIYer的热捧，有“i5的价格，i7的性能”的美誉。

安腾（Itanium），是英特尔安腾架构（IA-64）的64位处理器。第一款安腾于2001年推出，该处理器的市场定位是在于企业服务器与高性能运算系统。

凌动（Atom）开发代号Silverthorne，是Intel的一个超低电压处理器系列。该处理器的市场定位是在于智能手机、平板电脑和低成本PC，上网本等。

Quark是英特尔的32位x86 SoC和μCs系列，专为小尺寸和低功耗设备而设计，并面向包括可穿戴设备在内的新市场。该处理器虽然比 Atom处理器更慢，但体积和功耗更小。

在2021的Hot Chips大会上，英特尔详细解读了高性能处理器——Alder Lake的架构。Alder Lake是英特尔的桌面级CPU架构，英特尔放弃了同构CPU核的设计，转向了大小核。P系列大核专注单线程性能，其中有两个新的东西：一个是Matrix Engine，作为AI协处理器；另外一个是PM Controller，负责细粒度的功耗管理。

E系列小核专注多线程吞吐（Throughput），所以小核的Front-End更深，Back-End更宽。另外小核和大核的ISA是兼容的，且四核共享MLC。

除此之外，Alder Lake为了大小核的调度，引入了Thread Director。工作原理是先根据应用部署在大核或小核上的IPC差异，对应用进行分类，然后OS根据应用类型进行调度。

CPU-Z软件所识别的参数，分别是关闭AVX-512与开启AVX-512

ITD，全称硬件线程调度器（Interl Thread Director），是一个全新的硬件资源调度方式。Alder Lake架构中将包含两种不一样的处理器核心：P-Core和E-Core。就像ARM架构SoC中的大小核一样，P-Core和E-Core在性能与能耗上也有自己的差异。因两种核心在结构、能耗与擅长的运算种类上有所差异，如何调度两种核心，将用户的操作分配到适合的核心就成了Alder Lake要面对的首要难题。

ITD的出现为的就是解决硬件资源分配的问题。在ITD出现之前，Windows采用的是一个比较简单的硬件资源分配方式：Windows 10认为哪个软件在前台，哪个软件拥有最高的优先级，就能分配到最强的核心。同时，过去处理器与操作系统之间的信息汇报也较为单一，操作系统并不能详细了解各个核心的工作状况。