中央處理器

CPU將奔向哪裡

王俊明 jmgwang@gmail.com

以下內容擷錄自網路上的資料，資類來源網站在文章最後，本文用於課堂上電腦硬體講義。

引言

縱觀微處理器近三十年的發展歷史，頭二十年可以說是Intel的時代。每隔七八年，處理器位數會有一個較大的飛躍。

CPU的全稱是 "Central Processing Unit"，即中央處理器，它是計算機中最重要的一個部分，如果把計算機比作一個人，那麼CPU就是他的心臟。CPU的種類很多，從超級計算機到普通家用電器；按照其處理信息的字長，可分為：四位微處理器、八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等等。

CPU常常是矩形或正方形的塊狀物，通過密密麻麻的眾多接腳與主板相連。不過，我們看到的是CPU的封裝，而CPU內部的核心是一片約1/4英寸薄薄的硅晶片(die，核心)，密布著百萬計的電晶體，協調完成各種複雜的運算和操作。

初期

1971年，Intel推出第一片4位元微處理器4004。1975年，MITS發布世界上第一台微型計算機Altair8800。

1976年，Intel發佈8位元的8085CPU，並由Zilog公司改良並推出以CP/M為操作系統的微型計算機。同年，一些離開Motorola公司的部份工程人員自組成立MOS科技公司，並開發出6502處理器，成為Apple II的CPU。

1978年，Intel 再推出16位元處理器8086，這是80x86系列的鼻祖，此後 Intel推出的新一代的CPU產品，均相容原來的X86指令。

1979年，Intel又推出8088，1981年IBM選用它來製造著名的IBM PC，Intel從此成為 CPU行業的霸主，同時微軟公司開始和IBM合作，推出他們的作業系統DOS。

1982年，Intel推出了16位元80286，IBM開始收到大量訂單，銷售以此為基礎的個人電腦。

1985 年，Intel又推出了32位處理器80386，以執行Windows操作系統。但IBM不願立即轉向，使用Compaq乘機推出386的電腦，迅速佔領市場。

1989年又推出了80486，並在X86系列中首次使用了RISC（精簡指令集）技術，工作頻率從25MHz逐步提高到50MHz，且於後期推出的80486 DX2首次引入了倍頻的概念，有力地促進了PC的推廣和應用。但Compaq由於持有大量386訂單，因此不願立即轉向486，Dell趁機推出486電腦，迅速佔領市場。

CPU市場的高額利潤也吸引了AMD、Cyrix、TI、UMC等廠商搶占市場，從此引發的CPU大戰不僅為用戶帶來了實惠，也推動了技術的快速進步。

Intel 4004

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Motorola 6800

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Intel 386 486

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奔騰時代

1993，全面超越486的新一代586處理器問世，頻率大約100MHz。為了擺脫486時代處理器名稱混亂的困擾，Intel公司把自己的新一代產品命名為Pentium（奔騰）以區別AMD和Cyrix的產品。Pentium的速度比80486快數倍，還具有良好的超頻性能，允許把一個低頻CPU當作高頻CPU來使用，使得花費較低的代價可獲得較高的性能。在此時期，AMD和Cyrix推出了與Pentium兼容的處理器K5和6x86，但這些產品的浮點性能、超頻性能皆不如Pentium。

Intel於1996年推出了Pentium Pro（高能奔騰）。Pentium Pro是為32位元系統設計的，16位性能並不出色，且價格居高不下，因此並未流行起來。

1997年初，Intel發布Pentium的改進型號──Pentium MMX（多能奔騰），有效地增強了CPU處理音頻、圖像和通信等多媒體應用的能力。這段時間其他廠商也相繼推出了多款產品來與Pentium MMX競爭，其中最具代表性的要數AMD的K6。但K6並沒有解決浮點性能差的問題，在圖形、圖像、遊戲等應用中的表現不盡如人意。不過，AMD憑著低價策略搶得了將近30％的CPU零售市場，占據了優勢。

Intel於1997年中推出了PⅡ，頻率300MHz以上。其核心結構與Pentium Pro類似，採用專利的Slot 1插槽，是想盡快淘汰Socket 7。但Intel低估了低價PC的市場潛力， AMD和Cyrix對Socket 7進行了改進，並努力開拓低價PC市場，成功地延長了Socket 7的生命周期。

看著低端市場一天天被吞食，Intel終於按耐不住，於1998年推出了賽揚（Celeron），去掉了PⅡ可以省略掉的東西L2，從而將價格降下來，性能當然也下降許多。市場對早期的賽揚褒貶不一，Intel知道問題就出在L2快取上，隨後的賽揚300A便加入了128kB的L2快取，這樣賽揚的性能就與PⅡ很接近了，而價格卻低得多，Intel依賴賽揚收復了低價市場的大片失地。

Intel靠賽揚收復市場，而AMD也適時地推出了3DNow!技術的K6-2。3DNow!是AMD受MMX啟發而開發的一組新指令，該技術可以有效地提高三維圖形、多媒體等應用的性能，使得K6-2的浮點運算性能有了較大的提高。

Intel 在1999年又推出了PⅢ，頻率大約500MHz以上。針對MMX的弱點和3DNow!技術，SSE指令集大大加強在3D圖像和浮點運算方面的能力。PⅢ的外頻為100MHz或133MHz，性能相當不錯，是Intel當時主推的中高端產品。

1999 年，AMD推出了引起轟動效應的K7（Athlon），這是AMD首次領先Intel推出新一代CPU。K7支持MMX和3DNow!，不僅有優秀的整數運算和多媒體運算能力，而且浮點性能也首次大幅度超過了PⅢ，運算頻率甚至領先超越1GHz。由於K7的內核比Intel先進，PⅢ在K7面前沒有了速度優勢，Intel只得宣布推出代號為“Willamette”的新型CPU，主頻在1.3GHz以上，專門為了對付K7而設計的。在低端市場上，Intel除了持續推出更高頻的賽揚，2000年也和HP合作開發伺服器級的64位元CPU“Itanium”。

雖然AMD也不甘示弱地推出"Thunderbird"核心的Athlon處理器，及簡化版Socket A介面的Duron處理器。但面對Intel猛烈反撲，AMD開始走下坡路，市場銷量很糟。Cyrix更是在這場處理器大戰中一敗塗地，本想依靠NS（美國國家半導體公司）東山再起，無奈時機已晚，最終被晶片組廠商VIA（威盛）收購。

隨後的IDT和Rise兩家也新殺入處理器市場，無奈生不逢時，在Intel產品的擠壓下，它們的日子也是舉步為堅，99年中，在Cyrix被收購一個月以後，威盛又收購了IDT公司，同時，Rise也被另一家晶片組廠商SIS（矽統科技）收購。

2000年時，傳統的鋁製程CPU已難突破速度到1GHz以上，於是各家廠商改使用IBM所研發的銅製程CPU，成功跨越1GHz的瓶頸。Intel 推出Pentium 4，AMD則推出Athlon XP。

由於CPU的速度預料將受到耗電量及熱燙的限制，使速度無法無限提升，主頻速度也漸漸不是影響處理效能的主要因素。於是各家廠商轉而提升資料輸入量（位元數）及處理核心數量。2003年AMD首先推出Athlon64 64位元處理器，超越Intel開始量產64位元的CPU，Intel則在次年推出Pentium 4 64位元CPU，並且主力研發雙核心CPU。