详述Intel系列CPU架构的发展史

Intel系列CPU架构的发展史

CPU(Central processing Unit)，又称“微处理器(Microprocessor)”，是现代计算机的核心部件。对于PC而言，CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。

（一）、4004时代

1971年，当时还处在起步阶段的Intel公司推出了世界上第一颗微处理器4004。是第一个用于计算器的4位微处理器，含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，从此以后，INTEL便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU的历史发展历程一定意义上也就是Intel公司x86系列CPU的发展历程。4004处理器核心架构图：

（二）、8008时代

世界上第一款8位处理器C8008共推出两种速度：0.5 Mhz以及0.8 Mhz，虽然比4004的工作时脉慢，但是整体效能要比4004好上许多。8008可以支持到16KB的内存。D8008则是后期出的量产版，发布时间为1972年，8位运算+16位地址总线+16位数据总线，同时它也包含一些输入输出端口，这是一个相当成功的设计，还有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。

（三）、8080时代

intel推出的8080不仅扩充了可寻址的存储器容量和指令系统，而且指令执行速度是8008的10倍。另一方面8080可直接与TTL（晶体管-晶体管逻辑）兼容，而8008则不能，这样就使得接口设计更容易，而且价格更便宜。8080可寻址的范围（64KB）是8008（16KB）的4倍，随后，1974年第一台PC机MITS Altair 8800问世了。它写的BASIC语言解释程序是由Bill Gates（比尔·盖茨）和Paul Allen于1975年开发的，他们是Microsoft公司的创始人。

（四）、8085时代

8085的最低主频3 MHz，最高主频也不过6MHz。当年使用此CPU的厂商非常多，包括了AMD，FUJI，TOSHIBA，

SIEMENS等等。此CPU是8085系列中拥有最高主频的一颗。

（五）8086时代

1978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为 i8086，它的产品线也分了3个部分，分别是8086，8086－8，8086－10。后缀分别代表了CPU的主频。8086是整个产品线中最低主频的一颗，仅仅是4.77MHz。它与上一代产品最大的区别就在于它是一颗16bit的处理器。同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等的数学计算指令，这两种芯片使用相同的指令集，可以互相配合提升科学运算的效率。

（六）80286时代

1982年，Intel推出了划时代的最新产品80286芯片，虽然它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有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，与8086相比，80286寻址能力达到了16MB，可以使用外存储设备模拟大量存储空间，还能同时运行多个任务，其速度比 8086提高了5倍甚至更多。

（七）80386时代

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，制造工艺也有了很大的进步。80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到25MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。同时也是第一种具有“多任务 ”功能的处理器——这对微软的操作系统发展有着重要的影响。

（八）80486时代 【80486，最后一代以数字编号的cpu】

1989年，Intel推出80486芯片，它集成了120万个晶体管。80486的时钟频率从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（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。

（九）、Pentium（奔腾）时代 【P5架构，带来了第一款与数字无关的处理器 】

1993年，英特尔发布了Pentium(奔腾)处理器。本来按照惯常的命名是80586，但是因为实际上“586”这样的数字不能注册成为商标使用，因此英特尔绝对使用自造的新词来作为新产品的商标——Pentium。Pentium处理器集成了310万个晶体管，最初推出的初始频率是60MHz、66MHz，后来提升到200MHz以上。第一代的Pentium代号为P54C。但是由于其Socket插座与其后推出的Socket 7不同，不但不能升级以外，更有极大可能是有内部缺陷的产品，最后，当时的英特尔总裁安迪葛洛夫于1993年11月29日向全球用户道歉，并承诺回收产品，最终的结果是重新赢得了消费者的信任，Pentium再度成为市场上最畅销的产品。

（十）Pentium pro 即P6架构

1995年Intel推出了Pentium Pro（中文名称“高能奔腾”），尽管性能不错，但远没有达到抛离对手的程度，加上价格十分昂贵，因此Pentium Pro实际市场生命也非常的短，但Pentium Pro的设计思想和总体架构却对Intel此后的处理器设计造成了深远的影响。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。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，有550万个晶体管。Pentium Pro的推出，为以后Intel推出PⅡ奠定了基础。

（十一）、Pentium MMX 即P6架构 支持多媒体技术

Intel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（中文名称“多能奔腾”）。英特奔腾MMX的推出，是Intel的辉煌时

代的到来。它并没有集成当时卖力不讨好的二级缓存，而是采用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，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。

（十二）Pentium II 融合MMX技术——Intel近10年来在架构方面最显著的提高。

MMX技术提升了视频的加压和解压、图像处理、编码及I/O处理，所有的这一切在今天的办公套件、商用多媒体、通信和Internet中被广泛地应用。

1 单指令---多数据(SIMD)技术：使得一条指令能完成多重数据的的工作。这就好比一个长官对整个排发出"立正!"的命令,而不是对每个士兵都说一遍。SIMD允许芯片减少在视频、声音、图像和动画中计算密集的循环。

2 新的指令集：Intel的工程师们特别设计了57条功能强大的指令,以更有效地操作、处理视频、声音和图像数据。

3. 紧密相连的512K二级高速缓存器

4. 266MHz处理器主频,支持嵌入式应用

5. 66MHz系统总线频率

6. 优化的包装体积：4×2.5×0.39英寸。

7. 能耗低：整个模块最大能耗为12.4W。

为满足嵌入式应用市场的需求，Intel还将提供应用软件开发支持、参考设计、第三方开发工具和服务零售商的联络信息、BIOS以及操作系统。在Intel奔2之后，为了占领更多的市场，推出了celeron系列，核心架构也和 Pentium II 一样，具有 MMX 多媒体指令集，但是 Pentium II 上的L2缓存没了，除了可以降低成本之外，最主要是为了和当时的主流 Pentium II 在效能上有所分别；当时Pentium II 处理器的外频为100

MHz (最早是 Pentium II 350)，而属于低价的 Celeron 则是维持传统的66MHz。

由于不具 L2 缓存的Celeron 效能以及价位上并不能够取代 K6-2（奔腾2），所以Intel 再度推出新版本的 Celeron（核心代号：Mendocino），不但加上了 L2缓存之外，而且采用PPGA 封装技术，在 Intel 强力促销下，成功的成为低价处理器的主流，其中更是以 Celeron 300A 扮演着相当重要的角色。可以看得出，Celeron与Pentium II是英特尔决定将高低产品线用不同的品牌区分的开始，事实也证明这种市场策略的成功。

（十三）、Pentium III 时代 ：【P6架构一直沿用】

1999年英特尔发布了Pentium III处理器，引入了70条新指令（SIMD，SSE），主要用于因特网流媒体扩展、3D、流式音频、视频和语音识别功能的提升。Pentium III可以使用户有机会在网络上享受到高质量的影片，并以3D的形式参观在线博物馆、商店等，Pentium III处理器集成了950万个晶体管，并且是首个使用0.26微米技术的微处理器。同样，Pentium III也有对应型号的Celeron处理器，来应对低端市场。起初的P3处理器仍然采用Slot 1接口，随后英特尔开发出来代替SLOT架构的Socket 370架构，也采用零插拔力插槽，对应的CPU是370针脚，并且将制造工艺成功专制成0.18微米。与此同年，作为Pentium II Xeon的后继者，英特尔还发布了Pentium III Xeon

处理器，它加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。在缓存速度与系统总线结构上，也有很多进步，很大程度提升了性能，

（十四）、Pentium IV时代：巅峰王朝------- NetBurst架构。

2000年英特尔发布了Pentium 4处理器，自此Intel来到了一个一统江湖的时代。基于Pentium 4处理器的个人电脑，可以让用户创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，并进行实时语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。（分别为423针、478针）

NetBurst架构的Pentium 4是Intel沿用时间最长的一代构架，具有较快的系统总线、高级传输缓存，Pentium 4还提供的SSE2指令集。尽管如今的Pentium4已经是众人皆知的产品，但是在其发展初期可并不是一帆风顺。第一代Pentium 4（Willamette）核心就饱受批评。起初P4处理器集成了4200万个晶体管，并设计有256KB二级缓存，此时的整体性能受到很大影响。很快改进版的Pentium 4（Northwood）出现了，新款处理器集成了5500百万个晶体管；采用0.18微米进行制造。当然Pentium 4也有对应型号的Celeron处理器，来应对低端市场。Socket 478的Pentium 4处理器面积很小，其针脚排列极为紧密。英特尔公司的Pentium 4系列和P4 赛扬系列都采用此接口。随着制造工艺的进步，Intel将取代Northwood核心的新Prescot（普雷斯科特）核心处理器的制造工艺全面转移到了90纳米，Prescot 核心处理器已经将晶体管数量由原来的5500万个提升到现在的1．25亿个晶体管，晶体管数量的增加能够使芯片存储量增至原来的两倍，而芯片的体积更小，这样可大幅提高芯片运行速度。

（十五）、安腾（Itanium）处理器 64位处理器时代的到来

2001年英特尔推出的Itanium是 64位处理器家族中的首款产品，2002年推出英特尔安腾2（Itanium2）处理器。该处理器能为数据库、计算机辅助工程、网上交易安全等提供领先的性能。英特尔推出新款Pentium 4处理器内含创新的Hyper-Threading（HT）超执行绪技术。超执行绪技术能同时快速执行多项运算应用。

（十六）、奔腾M/赛扬M（Pentium M /Celeron M）处理器 【Pentium M架构】

奔腾M处理器、855芯片组家族、英特尔PRO/无线2100网卡是英特尔迅驰™ 移动计算技术的三大组成部分。英特尔迅驰移动计算技术：专门用于便携式计算，具有内建的无线局域网能力和突破性的创新移动性能。该处理器支持更耐久的电池使用时间，以及更轻更薄的笔记本电脑造形。【Pentium D 处理器】---首颗内含2个处理核心的Intel Pentium D处理器登场，正式揭开x86处理器多核心时代。

（十七）、Core Duo处理器 ====【Yonah微架构】

是用来取代Pentium M架构的产品，第一款芯片的产品代号为Yonah，是英特尔向酷睿架构迈进的第一步，但是它并没有采用酷睿架构，而是介于NetBurst和Core架构之间（第一个基于Core架构的处理器是酷睿2）。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，也就是所谓的能效比。最初酷睿处理器是面向移动平台的，它是英特尔迅驰3的一个模块。酷睿使双核技术在移动平台上第一次得到实现。

（十八）、Core 2 Duo 处理器 ===【真正的Core微架构】

2006年7月27日英特尔推出的新一代基于Core微架构的产品体系Core 2

Duo，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。全新的Core架构，彻底抛弃了Netburst架构，全部采用65nm制造工艺，全线产品均为双核心，L2缓存容量提升到4MB，晶体管数量达到2.91

亿个，核心尺寸为143平方毫米，性能提升40%，能耗降低40%，主流产品的平均能耗为65瓦特，前端总线提升至1066Mhz(Conroe)，1333Mhz(Woodcrest)，800Mhz（Merom）。

有一点要特别说明：有不少消费者往往将Core和Conroe（扣肉）混淆。实际上，我们把Core音译为酷睿，它是Intel这一代处理器产品统一采用的微架构，而Conroe（扣肉）只是对基于Core微架构的桌面平台级产品的代号。由于上一代采用Yonah微架构的处理器产品被命名为Core Duo，为了区分，Intel这一代桌面处理器Conroe以及笔记本处理器Merom都将被统一叫做Core 2 Duo。另外，Intel的顶级桌面处理器被命名为Core 2 Extreme，以区别于主流处理器产品。

对Core 微架构做一个简单的概括：Core微架构是Intel的以色列设计团队在Yonah微架构基础之上改进而来的新一代微架构。最显著的变化在于在各个关键部分进行强化，采取共享式二级缓存设计，2个核心共享高达4MB的二级缓存。加入对EM64T与SSE4指令集的支持。由于对EM64T的支持使得其可以拥有更大的内存寻址空间，而且使用了Intel最新的五大提升效能和降低功耗的新技术，因此对于移动平台意义尤为重大。目前比较普遍的看法是，Core微架构是Pentium

Pro架构，或者说是P6微架构的延续。

（十九）、Penryn家族处理器 ===【也采用Core微架构，主要是工艺改进】

2006年的Core微架构取代NetBurst微架构，让Intel的Tick-Tock微架构发展战略站到了人们的面前。Tick-Tock就是时钟的“嘀嗒”的意思，一个嘀嗒代表着一秒，而在Intel的处理器发展战略上，每一个嘀嗒代表着2年一次的工艺制程进步。每个Tick-Tock中的“Tick”，代表着工艺的提升、晶体管变小，并在此基础上增强原有的微架构，而 “Tock”，则表示在维持相同工艺的前提下，进行微架构的革新，这样在制程工艺和核心架构的两条提升道路上，总是交替进行，避免了同时革新可能带来的失败风险，降低研发的周期，并最终

提升产品的竞争力。

Intel于2007年11月12日在美国发布了仍基于Core微体系架构的“Penryn”家族。相比于前者，Penryn把工艺制程提升至45nm，因此Penryn仅属于Intel的“Tick”。

其中双核处理器内部集成超过4亿个晶体管，而四核处理器则拥有超过8亿个晶体管。随着工艺制程的进一步提升和集成晶体管数量的增加，晶体管内部的漏电现象愈加明显。为了解决这一问题，Intel在“Penryn”家族中使用了基于铬元素的高K金属栅极硅制程技术。

从65nm到45nm的工艺提升不仅仅缩小了芯片的面积，Penryn家族还增了相当多的技术特性，其中包括SSE4（SIMD流指令扩展4），用以增强媒体性能。同时还增强了英特尔虚拟化技术、更快的数字除法运算速度、更快的缓存及内存读取速度、降低总体能源的消耗。

Penryn家族桌面版双核处理器的核心代号是Wolfdale”， 四核处理器的核心代号“Yorkfield”，是65nm Core架构的升级版版。其中Wolfdale则是双核心Core 2 Duo的下一代，例如E系列；Yorkfield是四核心Core 2 Extreme和Core 2 Quad的继任者，例如Q8、Q9、QX9系列。

（二十）、Nehalem家族处理器 ==== 【Nehalem架构，45nm】

2008年末推出了新的Nehalem微架构，它是在Core微架构的骨架上外加增添了SMT、3层Cache、TLB和分支预测的等级化、IMC、QPI和支持DDR3等技术。该系列的全部是带" i "的型号，像我们平时说的"Bloomfield"、"Lynnfield"、"Clarkdale"这些都是核心研发代号，而不是架构名称。

Nehalem架构的主要特点：1、缓存设计：采用三级全内含式Cache设计，L1的设计与Core微架构一样；每个核心各拥有256KB的L2 Cache；L3则是采用共享式设计。2、集成了内存控制器(IMC)：内存控制器从北桥芯片组上转移到CPU片上，支持三通道DDR3内存，内存读取延迟大幅减少，内存带宽则大幅提升。3、快速通道互联（QPI）：取代前端总线(FSB)的一种点到点连接技术，20位宽的QPI连接其带宽可达25.6GB/s，远超过原来的FSB。4、SSE4.2指令集的加入，可以有效提升XML，sring和文本处理的性能。

基于Nehalem微架构的Bloomfield处理器(Bloomfield也是产品代码)已经正式命名为"酷睿 i7"。Intel Core i7是一款45nm原生四核处理器，处理器拥有8MB三级缓存，支持三通道 DDR3内存。处理器采用LGA 1366针脚设计，支持第二代超线程技术，也就是处理器能以八线程运行。

酷睿i5处理器是英特尔的一款产品，同样建基于Intel Nehalem微架构

Core i5只会集成双通道DDR3存储器控制器，采用全新的LGA 1156，不支持超线程技术。L2缓冲存储器方面，每一个核心拥有各自独立的256KB，并且共享一个达8MB的L3缓冲存储器。处理器核心方面，代号Lynnfiled，采用45纳米制程的Core i5会有四个核心，芯片组方面，会采用Intel P55，但P55不会采用较新的QPI连接，而会使用传统的DMI技术。

（二十一）、Westmere 家族处理器 ====【Nehalem微架构，32nm】

Westmere是45nm工艺Nehalem微架构的新工艺升级版，采用32nm工艺，并增加了AES指令集等新特性。Westmere家族首批产品在桌面上是Clarkdale，双核心，命名为Core i5/i3系列；接下来即将发布Gulftown，六核心，属于Core

i7系列。除了工艺之外，Westmere最大的特点就是最高集成了6个处理器核心，包括12MB L3缓存，共多达11.7亿晶体管。

（二十二）、Sandy bridge （SNB）家族处理器 ===【sandy bridge架构，32nm】

2009年（TICK时间），Intel处理器制程迈入32nm时代，2010年的TOCK时间，Intel推出代号为Sandy Bridge的处理器，该处理器采用32nm制程。Sandy

Bridge是Nehalem架构的革新，也是其工艺升级版，从45nm进化到32nm。Sandy

Bridge将有八核心版本，二级缓存仍为512KB，但三级缓存将扩容至16MB。而Sandy Bridge最主要特点则是加入了game instrution AVX (Advanced Vectors

Extensions)技术，也就是之前的VSSE。intel宣称使用AVX技术进行矩阵计算的时候将比SSE技术快90%。其重要性堪比1999年Pentium III引入SSE。

SNB家族仍然沿用Core i7/i5/i3的品牌+2XXX命名方式，编号上则采用四位数字。对于桌面版的CPU来说：其中第一位均为“2”，代表第二代Core ix系列；最后末尾：K代表不锁定倍频，都是高端产品；S代表性能优化，原始频率比没有字母后缀的低很多，但是单核心加速最高频率基本相同，另外热设计功耗都是65W；T代表功耗优化，热设计功耗只有45W或35W，但是频率也是最低的。移动版末尾带有M，

型号级别

XM

QM

描述 举例

移动四核至尊版

移动四核标准版

i7-2920XM

i7-2820QM

M 移动双核电源优化版 i7-2620M

（二十三）、Ivy bridge 家族处理器 ===【sandy bridge架构，22nm】

2012年4月24日，Intel在北京正式发布了ivy bridge处理器。根据官方网站上的描述，Ivy Bridge将会成为第三代酷睿处理器，也就是说继续使用Core

i7/i5/i3的品牌+3XXX的命名方式。32nm Sandy Bridge已经实现了处理器、图形核心、视频引擎的单芯片封装，其中图形核心拥有最多12个执行单元，支持DX10.1、OpenGL 2.1，在此基础上，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。此前还有消息称，Ivy Bridge会终于加入对DX11的支持。

未来处理器领域的整合趋势仍然相当明显，英特尔仍然会将图形核心整合到CPU内部，与其搭配的仍将是DMI总线芯片组，并且支持FDI功能，也就是Flexible Display Interface技术，此技术可以支持用户同时输出两屏或者三屏显示。英特尔承诺未来的Ivy Bridge将会拥有更佳的能效比，这当然首先是来自于更为先进的22纳米制造工艺，当然其他的优化也是能效提升的重要因素。