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1、不可磨灭的记忆 CPU发展史经典回顾今天,我们可以舒适在坐在电脑前看电影、听音乐,通过互联网寻找资料,与远方的朋友进行视频聊天,又或者通过电子商务网站购买一本杂志、一款自己心仪的MP3播放器,一切都显得那么随意和悠然自得 。但是大部分人却都没想过,能够有如此幸福生活,是多少人前赴后继,作出了可歌可泣贡献才得到的。昨天晚上,一IT界著名的朋友跟笔者说“你每天都喝水,那你有没考虑过水厂和水龙头的关系怎么样的?”。确实,也许并非每个朋友都对IT和其中发生的事情感兴趣,但是曾经发生的事情和有过的经历,却可以让我们 更加珍惜这来之不易的幸福。了解成功人的历史,更可让我们受益菲浅。现在就让笔者带大家去回顾
2、一下,这有趣而又激励人心的辉煌历史。关于CPU的基础知识:CPU的常识第一篇跟大家介绍的是PC里面的心脏:CPU(Central Processing Unit),被称呼为中心处理器或者Microprocessor微处理器。CPU是计算机的核心,其重要性好比心脏对于人一样。实际上,处理器的作用和大脑更相似,因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据,而主板芯片组则更像是心脏,它控制着数据的交换。CPU的种类决定了你使用的操作系统和相应的软件,CPU的速度决定了你的计算机有多强大,当然越快、越新的CPU会花掉你更多的钱。 CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了,这期间,按照其处理信息的字长,C
3、PU可以分为:四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。 如今,Intel的CPU和其兼容产品统治着微型计算机PC的大半江山,但是除了Intel或AMD的CPU,还是你可能听说过的其他一些CPU,如HP的PA-RISC,IBM的Power4和Sun的UltraSparc等,只是它们都是精简指令集运算(RISC)处理器,使用Unix的专利操作系统,例如IBM的AIX和Sun的Solaris等。虽然设计方式和工作原理的过程有区别,但不同处理器依然有很多相似之处。从外表看来,CPU常常是矩形或正方形的块状物,通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。不过,你看到的
4、不过是CPU的外衣CPU的封装。而内部,CPU的核心是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片(其英文名称为die,核心)。在这块小小的硅片上,密布着数以百万计的晶体管,它们好像大脑的神经元,相互配合协调,完成着各种复杂的运算和操作。左边是揭了盖可以看到核心的处理器硅能成为生产CPU核心的半导体材料主要是因为其分布的广泛性和价格便宜。此外,硅可以形成品质极佳的大块晶体,通过切割,得到直径8英寸甚至更大而厚度不足1毫米的圆形薄片晶片(也叫晶圆)。一片晶片可以划分切割成许多小片,每一小片就是一块单独CPU的核心。当然,在切割之前有许多处理过程要做。 Intel发布的第一颗处理器4004仅仅包含20
5、00个晶体管,而目前最新的Intel Pentium 8400EE处理器包含超过2.3亿个晶体管,集成度提高了十万倍,这可以说是当今最复杂的集成电路了。与此同时,你会发现单个CPU的核心硅片的大小丝毫没有增大,甚至变得更小了,这就要求不断地改进制造工艺以便能生产出更精细的电路结构。如今,最新的处理器采用的是0.065微米技术制造,也就是常说的0.065微米线宽。 840EE+HT(左边)65nm(右)Pentium 840EE处理器采用90nm制程的Smithfield核心,每核心1MB二级缓存,800MHZ的FSB,支持EDB防毒和EMT64T,可以搭配64位WinXP,90纳米制程,206
6、平方毫米芯片面积,2.3亿晶体管。Pentium 4 643 (3.2GHz)采用65nm工艺的CedarMill,集成2MB二级缓存,单核心,支持HT、EM64T,VT。需要说明的是,线宽是指芯片上的最基本功能单元门电路的宽度,因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同,所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集,可以降低芯片功耗,系统更稳定,CPU得以运行在更高的频率下,而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆,于是成本降低了。 随着线宽的不断降低,以往芯片内部使用的铝连线的导电性能将不敷使用,AMD在其K7系列开始采用铜连线技术。而现在这一技术已经得到了广
7、泛应用。关于CPU的基础知识:CPU的制造过程 切割晶圆 所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片,并将其划分成多个细小的区域,每个区域都将成为一个CPU的内核(Die)。 2.影印(Photolithography) 在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质,紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片,被紫外线照射的地方光阻物质溶解。 3.蚀刻(Etching) 用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除,然后再采用化学处理方式,把没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。然后把所有光阻物质清除,就得到了有沟槽的硅基片。 4
8、.分层 为加工新的一层电路,再次生长硅氧化物,然后沉积一层多晶硅,涂敷光阻物质,重复影印、 蚀刻过程,得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。 5.离子注入(IonImplantation) 通过离子轰击,使得暴露的硅基片局部掺杂,从而改变这些区域的导电状态,形成门电路。接下来的步骤就是不断重复以上的过程。一个完整的CPU内核包含大约20层,层间留出窗口,填充金属以保持各层间电路的连接。完成最后的测试工作后,切割硅片成单个CPU核心并进行封装,一个CPU便制造出来了。关于CPU的基础知识:CPU的主要性能指标 主频即CPU的时钟频率(CPU Clock Speed),这是我们最关心的,我们所说的3.
9、2GHz、2.0GHz等就是指它,一般说来,主频越高,CPU的速度就越快,整机的就越高。不过现在AMD都采用了更加模糊的命名方式,企图让消费者淡化以主频率计算性能的观念。比如Athlon 3000+,它的频率有可能是2.20GHz,也有可能是2.0GHz 。Intel 则采用了Pentium 643这种更易让人眼花缭乱的命名方式,一般人不查参数,很难记得它的意义。 FSB前端总线即CPU的外部时钟频率,由电脑主板提供,以前一般是133MHz,目前Intel公司最新的芯片组i925XE芯片组使用1066MHz的FSB。 内部缓存(L1 Cache)封闭在CPU芯片内部的高速缓存,用于暂时存储CP
10、U运算时的部分指令和数据,存取速度与CPU主频一致,L1缓存的容量单位一般为KB。L1缓存越大,CPU工作时与存取速度较慢的L2缓存和内存间交换数据的次数越少,相对电脑的运算速度可以提高。 外部缓存(L2 Cache)CPU外部的高速缓存,现在处理器的L2 Cache是和CPU运行在相同频率下的(以前P2 P3的二级缓存运行在相当于CPU频率一半下)。其它的还有封装技术、接口技术、制造工艺、指令集等就不再详细解释,不然就是写书而不是写文章了。不如如果这系列文章可以持续写下去的话,以后便好好跟大家再交流一下。远去的历史:微处理器发展的第一阶段讲完了一些技术的简单内容,现在就带大家去看看CPU是怎
11、样从无到有,并且一步步发展起来的。 根据大家的记忆,笔者把它分为了几个发展阶段。注意,这并非按照教科书去分,而是我们的记忆。Intel公司成立于1968年,格鲁夫(左)、诺依斯(中)和摩尔(右)是微电子业界的梦幻组合Intel 40041971年1月,Intel公司的霍夫(Marcian E.Hoff)研制成功世界上第一枚4位微处理器芯片Intel 4004,标志着第一代微处理器问世,微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器,霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。4004当时只有2300个晶体管,是个四位系统,时钟频率在108KHz,每秒执行6万条指令(0.06
12、MIPs)。功能比较弱,且计算速度较慢,只能用在Busicom计算器上。格鲁夫 “只有偏执狂才能生存”1971年11月,Intel推出MCS-4微型计算机系统(包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器),其中4004(上图)包含2300个晶体管,尺寸规格为3mm4mm,计算性能远远超过当年的ENIAC,最初售价为200美元。 Intel 80081972年4月,霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器,因此仍属第一代微处理器。Intel 8080 ,第二代微处理器1973年8月,霍夫等人研制出
13、8位微处理器Intel 8080,以N沟道MOS电路取代了P沟道,第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍,可存取64KB存储器,使用了基于6微米技术的6000个晶体管,处理速度为0.64MIPS。摩尔定律摩尔预言,晶体管的密度每过18个月就会翻一番,这就是著名的摩尔定律。第一台微型计算机:Altair 88001975年4月,MITS发布第一个通用型Altair 8800,售价375美元,带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。1976年,Intel 发布8085处理器当时,Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。Zilog公
14、司于1976年对8080进行扩展,开发 出Z80微处理器,广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。直到今天,Z80仍然是8位处理器的巅峰之作,还在各种场合大卖特卖。CP/M就是面向其开发的操作系统。许多著名的软件如:WORDSTAR 和DBASE II都基于此款处理器。WordStar处理程序WordStar是当时很受欢迎的应用软件,后来也广泛用于DOS平台。原文地址:http:/ 1976年3月,Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计算机Apple I,4月1日愚人节这天,两个Steve成立了Apple计算机公司。Apple II1976年:一些离开了Motorola公司
15、的部分工程人员自组成立MOS Technology公司,并且开发出了6502处理器。它的位宽为8bit,频率只有1MHz,并且无协处理器。但它是IBM PC机问世之前世界上最流行的微型计算机Apple II(苹果机)的CPU。Apple II是第一个带有彩色图形的个人计算机,售价为1300美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时,这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。Intel 8086 1978年6月,Intel推出4.77MHz的8086微处理器,标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管,售价360美元。 不过当时由于360美元过于昂贵,大部分人都没有足够的钱购买使用此芯片的电脑,于是 Intel 在1年之后,推出4.77MHz的8位微处理器8088。IBM公司1981年生产的第一台电脑就是使用的这种芯片。这也标志着x86架构和IBM PC 兼容电脑的产生。 发布的时候,8086的时钟频率有4.77,8和10MHz 三个版本,包括了具有300个操作的指