英特尔cpu

详述Intel系列CPU架构的发展史

Intel系列CPU架构的发展史

CPU(CentralprocessingUnit)，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敬礼的动作要领 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:0.5Mhz以及0.8Mhz，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MITSAltair8800问世

了。它写的BASIC语言解释程序是由BillGates(比尔?盖茨)和PaulAllen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3MHz，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

80387以从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理

器及一个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Socket7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)Pentiumpro即P6架构

1995年Intel推出了PentiumPro(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PentiumPro实际市场生

命也非常的短，但PentiumPro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。PentiumPro

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。PentiumPro的推出，为以后Intel推出P?奠定了基

础。

(十一)、PentiumMMX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文学风格 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MMXCPU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)PentiumII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:42.50.39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PentiumII一样，具有MMX多媒体

指令集，但是PentiumII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PentiumII在效能上有所分别;当时PentiumII处理器的外

频为100MHz(最早是PentiumII350)，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，而且重庆市内景点 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Celeron300A扮演着相当重要的角色。可以看得出，

Celeron与PentiumII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)、PentiumIII时代:【P6架构一直沿用】

1999年英特尔发布了PentiumIII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。

PentiumIII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，PentiumIII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，PentiumIII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Slot1接口，随后英特尔开发

出来代替SLOT架构的Socket370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PentiumIIXeon

的后继者，英特尔还发布了PentiumIIIXeon

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)、PentiumIV时代:巅峰王朝-------NetBurst架构。

2000年英特尔发布了Pentium4处理器，自此Intel来到了一个一统江湖的时

代。基于Pentium4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Pentium4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，Pentium4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Pentium4也有对应型号的Celeron处理器，来应对低端市场。Socket

478的Pentium4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Pentium4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(PentiumM/CeleronM)处理器【PentiumM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。【PentiumD处理器】---首颗内含

2个处理核心的IntelPentiumD处理器登场，正式揭开x86处理器多核心时代。

(十七)、CoreDuo处理器====【Yonah微架构】

是用来取代PentiumM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)、Core2Duo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Core2

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，桌面双学位英文 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中国最高的山峰 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CoreDuo，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Core2Duo。另外，Intel的

顶级桌面处理器被命名为Core2Extreme，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PentiumPro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-勤劳节俭 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65nmCore架构的升级版版。其中Wolfdale则是双核心

Core2Duo的下一代，例如E系列;Yorkfield是四核心Core2Extreme和Core

2Quad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L2Cache;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"。IntelCorei7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LGA1366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IntelNehalem微架构Core

i5只会集成双通道DDR3存储器控制器，采用全新的LGA1156，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IntelP55，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Corei5/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12MBL3缓存，共多达11.7亿晶体管。

(二十二)、Sandybridge(SNB)家族处理器===【sandybridge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SandyBridge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

SandyBridge最主要特点则是加入了gameinstrutionAVX(AdvancedVectors

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PentiumIII引入SSE。

SNB家族仍然沿用Corei7/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Coreix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，

XM移动四核至尊版i7-2920XM

QM移动四核标准版i7-2820QM

M移动双核电源优化版i7-2620M

(二十三)、Ivybridge家族处理器===【sandybridge架构，22nm】

2012年4月24日，Intel在北京正式发布了ivybridge处理器。根据官方网

站上的描述，IvyBridge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。32nmSandyBridge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、OpenGL2.1，在此基础上，22nmIvyBridge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

FlexibleDisplayInterface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IvyBridge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。