處理器史話 | 英特爾和AMD在“核戰(zhàn)場(chǎng)”上的殊死搏斗

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在 PC 界，有這樣一只威力無(wú)窮的“蝴蝶”，只要它輕輕扇動(dòng)一下翅膀，便可能在全球范圍內(nèi)引發(fā)一次芯片組、內(nèi)存與顯示設(shè)備的“海嘯”，從而影響產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進(jìn)程。
沒(méi)錯(cuò)，這只“蝴蝶”的名字是處理器。作為 PC 中的最核心配件，CPU 的發(fā)展一直是人們最為關(guān)注的。因?yàn)樗募夹g(shù)進(jìn)步，直接牽動(dòng)著 PC 甚至是整個(gè)業(yè)界的命脈。

現(xiàn)在，從 CPU 的“核”出發(fā)，再次探討處理器的發(fā)展，以及各芯片廠商之間的“核”戰(zhàn)爭(zhēng)。縱觀處理器的發(fā)展進(jìn)程，雖然經(jīng)過(guò)了很多個(gè)階段，但是可以將其劃分為兩個(gè)較明顯的時(shí)代：?jiǎn)魏藭r(shí)代和多核時(shí)代。

從上世紀(jì) 70 年代開始到 2005 年，在 30 多年的時(shí)間里，CPU 不管是以何種性能變化著，它們都是以單核的形式出現(xiàn)的。

2005 年 04 月 18 日，Intel 發(fā)布了全球首款桌面雙核處理器產(chǎn)品，從而拉開了多核處理器時(shí)代的帷幕。

4.1 單核與多核的發(fā)展
1. 單核時(shí)代：天下英雄誰(shuí)主宰——頻率
從處理器誕生之日起，“頻率”便成為 CPU 的重要參數(shù)之一，甚至一度成為衡量其性能的唯一標(biāo)尺。

在“MHz”的時(shí)代，摩爾定律讓 CPU 每一次頻率的攀升得到了人們眾多的喝彩。當(dāng) CPU 的頻率進(jìn)入了“GHz”時(shí)代后，頻率對(duì)其綜合性能的影響力開始減弱。這個(gè)結(jié)論，來(lái)自于近些年來(lái)對(duì) CPU 產(chǎn)品綜合性能的比拼，例如：AMD 的低頻產(chǎn)品同樣可以擁有其標(biāo)稱值性能，Intel 用于迅馳平臺(tái)的低頻移動(dòng)處理器也能夠輕松擊敗其自家的高頻產(chǎn)品。

此時(shí)，大家可以清晰的看到，頻率對(duì)于處理器價(jià)格的影響也是很大的：當(dāng) L2 緩存確定后，頻率就成為了價(jià)格的相當(dāng)重要的依據(jù)。在單核時(shí)代中最為耀眼的當(dāng)數(shù) Intel 的奔騰系列了，下面以新的視角，回顧一下單核時(shí)代奔騰的歷史。

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時(shí)間回到 20 世紀(jì)的 90 年代，PC 在發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展速度相當(dāng)快，Intel 無(wú)疑是看到了蘊(yùn)含其中的無(wú)限商機(jī)，所以 Intel 決定在其推出的 80586 產(chǎn)品上與 AMD 分道揚(yáng)鑣，為 80586 注冊(cè)了 Pentium 商標(biāo)，從此，“奔騰”就作為品牌推廣到全球的每一個(gè)角落。

1993 年 3 月 22 日發(fā)布的 80586（Pentium），第一代產(chǎn)品，正是它讓 Intel 也無(wú)法預(yù)測(cè)到的影響全球 IT 產(chǎn)業(yè)的奔騰時(shí)代就這樣誕生了。第一代 Pentium 的推出取得了空前的成功，Intel 更加堅(jiān)定了要讓自己走上一條獨(dú)立發(fā)展的處理器道路。事實(shí)上不只是桌面領(lǐng)域，服務(wù)器、工作站領(lǐng)域也都以此作為指導(dǎo)思想，奔騰的品牌威力已經(jīng)滲透到了各個(gè)領(lǐng)域。

Pentium 的問(wèn)世，使 Intel 幾乎長(zhǎng)期占據(jù)著“一直被模仿，從未被超越”的地位，而 AMD 和 Cyrix，則從此開始走上了追隨者的辛酸歷程。

其實(shí)奔騰的發(fā)展道路并非一帆風(fēng)順，Intel 為了徹底擺脫 AMD 和 Cyrix 的糾纏，不僅僅是產(chǎn)品命名上的擺脫，更上升到接口的層面。

搭載 P6 總線協(xié)議和 Socket8 接口之后，Pentium Pro 處理器在 1995 年應(yīng)運(yùn)而生。從技術(shù)上來(lái)看，Pentium Pro 在當(dāng)時(shí)絕對(duì)稱得上是一款“恐怖級(jí)”的產(chǎn)品，有數(shù)據(jù)為證：

• 非常先進(jìn) 80 位浮點(diǎn)單元、分支預(yù)測(cè)等功能；
• 實(shí)現(xiàn)了 32 位內(nèi)存尋址；
• 史無(wú)前例地在芯片內(nèi)封裝了 256KB 的二級(jí)緩存芯片（兩個(gè)芯片之間用高頻寬的內(nèi)部通訊總線互連，CPU 與高速緩存的連接線路也被安置在該封裝中），使高速緩存能更容易地運(yùn)行在更高的頻率上。

Pentium Pro 圖片

Pentium Pro 一度成為是高端 CPU 的代名詞，Pentium Pro 所表現(xiàn)的性能在當(dāng)時(shí)讓很多人大吃一驚，但是冷靜之后，從市場(chǎng)角度來(lái)看，Pentium Pro 又顯得十分失敗：
當(dāng)時(shí) 32 位應(yīng)用并非是主流，甚至在 16 位應(yīng)用程序中，Pentium Pro 無(wú)法表現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)。過(guò)于超前的 Pentium Pro 還因?yàn)槌杀靖甙憾冻鰬K重代價(jià)，更因?yàn)檠诱`了新產(chǎn)品開發(fā)而給 AMD 和 Cyrix 帶來(lái)極為重要的喘息機(jī)會(huì)。

同時(shí)代的 Pentium Pro、AMD 和 Cyrix 的對(duì)比表

但是，Pentium Pro 的失誤并沒(méi)有阻礙奔騰的前進(jìn)勢(shì)頭，真正讓奔騰在世人面前“發(fā)揚(yáng)光大”的應(yīng)該當(dāng)數(shù) Pentium MMX（多能奔騰）處理器，如今無(wú)數(shù)高手都是從當(dāng)年的 MMX 時(shí)代起步，也正是 Intel 處理器在國(guó)內(nèi)大規(guī)模普及的關(guān)鍵年。

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MMX 是 Intel 公司在 1996 年為增強(qiáng) Pentium CPU 在音像、圖形和通信應(yīng)用方面而采取的新技術(shù)，為 CPU 增加了 57 條 MMX 指令。除了指令集中增加 MMX 指令外，還將 CPU 芯片內(nèi)的 L1 緩存由原來(lái)的 16KB 增加到 32KB（16K 指命+16K 數(shù)據(jù)）。

當(dāng)時(shí) PC 正處于快速普及階段，家用電腦概念的誕生催生了多媒體應(yīng)用，MMX 指令集顯然很好地抓住了這一機(jī)遇。在應(yīng)用軟件專門為 MMX 優(yōu)化之后，執(zhí)行效率提升幅度相當(dāng)明顯，有例為證：最典型的例子莫過(guò)于當(dāng)時(shí)的 VCD 軟解壓，在相同頻率下，具備 MMX 指令集的 Pentiun 166MMX 比 Pentium 166 的性能高出 50％左右，從而讓軟解壓 VCD 也能達(dá)到流暢的速度。

另外一方面，Pentium MMX 的緩存架構(gòu)也得到大幅度改進(jìn)，此時(shí)整體性能大幅度領(lǐng)先第一代 Pentium，而且 0.35 微米制程的成熟令成本問(wèn)題初步解決，從而真正迎來(lái)普及高峰。

2. Pentium II 時(shí)代的較量
當(dāng)技術(shù)與市場(chǎng)各方面成熟后，Pentium 品牌產(chǎn)品水到渠成地發(fā)展到了第二代的階段。1997 年，為了進(jìn)一步打擊競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，Intel 在 Pentium II 上更是大膽地使用了更多創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，Pentium II 可以說(shuō)是集 Pentimu Pro 的精華與 MMX 技術(shù)完美結(jié)合之典范。通過(guò)工藝的更新，使得 Pentium II 比 Pentium Pro 在體積上大不了多少，但它卻比后者多容納了 200 萬(wàn)個(gè)晶體管。而且 Pentium II 在提供出色 32 位性能的基礎(chǔ)上也具備了出色的 16 位性能，將整個(gè) CPU 業(yè)界完全帶入 32 位時(shí)代。

第一代 Pentium II 運(yùn)行在 66MHz 總線上，第二代產(chǎn)品的系統(tǒng)總線為 100MHz。Pentium II 采用了半速的 512K 二級(jí) Cache，L1Cache 為 32K，并首次采用最新的 Solt1 專利接口標(biāo)準(zhǔn)，將競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 AMD 和 Cyrix 檔在了專利大門之外。

不過(guò)對(duì)手們也不是吃素的，他們看準(zhǔn)了 Pentium II 的軟肋——高成本，因此以低價(jià)位作為主攻對(duì)象，AMD 的 K6 處理器將頻率提高到 300MHz，此時(shí)整體表現(xiàn)絲毫不遜色于價(jià)格不菲的 Pentium II 233/266MHz，而且無(wú)論是 CPU 還是主板價(jià)格都明顯低很多。

從技術(shù)與市場(chǎng)角度來(lái)看，Pentium II 無(wú)疑是成功的，然而這卻透支了 Intel 的未來(lái)市場(chǎng)空間，好在 Intel 很快認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，最終還是正視市場(chǎng)需求，推出了人們?cè)僖彩煜げ贿^(guò)的 Celeron（賽揚(yáng)）產(chǎn)品，不過(guò)第一代二級(jí)緩存的 Celeron 處理器的整數(shù)性能差強(qiáng)人意。即便如此，在中國(guó)市場(chǎng)上，中低端市場(chǎng)才是消費(fèi)大軍的主力戰(zhàn)場(chǎng)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，既然不能擁高端的“奔騰芯”，那么退而求其次也是可以的。

經(jīng)過(guò)第一代初期的陣痛后，在接下來(lái)的第二代賽揚(yáng)中，Intel 做到了力挽狂瀾，當(dāng)時(shí) 128KB 二級(jí)緩存 Celeron A 讓 AMD 的中低端霸主之夢(mèng)破滅，其較好的超頻性能甚至威脅到了 PentiumII 的地位。

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3. 經(jīng)典的 PentiumIII 和 GHz 時(shí)代
自從 PentiumII 時(shí)代起，Intel 走上奔騰主攻中高端、賽揚(yáng)系列處理器主攻中低端的市場(chǎng)策略后，奔騰的形象理論上再次提升了一級(jí)，因?yàn)樗亲鳛楦叨?PC 的標(biāo)志。奔騰+賽揚(yáng)的高低端組合讓 Intel 嘗到了甜頭，時(shí)隔兩年，1999 年 Intel 再次發(fā)布奔騰第三代處理器，這就是經(jīng)典的 PentiumIII 了。

PentiumIII 處理器實(shí)物圖片

早期的 PentiumIII 與 PentiumII 采用了類似的封閉方案，高成本的方案在技術(shù)與市場(chǎng)上都受到非議，隨后 Intel 再次回歸到 Socket 接口平臺(tái)，與后期的 Tualatin Celeron 一起打造了至今還被眾多 DIY 玩家津津樂(lè)道的 PentiumIII 王朝。

然而這個(gè)時(shí)期值得關(guān)注的是，PentiumIII 的輝煌并非是建立在 AMD 弱勢(shì)之上，相反，AMD 在此階段同樣有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。Thunderbird? (雷鳥)系列就是在當(dāng)時(shí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)扭轉(zhuǎn) AMD 性能形象有了非常大的幫助。甚至在一場(chǎng)搶占 GHz 主頻大關(guān)的頻率大戰(zhàn)中，AMD 率先讓雷鳥處理器實(shí)現(xiàn)了極具里程碑意義的 1GHz。

0.13um 制程的 AMD 雷鳥處理器

雖然雷鳥處理器性能是好，但處理器發(fā)熱量巨大得問(wèn)題卻一直令人“恐慌”--- 溫度實(shí)在太高，如果沒(méi)有強(qiáng)勁的散熱風(fēng)扇“護(hù)航”的話，5 秒鐘內(nèi)就得和馬克思握手了。

客觀地說(shuō) PentiumIII 應(yīng)該還能走到更為輝煌的境界，但是由于產(chǎn)品線更換問(wèn)題，PentiumIII 最終選擇了讓路 Pentium4，不得不很“委屈”地“提前”退出了歷史舞臺(tái)，它的壽命可以說(shuō)是奔騰時(shí)代中最短的一員。

4. 金字招牌——Pentium 4
Pentium 4 是 Pentium 系列中最受爭(zhēng)議的產(chǎn)品，但它卻是奔騰時(shí)代中歷史最長(zhǎng)的。在長(zhǎng)達(dá) 6 年多的時(shí)間里，Pentium 4 都一直是 Intel 主攻中高端的主力軍。

作為 Intel 的一塊“金字招牌”，Pentium 4 在頻率英雄論的過(guò)去為 Intel 立下了汗馬功勞。但是在其發(fā)展初期可并不是一帆風(fēng)順，第一代 Willamette 核心就飽受批評(píng)。對(duì)于全新的 NetBurst 結(jié)構(gòu)而言，發(fā)揮強(qiáng)大的性能需要更高的主頻以及強(qiáng)大的緩存結(jié)構(gòu)，而這些都是 Willamette 核心所不具備的。256KB 二級(jí)緩存顯然不足，此時(shí)的整體性能受到很大影響。然而最讓 Intel 尷尬的是，Willamette 核心的 Pentium4 1.5G 甚至不如 Tualatin 核心的 Pentium III，部分測(cè)試中甚至超頻后的 Tualatin Celeron 也能越俎代庖。

但是隨后的頻率大戰(zhàn)中 Intel 還是能保住巨人的顏面，NetBurst 架構(gòu)的高頻率產(chǎn)品的綜合性能還是實(shí)實(shí)在在的，加上 Intel 強(qiáng)大的上游廠商操控能力，AMD 即使在產(chǎn)品上同樣出色甚至某些同價(jià)格段產(chǎn)品占有更大一點(diǎn)兒的優(yōu)勢(shì)，也同樣沒(méi)有法與 Intel 較量，在 2003 年前，Pentium 4 每次的頻率攀升都給競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手帶來(lái)沉重的打擊。

但是對(duì)手們也不會(huì)坐以待斃：當(dāng)時(shí) AMD 的 K7 架構(gòu)也在發(fā)展。

面對(duì) AMD 效能非常出色的 K7，Intel 不得不繼續(xù)提高 NetBurst 主頻并且加大二級(jí)緩存容量。但是受到當(dāng)時(shí)制作工藝的限制，使得 NetBurst 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高主頻也是極為困難的事情，這意味著 NetBurst 架構(gòu)今后將無(wú)法繼續(xù)憑借主頻優(yōu)勢(shì)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手匹敵。此外，巨大的緩存容量也是一個(gè)負(fù)擔(dān)，這不僅提高了成本，也令發(fā)熱量驟升。在如今看來(lái)，高頻 Pentium 簡(jiǎn)直就是高發(fā)熱量和高功耗的代名詞，甚至 Celeron D 也是滾燙滾燙。

在最后推出的 Prescott 核心的 NetBurst 架構(gòu)奔騰 4 時(shí)，人們已經(jīng)明顯感覺(jué)到此產(chǎn)品是強(qiáng)弩之末，將此核心用于具有劃時(shí)代意義的雙核處理器產(chǎn)品后，其功耗與發(fā)熱更是讓 NetBurst 的名聲雪上加霜。AMD 的 K8 系列以出色的游戲性能和性價(jià)比，已經(jīng)逐漸贏得了越來(lái)越多的用戶，這一切都預(yù)示著 Intel 必需來(lái)一次架構(gòu)上的洗禮。

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5. 多核應(yīng)用而生
但到了 2005 年，當(dāng)主頻接近 4GHz 時(shí)，Intel 和 AMD 發(fā)現(xiàn)，速度也會(huì)遇到自己的極限：那就是單純的主頻提升，已經(jīng)無(wú)法明顯提升系統(tǒng)整體性能。

此外，隨著功率增大，散熱問(wèn)題也越來(lái)越成為一個(gè)無(wú)法逾越的障礙。據(jù)測(cè)算，主頻每增加 1G，功耗將上升 25 瓦，而在芯片功耗超過(guò) 150 瓦后，現(xiàn)有的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)將無(wú)法滿足散熱的需要。3.4GHz 的 Pentium 4 至尊版，晶體管達(dá) 1.78 億個(gè)，最高功耗已達(dá) 135 瓦。實(shí)際上，在 Pentium 4 推出后不久，就在批評(píng)家那里獲得了“電爐”的美稱。更有好事者用它來(lái)玩煎蛋的游戲。

很顯然，當(dāng)晶體管數(shù)量增加導(dǎo)致功耗增長(zhǎng)超過(guò)性能增長(zhǎng)速度后，處理器的可靠性就會(huì)受到致命性的影響。就連戈登摩爾本人似乎也依稀看到了“主頻為王”這條路的盡頭——2005 年 4 月，他曾公開表示，引領(lǐng)半導(dǎo)體市場(chǎng)接近 40 年的“摩爾定律”，在未來(lái) 10 年至 20 年內(nèi)可能失效。

多核心 CPU 解決方案的出現(xiàn)，似乎給人帶來(lái)了新的希望。早在上世紀(jì) 90 年代末，就有眾多業(yè)界人士呼吁用 CMP(單芯片多處理器)技術(shù)來(lái)替代復(fù)雜性較高的單線程 CPU。IBM、惠普、Sun 等高端服務(wù)器廠商，更是相繼推出了多核服務(wù)器 CPU。不過(guò)，由于服務(wù)器價(jià)格高、應(yīng)用面窄，并未引起大眾廣泛的注意。

直到 AMD 搶先手推出 64 位處理器后，Intel 才想起利用“多核”這一武器進(jìn)行“帝國(guó)反擊戰(zhàn)”，戰(zhàn)況的大事記如下：

因此，2006 年被公認(rèn)為“雙核元年”。

“從單核到雙核，再到多核的發(fā)展，可能是摩爾定律問(wèn)世以來(lái)，在芯片發(fā)展歷史上速度最快的性能提升過(guò)程”——Intel 高級(jí)副總裁帕特基辛格(Pat Gelsinger)。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（下）

之四：處理器的三國(guó)時(shí)代：蘋果攪動(dòng) MCU 江湖

之五：處理器的三國(guó)時(shí)代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉(zhuǎn)身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計(jì)：英特爾如何稱霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱霸 PC 處理器市場(chǎng)的“曇花一現(xiàn)”

之八：CPU 兩大陣營(yíng)對(duì)擂，X86 構(gòu)架讓英特爾如日中天

之九：你知道 X86 構(gòu)架，你知道 SH 構(gòu)架嗎？

之十：SuperH 系列處理器：昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”

之十一：MIPS 構(gòu)架：曾經(jīng)是英特爾的“眼中釘”

之十二：MIPS 構(gòu)架之：我和龍芯有個(gè)約會(huì)

之十三：ARM 架構(gòu)：有處理器之處，皆有 ARM

之十四：ARM 和英特爾還有一場(chǎng)“硬仗”要打！

之十五：PowerPC 架構(gòu)：IBM 的一座金礦

之十六：PowerPC 和它的“前輩們”：曾經(jīng)那么風(fēng)華絕代

之十七：PowerPC 和它的“前輩們”：一代更比一代強(qiáng)

之十八：當(dāng) Power 架構(gòu)的發(fā)展之路遭遇“滑鐵盧”

之十九：開啟多核時(shí)代的 Yonah：它是英特爾酷睿 core 的開發(fā)代號(hào)

之二十：除了 Core iX 系列，你未曾注意的架構(gòu)還有這些！

之二十一：處理器廠商的絕密武器之工藝之爭(zhēng)

之二十二：CPU 的主頻、倍頻、超頻，不是頻率越高速度就越快

之二十三：這張漫畫告訴你，為什么雙核 CPU 能打敗四核 CPU？

之二十四：核”與“線程”對(duì) CPU 工作效率的貢獻(xiàn)，各有千秋