款款經(jīng)典！商用處理器發(fā)展里程碑
CPU處理器，是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，直接影響著整個(gè)機(jī)器系統(tǒng)的性能和架構(gòu)，也根本上影響著基于硬件平臺(tái)的軟件生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)今的平板電腦、安卓手機(jī)、iPhone、iPad、甚至是游戲機(jī)、智能設(shè)備等嵌入式系統(tǒng)，無不需要有一顆穩(wěn)定而又高效的中央處理器來支撐?？梢哉f，如果沒有以前一代代處理器的發(fā)展變革，就不會(huì)有當(dāng)今桌面、移動(dòng)等不同市場的處理器發(fā)展。
而作為處理器發(fā)展中最為值得關(guān)注的歷史，當(dāng)屬上個(gè)各種“龐然大物”式的計(jì)算機(jī)的誕生，以及隨后大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)的不斷涌現(xiàn)?；诖耍覀儗⒃诒疚臑榇蠹冶P點(diǎn)并介紹IT發(fā)展史上具有里程碑意義的商用處理器。
在大型機(jī)出現(xiàn)之前，IT業(yè)界已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)百個(gè)服務(wù)器處理器。這些芯片驅(qū)動(dòng)著我們整個(gè)大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，并且推動(dòng)技術(shù)革新并最終促成微處理器的成型。為了讓大家了解這段歷史，我們將為大家介紹不為大多數(shù)人所知的經(jīng)典處理器，以及它們所起的里程碑式的歷史性作用。
一、1941-1959首個(gè)大型機(jī)系統(tǒng)
自從1945年出現(xiàn)首個(gè)現(xiàn)代可編程計(jì)算機(jī)——Konrad Zuse設(shè)計(jì)世界上首個(gè)完備程控功能的圖靈計(jì)算機(jī)Z3，計(jì)算機(jī)芯片就爆發(fā)式涌出。五年之后，出現(xiàn)了ENIAC(如圖所示)，該計(jì)算機(jī)采用了17468個(gè)真空管，7200個(gè)水晶二極管，1500個(gè)中轉(zhuǎn)，70000個(gè)電阻器，10000個(gè)電容器，1500繼電器。
UNIVAC——首個(gè)商業(yè)計(jì)算機(jī)，采用了主頻為2.25MHz的處理器。1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一臺(tái)使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)，取名“催迪克”(TRADIC - Transistorized Airborne Digital Computer)，裝有800個(gè)晶體管。1959年，IBM 7090是早期晶體管計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最有名的機(jī)器，它也被人稱為首個(gè)大型機(jī)。它提供有32K(32768)的尋址空間，在當(dāng)時(shí)的售價(jià)高達(dá)290萬美元，相當(dāng)于現(xiàn)在的2280萬美元。
二、1964-1965：IBM System/360和M65MP
在1964年，IBM發(fā)布了其System/x 系列System/360。直到現(xiàn)在，該系列產(chǎn)品仍能夠支持64位zSeries架構(gòu)(2000年首次露面 )。System系列也包括于1970年推出的System/370和1990年推出的System/390。
System/360的首個(gè)處理器是M65MP(Model 65)。該處理器采用16-32位通用寄存器，支持24位指令集。其最大性能為每秒 750000的加法運(yùn)算。IBM System/370則采用了Model 155和165處理器，該處理器的計(jì)算周期為80-115 nanoseconds(nanosecond 為十億分之一秒，代表執(zhí)行一個(gè)指令所花費(fèi)的時(shí)間。)
370和303x、43xx、308x、3090和937x系列出現(xiàn)重大革新，直到鄰近1988年，其處理速度發(fā)展到了68 nanoseconds，而且hia 包括了32MB的處理器存儲(chǔ)空間。System S/390引入了18種不同的ES/9000處理器——其中八種處理器采用水冷、支持6路多線程和高達(dá)1GB內(nèi)存。該系列處理器發(fā)展到了2000年的zSeries系列?，F(xiàn)在，IBM已經(jīng)可以提供45nm制程工藝的z196旗艦級(jí)大型機(jī)處理器(該處理器擁有14億個(gè)晶體管，主頻高達(dá)5.2GHz)。
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三、1979：摩托羅拉68000
摩托羅拉68000型中央處理器，或稱MC68000，是由美國摩托羅拉公司的半導(dǎo)體部門(現(xiàn)已獨(dú)立成為飛思卡爾公司 (Freescale))出品的一款16/32位CISC(復(fù)雜指令集)微處理器。作為M68K處理器系列的第一個(gè)成員，MC68000于1979年投放市場。由于內(nèi)部使用32位總線和寄存器，它在軟件層(指令集)上基本與隨后的純32位產(chǎn)品保持兼容。
68000首先被應(yīng)用于許多高端產(chǎn)品中，如多用戶微型計(jì)算機(jī)WICAT 150及阿爾法微系統(tǒng)的一些早期計(jì)算機(jī)等。單用戶工作站如惠普公司的HP 9000/200、太陽微系統(tǒng)的Sun-1;圖形終端如DEC的VAXstation 100和Silicon Graphics的IRIS 1000均使用68000。許多Unix系統(tǒng)也開始使用68K系列CPU。
四、1985年：MIPS R2000
MIPS是比較流行的一種RISC處理器。MIPS R2000是全球第一款RISC架構(gòu)的處理器，雖然與英特爾的386處理器和摩托羅拉m68K面向微計(jì)算機(jī)不同，但它也有自己的定位。主要面向高端服務(wù)器，當(dāng)然在一些數(shù)碼設(shè)備和Kendall Square研究中心超級(jí)計(jì)算機(jī)中也有應(yīng)用。隨后在1995年推出的R400成為首個(gè)64位RISC處理器。1992年，SGI收購MIPS公司。
五、1985：ARM1
ARM，近幾年逐漸被更多人所知。曾經(jīng)一度它也是入門服務(wù)器領(lǐng)域最具聲望的公司，不過它的歷史追溯至1985年，而且其處理器還是由VLSI生產(chǎn)。在這之前有一家名為Acorn的公司出售了一個(gè)Acorn RISC Machine的計(jì)算機(jī)。ARM在1990年開始開發(fā)RISC架構(gòu)處理器，其首個(gè)嵌入式ARM6處理器核心在1991年的正式被發(fā)布(基于ARMv3架構(gòu))。
目前的Cortex產(chǎn)品家族基于ARMv7內(nèi)核。早期客戶包括當(dāng)今火熱知名的蘋果都使用了ARM的技術(shù)(Newton Message Pad)。盡管如此，ARM通過授權(quán)生產(chǎn)ARM處理器，但至今并未真正進(jìn)入服務(wù)器領(lǐng)域。在2013或者2014年，我們將有望看到首個(gè)基于ARM架構(gòu)的64位服務(wù)器。
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五、1987：Sun Sparc
1986年，Sun公司推出了首個(gè)Sparc(Scalable Processor ARChitecture，可擴(kuò)展處理器架構(gòu))。但在此之前，也就是1985年，Sun公司就已經(jīng)開發(fā)出了整套指令集架構(gòu)。Sun公司的首個(gè)商用處理器為Sparc v7——32位的RISC架構(gòu)處理器，用來取代摩托羅拉68000系列，在Sun-4工作站上首次得以亮相。這款處理器采用SPARC V7架構(gòu)，采用0.8微米工藝，主頻只有16MHz。
第一款SPARC處理器規(guī)格雖然和現(xiàn)今的處理器無法相提并論，每秒僅可處理1000萬個(gè)指令，但是這比當(dāng)時(shí)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)處理器要快三倍。隨后，SPARC架構(gòu)被完全授予給了Sun，而SUN前幾年被甲骨文收購。近年Sparc處理器為富士通的SPARC64 VIIIfx，它和甲骨文的Sparc T4都被應(yīng)用在Riken超級(jí)計(jì)算機(jī)中。
六、1989：Unisys SCAMP
在1989年，Unisys發(fā)布了Micro A——首個(gè)桌面單片大型機(jī)系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)整合了48位的SCAMP半導(dǎo)體芯片(Single Chip A -series Mainframe Processor)，該芯片具有1000萬個(gè)晶體管，并且以A1型命名首次發(fā)布。隨后在1990年，陸續(xù)發(fā)布了A4和A6。
該設(shè)計(jì)保護(hù)了主CPU——Unisys采用了主頻為16MHz的英特爾386處理器，以及容量為12MB的周邊10個(gè)SRAM芯片。A1也采用了英特爾286協(xié)處理器，而且也是首次專門針對臺(tái)式空間設(shè)計(jì)的高端服務(wù)器系統(tǒng)。在當(dāng)時(shí)，Unisys對A1系統(tǒng)的定價(jià)為25000美元以上。
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七、1990：IBM Power1
1990年，IBM為PowerServer和PowerStation工作站推出了基于RISC(精簡指令集)系統(tǒng)的第一代POWER處理器，為IBM今日在UNIX領(lǐng)域的輝煌奠定了基礎(chǔ)。該處理器的主頻為20MH、25MHz和30MHz。32位的這款Power1也是IBM的首個(gè)RISC處理器。該處理器采用了1000nm制程工藝制造，擁有690萬個(gè)晶體管。
搭載此芯片的火星探路者協(xié)助人類完成一次對宇宙空間的成功探測。POWER1是當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的服務(wù)器處理器，與當(dāng)時(shí)其他的RISC處理器不同，POWER1進(jìn)行了功能劃分，這為這種功能強(qiáng)大的芯片賦予了超量計(jì)算的能力。它還有單獨(dú)的浮點(diǎn)寄存器，可以適應(yīng)從低端到高端的 UNIX 工作站。
最初的 POWER1 芯片實(shí)際上是在一個(gè)主板上的幾個(gè)芯片，后來很快就變成一個(gè) RSC(RISC 單一芯片)。隨后，IBM從1991年的 Power1升級(jí)到了62.5MHz的Power2(1992年)。目前最高版本為5.2GHz的Power7+。
八、1992：DEC Alpha 1
Alpha芯片是一種基于64位的RISC架構(gòu)處理器，它被用來取代Digital Equipment的32位CISC VAX計(jì)算機(jī)。Alpha的首個(gè)處理器主頻為150MHz，其性能可達(dá)150 MFlops和200MIPS。
1993年發(fā)布了第二代的Alpha(Alpha 2)，該處理器主頻為299MHz，性能為400MIPS/200 MFlops。該處理器在當(dāng)時(shí)非常有名，但價(jià)格也十分高昂。后來，DEC被康柏電腦公司收購，2001年康柏又被惠普收購。這其實(shí)對于英特爾來說面臨著不少困難。因?yàn)橛⑻貭栃枰狝lpha的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利，從而為其安騰處理器的開發(fā)提供更多幫助。2001年的時(shí)候，英特爾從惠普手中 購買了與此相關(guān)的所有專利——這就無形中為惠普脫離開發(fā)周期長、成本高而且客戶又少的領(lǐng)域提供了出口，但英特爾從此又多了一個(gè)安騰平臺(tái)。
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九、1995：英特爾Pentium Pro
1989年，英特爾在RISC處理器服務(wù)器市場上并未獲得預(yù)期成果。i860/960一路慘敗。然而，Pentium Pro x86處理器卻獲得巨大成功，可以說是英特爾服務(wù)器處理器發(fā)展史的一個(gè)突破口。
英特爾通過該處理器，進(jìn)入了當(dāng)時(shí)堪稱處理器數(shù)量最多的超級(jí)計(jì)算機(jī)ASCI Red系統(tǒng)，并聲稱能搭配世界紀(jì)錄實(shí)現(xiàn)。9298個(gè)主頻為200MHz的Pentium Pro處理器，能幫助該超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)1TFlop(1萬億次計(jì)算)的計(jì)算性能。
該處理器是英特爾第六代x86處理器，也被稱為P6或者i686。當(dāng)時(shí)，英特爾還原本打算利用Pentium Pro來取代 Pentium/Pentium MMX，但因?yàn)閷Ｗ⒂诜?wù)器和工作站領(lǐng)域而擱置了該計(jì)劃。
Pentium Pro處理器采用了500nm和350兩種制程工藝制造，擁有550萬個(gè)晶體管(常規(guī)的Pentium MMX僅有450萬個(gè)晶體管)，主頻為200MHz，并在1998年最終退出市場。
十、1998：Pentium II Xeon/Xeon
Pentium Pro最終被Pentium II Xeon取代。相比前代和Pentium系列產(chǎn)品，Pentium II Xeon最大的改進(jìn)在于其二級(jí)高速緩存。Pentium II提供512KB，而Xeon最大可達(dá)2MB。
Pentium II Xeon是英特爾公司細(xì)分市場的重要步驟，Xeon系列處理器主要設(shè)計(jì)運(yùn)行商業(yè)軟件、Web服務(wù)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)歸類、數(shù)據(jù)庫、自動(dòng)化設(shè)計(jì)等。它不僅改變了服務(wù)器市場，也改變了工作站市場。借助Pentium II Xeon，可以使用工作站進(jìn)行汽車、房屋、橋梁等設(shè)計(jì)工作，也可以幫助人們進(jìn)行CAD、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫設(shè)計(jì)、3d游戲開發(fā)和數(shù)據(jù)庫管理。
Pentium II Xeon集成有750萬個(gè)晶體管，它采用了Slot 2插槽技術(shù)，被安裝一個(gè)金屬外殼中，然后通過邊緣連接觸點(diǎn)插在主板上，類似于常見的PCI或ISA擴(kuò)展卡插槽。每個(gè)Slot 2處理器使用330個(gè)連接觸點(diǎn)，相比每個(gè)Slot 1 CPU使用242個(gè)連接觸點(diǎn)，封裝Pentium II Xeon的金屬外殼會(huì)比Slot 1所用的略大。
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十一、2001：英特爾Itanium
自從甲骨文和惠普發(fā)生就安騰提交法院進(jìn)行訴訟以來，可以說安騰是迄今為止最受爭議的處理器。Itanium處理器代號(hào)為Merced，是英特爾第一款專門應(yīng)用在高端企業(yè)級(jí)64位技術(shù)環(huán)境中的產(chǎn)品(Intel Architecture 64，簡稱IA-64架構(gòu))。這是為頂級(jí)、企業(yè)級(jí)服務(wù)器及工作站設(shè)計(jì)的，體現(xiàn)了一種全新的設(shè)計(jì)思想，完全是基于平行并發(fā)計(jì)算而設(shè)計(jì)(EPIC) 。
在2001年推出的安騰處理器，其主頻為733MHz起跳，最高800MHz。在2002年，英特爾發(fā)布了Itanium 2，在2010年發(fā)布Itanium 9300，并且有望在今年年底推出Poulson安騰處理器(包含31億個(gè)晶體管，32nm制程)。安騰處理器可以應(yīng)用在高性能計(jì)算(包括電子交易安全處理、超大型數(shù)據(jù)庫、電腦輔助機(jī)械引擎、尖端科學(xué)運(yùn)算等)等應(yīng)用領(lǐng)域。
十二、一路坎坷的AMD皓龍
經(jīng)過幾年的努力，AMD在2003年推出了其處理器核心Sledgehammer(K8)。作為服務(wù)器的變種Opteron(皓龍)，該架構(gòu)在2003年首次亮相。它也是AMD首個(gè)64位處理器。2005年，AMD對該雙核皓龍?zhí)幚砥鬟M(jìn)行升級(jí)，并在2007年推出了四核的K10 Barcelona皓龍?zhí)幚砥?。目前皓龍?zhí)幚砥骰谕仆翙C(jī)(Bulldozer)架構(gòu)核心。
在2005至2006年的時(shí)候，AMD的皓龍?zhí)幚砥飨盗羞€能與英特爾相抗衡。在當(dāng)時(shí)，AMD的處理器以高性能、低能耗的優(yōu)勢而對英特爾的Netburst架構(gòu)造成巨大威脅。并曾經(jīng)一度從英特爾x86至強(qiáng)服務(wù)器市場上獲得更多市場份額。
但從皓龍Barcelona開始，由于出現(xiàn)了一個(gè)致命性的TLB bug，使得AMD處理器市場份額出現(xiàn)嚴(yán)重下滑。而如今，AMD旗艦產(chǎn)品 ——十六核心、基于32nm Interlagos內(nèi)核的皓龍?zhí)幚砥鳎蓪?shí)現(xiàn)從1.6GHz起跳，最高支持到2.6GHz。但就主頻來說，也就是比2003年推出的單核主頻略高一些而已(1.4GH-2.4GHz) 。
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十三、Xeon LV映射至強(qiáng)發(fā)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)
隨著Netburst架構(gòu)的淘汰，英特爾開始從根本上改變以前一味提高主頻實(shí)現(xiàn)更高性能的做法。體現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的首個(gè)處理器為 Xeon LV，該處理器基于65nm的Sossaman——與同是65nm的Pentium M Yonah極為接近。但是，它是一款32位的處理器而且只針對服務(wù)器應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
2006年，英特爾迎來了64位、采用65nm制程工藝的處理器，并通過雙核至強(qiáng)(基于Woodcrest核心)在2006年成功擊敗AMD的皓龍?zhí)幚砥鳌?007年，英特爾推出基于Clovertown 的四核至強(qiáng)處理器。整體而言，這種策略一直延續(xù)至今基于Sandy Bridge架構(gòu)的至強(qiáng)處理器。
十四、英特爾Atom：命運(yùn)發(fā)生扭轉(zhuǎn)
Atom(凌動(dòng))最早是在2008年由英特爾公司推出。該處理器主要面向的是移動(dòng)設(shè)備和入門級(jí)臺(tái)式機(jī)——而并非服務(wù)器。要知道，該處理器非常廉價(jià)(每個(gè)6美元)，而且還不失高性能，能滿足大批量、快速業(yè)務(wù)處理的要求。
Atom確定了巨大成功，但在2010年由于上網(wǎng)本市場需求出現(xiàn)了萎縮，使得英特爾需要為該處理器開拓新的市場。自然而然地，在最新的32nm Cedarview平臺(tái)上，Atom順利進(jìn)入微服務(wù)器市場。
那么，未來處理器將走向何方呢?毋庸置疑，下一代的處理器勢必會(huì)比上一代的處理器性能更強(qiáng)、能耗更低。從超級(jí)計(jì)算機(jī)到主流的服務(wù)器市場，未來的處理器仍將以主流的至強(qiáng)處理器以及協(xié)處理器為主，并通過工藝的改進(jìn)、架構(gòu)的提升來實(shí)現(xiàn)更 高性能、更低能耗。
然而在另一方面，我們也要看到諸如Clearspeed等技術(shù)先鋒。該公司目前可以提供96內(nèi)核的CSX700處理器。Clearspeed這家公司在2003和2004年，就已經(jīng)發(fā)布過用于桌面PC的協(xié)處理器芯片。這種芯片可以應(yīng)用在生物科學(xué)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)模擬分段等傳統(tǒng)工作站領(lǐng)域，用于提升浮點(diǎn)處理性能。
另外涌現(xiàn)出的趨勢是，基于GPU的Nvidia Tesla在超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域也在發(fā)揮越來越大的作用。而在今年，我們還看到英特爾通過至強(qiáng)融核(Xeon Phi)協(xié)處理器，來進(jìn)一步拓寬該市場。
