奔腾的力量——CPU发展简史

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1．速度挂帅，万变不离其宗
CPU又叫中央处理器，是英文单词Central Processing Unit的缩写，其内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：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。本文后面会提到许多比较艰生的理论知识，虽然我会努力把他们讲得生动浅显，但我确实没有办法让它象《还珠格格》那样有趣，不过你一定要把握住所有这些技术都是围绕突破速度极限而设立的，这是个万变不离其宗的道理。顺着这条路思索下去，你一定马上会问提高速度到底都有哪些方法呢？其实说起来很简单，科学家想到的地方，我们要留心也一定能发现得了。不外乎下面几种情况：优化指令集、提高处理器每个工作单元的效率、配置更多的工作单元或新的运行方式来增加并行处理能力、缩短运行的时钟周期以及增加字长等等。
2．论资排辈，字长最好说话
八位微处理器的典型产品为Intel公司的8080处理器、8086处理器、Motorola公司MC6800微处理器和Zilog公司Z80微处理器。
十六位微处理器的典型产品是Intel公司的8086和80286微处理器。如果说8080处理器还不为各位所熟知的话，那么80286则可以说是家喻户晓了，个人电脑――PC机的第一代CPU便是从它开始的。
三十二位微处理器的代表产品是Intel公司1985年推出的80386，这是一种全三十二位微处理器芯片。1989年Intel公司又推出准三十二位处理器芯片80386SX。它的内部数据总线为三十二位，与80386相同，外部数据总线为十六位。也就是说，80386SX的内部处理速度与80386接近，也支持真正的多任务操作，而它又可以接受为80286开发输入/输出接口芯片。80386SX的性能优于80286，而价格只是80386的三分之一。386处理器没有内置协处理器，因此不能执行浮点运算指令，如果您需要进行浮点运算时，必须额外购买昂贵的80387协处理器芯片。
八十年代末九十年代初，486处理器面市，粗略的说486就是集成了浮点运算单元和8KB高速缓存（说是高速但比现在一般内存的速度也有相当差距）的386。早期的486分为有协处理器的486DX和无协处理器的486SX两种，其价格也相差许多。随着芯片技术的不断发展，CPU的频率越来越快，而PC机外部设备受工艺限制，能够承受的工作频率有限，这就阻碍了CPU主频的进一步提高。在这种情况下，出现了CPU倍频技术，该技术使CPU内部工作频率为处理器外频的2－3倍，486DX2、486DX4的名字便是由此而来。

（二）悄然而至的转折点

九十年代中期，全面超越486的新一代586处理器问世，为了摆脱486时代处理器名称混乱的困扰，最大的CPU制造商Intel公司把自己的新一代产品命名为Pentium（奔腾）以示区别。而AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86处理器。接下来Intel又为冲击服务器市场和争取多媒体制高点相继发布了Pentium Pro 和Pentium MMX。这么多处理器的发布使这一段并不算长的时期充满了戏剧性，技术和市场层面的两层变化交汇在一起，终究构成了山雨欲来风满楼的态势。或许这就是我们所说的转折点吧？
1．技术变迁，RISC取代CISC
在现在来看第五代的微处理器的问世，应该算得上是PC个人电脑发展史上里程碑式的事件。然而这并非是因为它的速度较之以前有了本质的变化，主要原因是，从这里开始传统的X86指令集的CPU开始由CISC复杂指令集设计，转而开始采用部分RISC（简单指令系统计算机）技术。虽然从外观上这些CPU的指令依然复杂而且长度也参差不齐，但实际其内部的微指令已经是整齐化一的简单指令了。而由此也产生了两项全新的技术，超标量和流水线结构。接下来，我们简单介绍下他们的情况。
（1）复杂指令集
随着VLSI技术的发展，计算机的硬件成本不断下降，与此同时，软件成本却越来越高，这使得人们开始热衷于在指令系统中增加更多的指令以及让每条指令完成更复杂的工作，来提高操作系统的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，以便于高级语言的编译和降低软件成本。另外，为了做到程序兼容，同一系列计算机的新机器和高档机的指令系统只能扩充而不能减去任意一条，也促使指令系统愈加复杂。于是我们就把这些计算机称为CISC（复杂指令系统计算机）。
（2）简单指令集
在发现了上述弊病以后，科学家们开始寻求解决办法。1975年IBM公司开始研究指令系统的合理性问题。其结果发现，CISC电脑中，各种指令的使用频率相差悬殊，最常使用的一些比较简单的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。于是着眼于减少指令的执行周期数，简化指令使计算机结构更加合理并提高运行速度的RISC电脑开始出现。

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（三）三分天下之序幕

虽然Intel已经接连出错，但其市场基础扎实，资金雄厚。短时间内竟不显败象，实在令人佩服，就在这时Intel又要做决定了。我们的故事应该从这里正是开始……
1．万事皆由Intel起，PII拱手让市场
1997年对于所有Wintel体系的兼容CPU生产厂家而言，可算是悲喜交加的一年了。在这一年里的大部分时间里，Intel不但凭借其Pentium MMX（P55C）系列CPU仗剑天下，打得AMD K6和Cyrix M II等芯片毫无还手之力，更有取得专利保护的Slot 1主板的推出。反观，其他的PC系统CPU生产厂家，由于不能继续在CPU接口上同Intel保持兼容，他们被逼上了绝境，前途一片暗淡。就在业界一致认为Intel行将一统江湖之时，Intel却做出了一个令人十分吃惊的决定：退出Socket 7市场，为PC系统开发100MHz的新架构。为什么Intel会在Slot 1市场还未完全成熟，而Socket 7又正当壮年之时宣布退出呢？
原来，它也有其难言之隐。首先，从386以来，AMD和Cyrix便一直跟跑在后，哪一次技术革新不是Intel出钱出力，最后又让他们来兼容，争夺市场。与其这样不如干脆给他来个连根拔起，断了你兼容的念头。再者说，业界在66MHz的外频下已经停留了很长时间，Socket 7架构已经发展得十分成熟，如果从这里来提升系统外频，不但对新技术的运用有一定限制，而且其利润也不如新东西来得高。所以权衡再三，Intel终于做出了这个现在看来几乎不可思议的决定。由此一场波澜壮阔的"芯"际大战便拉开了序幕。
2．闪电出击，AMD终成大器
AMD这个名字，大家一定再熟悉不过了。打从知道他的那天起，在我印象里他就是篮球队里的最佳第六人，绿荫场上的超级替补。Intel刚宣布退出Socket 7市场，AMD就敏锐地抓住了这一百年不遇的良机，坚定的在 Socket 7架构上推出高频K6。并率先发难，带头提出了Super 7架构，大有要和Intel分庭抗礼之势。于是本来最早由Intel提出的100MHz外频概念，成了AMD反击Intel的主要武器。各大系统芯片开发商也鼎力相助，VIA的MVP3、SIS的5591、ALI的Aladdin Ⅴ等系统芯片组也如雨后春笋一般冒了出来，由于众志成城，开发措施得力，100MHz外频在Super 7架构上比Slot 1的440 BX芯片组早进入市场。且其综合性能比在66MHz下要高出6.8%~15%左右（这主要归功于100MHz主频对前置总线的2级缓存的影响），反观Slot 1架构却只有2%~5%的提升。100MHz外频这柄双刃剑终于砍伤了Intel自己。而AMD也因此声名大震。
3．避而不战，Cyrix的衰落
讲到这里不能不提一下作为CPU三大厂商之一的Cyrix。由于他一直把Intel估计得过于强大，从不犯错。所以，面对Intel的步步紧逼，他几乎不愿和Intel做任何正面交锋，甚至放缓了针对主流CPU市场的6x86MX系列CPU的开发，转而致力于研发多功能合一的Media GX系列处理器。以至在97年底前后的风波中显得措手不及，毫无应变能力。随着AMD市场份额的扩大，而缩小了自己的市场。从486中最cool的"芯"，有些高烧的6x86，再到Media GX，Cyrix一步步衰落了。


（3）流水线
介绍流水线结构打个比方最容易。请大家设想一下工厂里产品装配线的情况，在我们想要提高它的运行速度的时候，是怎么做的呢？答对了。把复杂的装配过程分解成一个一个简单的工序，让每个装配工人只专门从事其中的一个细节，这样每个人的办事效率都会得到很大的提高，从而使整个产品装配的速度加快。这就是流水线的核心思想。
（4）超标量技术
如果说，流水线是依靠提高每个"操作工人"的效率来达到促进整体的结果的话，那超标量就纯粹是在增加"工人"的数量了。它通过重复设置大量的处理单元，并按一定方式连接起来，在统一的控制部件控制下，对各自分配的不同任务并行的来完成不同操作。由此近年来电脑微处理器发展的基石总算奠定了下来，接下来考虑的就是如何提高流水线的使用效率和研发更先进的并行技术了。
2．一招出错，Intel尽失先机
或许现在很多人都认为Intel逐渐失去绝对的垄断地位是从AMD发布K6处理器开始的，但在我看来事实并非如此。就像我文章一开始就提到的那样，高手间的过招，不但要打败对手，同时更需要战胜自己。就在Intel主流桌面市场全面告捷的同时，它已经开始了第一次冲击高端工作站和服务器市场的尝试。Pentium Pro（简称P6）正是应此要求出现的，它一经问世，就获得了满堂喝彩。我们需要给予肯定的是P6的内核确实十分先进，就是现在的Pentium III的核心也继承了它的血脉。当然超能奔腾给我们留下最深印象的还是它一体双腔的设计方案，这是款X86处理器发展史上第一次把大容量L2缓存集成到CPU上和核心放置非常接近的产品，但以当时的工艺制造水平根本没有办法解决热量的问题。这款穷尽Intel心血的处理器最终没能进入主流市场，不但消耗了大量资金，更要命的是用去整整研发一代CPU所需要的时间，这才让后来的AMD K6有机可乘。
如果说上面的论述我还有几分自信能引起一些读者赞同的话，下面的想法则完全属于个人奇谈怪论。我认为Intel另一个不大不小的失误就出在风靡一时MMX指令上。MMX技术实质上是"单指令流、多数据流"数据处理方式（SIMD）的一项具体应用。它允许CPU同时对2、4甚至8个整数数据进行并行处理，而丝毫不影响系统的速度。在Pentium MMX结构的CPU中，增加若干64位的寄存器来完成上述使命。其最初目的是用于提高CPU对3D数据的处理能力，但实质上3D技术更需要的是浮点运算。随后出现的3DNow！、SSE和用于苹果电脑的AltiVec指令系统很快便让其走入了历史。

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（四）新兴的力量
   正当人们津津乐道于Intel与AMD无休止的争斗时，在遥远的东方一个伟大的时刻正在到来。韬光养晦数载，那个曾经让国人振奋的“中国龙芯”，一刻也没有放慢追赶的脚步，尽管游离于聚光灯之外，但承载民族梦想的Loongson一步一步扎实的前行，耐心的等待一飞冲天的辉煌时刻。
2001年5月，在中科院计算所知识创新工程的支持下，龙芯课题组正式成立。
　　2001年8月19日，龙芯1号设计与验证系统成功启动linux操作系统，10月10日通过由中国科学院组织的鉴定。
　　2002年8月10日，首片龙芯1号龙芯XIA50流片成功。
　　2002年9月22日龙芯1号通过由中国科学院组织的鉴定，9月28日举行龙芯1号发布会。人大常委会副委员长路甬祥、全国政协副主席周光召参加了龙芯1号发布会。
　　2003年10月17日，龙芯2号首片MZD110流片成功。
　　2004年9月28日，经过多次改进后的龙芯2C芯片DXP100流片成功。
　　2004年11月，国务院总理温家宝视察中科院计算所听取龙芯研发情况汇报。
　　2005年2月，国家主席胡锦涛等党和国家领导人在参观中科院建院55周年展览时参观了龙芯处理器展览。
　　2005年1月31日举行了由中国科学院组织的龙芯2号鉴定会，2005年4月18日在人民大会堂召开了由科技部、中科院和信息产业部联合举办的龙芯2号发布会，人大常委会副委员长顾秀莲参加了龙芯2号发布会。
2006年3月18日，龙芯2e增强型处理器CZ70流片成功。
2007年5月，龙芯2f处理器流片成功。
目前龙芯2号”已经成功打入民用市场，小体积、低功耗、低价格的“龙芯盒子”、龙芯万亿次低功耗低成本超级计算机以及千元龙芯笔记本，在国产芯片产业化道路上迈出了可喜的一步，而正在研制的“龙芯3号”，将具备多核特点，并兼容Windows操作系统，市场前景更加广阔。

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4月15日，“龙芯”的主要供应商——中科龙梦科技有限公司将发布全新的福珑2F迷你电脑，它采用64位龙芯2F处理器，主频1GHz，内置512MB内存和80GB Ultra ATA硬盘，市场指导价为1800元。相比联想于去年8月推出的1499元农村电脑（AMD LX800处理器/256MB内存/2G CF卡硬盘），福珑2F在性价比上具有一定优势，但普及度不高的Linux操作系统和薄弱的售后服务实力，又让我们对龙芯的未来充满了疑虑
　　应该看到，目前的龙芯仍然处在脆弱的哺乳期，无法脱离母亲的庇护。虽说在技术创新和市场化方面已初见成效，但要想在蓝/绿阵营的注视下分得一杯羹谈何容易，正如Linux始终无法打破Windows的垄断一样，“龙行天下”不可能一帆风顺，甚至随时有搁浅的危险。
　　面对种种担忧，今年两会期间，十一届全国人大代表、江苏梦兰集团董事长钱月宝表示，龙芯产业化进程已经处在一个十分关键的阶段，破壳在即，并建议国家启动“百万台龙芯示范应用工程”和扶持“龙芯产业园”建设。作为关系到国际竞争力的芯片产业，国家的大力扶持就是龙芯不断前进的动力，例如，在“够用”原则下，在基础教育和农村信息化建设中，国家倡导优先采购龙芯电脑；在职业教育领域，增加龙芯处理器和Linux操作系统等自主技术的内容比重，提升知识普及率。2002年，“龙芯1号”的研制成功宣告了中国信息产业“无芯”时代的结束，今天，“龙芯2号”已经成功打入民用市场，小体积、低功耗、低价格的“龙芯盒子”以及千元龙芯笔记本，在国产芯片产业化道路上迈出了可喜的一步，而正在研制的“龙芯3号”，将具备多核特点，并兼容Windows操作系统，市场前景更加广阔。
21世纪的第一个年头，CPU历史性地进入到1GHz时代，并由此开始了速度之争，而此时龙芯项目尚未正式启动。到了2006年，龙芯2E已经突破了这一数量级，实测性能超过1.5GHz的奔4水平，从零开始，我们落后领跑者六年时间，却在用不懈的努力一次次突破着摩尔定律，将这一差距无限缩短，五年时间里走过了国外企业十几年走过的路。中国有句老话：光脚的不怕穿鞋的，幸运的是，我们可以充分借鉴行业经验，尽量少走弯路。例如，曾与Intel、AMD分庭抗礼的Cyrix，由于没有自己的晶片加工厂，成本高，研发周期长，最终难逃失败的命运，因此龙芯的研发与生产不能脱节，要兼顾技术与市场；而当CPU的频率提升成为巨大瓶颈时，多核处理器便应运而生，这一关键性的行业转型也带给龙芯团队不小的启发，或许“二龙戏珠”的双核龙芯已经距离我们不远了。　　龙芯的产销，作为中国计算机核心技术产业链的最重要一环，仅仅依靠政府的支持是远远不够的，需要更多有实力的企业参与进来，才能实现更快更好的发展。2007年初，世界著名半导体公司意法半导体购买了龙芯2E/2F的生产和销售授权，成为中国高端芯片领域里的第一大单；国内外很多公司也相继推出了基于龙芯平台的廉价PC，一般不包含显示器等外设，主要针对4~6级乡镇市场，与近年来不断出现的农村电脑和当年红遍大江南北的“小霸王学习机”相类似，以“龙芯盒子”为代表的千元PC将更多地作为学习机，为普及电脑知识和网络知识做出重要贡献。而随着龙芯在性能、兼容性和扩展性上的不断加强，以及政府、企业和用户的全方位支持，“中国龙芯”将逐渐打破行业局限，为更多的人所接受，在我国信息化轨道上扮演越来越重要的角色。