處理器史話 | 英特爾和AMD在“核戰(zhàn)場”上的殊死搏斗

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在 PC 界，有這樣一只威力無窮的“蝴蝶”，只要它輕輕扇動一下翅膀，便可能在全球范圍內引發(fā)一次芯片組、內存與顯示設備的“海嘯”，從而影響產業(yè)鏈的發(fā)展進程。
沒錯，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注的。因為它的技術進步，直接牽動著 PC 甚至是整個業(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?？v觀處理器的發(fā)展進程，雖然經過了很多個階段，但是可以將其劃分為兩個較明顯的時代：單核時代和多核時代。

從上世紀 70 年代開始到 2005 年，在 30 多年的時間里，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品，從而拉開了多核處理器時代的帷幕。

4.1 單核與多核的發(fā)展
1. 單核時代：天下英雄誰主宰——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尺。

在“MHz”的時代，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 CPU 的頻率進入了“GHz”時代后，頻率對其綜合性能的影響力開始減弱。這個結論，來自于近些年來對 CPU 產品綜合性能的比拼，例如：AMD 的低頻產品同樣可以擁有其標稱值性能，Intel 用于迅馳平臺的低頻移動處理器也能夠輕松擊敗其自家的高頻產品。

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

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時間回到 20 世紀的 90 年代，PC 在發(fā)達國家的發(fā)展速度相當快，Intel 無疑是看到了蘊含其中的無限商機，所以 Intel 決定在其推出的 80586 產品上與 AMD 分道揚鑣，為 80586 注冊了 Pentium 商標，從此，“奔騰”就作為品牌推廣到全球的每一個角落。

1993 年 3 月 22 日發(fā)布的 80586（Pentium），第一代產品，正是它讓 Intel 也無法預測到的影響全球 IT 產業(yè)的奔騰時代就這樣誕生了。第一代 Pentium 的推出取得了空前的成功，Intel 更加堅定了要讓自己走上一條獨立發(fā)展的處理器道路。事實上不只是桌面領域，服務器、工作站領域也都以此作為指導思想，奔騰的品牌威力已經滲透到了各個領域。

Pentium 的問世，使 Intel 幾乎長期占據(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。

其實奔騰的發(fā)展道路并非一帆風順，Intel 為了徹底擺脫 AMD 和 Cyrix 的糾纏，不僅僅是產品命名上的擺脫，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 年應運而生。從技術上來看，Pentium Pro 在當時絕對稱得上是一款“恐怖級”的產品，有數(shù)據(jù)為證：

• 非常先進 80 位浮點單元、分支預測等功能；
• 實現(xiàn)了 32 位內存尋址；
• 史無前例地在芯片內封裝了 256KB 的二級緩存芯片（兩個芯片之間用高頻寬的內部通訊總線互連，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)的性能在當時讓很多人大吃一驚，但是冷靜之后，從市場角度來看，Pentium Pro 又顯得十分失敗：
當時 32 位應用并非是主流，甚至在 16 位應用程序中，Pentium Pro 無法表現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢。過于超前的 Pentium Pro 還因為成本高昂而付出慘重代價，更因為延誤了新產品開發(fā)而給 AMD 和 Cyrix 帶來極為重要的喘息機會。

同時代的 Pentium Pro、AMD 和 Cyrix 的對比表

但是，Pentium Pro 的失誤并沒有阻礙奔騰的前進勢頭，真正讓奔騰在世人面前“發(fā)揚光大”的應該當數(shù) Pentium MMX（多能奔騰）處理器，如今無數(shù)高手都是從當年的 MMX 時代起步，也正是 Intel 處理器在國內大規(guī)模普及的關鍵年。

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MMX 是 Intel 公司在 1996 年為增強 Pentium CPU 在音像、圖形和通信應用方面而采取的新技術，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 芯片內的 L1 緩存由原來的 16KB 增加到 32KB（16K 指命+16K 數(shù)據(jù)）。

當時 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用，MMX 指令集顯然很好地抓住了這一機遇。在應用軟件專門為 MMX 優(yōu)化之后，執(zhí)行效率提升幅度相當明顯，有例為證：最典型的例子莫過于當時的 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 也能達到流暢的速度。

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

2. Pentium II 時代的較量
當技術與市場各方面成熟后，Pentium 品牌產品水到渠成地發(fā)展到了第二代的階段。1997 年，為了進一步打擊競爭對手，Intel 在 Pentium II 上更是大膽地使用了更多創(chuàng)新的設計，Pentium II 可以說是集 Pentimu Pro 的精華與 MMX 技術完美結合之典范。通過工藝的更新，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 萬個晶體管。而且 Pentium II 在提供出色 32 位性能的基礎上也具備了出色的 16 位性能，將整個 CPU 業(yè)界完全帶入 32 位時代。

第一代 Pentium II 運行在 66MHz 總線上，第二代產品的系統(tǒng)總線為 100MHz。Pentium II 采用了半速的 512K 二級 Cache，L1Cache 為 32K，并首次采用最新的 Solt1 專利接口標準，將競爭對手 AMD 和 Cyrix 檔在了專利大門之外。

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

從技術與市場角度來看，Pentium II 無疑是成功的，然而這卻透支了 Intel 的未來市場空間，好在 Intel 很快認識到這一點，最終還是正視市場需求，推出了人們再也熟悉不過的 Celeron（賽揚）產品，不過第一代二級緩存的 Celeron 處理器的整數(shù)性能差強人意。即便如此，在中國市場上，中低端市場才是消費大軍的主力戰(zhàn)場，對于用戶來說，既然不能擁高端的“奔騰芯”，那么退而求其次也是可以的。

經過第一代初期的陣痛后，在接下來的第二代賽揚中，Intel 做到了力挽狂瀾，當時 128KB 二級緩存 Celeron A 讓 AMD 的中低端霸主之夢破滅，其較好的超頻性能甚至威脅到了 PentiumII 的地位。

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3. 經典的 PentiumIII 和 GHz 時代
自從 PentiumII 時代起，Intel 走上奔騰主攻中高端、賽揚系列處理器主攻中低端的市場策略后，奔騰的形象理論上再次提升了一級，因為它是作為高端 PC 的標志。奔騰+賽揚的高低端組合讓 Intel 嘗到了甜頭，時隔兩年，1999 年 Intel 再次發(fā)布奔騰第三代處理器，這就是經典的 PentiumIII 了。

PentiumIII 處理器實物圖片

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與市場上都受到非議，隨后 Intel 再次回歸到 Socket 接口平臺，與后期的 Tualatin Celeron 一起打造了至今還被眾多 DIY 玩家津津樂道的 PentiumIII 王朝。

然而這個時期值得關注的是，PentiumIII 的輝煌并非是建立在 AMD 弱勢之上，相反，AMD 在此階段同樣有了長足的進步。Thunderbird? (雷鳥)系列就是在當時打下了堅實的基礎，對扭轉 AMD 性能形象有了非常大的幫助。甚至在一場搶占 GHz 主頻大關的頻率大戰(zhàn)中，AMD 率先讓雷鳥處理器實現(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)熱量巨大得問題卻一直令人“恐慌”--- 溫度實在太高，如果沒有強勁的散熱風扇“護航”的話，5 秒鐘內就得和馬克思握手了。

客觀地說 PentiumIII 應該還能走到更為輝煌的境界，但是由于產品線更換問題，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，它的壽命可以說是奔騰時代中最短的一員。

4. 金字招牌——Pentium 4
Pentium 4 是 Pentium 系列中最受爭議的產品，但它卻是奔騰時代中歷史最長的。在長達 6 年多的時間里，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順，第一代 Willamette 核心就飽受批評。對于全新的 NetBurst 結構而言，發(fā)揮強大的性能需要更高的主頻以及強大的緩存結構，而這些都是 Willamette 核心所不具備的。256KB 二級緩存顯然不足，此時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 架構的高頻率產品的綜合性能還是實實在在的，加上 Intel 強大的上游廠商操控能力，AMD 即使在產品上同樣出色甚至某些同價格段產品占有更大一點兒的優(yōu)勢，也同樣沒有法與 Intel 較量，在 2003 年前，Pentium 4 每次的頻率攀升都給競爭對手帶來沉重的打擊。

但是對手們也不會坐以待斃：當時 AMD 的 K7 架構也在發(fā)展。

面對 AMD 效能非常出色的 K7，Intel 不得不繼續(xù)提高 NetBurst 主頻并且加大二級緩存容量。但是受到當時制作工藝的限制，使得 NetBurst 架構實現(xiàn)高主頻也是極為困難的事情，這意味著 NetBurst 架構今后將無法繼續(xù)憑借主頻優(yōu)勢與競爭對手匹敵。此外，巨大的緩存容量也是一個負擔，這不僅提高了成本，也令發(fā)熱量驟升。在如今看來，高頻 Pentium 簡直就是高發(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 架構奔騰 4 時，人們已經明顯感覺到此產品是強弩之末，將此核心用于具有劃時代意義的雙核處理器產品后，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比，已經逐漸贏得了越來越多的用戶，這一切都預示著 Intel 必需來一次架構上的洗禮。

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

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

很顯然，當晶體管數(shù)量增加導致功耗增長超過性能增長速度后，處理器的可靠性就會受到致命性的影響。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，引領半導體市場接近 40 年的“摩爾定律”，在未來 10 年至 20 年內可能失效。

多核心 CPU 解決方案的出現(xiàn)，似乎給人帶來了新的希望。早在上世紀 90 年代末，就有眾多業(yè)界人士呼吁用 CMP(單芯片多處理器)技術來替代復雜性較高的單線程 CPU。IBM、惠普、Sun 等高端服務器廠商，更是相繼推出了多核服務器 CPU。不過，由于服務器價格高、應用面窄，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”這一武器進行“帝國反擊戰(zhàn)”，戰(zhàn)況的大事記如下：

因此，2006 年被公認為“雙核元年”。

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

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系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（下）

之四：處理器的三國時代：蘋果攪動 MCU 江湖

之五：處理器的三國時代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計：英特爾如何稱霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱霸 PC 處理器市場的“曇花一現(xiàn)”

之八：CPU 兩大陣營對擂，X86 構架讓英特爾如日中天

之九：你知道 X86 構架，你知道 SH 構架嗎？

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

之十一：MIPS 構架：曾經是英特爾的“眼中釘”

之十二：MIPS 構架之：我和龍芯有個約會

之十三：ARM 架構：有處理器之處，皆有 ARM

之十四：ARM 和英特爾還有一場“硬仗”要打！

之十五：PowerPC 架構：IBM 的一座金礦

之十六：PowerPC 和它的“前輩們”：曾經那么風華絕代

之十七：PowerPC 和它的“前輩們”：一代更比一代強

之十八：當 Power 架構的發(fā)展之路遭遇“滑鐵盧”

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

之二十：除了 Core iX 系列，你未曾注意的架構還有這些！

之二十一：處理器廠商的絕密武器之工藝之爭

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 CPU 工作效率的貢獻，各有千秋