CPU架构十年

2000年到2010年，Intel与AMD共推出了5种不同的架构，但考虑到AMD的K7架构的发布时间已经非常接近2000年，所以我们也将本不属于这一时间范围内的架构吸纳了进来。作为曾经的经典一代，我想也十分有必要将这一代架构列入我们回顾的列表中。好吧，接下来我们就按照时间的先后顺序开始本次的10年跨越式回顾。首先来看的是这11年间（K7在99年）两家芯片厂商都发布了哪些架构。Intel与AMD产品架构更新时间图（图片截取自CPU-World）上图是笔者在查阅资料时，从国外的CPU-World网站中截取的一段处理器架构更替时间表。笔者本打算自己做一个类似的表格，怎奈手懒便截取了外站的现成图。在此感谢CPU-World的编辑为我们提供了详细的信息。从图中可以了解到。从99年之后开始算起，Intel与AMD先后发布了K7，NetBurst，K8，Core，K10，和Nehalem等六个架构。这六个不同的架构便是本文的六位主角。我们首先从诞生最早的K7架构开始谈起。早期SlotA接口核心K7架构Athlon处理器1999年6月23日，AMD对外发布了K7架构处理器，并首次启用了Athlon（速龙）这一具有历史性意义的品牌。而K7架构的发布，更是将AMD推上了快速发展的轨道上，成为了Intel最具实力也是唯一的桌面级处理器竞争对手。早期的K7架构处理器采用的是SlotA接口，虽然与Intel的奔腾II处理器接口类似，但二者并不能兼容，仔细看你会发现，二者的接口方向完全相反。当时基于这一接口的核心有Argon,Pluto/Orion,Thunderbird。其中最后的Thunderbird后来衍生成为SocketA也就是462接口产品，我们所熟知的雷鸟速龙便是采用这一核心。SlotA接口早期的K7架构处理器频率仅为500MHz-700MHz，随着工艺的不断进步，默认主频在不断的攀升，并且成为了首个将主频突破1GHz的桌面级处理器。K7架构所经历的制造工艺有0.18微米和0.13微米两个时代，虽然在当前来看那时的制作工艺非常落后，但在当时已经是绝对领先的技术了。主频突破1GHz后AMD转用了462接口在K7架构时代，AMD主要针对浮点运算进行了改进，引入了超级流水线浮点运算单元概念，使得每个AthlonCPU内部集成了3个浮点运算单元，每个单元都能够自己选择计算最佳类型的指令，为使用率高的指令提供冗余。由于拥有多个单元，同时执行多条浮点指令成为可能。此外，K7架构还引入了修订过的3DNow!多媒体指令集，即“增强3DNow!”，新添加了DSP指令集和一些IntelSSE指令集中有关扩展MMX的指令。正是基于这些新的改造，才使得AMD处理器首次在浮点性能上超过了Intel的奔腾处理器。AMD也由此开始了巅峰之作。当时的Athlon（速龙）有两个不同的高速缓存。一级缓存的容量突破了x86的历史纪录——分离的128KB的2路关联缓存，其中64KB用于存储指令，另外64KB用于存储数据。相当于K6架构一级缓存的2倍，奔腾II和奔腾III的4倍。正如Intel奔腾II和以“Katamai”为代号的奔腾III，Athlon也有512KB的二级缓存。不过此二级缓存不是封入CPU内部的，而且在比CPU低的速度下运作。它插在一个64位的总线上，类似于AMD的K6-III和Intel的奔腾Pro。此64位的总线允许CPU同时访问缓存和内存，因此极大地提高了效率和带宽。改善了在K6-2架构中，由于二级缓存和内存共享前端总线而造成效率低下的问题。一代超频经典巴顿核心速龙2500+处理器采用Slot－A接口的K7速龙处理器还是首款将倍频锁死的AMD处理器，其目的是为了防止不法经销商对处理器进行频率更改而打磨销售。这一做法虽然很好的将市场进行了划分。但却令使用者失去了更改倍频提高频率的机会。当然，锁定倍频的出现并不是说AMD处理器就彻底与超频决裂。玩家仍然可以通过调节外频的方法提高处理器的主频，之后推出的巴顿核心速龙2500+处理器便是一款超频能力非常强悍的产品，并且广受超频玩家的喜爱。可使用铅笔破解成为速龙的毒龙处理器K7架构不仅面向主流级用户推出了速龙这一品牌，同时有面向于低端用户的毒龙和闪龙两个品牌。其中闪龙这一品牌在2004年被推出，同时取代了毒龙的市场地位。值得一提的是，现在的AMD处理器破解概念，早在K7架构时代就已经流行，虽然并不是现在的双核/三核变四核，但其效果还是相同的。当时的硬件爱好者通过对毒龙处理器L2金桥加以改造，可以使处理器的二级缓存翻倍成为速龙处理器。正是这一发现，让毒龙处理器成为了当时的抢手货。这一现象直到毒龙处理器下市才终止。462接口历代速龙处理器2003年9月，AMD推出了首款K8架构64位处理器，这也预示着64位时代的到来,同时这也预示着属于32位处理器K7架构时代的结束。2005年K7架构处理器正式停产，这也正式宣布了32位K7架构时代的终结。K7架构虽然在功耗的表现上并没有超过同期的Intel奔腾III处理器，但在性能上已经与对手打成了平手。再凭借着价格和“作弊”（毒龙破解成速龙），AMD一举成为了桌面级处理器的领导厂商。“高主频就是高性能”，现在看来这是一个多么可笑的问题啊。没错，由于工艺制程和架构设计等问题。高主频已经不再是高性能的代名词。但这一看起来人人皆知的错误概念在2000年可是高性能处理器的代名词。主流级别处理器也正是沿着这一思路进行更新的。而“高主频就等于高性能”一直到K8架构的出现，才正式将这一神话终结。我们接下来回顾的这一代架构——NetBurst便是笼罩在“高主频等于高性能”这一“神话”下的产物。因为AMDK7架构的大获成功给Intel敲响了警钟，一向凭借垄断市场来发展的业界老大也感受到了身边的威胁。为了尽快摆脱AMDK7架构的影响。Intel决定推出一款超高性能的处理器，从而将AMD的成功扼杀。作为提升处理器性能的最有效也是最简单的手段，尽可能的提高主频被Intel列为了下一代处理器的首要位置。于是NetBurst在这种大背景下诞生了。NetBurst首代核心Willamette2000年11月，首款采用NetBurst架构处理器诞生，核心代号为Willamette，默认主频为1.4GHz。由于Willamette采用了与奔腾III完全不同的设计，因此Intel决定将Willamette进行重新命名，于是一个新的品牌由此诞生，这就是统治市场长达5年之久的奔腾4处理器，而NetBurst架构的市场统治时间更是长达8年。恐怕这一纪录在未来很难被打破了。采用423接口的Willamette奔腾4处理器NetBurst架构除了统治市场时间长，同时还是横跨工艺次代最多的架构。在NetBurst架构成为市场主流的年代。期间经历了0.18微米，0.13微米，90nm，和65nm四个工艺代。在Intel转入Tick-Tock策略之后，横跨四个工艺次代的架构也成为了历史。所以说NetBurst架构还是一个创纪录的产物。早期的Pentium4处理器采用的是0.18微米制造的Willamette核心，为了能够提供足够的带宽，Intel设计了全新的Socket423接口，此时的CPU前端总线已经到达了当时惊人的400MHz，不得不说Socket423接口的奔腾4处理器是当时的典范。不过随着处理器主频的逐步提升，423接口的局限性越来越明显，它严重制约了奔腾4处理器的主频提升。为了能够突破2GHz主频，Intel不得不放弃了Socket423接口，启用了全新的Socket478接口。Socket478接口这一时期采用了Willamette核心的奔腾4处理器虽然主频得到了提高，达到了2GHz主频，且在性能上也重新压制了AMD的K7架构速龙处理器。但其市场表现力却非常糟糕。一方面是奔腾4处理器过高的主频带来了较高的发热，另一方面是Intel推广昂贵的Rambus内存让消费者难以接受。所以在这一阶段奔腾4看似取得了成功。而实质上却并未达到Intel预期的结果。Willamette核心的主频虽然已经达到了2GHz，并力压AMD的K7架构处理器，但其表现力并没有达到Intel的预期。为此更高主频的核心Northwood被推上了舞台。这款核心使用了更先进的0.13微米制造工艺，并且保持了Willamette的20条流水线设计，还在后期版本中首次引入了超线程技术。随着主频的逐步攀升，处理器的前端总线频率也随着水涨船高，最终版本的前端总线频率已经达到了800MHz，最终成为了当时桌面级的最强者。Northwood核心照片在吸取了Willamette核心因受到Rambus内存价格过高而无法进行市场推广的经验教训。Intel取消了Rambus内存的限制，加入了对DDR内存的支持之中。同时Socket478接口的应用也让处理器摆脱了主频的限制，Intel终于将奔腾4的主频推上了3GHz以上的高度。早期的Northwood奔腾4处理器为了能够力压AMD的产品，除了将主频进行提升外，还将二级缓存容量进行了翻倍。从256KB增加到了512KB（晶体管数量从4200万增加到5500万），为了能够降低功耗还使用了0.13微米先进制造工艺。但新的Northwood奔腾4有一个较为严峻的问题。那就是上市没多久就被放弃的Socket423平台无法进行升级。为了照顾老用户，Intel推出了一个能够让Socket423主板使用Northwood处理器的转换器。带有HT标志的奔腾4告知消费者这是可以支持双线程的处理器超线程技术是Northwood核心的又一大特点，有了这项技术的帮忙，使得单核心的Northwood奔腾4处理器拥有了当时非常前卫的双线程支持能力。在早先发布的Northwood处理器中，只有3.06GHz的一款处理器支持该项技术。随后Intel发现这项技术已经成为了一项非常重要的卖点，为此又推出了一系列频率范围从2.4到3.0GHz的新款800MHz前端总线处理器，这些处理器的最大特点就是全部加入了对超线程技术的支持。此时的Intel凭借着超高主频和超线程技术的帮忙，终于在高性能上超越了AMD的K7架构。也将绝大部分市场牢牢掌握在了自己的手中。支持超线程技术的3.06GHz奔腾4处理器然而成功是要付出代价的。由于Intel一味的追求高主频，Northwood核心奔腾4的漏电和发热现象已经达到了惊人的地步。当内核电压超过1.7V时，处理器将随时间延长逐渐变得不稳定，直至最后坏掉完全不能再用。人们认为这是由于电子迁移这种物理现象导致的，其中CPU的内部通路由于过度的电子能量随着时间逐步退化。这也是超频会降低处理器使用寿命说法的来源之一。NetBurst架构虽然功耗表现并不好，但毕竟还是一代成功的架构，从其存活时间上就可见一斑。在推出了众多130nm（0.13微米）处理器之后，Intel将降低功耗的法宝压在了提升制程上，同时也希望能够借此进一步提高处理器的主频。于是最后一代Socket478接口奔腾4处理器诞生了，这就是尾号带有一个E为结尾的奔腾4处理器。但90nm工艺的奔腾4上市没有多久，竞争对手AMD的一个新的家族处理器诞生了，不仅在性能上追赶上了奔腾4处理器，而且还将处理器带进了64位时代。这就是经典的K8架构。为了能够巩固市场，Intel也做好了64位的准备。于是乎Netburst架构的新产品64位Prescott核心诞生了(Socket478接口奔腾4E也是采用该核心)。LGA775接口64位Prescott与之前奔腾4已经发生了一些质的变化，不仅全面普及了超线程技术，加入了对64位系统的支持。同时还将处理器的接口进行了升级。统治市场长达7年的LGA775时代开始了。LGA775接口与之前的接口相比已经将Socket更换成了LGA，这主要是Intel已经将原来的PGA-ZIF封装模式更换成了LGA封装模式。LGA封装模式的全称为LandGridArray即平面网格阵列封装，他与PGA封装最大的不同在于将针脚从CPU上转移到了主板CPU插座上