2009年9月13日 星期日
CPU之歷史
历史
EDVAC，第一台电子储存式可编程计算机。
主条目：计算机硬件历史
在现今的CPU出现之前，如同埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator and Computer）之类的计算机在执行不同程序时，必须经过一番线路调整才能启动。由于它们的线路必须被重设才能执行不同的程序，這些机器通常称为「固定程序计算机」（fixed-program computer）。而由于CPU这个词指称为执行软件（计算机程序）的装置，那些最早与储存程序型计算机（stored-program computer）一同登场的装置也可以被称为CPU。
储存程序型计算机的主意早已体现在ENIAC的设计上，但最终还是被省略以期早日完成。在1945年6月30日，ENIAC完成之前，著名数学家冯·诺伊曼发表名为"First Draft of a Report on the EDVAC"的论文。它揭述储存程序型计算机的计划将在1949年正式完成(冯·诺伊曼1945)。EDVAC的目标是执行一定数量与种类的指令（或操作），这些指令结合产生出可以让EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）执行的有用程序。特別的是，为EDVAC而写的程序是储存在高速计算机内存中，而非由实体线路组合而成。这項设计克服了ENIAC的某些局限——即花费大量时间与精力重设线路以执行新程序。在冯·诺伊曼的设计下，EDVAC可以借由改变内存储存的内容，简单更换它执行的程序（软件）。[1]
值得注意的是，尽管冯·诺伊曼由于设计了EDVAC，使得他在发展储存程序型计算机上的贡献最为显著，但其他早于他的研究员如Konard Zuse也提出过类似的想法。另外早于EDVAC完成，利用哈佛架构制造的马克一号，也利用打孔纸带而非电子内存用作储存程序的概念。冯·诺伊曼架构与哈佛架构最主要的不同在于后者将CPU指令与资料分开存放与处置，而前者使用相同的内存位置。大多近代的CPU依照冯·诺伊曼架构设计，但哈佛架构一样常见。
身为数位装置，所有CPU处理不连续状态，因此需要一些转换与区分这些状态的基础元件。在市场接受晶体管前，继电器与真空管常用在这些用途上。虽然这些材料速度上远优于纯粹的机械构造，但是它们有许多不可靠的地方。例如以继电器建造直流时序逻辑回路需要额外的硬件以应付接触点跳动問題。而真空管不会有接触点跳动问题，但它们必须在启用前预热，也必须同时停止运作。[2]通常當一根真空管坏了，CPU必须找出损坏元件以置换新管。因此早期的电子真空管式计算机快于电子继电器式计算机，但维修不便。类似EDVAC的真空管计算机每隔八小时便会损坏一次，而较慢较早期的马克一号却不太发生故障(Weik 1961:238)。但在最后，由于速度优势，真空管计算机支配当时的计算机世界，尽管它们需要较多的维护照顾。大多早期的同步CPU，其时钟频率（clock rate）低于近代的微电子设计（见下列对于时钟频率的讨论）。那时常见的时钟频率为100千赫兹到4百万赫兹，大大受限于内建切换装置的速度。
[编辑] 分立晶体管与集成电路 CPU
CPU, core memory，及MSI PDP-8／I 外部插槽 界面。
由于许多科技厂家投入更小更可靠的电子装置，设计CPU变得越来越复杂。晶体管的面世便是第一个CPU的飞跃进步。1950到60年代的晶体管CPU不再以体积庞大、不可靠与易碎的开关元件（例如继电器与真空管）建造。借由这项改良，更复杂与可靠的CPU便被建造在一个或多个包含分立（离散）元件的印刷电路板上。
在此时期，将许多晶体管放置在拥挤空间中的方法大为普及。集成电路（IC）将大量的晶体管集中在一小块半导体片，或晶片（chip）上。刚开始只有非常基本、非特定用途的数字电路小型化到IC上（例如逻辑门）。以这些预装式IC为基础的CPU称为小规模集成电路（SSI）装置。SSI IC，例如装置在阿波罗导航计算机上的那些计算机，通常包含数十个晶体管。以SSI IC建构整个CPU需要数千个独立的晶片，但与之前的分立晶体管设计相比，依然省下很多空间与电力。肇因于微電子科技的进步，在IC上的晶体管数量越来越大，因此減少了建构一个完整CPU需要的独立IC数量。「中规模集成电路」（MSI）与「大规模集成电路」（LSI）将内含的晶体管数量增加到成百上万。
1964年IBM推出了System/360计算机架构，此架构让一系列速度与性能不同的IBM计算机可以运行相同的程序。此确实为一项创举，因为当时的计算机大多互不相容，甚至同一家厂商制造的也是如此。为了实践此项创举，IBM提出了微程序（microprogram 或 microcode）概念，此概念依然广泛使用在现代CPU上(Amdahl et al. 1964)。System/360架构由于太过成功，因此支配了大型计算机数十年之久，并留下一系列使用相似架构，名为IBM zSeries的现代主机产品。同一年（1964），数字设备公司（DEC）推出另一个深具影响力且瞄准科学与研究市场的计算机，名为PDP-8。DEC稍后推出非常有名的PDP-11，此产品原先计划以SSI IC构组，但在LSI技术成熟后改为LSI IC。与之前SSI和MSI的祖先相比，PDP-11的第一个LSI产品包含了一个只用了4个LSI IC的CPU(Digital Equipment Corporation 1975)。
晶体管计算机有许多前一代产品沒有的优点。除了可靠度与低耗电量之外，由于晶体管的状态转换时间比继电器和真空管短得多，CPU也就拥有更快的速度。幸亏可靠度的提升与晶体管转换器的切换时间缩短，CPU的时钟频率在此时期达到十几百万赫兹。另外，由于分立晶体管与IC CPU的使用量大增，新的高性能设计，例如SIMD（单指令多数据）、向量处理机（vector processor）开始出现。这些早期的实验性设计，刺激了之后超级计算机（例如克雷公司）的崛起。
[编辑] 微处理器
封裝在陶瓷引脚网格阵列（Pin Grid array, PGA）的Intel 80486DX2 微处理器
主条目：微处理器
自从微处理器在1970年代发表之后，便大大影響了CPU的设计与实作。自1970年第一款微处理器（Intel 4004）与第一款廣受使用的Intel 8080在1974年发表以来，这类型的CPU几乎完全取代了其他CPU的实作方法。当时的大型主機与微計算機-業者开发了專利IC的设计程序以改进他們的舊計算機架构，最终推出可以向下相容他們的舊硬件与軟件的指令集。与当时剛发展，並在之后普及大眾的个人计算机相结合。"CPU"这个词現在几乎等同于微处理器。
前几世代的CPU实作，是在一或多个電路版上放置几个分散的元件与数量眾多的小IC（積体電路）。而微处理器則是制作成几个少量的IC，通常是一个。由于物理因素，例如降低寄生電容（parasitic capacitance）的門檻值，此種單晶片的小尺寸CPU设计讓它有更快的反應能力。这使得同步微处理器擁有数十兆赫到数百萬兆赫的执行頻率。另外，由于在一个IC放置小型晶体管的技術持續进步，在單个CPU上的晶体管数量与复杂度都在戲劇性地增加。此廣为人知的現象称为摩爾定律（Moore's law），它成功預言了CPU与其他IC的复杂度与时俱增的性質。
当CPU的复杂度、尺寸、结构与型態在这六十年間劇烈改变，它的基本设计与功能並沒有太大改变。当今所有普通CPU都几乎可以用冯·诺伊曼机器来解釋。
由于前述的摩爾定律依舊沒有被打破，很自然地讓人想像IC与晶体管工業的極限何在。極端小型化電子閘門导致各種現象如電遷移（electromigration）与次臨界漏電（subthreshold leakage）效應变得相当明显。这些新效應使得研究人员試圖研发新的計算方法，例如量子计算机以及擴展平行运算和其他运用冯·诺伊曼模型的方法
資料來源:http://zh.wikipedia.org/wiki/CPU
EDVAC，第一台电子储存式可编程计算机。
主条目：计算机硬件历史
在现今的CPU出现之前，如同埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator and Computer）之类的计算机在执行不同程序时，必须经过一番线路调整才能启动。由于它们的线路必须被重设才能执行不同的程序，這些机器通常称为「固定程序计算机」（fixed-program computer）。而由于CPU这个词指称为执行软件（计算机程序）的装置，那些最早与储存程序型计算机（stored-program computer）一同登场的装置也可以被称为CPU。
储存程序型计算机的主意早已体现在ENIAC的设计上，但最终还是被省略以期早日完成。在1945年6月30日，ENIAC完成之前，著名数学家冯·诺伊曼发表名为"First Draft of a Report on the EDVAC"的论文。它揭述储存程序型计算机的计划将在1949年正式完成(冯·诺伊曼1945)。EDVAC的目标是执行一定数量与种类的指令（或操作），这些指令结合产生出可以让EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）执行的有用程序。特別的是，为EDVAC而写的程序是储存在高速计算机内存中，而非由实体线路组合而成。这項设计克服了ENIAC的某些局限——即花费大量时间与精力重设线路以执行新程序。在冯·诺伊曼的设计下，EDVAC可以借由改变内存储存的内容，简单更换它执行的程序（软件）。[1]
值得注意的是，尽管冯·诺伊曼由于设计了EDVAC，使得他在发展储存程序型计算机上的贡献最为显著，但其他早于他的研究员如Konard Zuse也提出过类似的想法。另外早于EDVAC完成，利用哈佛架构制造的马克一号，也利用打孔纸带而非电子内存用作储存程序的概念。冯·诺伊曼架构与哈佛架构最主要的不同在于后者将CPU指令与资料分开存放与处置，而前者使用相同的内存位置。大多近代的CPU依照冯·诺伊曼架构设计，但哈佛架构一样常见。
身为数位装置，所有CPU处理不连续状态，因此需要一些转换与区分这些状态的基础元件。在市场接受晶体管前，继电器与真空管常用在这些用途上。虽然这些材料速度上远优于纯粹的机械构造，但是它们有许多不可靠的地方。例如以继电器建造直流时序逻辑回路需要额外的硬件以应付接触点跳动問題。而真空管不会有接触点跳动问题，但它们必须在启用前预热，也必须同时停止运作。[2]通常當一根真空管坏了，CPU必须找出损坏元件以置换新管。因此早期的电子真空管式计算机快于电子继电器式计算机，但维修不便。类似EDVAC的真空管计算机每隔八小时便会损坏一次，而较慢较早期的马克一号却不太发生故障(Weik 1961:238)。但在最后，由于速度优势，真空管计算机支配当时的计算机世界，尽管它们需要较多的维护照顾。大多早期的同步CPU，其时钟频率（clock rate）低于近代的微电子设计（见下列对于时钟频率的讨论）。那时常见的时钟频率为100千赫兹到4百万赫兹，大大受限于内建切换装置的速度。
[编辑] 分立晶体管与集成电路 CPU
CPU, core memory，及MSI PDP-8／I 外部插槽 界面。
由于许多科技厂家投入更小更可靠的电子装置，设计CPU变得越来越复杂。晶体管的面世便是第一个CPU的飞跃进步。1950到60年代的晶体管CPU不再以体积庞大、不可靠与易碎的开关元件（例如继电器与真空管）建造。借由这项改良，更复杂与可靠的CPU便被建造在一个或多个包含分立（离散）元件的印刷电路板上。
在此时期，将许多晶体管放置在拥挤空间中的方法大为普及。集成电路（IC）将大量的晶体管集中在一小块半导体片，或晶片（chip）上。刚开始只有非常基本、非特定用途的数字电路小型化到IC上（例如逻辑门）。以这些预装式IC为基础的CPU称为小规模集成电路（SSI）装置。SSI IC，例如装置在阿波罗导航计算机上的那些计算机，通常包含数十个晶体管。以SSI IC建构整个CPU需要数千个独立的晶片，但与之前的分立晶体管设计相比，依然省下很多空间与电力。肇因于微電子科技的进步，在IC上的晶体管数量越来越大，因此減少了建构一个完整CPU需要的独立IC数量。「中规模集成电路」（MSI）与「大规模集成电路」（LSI）将内含的晶体管数量增加到成百上万。
1964年IBM推出了System/360计算机架构，此架构让一系列速度与性能不同的IBM计算机可以运行相同的程序。此确实为一项创举，因为当时的计算机大多互不相容，甚至同一家厂商制造的也是如此。为了实践此项创举，IBM提出了微程序（microprogram 或 microcode）概念，此概念依然广泛使用在现代CPU上(Amdahl et al. 1964)。System/360架构由于太过成功，因此支配了大型计算机数十年之久，并留下一系列使用相似架构，名为IBM zSeries的现代主机产品。同一年（1964），数字设备公司（DEC）推出另一个深具影响力且瞄准科学与研究市场的计算机，名为PDP-8。DEC稍后推出非常有名的PDP-11，此产品原先计划以SSI IC构组，但在LSI技术成熟后改为LSI IC。与之前SSI和MSI的祖先相比，PDP-11的第一个LSI产品包含了一个只用了4个LSI IC的CPU(Digital Equipment Corporation 1975)。
晶体管计算机有许多前一代产品沒有的优点。除了可靠度与低耗电量之外，由于晶体管的状态转换时间比继电器和真空管短得多，CPU也就拥有更快的速度。幸亏可靠度的提升与晶体管转换器的切换时间缩短，CPU的时钟频率在此时期达到十几百万赫兹。另外，由于分立晶体管与IC CPU的使用量大增，新的高性能设计，例如SIMD（单指令多数据）、向量处理机（vector processor）开始出现。这些早期的实验性设计，刺激了之后超级计算机（例如克雷公司）的崛起。
[编辑] 微处理器
封裝在陶瓷引脚网格阵列（Pin Grid array, PGA）的Intel 80486DX2 微处理器
主条目：微处理器
自从微处理器在1970年代发表之后，便大大影響了CPU的设计与实作。自1970年第一款微处理器（Intel 4004）与第一款廣受使用的Intel 8080在1974年发表以来，这类型的CPU几乎完全取代了其他CPU的实作方法。当时的大型主機与微計算機-業者开发了專利IC的设计程序以改进他們的舊計算機架构，最终推出可以向下相容他們的舊硬件与軟件的指令集。与当时剛发展，並在之后普及大眾的个人计算机相结合。"CPU"这个词現在几乎等同于微处理器。
前几世代的CPU实作，是在一或多个電路版上放置几个分散的元件与数量眾多的小IC（積体電路）。而微处理器則是制作成几个少量的IC，通常是一个。由于物理因素，例如降低寄生電容（parasitic capacitance）的門檻值，此種單晶片的小尺寸CPU设计讓它有更快的反應能力。这使得同步微处理器擁有数十兆赫到数百萬兆赫的执行頻率。另外，由于在一个IC放置小型晶体管的技術持續进步，在單个CPU上的晶体管数量与复杂度都在戲劇性地增加。此廣为人知的現象称为摩爾定律（Moore's law），它成功預言了CPU与其他IC的复杂度与时俱增的性質。
当CPU的复杂度、尺寸、结构与型態在这六十年間劇烈改变，它的基本设计与功能並沒有太大改变。当今所有普通CPU都几乎可以用冯·诺伊曼机器来解釋。
由于前述的摩爾定律依舊沒有被打破，很自然地讓人想像IC与晶体管工業的極限何在。極端小型化電子閘門导致各種現象如電遷移（electromigration）与次臨界漏電（subthreshold leakage）效應变得相当明显。这些新效應使得研究人员試圖研发新的計算方法，例如量子计算机以及擴展平行运算和其他运用冯·诺伊曼模型的方法
資料來源:http://zh.wikipedia.org/wiki/CPU
雙核心處理器...
英特爾雙核心處理器 下季上市【記者曹正芬／台北報導】 英特爾新一代雙核心處理器提前下季上市，雙核心技術使處理器的功能形同「一顆抵兩顆」，被英特爾視為扭轉近一年來產品落後情勢的秘密武器。超微緊盯英特爾腳步，評估提前於第二季推出雙核心處理器，加速雙核心時代來臨。英特爾上週突然告知下游廠商，原本將於第三季發表的桌上型電腦雙核心處理器，提前於第二季推出，配合新一代採用945晶片組的主機板銷售。英特爾預估，明年十台桌上型電腦中，要有七台是採用雙核心處理器架構，雙核心即將躍為個人電腦主流。由於英特爾上週才告知下游業者，提前於下季發表新一代雙核心處理器和晶片組，國內主機板業者加緊開發945系列主機板，配合英特爾腳步，下季推出支援雙核心處理器的產品。業者認為，雙核心處理器推出初期價格頗高，預計下半年出貨量才會明顯增加。雙核心處理器可說是英特爾近十幾年在處理器發展史上的重大變革。在英特爾的產品開發計畫中，採用雙核心技術的處理器不但較省電，而且一顆晶片具有兩顆的效能，使個人電腦發揮一台抵兩台的運算效果。英特爾過去20多年來，採用拉高處理器時脈的方式提升處理器效能，包括從1GHz、2GHz、3GHz等拉上來，正當英特爾邁向4GHz時代，英特爾發現4GHz處理器面臨耗電量過高的問題，英特爾去年下半年宣布取消開發4GHz處理器的計畫，全力朝向雙核心技術發展。業者表示，英特爾不但要把雙核心延伸到桌上型電腦，未來筆記本型電腦也會採用雙核心技術，英特爾打算明年推出採用雙核心技術的迅馳筆記本型電腦平台，最快明年十台筆記本型電腦中，有七台是雙核心構，英特爾從明年開始約一半處理器採用雙核心架構。新聞分析》秘密武器 一顆抵兩顆【記者曹正芬】 英特爾的秘密武器--雙核心處理器提前重裝上陣，下季開始就可在市面上看到搭配雙核心處理器的個人電腦，讓消費者體驗「一顆抵兩顆」的效能。英特爾過去一年在桌上型電腦連連失守，今年要以雙核心處理器，重建技術龍頭的聲望，讓對手超微措手不及。英特爾才剛剛完成全球組織重整，幾天後就通知下游業者最新產品進度。英特爾提前一季推出雙核心處理器，並且推出全系列桌上型電腦64位元處理器，以及整合新一代虛擬化技術的處理器，端出盤盤好菜，為個人電腦創造新賣點。去年下半年開始，英特爾將研發資源集中在雙核心處理器產品。英特爾原本估計，明年十台桌上型電腦中，約有四台採用雙核心平台，但之後英特爾提高業績目標，宣示明年起，十台桌上型電腦中要有七台採用雙核心技術，預計三年後晶片效能較現今提升十倍。業者認為，雙核心處理器隨著英特爾提升製程、降低成本，預計年底前雙核心處理器出貨將明顯增加。業者表示，雙核心處理器上市價約數百美元，一般預計處理器價格在170美元上下，才會進入主流地位。不過，雙核心處理器的賣點是一顆抵兩顆，真實的情況是，雙核心處理器效能上究竟是一加一大於二，還是一加一小於二，就待產品上市即見分曉。http://joho168.com.tw/xoops/modules/newbb/viewtopic.php?topic_id=136&forum=10超微雙核心處理器 亮相【聯合新聞網 記者曹正芬／台北報導】 美商超微昨（25）日發表首款雙核心（dual core）處理器，要與英特爾在雙核心處理器上一較高下。英特爾、超微今年相繼推出雙核心處理器，顯示個人電腦發展將邁向多核心設計，成為近20年來個人電腦產業一大變革。過去數十年來，個人電腦用處理器均採單核心晶片設計，但今年起，英特爾和超微相繼推出雙核心處理器，克服高效能處理器的耗電問題。雙核心處理器不但強化個人電腦的影音功能，讓個人電腦可同時支援多項應用程式，執行不同的需求，成為數位家庭的主軸。超微昨天發表多核心伺服器與工作站產品，並展出採用90奈米製程64位元雙核心處理器，以及支援平台涵蓋伺服器、工作站及客戶端系統。英特爾搶先在農曆年前發表首款雙核心處理器，處理器雙雄目前要在量產時程上，搶個先後。英特爾目前暫定第二季推出首款雙核心處理器，超微可望在漢諾威電腦展(新聞、網站)時，說明雙核心處理器和新一代Turion筆記本型電腦處理器的技術細節。超微主管表示，超微是目前唯一公開展示x86雙核心伺服器解決方案的廠商，今年初即提供客戶雙核心Opteron處理器樣本，並計畫今年中針對搭載1到8個插槽的伺服器與工作站產品市場，推出與現有940針腳插槽相容的雙核心處理器，下半年推出與現有939針腳插槽相容的雙核心處理器。超微主管表示，雙核心技術可提升運算效能及多工作業的能力，將是微處理器設計的下一波尖端科技，過去數十年個人電腦均採用單核心處理器設計，在這些雙核心處理器將改變以往個人電腦平台的設計，帶動電腦的換機潮，為已成熟的個人電腦產業挹注活力。
參考資料 奇摩知識+http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1405120712086
參考資料 奇摩知識+http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1405120712086
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