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