CPU(Central Processing Unit,中央处理器)出现于大规模集成电路时代,处理器架构设计的迭代更新以及集成电路工艺的不断提升促使其不断发展完善。从最初专用于数学计算到广泛应用于通用计算,从4位到8位、16位、32位处理器,最后到64位处理器,从各厂商互不兼容到不同指令集架构规范的出现,CPU自诞生以来一直在飞速发展。
CPU发展已经有40多年的历史了。我们通常将其分成六个阶段。
(1)第一阶段(1971年-1973年)。这是4位和8位低档微处理器时代,代表产品是Intel 4004处理器。
1971年,Intel生产的4004微处理器将运算器和控制器集成在一个芯片上,标志着CPU的诞生;1978年,8086处理器的出现奠定了X86指令集架构, 随后8086系列处理器被广泛应用于个人计算机终端、高性能服务器以及云服务器中。
(2)第二阶段(1974年-1977年)。这是8位中高档微处理器时代,代表产品是Intel 8080。此时指令系统已经比较完善了。
(3)第三阶段(1978年-1984年)。这是16位微处理器的时代,代表产品是Intel 8086。相对而言已经比较成熟了。
(4)第四阶段(1985年-1992年)。这是32位微处理器时代,代表产品是Intel 80386。已经可以胜任多任务、多用户的作业。
1989年发布的80486处理器实现了5级标量流水线,标志着CPU的初步成熟,也标志着传统处理器发展阶段的结束。
(5)第五阶段(1993年-2005年)。这是奔腾系列微处理器的时代。
1995年11月,Intel发布了Pentium处理器,该处理器首次采用超标量指令流水结构,引入了指令的乱序执行和分支预测技术,大大提高了处理器的性能, 因此,超标量指令流水线结构一直被后续出现的现代处理器,如AMD(Advanced Micro Devices)的锐龙、Intel的酷睿系列等所采用。
(6)第六阶段(2005年至2021年)。处理器逐渐向更多核心,更高并行度发展。典型的代表有英特尔的酷睿系列处理器和AMD的锐龙系列处理器。
为了满足操作系统的上层工作需求,现代处理器进一步引入了诸如并行化、多核化、虚拟化以及远程管理系统等功能,不断推动着上层信息系统向前发展。
摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈,其核心内容为:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。
摩尔定律是内行人摩尔的经验之谈,汉译名为“定律”,但并非自然科学定律,它一定程度揭示了信息技术进步的速度。
一、发展历程
被称为计算机第一定律的摩尔定律是指IC上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。摩尔定律是由英特尔(lntel)名誉董事长戈登·摩尔(Gordon moore)经过长期观察总结的经验。
1965年,戈登·摩尔准备一个关于计算机存储器发展趋势的报告。他整理了一份观察资料。在他开始绘制数据时,发现了一个惊人的趋势。每个新的芯片大体上包含其前任两倍的容量,每个芯片产生的时间都是在前一个芯片产生后的18~24个月内,如果这个趋势继续,计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。 Moore的观察资料,就是现在所谓的Moore定律,所阐述的趋势一直延续至今,且仍不同寻常地准确。人们还发现这不仅适用于对存储器芯片的描述,也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础。
归纳起来,“摩尔定律”主要有以下3种“版本”:
1、集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一番;
2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍,而价格下降一半;
3、用一美元所能买到的计算机性能,每隔18个月翻两番。
以上几种说法中,以第一种说法最为普遍,第二、三两种说法涉及价格因素,其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋,但在一点上是共同的,即“翻番”的周期都是18个月,至于“翻一番”(或两番)的是“集成电路芯片上所集成的电路的数目”是整个“计算机的性能”,还是“一美元所能买到的性能”就见仁见智了。
二、提出背景
早在1959年,美国著名半导体厂商仙童公司首先推出了平面型晶体管,紧接着于1961年又推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上,采用一种所谓“光刻”技术来形成半导体电路的元器件,如二极管、三极管、电阻和电容等。
只要“光刻”的精度不断提高,元器件的密度也会相应提高,从而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是“整个半导体的工业键”,也是摩尔定律问世的技术基础。
1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告,题目是:“让集成电路填满更多的元件”。在摩尔开始绘制数据时,发现了一个惊人的趋势:每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量,每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18~24个月内。
如果这个趋势继续的话,计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。摩尔的观察资料,就是后来的摩尔定律,且仍不同寻常地准确。
人们还发现这不光适用于对存储器芯片的描述,也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础。在26年的时间里,芯片上的晶体管数量增加了3200多倍,从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器的750万个 。
三、提出人物
戈登·摩尔(Gordon Moore,1929-):英特尔公司(Intel)的创始人之一。
1929年1月3日,戈登·摩尔出生在加州旧金山的佩斯卡迪诺。父亲没有上过多少学,17岁就开始养家,做一个小官员,母亲只有中学毕业。高中毕业后他进入了著名的加州伯克利分校的化学专业,实现了自己的少年梦想。
1950年,摩尔获得了学士学位,接着他继续深造,于1954年获得物理化学博士学位。
1965年,提出“摩尔定律”。

图1 戈登·摩尔
另一种说法
摩尔定律虽然以戈登·摩尔(Gordon Moore)的名字命名,但最早提出摩尔定律相关内容的并非摩尔,而是加州理工学院的卡沃·米德。
米德是最早关注到摩尔定律所提出的晶体管之类的产量增加,就会引起其价格下降现象的。米德指出,如果给定价格的电脑处理能力每两年提高一倍,那么这一价位的电脑处理装置同期就会降价一半。