2.1.3 主流CPU产品介绍

目前生产CPU的厂家主要有Intel公司和AMD公司。一些辅助的厂家有IDT公司、VIA公司。国产CPU也纷纷问世。下面将简单介绍一下各个生产厂家设计的CPU的体系结构、时钟频率、系统总线频率、一级缓存的大小和二级缓存的大小等。

1.Intel系列

Intel公司是X86体系CPU最大的生产厂家。Intel公司的X86 CPU与Microsoft公司的MS-DOS、MS-Windows一起组成了微机的主要软硬件系统。

(1)Intel Pentium处理器。Intel Pentium也称为经典奔腾(Intel Pentium Classic),它是真正的第五代处理器,简称为P5。P5家族的第一代处理器是1993年3月生产的,采用0.80 µm制造工艺,集成了超过330万个晶体管。处理器的时钟频率达到75~200 MHz,总线频率为50~66 MHz。从这时起,Pentium处理器开始采用“总线频率×倍频=CPU工作频率”的设置,Pentium处理器如图2.1所示。

(2)Intel Pentium MMX处理器。Pentium MMX即P55处理器,CPU本身的晶体管数为450万。它在原有的Pentium的基础上进行了重大的改进,一级缓存增加到以前的两倍,特别是新增加了57条MMX多媒体指令。这些指令专门用于处理音频、视频等数据,从而大大缩短了CPU在处理多媒体数据时的等待时间,使CPU拥有更强大的数据处理能力。Pentium MMX的最高频率是233 MHz,Pentium MMX处理器如图2.2所示。

图2.1 Pentium处理器

(3)Intel Pentium Ⅱ处理器。Pentium Ⅱ是P6/X86家族产品的典型代表,诞生于1997年5月,如图2.3所示。Pentium Ⅱ的发展经历了三个阶段。第一阶段的Pentium Ⅱ代号为“Klamath”,使用0.35 µm制造工艺,CPU的电压为2.8 V,耗电量达到43 W。工作在66 MHz总线频率下,主要频率有233 MHz、266 MHz和300 MHz三种。

图2.2 Pentium MMX处理器

图2.3 Pentium Ⅱ处理器

第二阶段的Pentium Ⅱ的代号为“Deschutes”,使用0.25 µm制造工艺,CPU的电压大幅度下降为2.0 V,也工作在66 MHz总线频率下,主要频率有300 MHz、333 MHz等。

第三阶段的Pentium Ⅱ在第二代的基础上,工作在100 MHz总线频率下,主要频率有350 MHz、400 MHz和450 MHz等。

Pentium Ⅱ与传统的奔腾处理器有较大的不同,最大的变化就是它采用了Slot 1架构,这从外表上即可明显看出。Pentium Ⅱ也支持MMX指令集。

(4)Intel Pentium Ⅲ 处理器。Pentium Ⅲ(简称P Ⅲ)处理器是Intel公司于1999年2月推出的新一代产品,分为Katmai核心、Coppermine核心和Tualatin核心三种,如图2.4所示。

图2.4 Pentium Ⅲ 处理器(Katmai核心、Coppermine核心和Tualatin核心)

Katmai核心的Pentium Ⅲ处理器采用0.25 µm制造工艺。Pentium Ⅲ拥有32 KB一级缓存和512 KB二级缓存,包括MMX指令和Intel公司的3D指令SSE。其系统总线频率为100 MHz。

由于Coppermine核心Pentium Ⅲ与Katmai核心Pentium Ⅲ在频率上有重叠,因此,Intel在频率后增加了“E”和“B”两种后缀以示区别,其中“E”代表Coppermine核心,“B”代表133 MHz外频。两个后缀可以单独使用,也可以结合使用。例如,“600 B/512/133/2.05 V”代表这是一款外频为133 MHz、主频为600 MHz、拥有512 KB二级高速缓存的Katmai核心Pentium Ⅲ处理器。667 MHz、733 MHz以后的Pentium Ⅲ后面没有EB字样。

(5)Intel Pentium Ⅳ处理器。Pentium Ⅳ处理器是目前Intel公司投放市场上速度最快的系列CPU。

最先推出的是基于Willamette核心的Pentium Ⅳ处理器,如图2.5 所示。采用0.18 µm铝制程工艺,带有256 KB二级缓存,其内核集成3400万个晶体管,采用三层多级封装模式,Socket 423/478接口,400 MHz外频。

基于Northwood核心的Pentium Ⅳ处理器采用的是0.13 µm制造工艺,带有512 KB二级缓存,集成5500万个晶体管,Socket 478接口,100/133 MHz外频,400/533 MHz系统总线频率,如图2.6所示。

图2.5 基于Willamette核心的Pentium Ⅳ

图2.6 基于Northwood核心的Pentium Ⅳ

(6)Intel Celeron(赛扬)处理器。为了降低成本,占领低端市场,Intel公司于1998年4月推出了基于Covington核心的Celeron处理器,如图2.7所示。这款处理器采用66 MHz外频,与当时同频的Pentium Ⅱ处理器相比,区别就在于去掉了所有的二级缓存,这使得它的整数运算能力很差,因此也只推出了266 MHz和300 MHz两款。

2000年3月,Intel公司发布了基于Coppermine核心的Celeron Ⅱ(赛扬2代)处理器,采用0.18 µm制造工艺,并减小了管芯的面积,大大提高了CPU主频的极限和电压的消耗。Celeron Ⅱ的核心与Coppermine Pentium Ⅲ的核心一样,包含了多媒体指令、全速二级缓存及其他Coppermine Pentium Ⅲ的特性。新赛扬最大的优点就是将二级缓存集成到主芯片中,使得一级缓存和二级缓存可以并行工作,这样不仅使一级缓存和二级缓存之间的延迟时间缩短,同时一级缓存和二级缓存也能并行运行和同时存取,从而极大地提高了CPU的性能。但Celeron Ⅱ的二级缓存为128 KB,只有Coppermine Pentium Ⅲ的一半,因此性能受到很大影响。早期的Celeron Ⅱ使用66 MHz的外频,从Celeron 800 MHz开始使用100 MHz外频,如图2.8所示。

图2.7 Celeron处理器

图2.8 Celeron Ⅱ

图2.9 所示为前面提到的基于Tualatin核心的Celeron处理器,尽管它比相同核心的Pentium Ⅲ少了一半的二级缓存,但它仍然拥有256 KB的二级缓存,达到了与Coppermine Pentium Ⅲ相同的水平,唯一不足的是它的外频仍然只有100 MHz,这是因为Intel公司把它定位成一款低端产品,而不是产品本身的问题。

需要注意的是,Socket 370接口的Tualatin Celeron处理器无法直接在支持Coppermine CPU的主板上使用,这是因为Intel公司对其引脚进行了重新定义,同时Tualatin Celeron使用了更低的核心电压(1.475 V)。因此,在为Tualatin Celeron选择主板时,一定要注意查看主板是否支持这款CPU。

2002年,Intel公司推出了基于Willamette核心的Celeron处理器,如图2.10所示。它采用Socket 478接口,128 KB二级缓存,外频为400 MHz。

图2.9 基于Tualatin核心的Celeron处理器

图2.10 基于Willamette核心的Celeron处理器

2005年,Intel在Dothan和Yonah之后,推出了下一代处理器,其中桌面版代号为Conroe,移动版代号为Merom,服务器版代号为Woodcrest。受到Pentium M处理器架构和管线的启发,后来发布的下一代处理器采用双核心设计,并搭配2~4 MB二级缓存。

2006年Intel宣布了酷睿双核处理器,如图2.11所示。这是第一款面向便携式计算机设计的双核处理器,拥有极佳的性能,至少比P4快多了。这也是第一款真双核X86处理器,共享缓存设计,之前的Pentium D双核更像是一个外壳内封装了两个处理器。酷睿处理器是Intel迅驰平台的重要组成部分,在市场上取得了巨大的成功。唯一的缺点就是还是32 位处理器,不像P4那样支持64位技术。酷睿2架构在市场上拥有众多型号,主要根据配置的不同来划分等级,包括核心数量的不同(从1到4,单核到四核)、缓存的大小(从512 KB到12 MB)及FSB的快慢(从400 MHz到1600 MHz)。

三款基于Intel全新架构Nehalem的酷睿i7 处理器,采用四核心设计,主频在2.66~3.20 GHz之间。

Intel 2008年发布的酷睿i7(Core i7)有三个型号:920、940和965,其中965为至尊版。Core i7-940 处理器如图2.12 所示。2009 年增加了一款主流版本的i7-950 和一款至尊版的i7-975。酷睿i7-965至尊版主频为3.20 GHz,并具有6.4GT/s的QPI(QuickPath接口)带宽(相当于25.6 GB/s),这是和主流版本的关键区别。

图2.11 酷睿双核处理器

图2.12 Core i7-940处理器

2.AMD系列

AMD公司是世界第二大微处理器公司,成立于1969年。AMD公司生产的微处理器也属于80X86架构,早期的CPU与Intel的CPU完全兼容,可以直接安装在一般P54C类主板上,是X86计算机的一种经济型配置。虽然AMD推出CPU产品的时间较晚,但性能比同档次的Intel CPU要好。后来,AMD处理器形成了自己的产品系列,与Intel公司在台式机CPU市场展开了激烈的竞争。

(1)AMD Am486/586处理器,代号X5。于1995年11月上市,主频为133 MHz,采用Socket 3架构,集成160万个晶体管,核心电压为3.45 V。

(2)AMD K5处理器,如图2.13所示。为了与Intel Pentium系列处理器竞争,AMD推出了K5。这一款有75~166 MHz等几个版本。它采用0.60 µm或0.35 µm制造工艺生产,具备32 KB的一级缓存,二级缓存则集成在主板上。

K5的性能一般,整数运算能力不如Cyrix的6X86P,比Pentium略强;浮点运算能力远远比不上Pentium,但稍强于Cyrix公司的产品。

(3)AMD K6处理器。K6处理器是与Pentium MMX同一个档次的产品,与AMD K5相比,这一款Intel产品在时钟频率上提升了66~100 MHz。

(4)AMD K6-2处理器。K6-2是K6处理器的后继产品,于1998年4月推出,如图2.14所示。它在K6的基础上做了大幅度的改进,其中最重要的是支持“3DNow!”扩展指令集。K6-2 CPU带有64 KB的一级缓存(32 KB用于存储指令,另外32 KB用于存储数据)。

图2.13 AMD K5处理器

图2.14 AMD K6-2处理器

在推出Athlon K7之后,AMD仍旧为Socket 7持续开发了K6-2的新产品:K6-2+,如图2.15所示。它具备128 KB二级高速缓存。

(5)AMD K6-Ⅲ处理器,如图2.16所示。运算能力最强的Socket 7处理器就是这一款AMD K6-Ⅲ。它的256 KB二级缓存是K6-2+的两倍;此外,在主板上有与系统总线频率同步的三级缓存,容量在512 KB~2 MB之间。它的晶体管数为2130万个,最大耗电量则为29.5 W。经测试,K6-Ⅲ/500的性能领先于Intel Pentium Ⅱ/450。

图2.15 AMD K6-2+处理器

图2.16 AMD K6-Ⅲ处理器

(6)AMD Athlon(K7)处理器。Athlon(阿斯龙、速龙)又称K7,如图2.17所示。第一款Pluto核心的Athlon K7时钟频率范围为500~700 MHz不等,内含超过2200万个晶体管,支持3Dnow!和MMX指令集,一级缓存大小为128 KB,同时有512 KB的二级缓存外接在处理器模块上。此后没过多久,AMD就以更小的0.18 µm制程版Orion核心(K75)更上一层楼,使其Slot A版本最高时钟频率达到了1000 MHz。

2000年6月,AMD发布了新款Thunderbird(雷鸟)核心的Athlon,如图2.18所示。雷鸟集成了128 KB全速一级缓存和256 KB全速二级缓存。运行频率也很快提升至1~1.4 GHz。

图2.17 AMD K7处理器

图2.18 AMD Thunderbird Athlon处理器

(7)AMD Athlon XP处理器。如图2.19所示,它实际上就是新版本的Athlon。AMD公司采用了新的型号标示系统,此后的产品型号将不直接以处理器时钟频率来标示。例如,Athlon XP PR1500+的实际运行频率并不是1500 MHz,而是1330 MHz。因为AMD公司经过测试认为,其主频为1330 MHz的CPU性能不低于Intel公司1500 MHz的CPU,因此,将其标注为PR1500+。

图2.19 Palomino Athlon XP

下面的公式可以计算Athlon XP的实际频率:

实际频率=2×(PR标称值+5000)/3

Athlon XP与先前采用雷鸟(Thunderbird)核心的桌面型Athlon相比,的确快了3%~7%,因为它采用的是新的Palomino核心。这款核心同时应用在了AMD支持SMP功能的版本Athlon XP处理器以及笔记本电脑使用的Mobile Athlon 4处理器上。

继Palomino之后,AMD又对Thoroughbred核心做了进一步改进,先后推出了Thoroughbred“A”版与“B”版的Athlon XP处理器,并将其制造工艺转换到了0.13 µm。Thoroughbred“B”版与“A”版核心不同,不但内部连接层数从7层加到了8层,而且在外频上也有些差异。XP 1700+到XP 2400+等型号仍旧使用133 MHz外频,而XP 2600+和XP 2800+则能够增加到166 MHz外频。Thoroughbred“B”版的XP 2800+即将上市。

Barton核心是AMD Athlon处理器的第七代核心。Barton核心AMD Athlon采用0.13 µm制造工艺,集成了5430万个晶体管,拥有128 KB全速一级缓存和512 KB全速二级缓存。与上一版本的同型号处理器相比,其真实时钟频率稍稍降低了一些,这也是AMD在同一代处理器中,首次出现同型号CPU比前一版本频率稍低的状况。

在2005年,AMD新的顶级处理器诞生了,这个被命名为Athlon 64 FX的处理器采用0.09 µm制造工艺,频率可达到2.8 GHz,将逐渐取代FX-57。

AMD2008 年发布了三核羿龙8000 系列处理器(AMD Phenom X38000),如图2.20所示。在相同的主频上,三核羿龙处理器的多线程应用性能优于双核处理器。

图2.20 三核羿龙8000系列处理器

基于三核羿龙处理器和AMD 780G芯片组的PC可以支持DirectX 10游戏,从而使游戏爱好者将获得增强的游戏体验,例如逼真的3D图形和动态交互等。

3.Cyrix系列

Cyrix公司原是第三大X86芯片制造商,是一家很有名气的CPU公司,因Cyrix公司在产品开发和性能上发展得不好,在1999 年6月被目前最大的主板兼容芯片组厂商威盛电子(VIA)并购。

(1)Cyrix 6X86/6X86L/M1处理器。Cyrix的586级CPU被命名为6X86,是Cyrix公司在奔腾级处理器市场的第一个产品,如图2.21所示。Cyrix 6X86处理器采用PR等级来标记CPU频率,芯片的时钟频率为90~200 MHz。浮点运算能力差是Cyrix的主要问题。

(2)Cyrix 6X86 MX、MⅡ处理器。6X86 MX是Cyrix包含MMX指令的处理器,Cyrix的MMX指令与Intel的MMX指令不兼容。6X86 MX采用0.35 µm制造工艺,其一级缓存增加到6X86的4倍,即64 KB。

Cyrix MⅡ是Cyrix相当于挑战300 MHz Pentium Ⅱ的处理器,但事实上Cyrix MⅡ的300 MHz的主频实际只有233 MHz。Cyrix MⅡ内有64 KB的一级缓存,是Pentium Ⅱ的两倍,同时也支持MMX,如图2.22所示。

图2.21 Cyrix 6X86处理器

图2.22 Cyrix MⅡ处理器

Cyrix MⅡ的性能价格比还不错,但对于3D游戏,就显得力不从心了,这是因为其真实的时钟频率较低的缘故。

(3)Cyrix Media GX处理器。Cyrix Media GX处理器是面向低端市场的一种低价处理器。它在5X86内核的基础上增加了PCI及内存控制器,在此芯片中还整合有一个图形加速器及声卡,其一级缓存大小为16 KB,采用0.5 µm制造工艺。

4.IDT系列

IDT公司是1997年新进入处理器市场的公司,其微处理器事业部已被威盛公司收购。

1997年,IDT推出了第一个微处理器WinChip C6。C6属于X86级CPU,C6的价格低廉,提供60 MHz、66 MHz、75 MHz的系统总线频率,系统时钟频率为180~240 MHz。

1998年5月,IDT推出了第二代产品WinChip C6-2,采用0.25 µm制造工艺,带有64 KB的一级缓存,其二级缓存位于主板上,容量在512 KB~2 MB之间,同时还支持MMX及3DNow!指令。它的工作时钟频率为200~300 MHz,与C6的主要不同点在于浮点运算更快。

还有一款带有3DNow!指令的WinChip 2-3D,这一代的处理器也带有MMX指令,其最高的频率是300 MHz,采用Super 7(Socket 7)结构的主板都可以支持。

IDT的最后一款CPU是WinChip 2+NB,其内部集成了64 KB的与CPU同频率的缓存,它采用了Socket 7的结构,不过要使用专门的主板。

5.VIA系列

威盛(VIA)公司是全球最大的兼容芯片组厂商,但长期以来却只能依靠Intel公司的授权过日子。它先后将IDT公司和Cyrix公司收购,在2000年2月推出第一款CPU,命名为VIA Cyrix Ⅲ。

图2.23 VIA Cyrix Ⅲ处理器

VIA Cyrix Ⅲ(C3)处理器如图2.23所示,其最大的特点就是价格低廉,性能实用。C3采用了先进的0.13 µm制造工艺,具有很小的功耗和发热量,非常适合那些对系统性能要求不高、对价格较为敏感的用户使用,目前有的笔记本电脑和移动PC正在使用C3。C3目前的工作频率最高已经达到了1 GHz。1 GHz的VIA C3拥有目前最小的X86处理器芯片核心,内置128 KB高速一级缓存及64 KB高速二级缓存。可支持100 MHz、133 MHz的前端总线(FSB),支持MMX、3Dnow!等多媒体指令集。

对于上述介绍的几大CPU生产厂商的产品,用户可根据产品的性能选购,但需要提醒大家的是:在购买CPU的时候千万不能期望“一步到位”,因为按照所谓的“摩尔定律”,CPU速度(频率)每18个月就将提高1倍。因此,对广大用户来说,只需考虑够用就行了。

6.国产CPU

21世纪,国产CPU如雨后春笋,频频展露出喜人的“尖尖角”。

2001年3月,中星微电子公司开发出数码影像处理芯片“星光1号”。

2001年7月,方舟公司的“方舟1号”嵌入式CPU问世。

2002 年9月,中科院计算所研制成功我国首款通用高性能CPU——“龙芯1号”。龙芯2号(Godson-2)于2003年正式完成并发布,如图2.24所示。龙芯2号是64位处理器,内频为300~500 MHz,500 MHz版与1 GHz版的Intel [Pentium III]、Pentium Ⅳ拥有相近的效能水平。

图2.24 国产CPU

2002年11月,上海复旦微电子公司推出高性能嵌入式32位微处理器——“神威1号”。

2002年12月,北京大学“众志1号”面世。

2003年2月,上海交通大学的“汉芯1号”面世。

2006年9月13日,“64位龙芯2号增强型处理器芯片设计”(简称龙芯2E)通过科技部验收,该处理器最高主频达到1.0 GHz,实测性能超过1.5 GHz Pentium IV处理器的水平。

这些国产CPU有三个特点:一是群体性,不是一两家企业,而是一批企业在同一时间段陆续推出;二是技术先进,有的接近世界领先水平或与之相当;三是在信息化建设的第一线迅速产生效益。人们在为国产CPU实现群体突破感到欢欣鼓舞的同时,更加关心的是国产CPU怎样才能真正形成产业,带动我国信息产业的发展。

发展国产CPU,结束中国信息产业无“芯”的局面,这是萦绕在几代爱国科技工作者心中多年的梦想。