见证"芯"路 30年CPU架构发展史(一)

Pentium～Pentium Ⅲ：x86架构的成熟

1.第一代Pentium：超标量、MMX指令集、动态执行

1993年，80486时代划上句号，英特尔发布第五代x86架构微处理器，并将其命名为“Pentium”，它同时也有一个响亮的中文名称“奔腾”。Pentium本应命名为80586或 i586，但阿拉伯数字无法用来注册商标，而英特尔又很不希望AMD、Cyr ix这些竞争对手用同样的名字来抢自己的饭碗，所以打算注册一个全新的商标——“Pentium”。这个名字其实也是“第五”的意思，通常认为它是希腊文“五（penta）”加拉丁文中代表名词的接尾语“ium”的造词。

Pentium处理器内部含有的晶体管数量高达310万个，时钟频率由初推出的60MHz和66MHz，后提高到200MHz。即便是66MHz的Pentium微处理器，它的运算性能都比33MHz的80486DX提高了3倍多，而100MHz的Pentium更是快6～8倍。由于Pentium的制造工艺优良，所以整个系列的CPU的浮点性能也是各种各样性能是CPU中强的，可超频性能大。“超频”这种不花钱提升性能的好方法开始在用户中广泛流行起来，这也让Pentium赢得586级处理器的大部分市场。

超标量(Superscalar)架构是Pentium在架构上主要革新之一，它拥有两个资料路径(管线, pipelines)，可以达到在一个时钟周期内完成一个以上的指令。一个管线(称为“U”)可以处理任意指令，另外一个(称为“V”)可以处理简单和通用的指令，相当于吸收了传统RISC处理器设计的特色，这种设计显示出两种技术融合的可能性，也提升了x86的运行效率。不过在指令执行机制上，Pentium架构还是顺序执行(in-order)，后来在Pentium Ⅱ时代则被乱序执行所取代。

图5 Pentium处理器的逻辑分布图

早期60MHz～100MHz的Pentium处理器在浮点运算单元上存在一个问题，极少数情况下会导致除法运算的精确度降低。这个缺陷在1994年被发现，英特尔随即陷入巨大的窘态，不得不召回有问题的处理器。另外，早期0.8微米工艺的Pentium也由于热量过高备受指责，当然后来制程升级至0.6微米之后才被一一解决。

Pentium-MMX是Pentium架构的一次关键升级，除了采用0.35微米制作工艺外，它引入了57个“MMX”指令集来增进多媒体工作的效率，比如像多媒体的编码与解码操作。这些指令集其实是快速执行的硬件，不过要让程序从中获得好处，就必须在编码时支持MMX指令技术，这种附加指令集机制也成为后来所有x86处理器的基准。由于应用程序都会支持MMX指令，也增强了英特尔在该领域的垄断地位。

1996年，英特尔在Pentium的基础上推出第六代x86处理器（内核代号P6），这便是Pentium Pro（中文称为“高能奔腾”）。Pentium Pro内部含有高达550万个的晶体管，内部时钟频率为133MHz，主频则有150MHz、166MHz、180MHz、200MHz等多种规格。Pentium Pro配置了8KB指令和8KB数据的一级片内缓存，另外在Pentium Pro的处理器封装中，除CPU芯片外还包括有一个256KB的二级缓存芯片，两个芯片之间用高带宽的内部总线互连，处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中，这样就使得高速缓存可以容易地运行在高频率上—比如Pentium Pro 200MHz CPU的高速缓存也是运行于200MHz，二者步调一致，这种设计使得Pentium Pro的性能达到优化。

在同等频率下，Pentium Pro处理速度几乎是100MHz的Pentium的2倍，其中的关键就在于Pentium Pro具有一项称为“动态执行”的创新技术，它可以通过分支预测算法来提前执行指令，避免不必要的闲置等待，这是继Pentium在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。可以说到此为止，英特尔x86处理器的架构已经基本成型，之后的Pentium Ⅱ直到Pentium 4，都没有脱离这个体系。

2.Pentium Ⅱ到Pentium Ⅲ：平滑升级之路

1997年5月，英特尔推出Pentium Ⅱ处理器，第一个版本核心代号为Klamath，使用0.35微米制造工艺，它只有233MHz和266MHz两个版本，使用66MHz前端总线，后期还有300MHz的高频版本。Pentium Ⅱ其实延续了Pentium Pro的架构，加入MMX指令集支持，L1 Cache的容量提升到32KB（16KB指令+16KB数据）。Pentium Ⅱ拥有512KB的L2 Cache，这已经是比较现代的数字了，当然它仍然还是位于芯片外部。Pentium Ⅱ没有继续采用针脚的Socket式插座，而改用了槽式的Slot 1，这种设计也被后来的Pentium Ⅲ沿用。

1998年1月，代号为Deschutes的第二代Pentium Ⅱ处理器发布，它的运行频率为333MHz，前端总线也提升到100MHz，改用更先进的0.25微米制造工艺，发热量获得显著降低。这个版本的Pentium Ⅱ高达到450MHz主频。

Pentium Ⅱ时代的PC有过大量的变革，比如SDRAM内存替代了老式的EDO DRAM，AGP显卡开始引入。另外，削减二级缓存的Celeron（赛扬）处理器和针对服务器的Xeon处理器都开始出现。Xeon拥有一个全速的二级缓存，并且有512KB、1MB、2MB等多个版本。当时笔记本电脑已经开始进入高端商业领域，英特尔也因此开发出Pentium Ⅱ的移动版本，它将256KB二级缓存集成于芯片内部，封装尺寸也更小巧。

图6 Slot 1接口的Pentium Ⅲ处理器

1999年2月，代号为Katmai的第一代Pentium Ⅲ处理器发布，但它其实只是Pentium Ⅱ的改进版：指令集升级为更强大的SSE，一级缓存控制器作一些改进，依旧使用半速的512KB二级缓存、0.25微米制造工艺和Slot 1封装。Pentium Ⅲ大的争议在于加入了CPU序列号，英特尔的说法是为增强网上电子商务的安全，让每一颗Pentium Ⅲ处理器都具有识别用户的号码——事实上，英特尔明显超越了作为芯片厂商的权限，为此不得不随后发布补丁工具允许用户关闭。

第一代Pentium Ⅲ高主频截止到600MHz，后被代号为“Coppermine（铜矿）”的第二代Pentium Ⅲ所取代。一般认为，“铜矿”才是真正意义上的Pentium Ⅲ：它拥有新的架构、新的接口、新的制造工艺，性能的提升也相当巨大。Coppermine发布于1999年10月，它采用了当时先进的0.18微米铜互连技术制造，同时将256K B二级缓存直接集成于CPU内核中，新工艺让Coppermine拥有更低的发热量，CPU也能够工作在更高的主频上——Coppermine从733MHz起跳，它终突破1GHz的关口，在x86微处理器史上值得书下一笔。

Coppermine也奠定了日后英特尔微处理器的基础，它采用三发射设计，同时可以执行三条指令；流水线为12级，32KB一级缓存和256KB二级缓存，通过100MHz～133MHz前端总线与芯片组相连。这套架构影响深远，事实上，后来迅驰平台的Pentium-M，乃至于今天的Core微架构，都是脱胎于Coppermine。

Coppermine有一个短命的后续者，这就是0.13微米工艺的Tualatin(图拉丁)内核，Tualatin将二级缓存的容量提升到512KB，工作频率高突破1.4GHz，在当时性能完全不亚于频率高得多的Pent ium 4。芯片组也支持快速的DDR SDRAM，平台的整体性能颇为出色。问题在于Tualatin的流水线依然只有12级，1.4GHz频率已经到了极限，而当时频率至上的思想相当普遍，Tualatin并没有得到应有的重视。但是在注重低功耗的笔记本电脑领域，Tualatin也广受欢迎，以至于Pentium 4-M备受冷落。

在Coppermine时代，AMD第一次对英特尔构成真正意义上的挑战—虽然此前的K6、K6-2系列获得不菲战绩，但那只是凭借性价比而非性能优势。AMD在发布K7架构的Athlon处理器之后，竞争的天平就开始逆转，Athlon早在Coppermine之前突破1GHz大关，并且性能表现强劲，虽然当时缺乏良好的芯片组支持，但足以证明AMD可以制造出同英特尔相媲美的产品。