姓名：呂烜威? ? ?學號：20021210973? ? ?學院：電子工程學院

轉載自：處理器簡史：半導體巔峰统阿，縱橫四十年--(2) X86發(fā)展史?

【嵌牛導讀】CPU膜赃，是IT行業(yè)的制高點度液，既是各大IT公司角力的主戰(zhàn)場，背后還是各國政府科技競賽的競技場，40年江湖，你方唱罷我登場池充，好不熱鬧。在進入CPU時代前的史前時代,?是計算機從發(fā)明到大發(fā)展的計算機時代,?包含機械計算機缎讼、電動計算機收夸、電子管計算機、晶體管計算機休涤、集成電路計算機等幾個次世代,?這是一個屬于IBM的光輝時代,?也標志著人類進入電腦逐步解放人腦的智能時代咱圆。

【嵌牛鼻子】處理器? ARM? 計算機 X86

【嵌牛提問】X86是如何崛起的

【嵌牛正文】X86的發(fā)展

1978年6月8號，Intel發(fā)布了其第一款16位的微處理器--8086功氨，還有一句著名的廣告語“開啟了一個時代”序苏。

有點夸大其詞？那是捷凄，不過也的確說的比較準忱详。當8086的光環(huán)退去之后，其支撐架構--后來我們所熟知的x86也成為了最成功的業(yè)界技術標準跺涤。

“X86”是Intel和其他幾家公司處理器所支持的一組機器指令集匈睁，它大致確定了芯片的使用規(guī)范。從8086到80186桶错、80286航唆、80386、80486院刁，再到后來的奔騰系列以及現(xiàn)在的多核技術糯钙，都是使用一脈相承的x86指令集，既不斷擴展又向后兼容退腥。

在8086之后的30年間任岸，x86家族橫跨了桌面、服務器狡刘、便攜式電腦享潜，超級計算機等等。無數(shù)對手敗倒在了其腳下嗅蔬，甚至是一些看似已成定局的領域剑按。例如近年來被x86所吞掉的蘋果電腦疾就，原來一直使用的是PowerPC。

那么Intel的架構是怎么統(tǒng)治了電腦世界這么多年吕座？讓我們一起來看看虐译。

Intel 8086的產(chǎn)生

在1971年，Intel為一家日本計算器廠制造了Intel歷史上的第一塊處理器——4位的4004吴趴。很快，在1975年侮攀，Intel又推出了8位的處理器8008和8080锣枝。8080處理器為Altair8800 PC所采用。順便說一句兰英，Altair8800 PC是一臺郵件訂單處理計算機撇叁。比爾·蓋茨和保羅·艾倫建立微軟公司的時候，就曾把Basic賣給Altair8800 PC畦贸。

3年以后陨闹，16位的8086初次登場。在80年代初薄坏，IBM公司選擇了8086的衍生產(chǎn)品8088作為IBM PC的處理器趋厉。IBM的這一行為給X86帶來了巨大發(fā)展，并且?guī)椭蔀榱诵袠I(yè)標準——一直到今天胶坠。

Intel執(zhí)行副總裁Patrick Gelsinger說：“PC行業(yè)發(fā)展的革命性轉折點是1985年32位處理器80386的推出君账，它推動了整個行業(yè)的發(fā)展。當時沈善，X86需要從早期的16位尋址空間進行升級乡数。”人們問我們：“32位是什么闻牡？”我們說：“它是給微型計算機和中型計算機用的净赴。”那時人們總會嘲笑們說這太浪費了罩润，這些是沒必要的事情玖翅。

當時IBM拋棄了386，因為當時沒有32位的軟件發(fā)揮出它的性能哨啃。IBM自己也開發(fā)了16位的操作系統(tǒng)叫做OS/2烧栋。

當時擔任386設計小組成員的Patrick Gelsinger說：“IBM當時擁有自己的整個架構。它們有它們自己的應用程序拳球，操作系統(tǒng)和硬件設計审姓。當IBM開發(fā)下一代產(chǎn)品時，他們將是唯一能夠給提供全套解決方案的祝峻，只是并不能保證下一代過渡的兼容性魔吐≡玻”

“當386到來時候，所以的一切變了酬姆，”Gelsinger說嗜桌，：“我們從一個垂直的行業(yè)到一個水平的行業(yè)，而且我們真的打開了新世界之門辞色」浅瑁”

386之后，1989年486誕生了相满。由于當時數(shù)字不能作為商標层亿，Intel從1993年開始改變了產(chǎn)品命名方法。第五代處理器被命名為Pentium而不是586立美。數(shù)字命名產(chǎn)品轉變?yōu)镻entium命名（比如Pentium Pro, Pentium II and Pentium D）匿又。從那時開始，Intel在X86體系中建蹄，增加了低端的賽揚系列和高端的雙核系列產(chǎn)品碌更。

所有的基于X86架構的芯片，開始于8086洞慎，一直延續(xù)到今天痛单。當然他們的命名發(fā)生了變化，運算速度也有了驚人的提升拢蛋。

成功的秘方

為什么X86能一直成功桦他，擊退甚至完全打敗其他的處理器架構？從一開始來說谆棱，X86的誕生就是在一個很恰當?shù)臅r間點快压。1978年的時候，計算從巨大垃瞧、昂貴的中型計算機轉變?yōu)樾⌒湍枇印⒈阋说奈⑿陀嬎銠C已經(jīng)有幾年了。臺式電腦成為變革的前沿个从。

更重要的是脉幢，X86證明了戈登·摩爾在1965年提出的一個定律。戈登.摩爾在后來成為Intel的主席和CEO嗦锐。摩爾說嫌松，在成本不變的前提下，微處理每過2年其運算速度會翻一番奕污。他的預言萎羔，后來被成為摩爾定律，被證實是正確的碳默。X86的發(fā)展道路越走越寬贾陷。X86處理器也從數(shù)據(jù)處理中心走向辦公室和千家萬戶缘眶。

并且8086以及它的后續(xù)產(chǎn)品一直與電腦行業(yè)兩個大名鼎鼎的名字緊緊聯(lián)系在一起。在1972年髓废，比爾·蓋茨和保羅·艾倫就嘗試用性能很弱的8008開發(fā)Basic編程語言巷懈，雖然后來失敗了。但是他們最終在性能強勁一些的8080處理器上開發(fā)出了Basic語言慌洪，并在1975年把Basic語言應用到Altair8800 PC顶燕。

這成為Intel和微軟親密關系的開始。微軟從那開始蒋譬，創(chuàng)造了一個巨大的軟件帝國割岛，并推動了整個行業(yè)的發(fā)展。在X86架構成功的過程中犯助，可能沒有比RISC 處理器的影響更巨大的了。

RISC的威脅

在20世紀80年代晚期和90年代早期维咸，X86的一個巨大威脅產(chǎn)生了——RISC(精簡指令集計算機)剂买。采用RISC架構的處理器有Sun Sparc、IBM/蘋果/摩托羅拉的PowerPC癌蓖，以及MIPS處理器瞬哼。RISC架構的核心思想是：處理器的指令集如果十分簡單，一個時鐘周期運行一個指令租副，那么處理器的速度會十分快坐慰。RISC的核心思想有別于以X86為代表的CISC(復雜指令集計算機)，CISC的核心思想是采用復雜的多時鐘周期指令用僧。

計算機專家們和Intel的競爭對手們曾經(jīng)預言CISC會最終消亡结胀。“那確實是一個十分艱難的時期”责循，Gelsinger承認糟港。確實，Intel很快開始開發(fā)自己的RISC工作站處理器i860院仿。但是860或者其他RISC處理器最終都沒能改變X86的地位秸抚。

根據(jù)領導了80486開發(fā)的Gelsinger的說法，原因是這樣的：在486發(fā)布以前（1989年4月10日）歹垫，已經(jīng)有價值數(shù)百萬美元的軟件打算在486平臺上運行剥汤。雖然和RISC相比，x86(CISC)架構是有一點慢排惨，但是當你花時間開發(fā)出適合RISC的軟件的時候吭敢，我們已經(jīng)開始出更快的x86處理器。我們有巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢若贮，因為我們已經(jīng)有了一個良好的基礎省有，并且我們有龐大的開發(fā)團隊痒留。RISC電腦不可能趕上我們。

具有諷刺意味的是蠢沿，比80486和Pentium處理器性能更強的RISC處理器電腦由于缺少軟件伸头，最終消亡了，包括Intel自己的i860處理器和其他的RISC處理器舷蟀。打算推出RISC架構是一個錯誤垦页，Intel后來承認。

RISC發(fā)明人之一逞姿，加州大學伯克利分校的計算機教授David Patterson說：“但是RISC激發(fā)了許多創(chuàng)新”妻顶。例如，電子設備集團的VAX架構能夠也是隨著RISC發(fā)展起來的匈子，雖然最后也消亡了河胎。但是Intel能夠吸收RISC的各種優(yōu)秀想法，依靠他們雄厚的軟件基礎虎敦，改進舊有的架構游岳。同時，Intel的成功的另外一個原因是它的先進的制造技術其徙。

浮點錯誤的災難

像RISC一樣讓人痛徹心脾的危機胚迫，發(fā)生于1994年夏天的夏天，當時Intel的測試工程師發(fā)現(xiàn)了在新Pentium處理器的浮點電路中存在微小的錯誤唾那。錯誤發(fā)生的幾率很低访锻，所以對于這些錯誤的影響，Intel僅僅對芯片修正后就重新進行生產(chǎn)闹获，并且沒有召回有瑕疵的芯片期犬。

但是幾個月后，弗吉尼亞州林奇堡學院的一位數(shù)學教授昌罩，就發(fā)現(xiàn)了這個缺陷哭懈。他無法找到Intel的任何人聽他申訴，因為Intel當時并不承認茎用。所以他把他的發(fā)現(xiàn)公布在互聯(lián)網(wǎng)上遣总。沒過多久，Intel就陷入了輿論風暴之中轨功，并導致了巨大的公共關系危機旭斥，最終花費了4億7500萬美元召回這批芯片。

“這是一次痛苦的經(jīng)歷古涧，但是我們最終學會從消費者的角度出發(fā)”垂券， 前Intel資深副總裁Albert Yu在他的著作《創(chuàng)造數(shù)字未來》中回憶說。

兼容并包

另外一個x86歷史上的標志性的事件發(fā)生在1995年」阶Γ卡內基梅隆大學計算機教授算芯、Intel問題研究專家Todd Mowry這樣說。當時Intel推出了革命性的Pentium Pro微處理器凳宙，能夠預先考慮一串指令熙揍，并猜測那些需要不按照規(guī)則處理的指令。Pentium Pro還擁有一個全新的高速緩存氏涩，這一切保證了處理器能夠獲得大部分時間届囚，并且在一些應用程序中表現(xiàn)出色。

“事情完全出乎意料”是尖，Mowry說意系，“他們使用了RISC的優(yōu)點，但并沒有改變指令集饺汹。他們把X86指令翻譯成更像RISC指令的微操作蛔添。所以你擁有的是x86電腦中的RISC電腦。并且這樣的做法彌補了X86原有的性能差距兜辞。

Mowry說Pentium Pro源于一個自上而下的設計處理作郭。“他們先打算設計出一款高性能的電腦弦疮，再計算出怎樣使得X86滿足設計要求”，他說蜘醋。

尋找非x86架構的優(yōu)點和缺點胁塞，這是x86取得進步的方法。Gelsinger說：“Pentium是一個巨大的架構進步压语，我們從微型機和中型機中尋找優(yōu)秀的想法啸罢，并且把這些想法在實踐中做得更好，因為我們有一個巨大畫布讓這些美麗的想法盡情揮灑——這個畫布的名字叫做硅胎食∪挪牛”

“中型機是把要處理的不同部分在機柜中的一個很廣闊的空間內傳遞。與中型機不同厕怜，微處理器設計者們則把所有的信息單元放在在單獨的衩匣、微小的、緊密集成的芯片上粥航，這樣設計會更加有彈性琅捏，設計的產(chǎn)品更出色〉萑福”他說柄延。確實，這些年來缀程，當由多種配件組成的電腦系統(tǒng)發(fā)展并不很快時搜吧，硅芯片取得了與摩爾定律所預測完全一致的驚人發(fā)展速度市俊。

競爭愈演愈烈

Intel并沒能夠有避免競爭，哪怕是在自家的x86架構領域滤奈。例如摆昧，1987年創(chuàng)建于硅谷的臺灣威盛公司采用了x86的技術，銷售主板芯片組僵刮。威盛目前生產(chǎn)很廣的一系列產(chǎn)品据忘，并且打算生產(chǎn)自己的x86架構低能耗移動處理器。

AMD公司搞糕，世界第二大芯片制造商勇吊，自從2000年以來，它已經(jīng)成為了Intel的強有力的競爭對手窍仰。在整個20世紀80年代和90年代汉规，AMD已經(jīng)成為一個x86芯片的模仿者，并且?guī)缀鯇ntel產(chǎn)生重大影響驹吮。

但是AMD出人意料的在2000年推出了64位的基于x86擴展指令集的處理器针史，并取得了良好的技術聲譽和市場效果。作為一個擴展集碟狞，它意味著新的x86架構的64位處理器能夠運行舊的32位軟件啄枕。

在那時，Intel的64位產(chǎn)品是安騰族沃，由于Intel和HP開發(fā)频祝，主要用于超標量執(zhí)行。該處理器在一個大鐵箱中脆淹，并且它不與x86架構的32位軟件兼容常空。Intel面對AMD的威脅，在2004年盖溺，推出了自己的64位x86指令擴展集漓糙，EM64T。事實表明烘嘱，AMD已經(jīng)在最重要的64位產(chǎn)品市場打敗了Intel昆禽。

“這是一個用x86指令集的靈活性對抗Intel的例子”，Patterson說拙友，“所以盡管Intel統(tǒng)治著這個市場为狸，其他公司也能夠改變x86的發(fā)展方向∫牌酰”

戰(zhàn)略轉變

即使沒有與應用有關的改進辐棒，性能上的改進也足以使x86獲得令人驚奇的成就。1978年，8086處理器問世的時候漾根，它的工作頻率只有5MHz泰涂，芯片內的晶體管數(shù)量為2.9萬多個。 如今的四核英特爾臺式電腦處理器的工作頻率已經(jīng)達到3GHz辐怕，速度是8086的300多倍逼蒙，芯片內的晶體管數(shù)量也增加到了8.2億多個，是原來的2.8萬倍寄疏。

卡內基梅隆大學計算機科學教授是牢、英特爾研究顧問Todd Mowry說：“在不斷減小晶體管尺寸和其他技術改進的過程中，英特爾也遇到不少巨大的技術難題陕截，英特爾對此進行了大量投資驳棱。”英特爾將其中一個問題稱作是右拐彎农曲。隨著電路尺寸的縮小社搅，散熱問題變得越來越難解決，只能通過增加芯片上的處理器核心數(shù)量來提升性能乳规，而不能無限制地加快處理器時鐘速度形葬。

Mowry說，隨后對提升性能的研究也就從硬件轉移到了軟件上暮的。他說：“在研究社區(qū)笙以，問題的重點不是我們如何開發(fā)出更好的處理器核心，而是如何將許多核心集成到一個芯片上冻辩≡粗”

目前最有希望取得成功的解決方案是利用軟件交互內存的技術將多核心芯片并聯(lián)起來，那樣就可以在不損害共享數(shù)據(jù)的情況下保留并行線程微猖，而且也不用鎖定或限制對那些數(shù)據(jù)的訪問。這是一種算法解決方案缘屹，屬于軟件范疇凛剥，但是對這種技術的支持可以被內建到x86硬件中去。

Mowry說轻姿，不斷在處理器芯片上增加更多核心犁珠，這種解決方案的唯一限制是軟件開發(fā)商利用那些核心的能力。最大的障礙就是思路的轉變互亮，從串行思路轉向并行思路犁享。

Rattner預計，在未來五到七年內豹休，每片芯片中的處理器核心數(shù)量將達到數(shù)百個炊昆。由于每個核心都擁有多條線程，因此芯片支持的并行線程的數(shù)量可能會超過1000個。 但是他也承認凤巨，現(xiàn)在這個世界上還沒有多少人知道如何利用好1000條線程视乐。

挑戰(zhàn)極限

但是這并不是說隨著硅晶體管數(shù)量的增加，x86指令集就不會以全新的方式得到應用敢茁。40多年來佑淀，晶體管一直被置于硅片表面的下方。現(xiàn)在出現(xiàn)了一種新技術彰檬，可以將它們安裝在硅片表面的上方伸刃。

那樣就有可能用硅之外的其他材料來生產(chǎn)晶體管了，比如像砷化鎵那樣的材料擁有更好的能量和性能特性逢倍。Rattner說：“在一二代產(chǎn)品（大約二到四年）內捧颅，我們還不能開發(fā)出晶體管位于硅片表面上的處理器產(chǎn)品，但是處理器生產(chǎn)材料必定會在未來十年發(fā)生許多創(chuàng)新瓶堕“溃”

威盛電子的Centaur研究中心總裁Glenn Henry說：“在低端方面，x86體系架構的發(fā)展空間是有限的郎笆，它就像是烤箱或者汽車里的燃料噴射器一樣谭梗。如果你想開發(fā)出原子彈那樣的高端產(chǎn)品，可能也存在一個限制宛蚓。在這兩者之間激捏，x86體系架構已經(jīng)多次證明它是可以適應的∑嗬簦”

雖然英特爾正在開發(fā)基于全新晶體管的電子學远舅，但是Rattner指出，英特爾最多只能在芯片中增加更多的核心痕钢。比如為量子和DNA計算服務開發(fā)的處理器图柏。他解釋說：“那確實改變了計算服務的數(shù)學基礎，而且風險也很大任连。 同時它們可能只能應用于非常窄的應用領域蚤吹，不能用于通用計算服務∷婵伲”

Mowry預計裁着，要想實現(xiàn)那些新技術，至少還要20年的時間拱她。他說：“我預計只有當我們真的開始達到傳統(tǒng)技術的頂峰時二驰，人們才會去認真對待那些新技術”樱”

所以桶雀，x86能夠再生存并繁榮30年么矿酵？在競爭的格局中，將有許多力量從根本上改變微處理器的設計背犯，甚至就會發(fā)生就在近期發(fā)生坏瘩。但是幾乎沒有人預測令人尊敬的x86架構會消亡∧海卡內基梅隆大學的Mowry說道：“我們恐怕很難看到其他的指令集取代x86倔矾，因為有太多的有價值的軟件運行在x86架構上≈拢”