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數位設計細項—微處理器的變遷BY洪健倫

一、前言

微處理器CPU（CentralProcessingUnit）就是所謂的中央處理器這個名詞，它是電腦的心臟、資料處理的核心。一般使用電腦的人對它的其內部構成通常不是很清楚。它主要由五個單元構成 1.算術及邏輯運算單元2.控制單元3輸出單元4.輸入單元5.暫存器所構成。CPU的運作原理透過運算出算術及邏輯運算單元結果後存回記憶體，同時由主機板，與外界的I/O週邊溝通，達到資料處理的目的。

二、微處理器的性能定義

1.內部運算架構(Architexture)： CPU的內部會影響整個CPU的運作效能設計，有無內建快取記憶體，指令、資料與記憶體的讀寫設計。

2.位元處理能力：8位元、16位元32位元及64的CPU。通常這跟CPU內部暫存器、資料匯流排或指令寬度有關，越大處理的速度越快。

3.記憶體容量： CPU的記憶體控制範圍有多少MB，例如AMD 64等64位元的CPU，其最大記憶體容量有2的64次方等於128000MB=128GB。

4.工作時脈(clock)： CPU工作時脈越高，執行指令的單位時間(cycle)越小，相對的速度就越快。例如說Intel PENTIUM 4 630，是以3000MHz(=3000,000,000Hz/每秒鐘)為工作時脈，它其與同類型的Intel PENTIUM III 500 (500MHZ工作時脈)相比較，前者速度就比後者快上六倍以上。

5.IC製程：一般是以依線路精密度來分，是以微米(micron,=10的負6次方M,也就是百萬分之一公尺)。目前最新的CPU製程為0.065um，因此越精密體積越小，產生熱量更低。

三、微處理器的發展歷程

1. x86時代開始-------1978

INTEL在1978年推出了8086處理器，那也是所有x86相容CPU的基礎。這個稱為「XT」的PC系統時脈速度是4.77MHz，其後則增快至8MHz，記憶體最高容量是1MB。這個時期的RAM記憶體，容量使用Kb來作單位。三年後的1985年，INTEL推出了理論上可以支援4GB RAM的386電腦，可是當時卻沒有相對應的技術及主機板。

2.IBM相容型個人電腦 PC系統－Socket 1、2、3-----1989

INTEL在1989年推出了以Socket 1為架構的486 SX CPU，開始時的時脈速度是25MHz，過了一年推出Socket 2架構486 DX 33才首次配備了數學運算輔助處理器，慢慢的又推出486 DX2-66，而在後續數年，速度則加快至486 DX4 133MHz，這時另一家廠商AMD也開試掘起，推出了低於25%價格，時脈速度可達133MHz，而其中AMDX-4 120MHz版本特別受歡迎，也正式開啟了INTEL 即AMD二強相爭的戰國時代。

3. CPU進入Socket 4的Pentium時代----------- 1993

Pentium電腦推出之時。很多街坊小公司打從那個時候開始如雨後春筍般的設立，開始為電腦進行組裝及為其產品貼上各自的品牌名稱。1993年推出的Socket 4支援INTEL的Pentium 60及Pentium 66 CPU。比起最快的486 CPU，30MHz時脈速度版本的CPU比起最快的486 CPU來說顯然較慢。另一方面，Pentium 66的功能雖然已經蠻強的－可是很多使用者都花同樣的錢去購買時脈速度較快的486 DX 100。

4：Socket 5－AMD及INTEL CPU 大戰---1996-1998

1996當時INTEL推出新穎的CPU平台：Socket 5繼Socket 4後，搭配著Pentium 75一併推出市場，AMD方面則推出了K5-75 - K5-166、K6-166 - K6/III-500等

5.使用最多年Socket 7架構…………………………. 1994-2000

INTEL推出了Pentium MMX的同時AMD也推出了時脈速度高達166MHz的K6 CPU及MMX CPU。SDRAM首次被採用，為記憶體的傳輸速度大幅的提升。記憶體模組有60 ns（EDO）或70 ns（Fast Page），記憶體的傳輸速度已可達每秒90MB，而記憶體最高可達384MB，繼而是768MB，同期，ATX的規格也開始採用，而且新的電源規格讓電腦可以處於待機狀態或是透過軟體來開或關電腦。而AGP介面的推出，提供了比起一般的PCI介面更快的傳輸速度。這個時期的記憶體仍然十分昂貴，而且速度也十分慢。

6.Slot 1……………………………………….. 1997- 2000

1997年INTEL把Socket 7更換至Slot 1可說是印證INTEL被市場所引導的最佳例子。就技術而言，唯一可說的上只有將內部的L2快取記憶體從處理器核心放到外面的一塊較大的機板上，INTEL還信誓旦旦的宣稱這是未來的主流，事實上因為運作時阻抗值太高而無法由主機板連接上快取記憶體，使得整個系統無法超頻，這個嚴重的處理器時脈上的限制，產生許多負面的評價，所以Slot 1一開始就有許多爭議。

7. Slot 1低階版本Socket 370……………….1998- 2001

很多使用者都因為成本的考量而放棄Slot 1平台，因為早在1998年，最新的平台藍圖已經準備好了：PPGA及FC-PGA兩種封裝方式的Socket 370平台，PPGA因為價錢較便宜而廣為OEM系統廠採用。一如上述所提及，只有Celeron採用塑膠封裝，久以來，Slot 1及Socket 370 CPU都會同時製造及出售，儘管Pentium III從1GHz時脈以上就會遇上Slot 1速度的極限。

8 Socket 478 PENTIUM 4時代來臨…………2001-2004

P4 Northwood核心的推出也伴隨著Socket 478的來臨。此CPU核心支援512kB RAM，而其L2快取記憶體容量也比前一代CPU多出一倍。此平台同時支援RD-RAM(Rambus)、SD-RAM及DDR-RAM。由2.4GHz的P4開始，INTEL的CPU已可支援的FSB速度已可高達133MHz (533 QDR) 到了3.06GHz的P4導入了超級執行緒（Hyper Threading）技術，而記憶體廠商們更推出頻寬可達3.3GB/s的RD-1066記憶體。記憶體頻寬的增加，保證了良好的效能，也提供了優異的視訊解碼效能。

9. AMD Slot A和Socket A……………………..1999- 2005

在INTEL（Intel）推出Slot 1 CPU的一年後，CPU界揭開了可稱得上「史詩式」的一頁：AMD的Dirk Meyer在1998年，於Microprocessor Forum首次公開了Athlon CPU。當年的研討會，讓很多人，包括是親臨是次會議的INTEL代表都驚訝不已。Athlon支援Alpha EV6匯流排協定，同時還提供了數個INTEL沒有提供的新發明。

2000年AMD在此階段開始為採用不一樣的CPU效能命名系統，可是此命名系統卻引起許多誤會。第一顆XP CPU雖然標上1800+，可是其時脈速度只有1533MHz。根據AMD的說法，AthlonXP 1800+的時脈速度應該跟Athlon Thunderbird差不多；很顯然AMD就是要跟INTEL一拼高下。AMD這個命名方式，最終演變成絡繹不絕的持續討論。其實，雖然AMD的CPU時脈及前端匯流排（FSB）速度的確增加了，可是並沒有像INTEL增加的幅度那麼大。

10.Socket 775 PENTIUM D 雙核心2004-2006

INTEL從Socket 478邁進至Socket LGA 775可說是跨了一大步。LGA是Land Grid Array的簡稱，而新腳位的推出也標示INTEL把處理腳位的問題轉嫁至主機板廠商身上，同時，915及925X晶片組也推出了。915晶片組除了支援DDR2模組外，同時也支援一般的DDR記憶體，新的腳位設計再一次為INTEL帶來沉重的熱消耗問題。

11. AMD Socket 939邁入64位元雙核心…2003-2006

就是在單晶片上使用雙處理器核心後，就是以往雙處理器由原本的雙顆變成單顆有效節省了成本與耗電。雙核心可處裡更多叫作「多執行緒」；多執行緒似乎提高了效能時脈，因此電腦速度更快了。但這在執行一般應用程式時，效能較低，在執行需要多執行緒的應用程式時，效能較高。這種現象主要出現在執行需要進行大量處理作業的專業軟體時，而且以往都需要使用數個CPU來解決效能低落的問題，現在卻可由單顆處理器來實現，是一項邁入新紀元的突破。

四、微處理器的瓶頸

自1993到2005年間處理器革命從沒有不讓人感到困惑的，工作時脈速度像火箭一樣一路由60MHz（Pentium 60）飆到3800MHz（Pentium 4 670），增加了63倍之多，隨著效能上的急速成長，因此耗電功率需求也跟著水漲船高，今天pentium D最大的熱設計功率（maximum thermal design power）已經到達130瓦之譜，因此所帶來的高熱勢必相當的高。4GHz的時脈速度為了要維持合理的熱消耗等級，似乎儼然成為一道無法踰越的高牆，畢竟一個130瓦的熱消耗會需要一個昂貴奢侈的冷卻系統，這通常難以在市場上讓人認同

現在處理器設計商所遇到最大的困難就是隨著時脈速度的增加所連帶提高的熱消耗功率，截至目前為止，還沒有公司可以找到完美的解決方案，取而代之的是，由於半導體製程精細化的優勢使得處理器愈做愈小，所以開始將兩個核心放在一個裸晶片上，這有助於讓處理器的熱度可以均勻分布在整個表面，而且在今天主流的應用上，即使在較低的時脈速度之說雙核心技術，也可以比其單核心處理器的效能要來的高。

五、結語

電腦的運作方式和十年前有很大的不同，今天的處理器已經發展到在每一瞬間可同時並行處理許多的工作。INTEL的第一顆處理器，型號為4004，於1971年出品，擁有2300顆電晶體，和今天擁有2億3000萬顆電晶體的Pentium Extreme Edition 840處理器相比，足足成長了十萬倍。

在1990年代的初期，只有特殊晶片才能有此效能，但是在今天我們卻視為家常便飯，以前所無法想像的流暢播放音效和視訊串流，現在已經是基本配備了，最好的例子就是網路電話和視訊會議應用的普及，當你使用OFFICE軟體或甚至遊戲軟體時，資料正在以即時加密的方式運行不停。

未來的CPU發展，除了體積越來越小外，也將走上多核心的境界，以多核心技術代替運作時脈所帶來的熱消耗功率，速度可倍增，耗電發熱將控制在一定的限度將未來CPU發展的趨勢。

參考網站

1.美商英特爾

http://www.intel.com
2.美商超微

http://www.amd.com
3.超頻者天堂

http://www.oc.com.tw/
4.PC DVD 數位討論區

http://forum.pcdvd.com.tw/
參考書目

1.8086/8088 user's manual :programmer's and hardware reference/ Intel. Santa Clara, CA :Intel Corp.,c1989

2.未來電腦大趨勢費曼處理器/密爾本著/郭光燦,周正威,張永生譯臺北市/知書房/2000[民89]

3.CPU 徹底研究/張凱鈞編著；臺北巿/文魁資訊/1999[ 民88]。

　

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