進(jìn)步不僅給未來帶來了新的可能性，也給未來帶來了新的限制。摩爾定律下四十八載的芯片技術(shù)發(fā)展，不斷推高人類計算機技術(shù)發(fā)展水平；未來如何繼續(xù)保持這種發(fā)展態(tài)勢，是定律所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。每一次進(jìn)步，意味著面臨的限制和挑戰(zhàn)也就越大，但同時也更彰顯其優(yōu)越性。本文，將為您講述摩爾定律下的微處理器發(fā)展概況，并從中提煉得出每個發(fā)展階段所體現(xiàn)的摩爾定律。

　　2013年，計算和通信更緊密融合，信息服務(wù)邊界不斷延伸，未來計算將無處不在。在這種情況下，曾經(jīng)為計算技術(shù)發(fā)展史的首個也是最重要的定律——摩爾定律，也就被推向了風(fēng)口浪尖，不乏專家學(xué)者對這個“神之手”能否后續(xù)“繪未來”提出質(zhì)疑。

　　然而，此前都是建立在“硅”元素基礎(chǔ)之上的信息技術(shù)，將有望捕獲新的元素——碳納米管，來取得這一材料，并繼續(xù)推進(jìn)晶體管性能的提升。另外，石墨烯和一種標(biāo)準(zhǔn)硅晶體管的變體隧道場效應(yīng)晶體管，也有望突破半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，以新生材料來印證這一定律的青春活力。

　　就目前來說，通過對過去微處理器的發(fā)展進(jìn)程來得出摩爾定律這一“神之手”的的奇幻魔力，相比之下會顯得更為具體和充分。而本文，我們也將重點從過去的歲月長河中，給大家展示見證48年摩爾定律的微處理器產(chǎn)品。

　　摩爾定律下的微處理器晶體管數(shù)量

　　眾所周知，摩爾定律（Moore‘s Law）是由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。該定律指出，每隔18個月集成電路（IC）的晶體管數(shù)目會增加一倍，其性能也將提升一倍。

　　微處理器發(fā)展演繹摩爾定律

　　摩爾定律是半導(dǎo)體發(fā)展根基，是現(xiàn)有技術(shù)創(chuàng)新和能效優(yōu)化的基礎(chǔ)性規(guī)律。作為半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者之一，英特爾每兩年推出新一代處理器，并且在全球率先采用3D三維晶體管（2011年推出）芯片技術(shù)，不斷演繹著這只“神之手”的魅力。

　　首批微處理器：2250晶體管 740KHz主頻

　　“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開。”正如近現(xiàn)代其他科技的發(fā)展一樣，微處理器時代仿佛一夜之間就到來了。三個公司，三個計劃，幾乎不約而同地成為微處理器產(chǎn)業(yè)的先鋒：英特爾的Intel 4004，德州儀器公司的TMS 1000和蓋瑞特艾雷賽奇（Garrett AiResearch）工業(yè)部的CADC（Central Air Data Computer）。

　　Intel 4004

　　雖然微處理器直到上世紀(jì)七十年代才出現(xiàn)，但早在上世紀(jì)六十年代NASA登月計劃中，就采用了復(fù)雜的計算系統(tǒng)。到上世紀(jì)六十年代末，這種代價高昂、技術(shù)尖端的領(lǐng)域迎來了其發(fā)展的黃金時期。各大公司都紛紛力爭推出自己的計算機產(chǎn)品來取代對方。

　　在1969年，一家名為Busicom的日本公司請求英特爾為其生產(chǎn)電算機微處理器，隨后英特爾攻破了技術(shù)難題，能夠在單個芯片中植入多個計算部件。兩年過去了，英特爾工程師團隊取得突破性進(jìn)展，研發(fā)出了世界首個4位的Intel 4004微處理器。

　　Intel 4004（左側(cè)為揭開保護(hù)蓋后的實際使用圖。來自維基百科）

　　【Intel 4004規(guī)格】

　　出產(chǎn)時間：1971年

　　晶體管數(shù)：2250個

　　制程工藝：10微米

　　主頻：740KHz

　　該處理器的晶體管之間的距離是10微米，能夠處理4bit的數(shù)據(jù)，每秒運算6萬次，運行的頻率為108KHz-740KHz之間。也許有讀者會問，為什么不是諸如Intel 4001這樣的命名產(chǎn)品，而是采用的4004的型號呢。其實Intel還曾開發(fā)出4001（動態(tài)內(nèi)存DRAM）、4002（只讀存儲器ROM）、4003（Register），三者再加上4004，就可架構(gòu)出一臺微型計算機系統(tǒng)。

　　TMS 1000

　　德州儀器在1971年也推出了4位的處理器芯片TMS 1000，不過它主要為“微控制器”。德州儀器成功將該芯片放置在RAM和ROM板塊中。它以預(yù)編程嵌入式應(yīng)用（pre-programmed embedded applications）為主打技術(shù)。為此，德州儀器還專門為這種單芯片微處理器架構(gòu)申請了專利。不過，到1974年之后，該芯片專利才得到確定下來。之后的幾年，英特爾公司購買了德州儀器的微處理器專利技術(shù)。

　　德州儀器TMS 1000

　　Central Air Data Computer芯片

　　1970年，蓋瑞特艾雷賽奇（Garrett AiResearch）響應(yīng)要求，研發(fā)出基于MOS工藝（MP944）芯片組核心的處理器，以同正在開發(fā)中的用于美國海軍F-14雄貓戰(zhàn)斗機的主飛行控制電腦的電機系統(tǒng)競爭。這種處理器采用了更小的體積和更高的可靠性，被運用于早期的所有雄貓戰(zhàn)斗機。

　　基于MOS工藝處理器芯片

　　由于該產(chǎn)品并不是針對普通消費者市場，1998年之前軍方都一直沒有公布CADC詳細(xì)規(guī)范。但相比早期來說，以上這三款經(jīng)典的處理器產(chǎn)品可謂早期第一批開創(chuàng)歷史先后的產(chǎn)品。

　　8位微處理器：4500晶體管 2MHz主頻

　　Intel 8008

　　一家名為“計算機終端公司”的公司邀請英特爾幫助設(shè)計1201的8位芯片，但合同最終在1971年被取消。

　　事實上，它要尋求的是一種需要更少支持芯片的芯片。英特爾要保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)和精致的設(shè)計。也就是其8位的8088芯片。在1972年該處理器的市場定價為120美元。8008作為Sac State 8008的中央處理器，它被計算機歷史學(xué)家稱為第一個“微機”，因為它控制著磁盤操作系統(tǒng)、彩色顯示器、硬盤驅(qū)動器、鍵盤和打印機等。

　　Intel 8008芯片

　　Intel 8080

　　隨后，英特爾決定研發(fā)生產(chǎn)依賴更少芯片支持的微處理器，以幫助實現(xiàn)更大的商業(yè)價值。1974年，英特爾發(fā)布了擁有4500個晶體管、具備64K字節(jié)的Intel 8080。早期的微型計算機，包括MITS Altair 8800，Processor Technology SOL-20和IMSAI 8080使用的都是8080處理器，以及CP/M操作系統(tǒng)。

　　Intel 8080

　　【Intel 8080規(guī)格】

　　出產(chǎn)時間：1974年

　　晶體管數(shù)：4500個

　　制程工藝：6微米

　　主頻：2MHz

　　Intel 8080掀開了微處理器時代的來臨，與此同時，更多的公司開始介入這一領(lǐng)域，競爭開始變得日益激烈。RCA（美國無線電公司）、Honeywell、Fairchild、美國國家半導(dǎo)體公司、AMD、摩托羅拉（6800）以及Zilog（Z80）公司都介入了微處理器領(lǐng)域，英特爾也面臨著來自競爭對手的挑戰(zhàn)。

　　Zilog 微處理器

　　在介紹這一處在8位微處理器的摩爾定律發(fā)展歷程中，就不能不提MOS Technology公司6502芯片。該芯片是當(dāng)時能效最強的CPU，且價格只有大型業(yè)者（如Motorola、Intel）相近產(chǎn)品的六分之一甚至更低。性能方面，除了Z80之外，6502幾乎快過多數(shù)業(yè)者的相近產(chǎn)品。并在之后的1980年代帶來一場個人電腦的革命。

　　16位微處理器：29000晶體管 5MHz主頻

　　美國國家半導(dǎo)體公司在1973年率先推出了首個16位多片微處理器IMP-16，相關(guān)的8位IMP-8芯片組于次年1974年推出。1975年該公司又推出了第一款單片16位微處理器PACE。

　　英特爾走了一條不同的路，由于沒有小型機可以模擬，他們采取擴充8080的辦法設(shè)計出了16位的8086。這也是x86領(lǐng)域的始祖了，它誕生于1978年，與之配合的還有數(shù)學(xué)協(xié)處理器8087。這二者使用相同的指令集，也揭開了處理器指令集的先河。

　　Intel 8086

　　Intel 8086擁有四個16位的通用寄存器，也能夠當(dāng)作八個8位寄存器來存取，以及四個16位索引寄存器。該芯片上有29000個晶體管，采用HMOS工藝制造，用單一的+5V電源，時鐘頻率為5MHz。

　　Intel 8086

　　【Intel 8086規(guī)格】

　　出產(chǎn)時間：1978年

　　晶體管數(shù)：29000個

　　制程工藝：3微米

　　主頻：5MHz

　　另外，英特爾還在1978年推出了8088處理器，加上剛才談?wù)摰臄?shù)學(xué)協(xié)處理器8087，總共有三款16位微處理器。這三款微處理器的晶體管數(shù)量都是一樣的（29000個），而在主頻方面則分別為5MHz、8MHz、10MHz，內(nèi)存尋址空間為1MB。這三款處理器的推出，預(yù)示著英特爾在計算芯片方面的解決方案更具完整，其Intel 8088成為IBM PC的裝機芯片，也進(jìn)一步加速了英特爾在處理器發(fā)展的腳步。

　　在歷史翻開32位微處理器序幕之前，也就是摩爾定律再次發(fā)威之前，英特爾還發(fā)布了Intel 80286處理器。這是一款很有名的產(chǎn)品，具備16位字長，集成了14.3萬只晶體管，具有6MHz、8MHz、10MHz、12.5 MHz四個主頻的產(chǎn)品。它既是英特爾最后一款16位處理器，也是以此為區(qū)分PC型號和規(guī)模的微處理器（比如PC286，PC386之類）。

　　32位微處理器：125萬晶體管 100MHz主頻

　　在16位處理器發(fā)展得如火如荼之際，摩爾定律繼續(xù)揮舞著它的“神之手”，將微處理器的發(fā)展歷史帶入到了32位發(fā)展舞臺中。

　　最早進(jìn)入到32位微處理器領(lǐng)域的時間是在1979年，其中最為知名的莫過于摩托羅拉的MC68000（也稱為68k）。68K的芯片具有32位的寄存器，但是內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位的，這樣可以減少芯片的腳數(shù)。該芯片和之前的英特爾80286一樣，取得了巨大成功。包括Atari ST 和 Commodore Amiga等公司都采用了該處理器來裝配機器，也包括蘋果公司的Apple Lisa和Macintosh產(chǎn)品也基于該處理器平臺來實現(xiàn)。

　　英特爾在1981年也推出了其首款32位微處理器iAPX 432，該產(chǎn)品雖然采用了更為先進(jìn)的面向?qū)ο蟮募軜?gòu)設(shè)計但并未取得成功。而且還讓摩托羅拉推出了后續(xù)支持虛擬內(nèi)存的MC68010產(chǎn)品。1985年，摩托羅拉還推出了數(shù)據(jù)總線、地址總線都為32位的MC68020。該產(chǎn)品在Unix市場上備受追捧。此后還相繼推出了MC68030、MC68040和MC68050、MC68060等32位處理器。

　　摩托羅拉 MC68000處理器

　　1982年，AT&T貝爾實驗室推出首個單片32位微處理器BELLMAC-32A。在1984年AT&T貝爾實驗室解體后，BELLMAC-32A被更名為WE32000。該處理器及其后續(xù)產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在Unix System V和AT&T微電腦上。首個32位筆記本電腦也采用的是該處理器。

　　AT&T貝爾實驗室32位微處理器BELLMAC-32A

　　Intel 80386

　　當(dāng)然，首次遭遇挫折的英特爾并未放棄32位處理器的開拓。1985年，英特爾又向全球推出了全新一代的微處理器80386，它是80X86系列中的第一種32位微處理器，而且制造工藝也有了很大的進(jìn)步。與80286相比，80386內(nèi)部內(nèi)含27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz，并支持最高33MHz。

　　80386的內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位，可尋址高達(dá)4GB內(nèi)存。它除具有實模式和保護(hù)模式外，還增加了一種叫虛擬86的工作方式，可以通過同時模擬多個8086處理器來提供多任務(wù)能力。

　　Intel 80486

　　1989年，英特爾還推出了另外一款重量級32位微處理器80486。80486處理器的內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線和地址總線與80386相同，都為32位，可尋址4GB的存儲空間，支持虛擬存儲管理技術(shù)，虛擬存儲空間為64TB。片內(nèi)集成有浮點運算部件和8KB的一級緩存。同時也支持外部二級緩存。整數(shù)處理部件采用精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)，提高了指令的執(zhí)行速度。此外，80486微處理器還引進(jìn)了時鐘倍頻技術(shù)和新的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，從而使主頻可以超出100MHz。

　　【Intel 80486規(guī)格】

　　出產(chǎn)時間：1989年

　　晶體管數(shù)：125萬

　　主頻：100MHz

　　Intel 80486（i486或Intel486）是英特爾x86處理器陣營中首個擁有百萬個晶體管數(shù)的處理器產(chǎn)品，英特爾486處理器首次采用內(nèi)建的數(shù)學(xué)協(xié)處理器，將負(fù)載的數(shù)學(xué)運算功能從中央處理器中分離出來，從而顯著加快了計算速度。

　　輝煌奔騰微處理器：750萬晶體管 1.8GHz主頻

　　1994年，英特爾發(fā)布了一款名為Pentium的處理器芯片。奔騰處理器采用了0.60微米工藝技術(shù)制造，核心由320萬個晶體管組成。支持計算機集成語音、圖片、文字等數(shù)據(jù)。工作電壓也降至3.3V。

　　1997年，英特爾推出了改進(jìn)型Pentium II處理器。它采用了0.35微米工藝技術(shù)，核心提升到750萬個晶體管，主頻最高可達(dá)300MHz。隨后的一年中，英特爾推出采用0.25微米制程工藝設(shè)計的Pentium II 450MHz處理器，不過其晶體管數(shù)仍為750萬個。

　　1999年，英特爾發(fā)布Pentium III 450MHz、Pentium III 500MHz處理器，這兩款處理器采用了0.25微米工藝技術(shù)，核心由950萬個晶體管組成。

　　英特爾Pentium 4處理器

　　2000年，英特爾再接再厲推出P4奔騰4處理器系列。該系列包括有Willamette、Northwood和Prescott三種不同的核心。不同核心，其制程工藝和主頻也不盡相同。其中Willamette核心屬于Pentium 4最早期的產(chǎn)品，采用0.18微米工藝制造，主頻最高為1.8GHz。Northwood核心的Pentium 4采用0.13微米工藝制造。而Prescott則代表這處理器制程工藝跨入到nm納米級領(lǐng)域，其制程工藝為90nm。基于Prescott處理器的最快處理器，其主頻高達(dá)3.8GHz。

　　時隔兩年，英特爾推出可模擬出雙核心的奔騰4處理器產(chǎn)品，也就是超線程（HT）奔騰4。除了為用戶引入超線程（HT）技術(shù)外，英特爾推出的奔騰4處理器頻率也達(dá)到了3.06GHz之多，可以說這么高的主頻在整個處理器發(fā)展史上都占有重要地位（目前的處理器主頻也就是3GHz左右）。

　　雙核/多核微處理器：摩爾定律下的逆襲

　　進(jìn)入二十一世紀(jì)，微處理器工程師開始意識到，如果不采用全新設(shè)計，摩爾定律將會走向沒落。其中一種設(shè)計就是通過搭建多核心來大幅提升處理器性能。在這種背景下，我們?nèi)匀荒芸吹侥柖稍诎l(fā)揮作用。

　　2005年，英特爾開始推出雙核處理器Pentium-D，它采用英特爾955X高速芯片組，主頻為3.2GHz。該處理器的推出預(yù)示著雙核處理器時代的來臨。

　　次年，英特爾推出了以“Core”酷睿為命名的新型雙核微架構(gòu)。該架構(gòu)包含有服務(wù)器、桌面版和移動版產(chǎn)品。

　　酷睿2雙核處理器

　　酷睿處理器采用800MHz-1333MHz的前端總線速率，45nm/65nm制程工藝。雙核酷睿處理 器通過SmartCache技術(shù)兩個核心共享12MB L2資源。

　　同樣是在2006年，英特爾展示了四核心微處理器至強5300產(chǎn)品系列，該處理器主要應(yīng) 用在服務(wù)器和工作站。一直到2011年，英特爾的i3/i5/i7 Sandy Bridge架構(gòu)四核處理 器一直成為中端臺式機和筆記本的配置。另外，八核、甚至16核處理器也在這兩年不 斷涌現(xiàn)。比如AMD于2011年推出的皓龍6200系列，就是基于16核微架構(gòu)設(shè)計的面向服務(wù) 器和工作站的處理器。

　　英特爾Tick-Tock戰(zhàn)略（來自：英特爾）

　　另外，在介紹英特爾處理器發(fā)展符合摩爾定律的同時，就不能不提其Tick-Tock戰(zhàn)略。在Intel的處理器發(fā)展戰(zhàn)略上，每一個輪換代表著2年一次的工藝制程進(jìn)步。Tick-Tock中的“Tick”，代表著工藝的提升、晶體管變小，并在此基礎(chǔ)上增強原有的微架構(gòu)，而Tick-Tock中的“Tock”，則在維持相同工藝的前提下，進(jìn)行微架構(gòu)的革新。

　　2009年，英特爾處理器邁入Tick升級制程至32nm，2010年則為Tock，英特爾推出代號為Sandy Bridge。2011年Tick升級至22nm，并于2012年推進(jìn)至Ivy Bridge架構(gòu)。今年開始，將步入Haswell架構(gòu)平臺。從這些架構(gòu)制程的交替更新我們就不難看出，其處理器性能、能效不斷得到優(yōu)化，并且不斷印證著摩爾定律的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。

　　編后語：早期處理器改良及未來芯創(chuàng)新

　　早期出現(xiàn)的一批微處理器中，有些會被認(rèn)為是先驅(qū)，但也有其他被認(rèn)為是先驅(qū)的。比如，在1990年一名叫Gilbert Hyatt的工程師，為1968年單片微處理器的發(fā)明而最終贏得了專利。這一舉動意味著，Hyatt的專利要早于德州儀器和英特爾。德州儀器迅速對當(dāng)局的專利裁決提出質(zhì)疑，認(rèn)為Hyatt的發(fā)明并沒有付諸實施，以1968年當(dāng)時的技術(shù)也不可能來實現(xiàn)。最終，這名工程師的專利被裁定為無效。

　　Gilbert Hyatt單片微處理器設(shè)計圖紙

　　同樣地，四相系統(tǒng)公司在1969年設(shè)計了一個名為AL1的8位芯片，作為一個9芯片的24位處理器的一部分使用（一式三份）。在1969年，AL1不被稱為微處理器，但之后它在上世紀(jì)九十年代德州儀器試圖維護(hù)其專利的一個法庭展示中被叫作微處理器。

　　四相系統(tǒng)公司8位芯片AL1

　　通過前面這些簡短內(nèi)容的介紹，我們發(fā)現(xiàn)短短48年時間（1965年摩爾定律問世開始），半導(dǎo)體芯片制造工藝水平發(fā)展速度十分驚人。目前不僅多核，還出現(xiàn)了MIC眾核架構(gòu)芯片（至強融核協(xié)處理器），制程工藝也逐漸朝向14nm、7nm、5nm推進(jìn)。

　　在摩爾定律這個“神之手”指引處理器發(fā)展方向的同時，近年來也涌現(xiàn)出不少質(zhì)疑聲音。比如技術(shù)發(fā)展瓶頸、經(jīng)濟危機的影響等等。芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會達(dá)到極限。

　　但正如我們文章開頭所述，新型材料比如碳納米管的出現(xiàn)，將有望繼續(xù)推進(jìn)晶體管性能的提升。2013年，摩爾定律將仍然是計算技術(shù)創(chuàng)新的指引，進(jìn)一步帶動性能的提升、功耗的降低和成本的節(jié)省。