進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發展，不斷推高人類計算機技術發展水平；未來如何繼續保持這種發展態勢，是定律所面臨的嚴峻挑戰。每一次進步，意味著面臨的限制和挑戰也就越大，但同時也更彰顯其優越性。本文，將為您講述摩爾定律下的微處理器發展概況，并從中提煉得出每個發展階段所體現的摩爾定律。

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

　　然而，此前都是建立在“硅”元素基礎之上的信息技術，將有望捕獲新的元素——碳納米管，來取得這一材料，并繼續推進晶體管性能的提升。另外，石墨烯和一種標準硅晶體管的變體隧道場效應晶體管，也有望突破半導體技術的瓶頸，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展進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品。

　　摩爾定律下的微處理器晶體管數量

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

　　微處理器發展演繹摩爾定律

　　摩爾定律是半導體發展根基，是現有技術創新和能效優化的基礎性規律。作為半導體技術創新的領導者之一，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，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

　　“忽如一夜春風來，千樹萬樹梨花開?！闭缃F代其他科技的發展一樣，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業的先鋒：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）工業部的CADC（Central Air Data Computer）。

　　Intel 4004

　　雖然微處理器直到上世紀七十年代才出現，但早在上世紀六十年代NASA登月計劃中，就采用了復雜的計算系統。到上世紀六十年代末，這種代價高昂、技術尖端的領域迎來了其發展的黃金時期。各大公司都紛紛力爭推出自己的計算機產品來取代對方。

　　在1969年，一家名為Busicom的日本公司請求英特爾為其生產電算機微處理器，隨后英特爾攻破了技術難題，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展，研發出了世界首個4位的Intel 4004微處理器。

　　Intel 4004（左側為揭開保護蓋后的實際使用圖。來自維基百科）

　　【Intel 4004規格】

　　出產時間：1971年

　　晶體管數：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的數據，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這樣的命名產品，而是采用的4004的型號呢。其實Intel還曾開發出4001（動態內存DRAM）、4002（只讀存儲器ROM）、4003（Register），三者再加上4004，就可架構出一臺微型計算機系統。

　　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。它以預編程嵌入式應用（pre-programmed embedded applications）為主打技術。為此，德州儀器還專門為這種單芯片微處理器架構申請了專利。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。

　　德州儀器TMS 1000

　　Central Air Data Computer芯片

　　1970年，蓋瑞特艾雷賽奇（Garrett AiResearch）響應要求，研發出基于MOS工藝（MP944）芯片組核心的處理器，以同正在開發中的用于美國海軍F-14雄貓戰斗機的主飛行控制電腦的電機系統競爭。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斗機。

　　基于MOS工藝處理器芯片

　　由于該產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詳細規范。但相比早期來說，以上這三款經典的處理器產品可謂早期第一批開創歷史先后的產品。

　　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。英特爾要保護知識產權和精致的設計。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，它被計算機歷史學家稱為第一個“微機”，因為它控制著磁盤操作系統、彩色顯示器、硬盤驅動器、鍵盤和打印機等。

　　Intel 8008芯片

　　Intel 8080

　　隨后，英特爾決定研發生產依賴更少芯片支持的微處理器，以幫助實現更大的商業價值。1974年，英特爾發布了擁有4500個晶體管、具備64K字節的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。

　　Intel 8080

　　【Intel 8080規格】

　　出產時間：1974年

　　晶體管數：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、美國國家半導體公司、AMD、摩托羅拉（6800）以及Zilog（Z80）公司都介入了微處理器領域，英特爾也面臨著來自競爭對手的挑戰。

　　Zilog 微處理器

　　在介紹這一處在8位微處理器的摩爾定律發展歷程中，就不能不提MOS Technology公司6502芯片。該芯片是當時能效最強的CPU，且價格只有大型業者（如Motorola、Intel）相近產品的六分之一甚至更低。性能方面，除了Z80之外，6502幾乎快過多數業者的相近產品。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的辦法設計出了16位的8086。這也是x86領域的始祖了，它誕生于1978年，與之配合的還有數學協處理器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規格】

　　出產時間：1978年

　　晶體管數：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，加上剛才談論的數學協處理器8087，總共有三款16位微處理器。這三款微處理器的晶體管數量都是一樣的（29000個），而在主頻方面則分別為5MHz、8MHz、10MHz，內存尋址空間為1MB。這三款處理器的推出，預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，也進一步加速了英特爾在處理器發展的腳步。

　　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威之前，英特爾還發布了Intel 80286處理器。這是一款很有名的產品，具備16位字長，集成了14.3萬只晶體管，具有6MHz、8MHz、10MHz、12.5 MHz四個主頻的產品。它既是英特爾最后一款16位處理器，也是以此為區分PC型號和規模的微處理器（比如PC286，PC386之類）。

　　32位微處理器：125萬晶體管 100MHz主頻

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

　　最早進入到32位微處理器領域的時間是在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，但是內部和外部數據總線都是16位的，這樣可以減少芯片的腳數。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產品也基于該處理器平臺來實現。

　　英特爾在1981年也推出了其首款32位微處理器iAPX 432，該產品雖然采用了更為先進的面向對象的架構設計但并未取得成功。而且還讓摩托羅拉推出了后續支持虛擬內存的MC68010產品。1985年，摩托羅拉還推出了數據總線、地址總線都為32位的MC68020。該產品在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。該處理器及其后續產品被廣泛應用在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步。與80286相比，80386內部內含27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz，并支持最高33MHz。

　　80386的內外部數據總線和地址總線都是32位，可尋址高達4GB內存。它除具有實模式和保護模式外，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處理器的內外部數據總線和地址總線與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，虛擬存儲空間為64TB。片內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。整數處理部件采用精簡指令集RISC結構，提高了指令的執行速度。此外，80486微處理器還引進了時鐘倍頻技術和新的內部總線結構，從而使主頻可以超出100MHz。

　　【Intel 80486規格】

　　出產時間：1989年

　　晶體管數：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的處理器產品，英特爾486處理器首次采用內建的數學協處理器，將負載的數學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、文字等數據。工作電壓也降至3.3V。

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

　　1999年，英特爾發布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，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處理器產品，也就是超線程（HT）奔騰4。除了為用戶引入超線程（HT）技術外，英特爾推出的奔騰4處理器頻率也達到了3.06GHz之多，可以說這么高的主頻在整個處理器發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

　　進入二十一世紀，微處理器工程師開始意識到，如果不采用全新設計，摩爾定律將會走向沒落。其中一種設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，我們仍然能看到摩爾定律在發揮作用。

　　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。該架構包含有服務器、桌面版和移動版產品。

　　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產品系列，該處理器主要應 用在服務器和工作站。一直到2011年，英特爾的i3/i5/i7 Sandy Bridge架構四核處理 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。比如AMD于2011年推出的皓龍6200系列，就是基于16核微架構設計的面向服務 器和工作站的處理器。

　　英特爾Tick-Tock戰略（來自：英特爾）

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

　　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年推進至Ivy Bridge架構。今年開始，將步入Haswell架構平臺。從這些架構制程的交替更新我們就不難看出，其處理器性能、能效不斷得到優化，并且不斷印證著摩爾定律的科學嚴謹性。

　　編后語：早期處理器改良及未來芯創新

　　早期出現的一批微處理器中，有些會被認為是先驅，但也有其他被認為是先驅的。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。德州儀器迅速對當局的專利裁決提出質疑，認為Hyatt的發明并沒有付諸實施，以1968年當時的技術也不可能來實現。最終，這名工程師的專利被裁定為無效。

　　Gilbert Hyatt單片微處理器設計圖紙

　　同樣地，四相系統公司在1969年設計了一個名為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，但之后它在上世紀九十年代德州儀器試圖維護其專利的一個法庭展示中被叫作微處理器。

　　四相系統公司8位芯片AL1

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

　　在摩爾定律這個“神之手”指引處理器發展方向的同時，近年來也涌現出不少質疑聲音。比如技術發展瓶頸、經濟危機的影響等等。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量會達到極限。

　　但正如我們文章開頭所述，新型材料比如碳納米管的出現，將有望繼續推進晶體管性能的提升。2013年，摩爾定律將仍然是計算技術創新的指引，進一步帶動性能的提升、功耗的降低和成本的節省。