中央处理器 (CPU) 的历史

中央处理器 (CPU) 是计算机的大脑。除了使计算机运行的功能外，它还负责任务的分配和处理。

CPU 对于计算的重要性无论怎么强调都不为过。几乎所有的计算机系统都至少包含某种类型的基本 CPU。无论是用于个人电脑 (PC)、笔记本电脑、平板电脑、智能手机，还是用于超级计算机（其输出能力非常强大，必须以每秒浮点运算次数来衡量），CPU 都是计算机上不可或缺的一件设备。无论技术取得怎样的进步，事实都是：如果您取下了 CPU，您就不再拥有计算机。

除了管理计算机活动外，CPU 还有助于实现和稳定数据存储与内存之间存在的推拉关系。CPU 充当中介，当它需要访问操作系统的随机存取存储器 (RAM) 中的数据时，它与主存储（或主内存）进行交互。另一方面，只读存储器 (ROM) 用于进行永久且通常是长期的数据存储。

电子计算机中的现代 CPU 通常包含以下组件：

• 控制单元：包含密集的电路，通过发出一系列电脉冲来引导计算机系统，并指示系统执行高级计算机指令。
• 算术/逻辑单元 (ALU)：执行所有算术和逻辑运算，包括与特定计算机操作相关的数学公式和基于逻辑的比较。
• 内存单元：管理内存使用情况以及 RAM 与 CPU 之间的数据流。还监督缓存的处理。
• 缓存：包含内置到 CPU 处理器芯片中的内存区域，其数据检索速度甚至比 RAM 更快。
• 寄存器：提供内置的永久存储器，以满足必须定期和立即处理的持续、重复的数据需求。
• 时钟：通过传输电脉冲来管理 CPU 的电路。这些脉冲的传输速率称为时钟速度，以赫兹 (Hz) 或兆赫 (MHz) 为单位。
• 指令寄存器和指针：显示 CPU 要执行的下一个指令集的位置。
• 总线：确保在计算机系统的各组件之间实现正确的数据传输和数据流。

CPU 通过使用一种重复的命令周期来运行，该周期由控制单元与计算机时钟联合管理，来协助实现同步。

CPU 所做的工作是按照既定的周期（称为 CPU 指令周期）进行的。CPU 指令周期指定了一定的重复次数，这是计算机处理能力允许的基本计算指令将重复的次数。

基本计算指令包括：

• 获取：任何时候从内存中检索数据时，都会发生获取。
• 解码：CPU 内的解码器将二进制指令转换为与 CPU 的其他部分交互的电信号。
• 执行：当计算机解释并执行计算机程序的指令集时，就发生了执行。

通过一些基本的调整，可以操控 CPU 内的计算机时钟，使时间比通常情况下流逝得更快。一些用户这样做是为了以更高的速度运行计算机。然而，这种做法（“超频”）并不可取，因为它会导致计算机部件比正常情况更早磨损，甚至可能违反 CPU 制造商的保修条款。

处理方式也可以调整。操控这些的一种方法是实现指令流水线，其目的是在单个处理器中灌输指令级并行性。流水线的目标是通过拆分传入的计算机指令，并将它们均匀分布在处理器单元之间，来保持处理器的每个部分都参与其中。指令被分解成更小的指令集或步骤。

在单个处理器内实现指令级并行性的另一种方法是使用称为超标量处理器的 CPU。虽然标量处理器每个时钟周期最多只能执行一条指令，但超标量处理器可以调度的指令数量实际上没有限制。它向处理器的不同执行单元发送多条指令，从而提高吞吐量。

突破性技术往往有多个源头。越是复杂和震撼人心的技术，促使其面世的人就越多。

就 CPU（历史上最重要的发明之一）而言，我们实际上是在谈论谁发现了计算机本身。

人类学家使用“独立发明”一词来描述以下情况：不同的个人可能位于彼此相隔遥远的国家或地区，相对孤立，但每个人都在不知道正在进行的类似实验的情况下，提出了相似或互补的想法或发明。

就 CPU（或计算机）而言，独立的发明屡屡出现，从而导致 CPU 历史上出现了不同的演进转变。

尽管本文无法向计算领域的所有早期先驱者致敬，但有两个人的生活和工作值得一提。这两人都与计算和 CPU 有直接关联：

格蕾丝·霍珀：向“COBOL 大师”致敬

美国人格蕾丝·布鲁斯特·霍珀（Grace Brewster Hopper，1906 年 - 1992 年）加入美国海军时体重仅为 105 磅，比规定的体重限制低了 15 磅。但海军给予了豁免，仍让她入了伍，这是美国海军史上最明智的决定之一。

格蕾丝·霍珀在体格上的不足，被她的活力和多才多艺所弥补。她是一位一流的博学家：一位才华横溢的数学家，拥有耶鲁大学数学和数学物理学双博士学位，瓦萨学院一位著名的数学教授，一位因编写计算机语言和编写第一本计算机手册而备受赞誉的先驱计算机科学家，以及一位海军指挥官（在那个时代，女性很少担任军队行政职务）。

由于她参与了当时领先的计算机项目，例如二战后 UNIVAC 超级计算机的开发，因此霍珀似乎总是深度参与关键的行动中，始终在正确的时间出现在正确的地点。她亲眼见证了现代计算领域的许多历史。她是最初创造“计算机错误”一词的人，该术语描述了一种被计算机设备捕获的真实飞蛾。（最初的飞蛾至今仍在华盛顿特区史密森尼学会的美国国家历史博物馆展出。）

在她参与 UNIVAC 项目的工作（以及后来为 Remington Rand Corporation 运行 UNIVAC 项目）期间，霍珀开始感到沮丧，因为没有更简单的编程语言可以使用。于是，她开始编写自己的编程语言，这就是后来众所周知的 COBOL（COmmon Business-Oriented Language 的首字母缩写词，即面向商业的通用语言）。

罗伯特·诺伊斯：硅谷市长

罗伯特·诺伊斯 (Robert Noyce) 是传统商业意义上的推动者和震撼者 - 他只需露面，就能引发惊人的活动。

美国人罗伯特·诺伊斯（1927 年 - 1990年）是一位天才少年发明家。后来，他将自己的求知欲投入到大学本科学习中，尤其是在看到了贝尔实验室发明的两个原始晶体管之后。26 岁时，诺伊斯获得了麻省理工学院 (MIT) 物理学博士学位。

1959 年，他跟进了 Jack Kilby 于 1958 年发明的第一块混合集成电路，对原始设计进行了大幅修改。诺伊斯的改进催生了一种新型集成电路：采用硅制成的单片集成电路（也称为微芯片）。很快，硅芯片就成为一种启示，以全新的方式改变了各行各业并塑造了整个社会。

诺伊斯在其商业生涯中与他人共同创办了两家极为成功的公司：Fairchild Semiconductor Corporation（1957 年）和 Intel（1968 年）。他是 Intel 的首任首席执行官，该公司至今仍以制造处理芯片而闻名全球。

他在这两项事业中的合作伙伴都是戈登·摩尔 (Gordon Moore)，摩尔因对半导体行业的一项预测而闻名于世，事实证明他的预测非常可靠，几乎就像算法一样。这项预测称为“摩尔定律”，它假设集成电路中使用的晶体管数量大约每两年翻一番。

在诺伊斯执掌 Intel 期间，该公司推出了 Intel 4004，这款芯片现在被公认为掀起了 20 世纪 70 年代的微处理器革命。Intel 4004 的诞生是 Intel 的 Ted Hoff、Stanley Mazor 和 Federico Faggin 三人合作的成果，它成为了有史以来第一款商用微处理器。

在他任职的后期，该公司还生产了 Intel 8080，这是该公司的第二款 8 位微处理器，于 1974 年 4 月首次问世。此后几年内，这家制造商推出了一款 16 位微处理器 Intel 8086。

罗伯特·诺伊斯在其辉煌的职业生涯中，为各项创造发明累积了 12 项专利，并因他在集成电路方面的工作及其产生的巨大全球影响，而受到三位美国总统的表彰。

这似乎过于戏剧性，但在 1943 年，世界的命运确实生死攸关。第二次世界大战（1939 年 - 1945 年）的结果仍悬而未决，协约国军队和轴心国军队都在迫切地寻找任何形式的技术优势来战胜敌人。

当像曼哈顿计划这样具有里程碑意义的项目诞生时，计算机设备仍处于起步阶段。美国政府从宾夕法尼亚大学摩尔电气工程学院聘请了一批工程师。任务是要求他们建造一台电子计算机，能够计算火炮射程表的码数。

应军方要求，该项目由 John Mauchly 和 J. Presper Eckert, Jr. 领导。该项目于 1943 年初开始实施，直到 3 年后才结束。

该项目产生的成果称为 ENIAC，即“电子数值积分器和计算机”，是一个占地 1,500 平方英尺的庞大装置，更不用说 17,000 个玻璃真空管、70,000 个电阻器、10,000 个电容、6,000 个开关和 1,500 个中继器了。以 2024 年的货币计算，该项目耗资 670 万美元。

它每秒可以处理多达 5,000 个公式（取决于公式），从当时的历史角度来看，这是一个惊人的数量。由于 ENIAC 尺寸庞大，因此人们可以站在 CPU 内部，通过重新连接机器中各个功能单元之间的连线来对机器进行编程。

在第二次世界大战的剩余时间里，美国陆军一直使用 ENIAC。但当那场冲突结束时，冷战开始了，ENIAC 接到了新的征战命令。这一次，它将执行计算，帮助制造一枚爆炸威力比用于结束二战的原子武器强一千倍以上的炸弹：氢弹。

第二次世界大战后，ENIAC 项目的两位领导者决定创办公司，并将计算技术引入美国商业。新成立的 Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC) 着手打造其旗舰产品 - 一种体积更小、更便宜的 ENIAC 版本，同时进行了各种改进，例如增加了磁带机、键盘和可接受使用穿孔卡的转换器设备。

尽管比 ENIAC 更加精致，但 1951 年向公众推出的 UNIVAC 仍然十分庞大，重量超过 8 吨，耗能为 125 千瓦。而且它仍然很昂贵：按今天的货币计算，约为 1160 万美元。

就其 CPU 而言，它包含第一款 CPU，即 UNIVAC 1103，它与项目的剩余部分同时开发。UNIVAC 1103 使用玻璃真空管，这使得 CPU 体积大、笨重且速度慢。

UNIVAC 1 的最初批次仅限量生产 11 台，这意味着，只有规模最大、资金最雄厚、关系最密切的公司或政府机构才能使用 UNIVAC。其中近一半是美国国防机构，如美国空军和中央情报局 (CIA)。第一款机型是由美国人口普查局购买的。

哥伦比亚广播公司 (CBS News) 就拥有一台这样的机器，并用它准确预测了 1952 年美国总统大选的结果，尽管当时胜算渺茫。这是一个大胆的宣传噱头，让美国公众认识到计算机可以创造的奇迹。

随着计算越来越被人们所认可且广泛受到欢迎，它的主要弱点也变得越来越明显。CPU 所使用的真空管一直存在问题。这实际上是一个机械问题：玻璃真空管非常脆弱，经常容易破裂。

问题十分严重，制造商不遗余力地为众多焦急的客户提供解决方案，因为客户的计算机在管子无法正常工作的情况下就死机了。

管子制造商在工厂定期对管子进行测试，使管子经受不同程度的工厂使用和滥用，然后从这些批次中选出“最坚固”的管子作为储备，以备客户急需。

CPU 中真空管的另一个问题与计算机本身的尺寸有关。这些管子体积庞大，设计师渴望找到一种方法，从小得多的设备中获得管子的处理能力。

到 1953 年，曼彻斯特大学的一名研究生向人们展示了如何构建一台完全基于晶体管的计算机（ibm.com 外部链接）。

最初的晶体管很难使用，很大程度上是因为它们是由锗制成的，这种物质很难纯化，并且必须保持在精确的温度范围内。

1954 年，贝尔实验室的科学家开始对包括硅在内的其他物质进行实验。贝尔科学家（Mohamed Italia 和 Dawn Kahng）不断改进硅的使用，到 1960 年，他们找到了金属氧化物半导体场效应晶体管（或 MOSFET 或 MOS 晶体管）这一现代晶体管的配方，该晶体管被计算机历史博物馆誉为“历史上制造最广泛的设备”（ibm.com 外部链接）。2018 年，据估计已制造了 130 万亿个 MOS 晶体管。

人们一直在奋力追求小型化，直到计算机科学家创造出一种非常小的 CPU，它可以包含在小型集成电路芯片中，称为微处理器。

微处理器由其支持的内核数量指定。CPU 内核是“脑中脑”，充当 CPU 中的物理处理单元。微处理器可以包含多个处理器。同时，物理内核是内置于芯片中的 CPU，但它只占用一个插槽，从而使其他物理内核能够进入相同的计算环境。

以下是与微处理器有关的其他一些主要术语：

• 单核处理器：单核处理器包含单个处理单元。它们通常性能较慢，在单个线程上运行，并且一次执行一个 CPU 指令周期。
• 双核处理器：双核处理器在一个集成电路中配备了两个处理单元。两个内核同时运行，有效地将性能提高了一倍。
• 四核处理器：四核处理器在一个集成电路中包含四个处理单元。所有内核同时运行，性能为四倍。
• 多核处理器：多核处理器是配备至少两个处理器内核的集成电路，可提供卓越的性能和优化的功耗。

现在，有几家公司正在通过不同的品牌系列生产支持 CPU 的产品。然而，这一利基市场现已发生巨大变化，但以前可是吸引了众多参与者，包括大量的主流制造商（例如 Motorola）。现在实际上只有两个主要玩家：Intel 和 AMD。

它们使用不同的指令集架构 (ISA)。因此，尽管 AMD 处理器从精简指令集计算机 (RISC) 架构中获取灵感，但 Intel 处理器遵循复杂指令集计算机 (CISC) 架构。

• Advanced Micro Devices (AMD)：AMD 通过两种产品类型销售处理器和微处理器：CPU 和 APU（表示加速处理单元）。在这种情况下，APU 只是配备了专有 Radeon 显卡的 CPU。AMD 的 Ryzen 处理器是面向视频游戏市场的高速、高性能微处理器。Athlon 处理器以前被认为是 AMD 的高端产品线，但 AMD 现在将其用作通用替代品。
• Arm：Arm 实际上并不制造设备，但确实将其宝贵的处理器设计和/或其他专有技术出租给其他制造设备的公司。例如，Apple 不再在 Mac CPU 中使用 Intel 芯片，而是基于 Arm 设计制造自己的定制处理器。其他公司也纷纷效仿。
• Intel：Intel 通过四个产品线销售处理器和微处理器。其高端产品线为 Intel Core，包括 Core i3 等处理器型号。Intel 的 Xeon 处理器面向办公室和企业销售。Intel 的 Celeron 和 Intel Pentium 系列（以 Pentium 4 单核 CPU 等型号为代表）被认为比 Core 系列速度更慢，功能更弱。

考虑 CPU 时，我们可以考虑 CPU 包含和使用的各种组件。我们还可以思考 CPU 设计如何从早期的超大规模实验，发展到现代的小型化时期。

不过，尽管 CPU 的尺寸或外观发生了变化，但它依然坚守自己的角色，因为它非常擅长自己的特殊工作。您知道，您可以相信它每次都能正常工作。

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