CPU进化史(二)--AMD篇。

0、1969年，脱胎仙童半导体，AMD成立

桑德斯

1968年，仙童半导体的8位创始人中的两位——总经理罗伯特•诺伊斯(Robert Noyce)和实验室负责人戈登•摩尔(Gorden Moore)，带着一部分员工离开了陷入资金危机的公司，成立了英特尔(Intel)。而一年后的1969年5月1日，桑德斯也带着7个人另立门户，成立了超微半导体(Advanced Micro Devices, AMD)，就是本篇文章的主角AMD。

刚成立的AMD可谓是举步维艰，因为它与Intel的成立虽然只差一年，但劣势明显。Intel的两位创始人早已经是电子业界声名赫赫的大佬，手下也都非等闲之辈，想要吸引到投资和技术人才并非难事。而AMD的启动资金只有区区10万美元，桑德斯本人在IT领域也没有什么号召力，因此起步非常缓慢。

1、1975年，第一款产品AMD2900系列

2900系列

AMD低调务实的作风使得它发展比较快。它首先由设计简单的IC开始，到了1975年，他们终于有了自己的第一个产品族——Am2900系列，包括ALU、多路复用器、内存控制器、总线控制器等许多部件。这时，AMD的股票也已经上市，并且也有了自己的第一家海外工厂，AMD已经算得上是一家初具规模的企业了。

2 、1976年至1984年，Intel的代工盟友

在上世纪七八十年代，Intel一直扮演着微处理器技术唯一的先驱者的角色。1971年，Intel设计出了第一个4位CPU 4004，1972年是8位的8008，1974年是具有重要意义的8080，1979年则是大名鼎鼎的16位CPU 8086和8088。值得一提的是，AMD在对8080做逆向，并且成功了，命名为Am9080。Intel为了保证产能，与著名电子工程师费德里科•法金(Federico Faggin)的Zilog Z80芯片对抗，在1976年与AMD签订了授权协议，AMD正式成为Intel的第二供应商(second source supplier)，也就是类似于代工厂，属于亲密盟友的关系。

但到了1980年，Intel认为AMD产芯片的出货量已经非常大，AMD的存在威胁到了自己的利益，准备撤销对AMD的授权。但是，业界巨头IBM决定在此时进军PC行业，并希望Intel作为自己唯一的芯片供应商。在这种重大利好的驱使（或者说是IBM的胁迫）下，Intel和AMD又在1982年2月签订了新的协议，8086、8087、8088以及后续的80186、80286也授权给AMD生产，以应对快速增长的PC行业的需要。 1982年底，AMD以80286为蓝本制造的Am286处理器面世。比较令人意外的是，Intel将自产的80286芯片的频率设定为6~10MHz，而AMD的Am286则是8~16MHz，带来了可观的性能提升，并且售价相对低廉。AMD的这一做法，对Intel而言是一个不大不小的打击。可以说，AMD的性价比路线，早在三十多年之前就已经确定了。

3、1985年，薄利多销，盟友变对手

面对这样的势头，Intel终于坐不住了，在1985年突然撕毁了协定，中止了32位处理器80386的授权，AMD一纸诉状把Intel告上了法庭。虽然AMD最终胜诉，这场旷日持久、历时4年多的官司却让双方都受害不浅，证人有近百名，各类卷宗积攒起来有几万页，诉讼费高达千万美元。

AMD非常清楚，只要诉讼多进行一天，AMD在微处理器的道路上就落后一天。因此，在走法律途径的同时，他们同时也在进行80386的逆向工作，于1989年完成，在Intel的阻挠下于1991年上市。虽然错过了黄金时机，但AMD把自家的Am386最大速度调到了40MHz，这与80386的33MHz相比又是一个技术上的胜利。1993年的Am486也是如此，在Intel的486DX终于达到100MHz时，AMD却提供了120MHz，还加入了回写cache和分页技术的更好的型号。1994年，AMD的总收入达到了破纪录的20亿美元。

AM486 CPU

其实从上面已经看出，在较长的一段时间内，AMD求生存的道路比较直接，就是追随Intel，但又加上更有性价比的特征，以薄利多销的方式打开市场。但这条路已经变得越来越不现实，IC的复杂度在急速增长，Intel的高性能奔腾(Pentium)芯片的晶体管数量相对于之前的486几乎是3倍，逆向工程无法实施了。

4、1993年，危机之下自研K5

K5 系列处理器

在危机感的驱动下，AMD的研发部门从1993年开始自主研发K5芯片，并于1996年3月27日投放市场。K5是一个相当新颖（或者说激进）的方案，它采用了高度并行化的29k RISC指令集，这与主流的CISC指令集大相径庭，但同时又提供了非常好的x86前端。其内部则采用了4流水线、5个整数单元和1个浮点单元的设计。为了保证兼容性，K5能够在奔腾的Socket 5/7系列主板上使用。

K5系列 K5的竞争对手是Intel的奔腾Pro系列（于1995年发布）和Cyrix的6x86系列。虽然AMD的工程师们走对了路线，但毕竟经验缺乏，设计过程中的逻辑层数过多，导致K5无法通过大幅提升频率来获得性能优势（最高只到133MHz），并且BPU的分支预测成功率也较奔腾Pro为低。

总体上来讲，它的整数运算性能大约是奔腾200的水平，浮点性能则是奔腾100的水平，但击败了Cyrix的竞品，还是比较中规中矩的。但是由于上市较晚，加上设计上有一定的缺陷，因此销量不大，没有给Intel造成什么威胁。AMD的第一次尝试实在算不上好。

5、1995年，收购NexGen，推出K6与Intel正面交锋

与此同时，硅谷的一家只有60个人的小公司NexGen，却做到了AMD做不到的事情。他们正在研发的Nx686处理器轻松地达到了180MHz的核心频率，性能足以压倒Intel的CPU，而这仅仅是靠IBM的一些微薄的资金资助完成的。NexGen的主席阿提克•拉沙(Atiq Raza)，是一位很有才华的巴基斯坦籍科学家。他对自己的产品很自信，但他也很清楚，以目前NexGen的实力，是无法与Intel叫板的。

有意思的是，为NexGen与AMD牵线的，是微软CEO比尔•盖茨。他专门约了拉沙来谈，并且告诉他说AMD有自己的晶圆厂，但目前制造的芯片正在遇到性能瓶颈。拉沙与桑德斯电话交谈之后，被AMD的雄心以及桑德斯的魅力深深地打动，因此决定与AMD展开合作。1995年，AMD斥资6.15亿美元收购NexGen，并将其研发团队并入旗下。以NexGen的Nx686为原型，AMD倾力研制出了新的K6处理器，于1997年春季发售。 更有意思的是，K6的成功，与一位Intel前员工有着密不可分的联系。他的名字叫维诺德•达姆(Vinod Dham)，印度籍科学家，也是奔腾芯片的主要研发负责人之一，被称为“The father of Pentium”。1995年，他从Intel离职加入了NexGen，被AMD收购后，也主导了K6的研发工作。

K6拥有880万个晶体管，其针脚仍然符合Socket 7规范，这证明其定位仍然是抢夺奔腾的市场。K6的第一个版本就可以运行在233MHz的核心频率下，具备6发射的超标量流水线，还有更加先进的分支预测技术。并且，它良好的超频性能使得它完全可以与超得更高的奔腾Pro一战。除了上面这些优点之外，它还比较便宜，使得当时的奔腾MMX完全失去了存在价值，甚至让刚刚面世的奔腾2也面临不小的竞争。AMD打了一场漂亮仗。

但是，Intel毕竟不是等闲之辈，它仍然是微处理器市场最领先的领导力量，PII仍然拥有足够的与K6对抗的资本。就在K6发布之后，Intel突然宣布退出Socket 7市场，转而推出了具有专利保护的Slot 1主板，与AMD及其他厂商正式决裂。

AMD牢牢把握住了这次机会，开始在Socket 7上连续刷新自己的K6产品线。从233MHz的Nx686开始，到300MHz的Little Foot、350MHz的Chomper、550MHz的Chomper Extended，这些产品在短短的1年多内先后上市。以Chomper为代表的K6-2新架构，还增加了AMD独有的3DNow!指令集，与Intel的SSE指令集类似，大大提升了图形和多媒体处理所需的浮点性能。另外，AMD还随同K6-2一起提出了“Super 7”的新理念，就是“Socket 7+100MHz FSB+AGP”的集合，引来除Intel外的其他厂商效仿，Slot 1显得愈加封闭。

K6 处理器

1999年初，AMD推出了K6家族的最后一个修订版本K6-III，晶体管数量达到了2140万，是K6-2的两倍多，同时还加入了用于节能的PowerNow!新技术。就在4天之后，Intel的奔腾3正式发布。K6-III虽然性能表现仍然不错，但毕竟已经有些廉颇老矣，不适合承担与将来的PIII竞争的重大任务了。

6、1999年，速龙（Athlon）时代的辉煌

速龙 处理器

1999年6月23日，AMD正式发布采用K7微架构的新一代处理器，系列名称“速龙”(Athlon)。 K7普遍被认为是AMD的黄金时代的起点。 K7，也就是速龙处理器，其内部总线采用了来自DEC授权的EV6总线，频率高达200MHz（当时Intel的竞品为133MHz），第一代的核心频率则从500MHz起步提升至700MHz。K7的前端拥有3个并行的译码器，后端则拥有非常鲁棒的乱序执行部件，以及一套非常先进的三发射超流水线FPU，从根本上解决了浮点运算的老大难问题。第一代K7/速龙采用0.25μm工艺制造，缓存系统则是128KB的内置L1，以及片外的512KB的L2。其接口规范则是Slot A规范，芯片组为AMD 750。 K7第一代“Pluto”刚上市就一鸣惊人，其同频和综合性能超越了Intel立足刚刚稳定的，代号Katmai的第一代PIII。

仅仅5个月后，AMD马上就推出了K75，代号Orion，0.18μm制程，频率范围为550MHz~1GHz。Orion是世界上第一款时钟频率能够达到1GHz的微处理器核心，具有里程碑意义。这正式标志着AMD开始与Intel在微处理器方面同台竞技，并第一次真正取得了优胜。但是，Pluto和Orion的超频潜力不佳，市场反响不错，但销量一般。 很快Intel拿出了新的代号为“铜矿”(Coppermine)的PIII，加入了全速片内L2，凭借800MHz以上的频率，又超越了Orion。不过，Intel为了从频率上压制Orion而仓促搞出的1.13GHz的Coppermine，当时却由于产品质量广泛出现问题而被大量回收，被俗称为“矿渣”，给Intel造成了巨大的心理阴影。

2000年6月，AMD发布了代号为“雷鸟”(Thunderbird)的第三代K7/速龙处理器。其也采用了256KB的全速片内L2，FSB回归100/133MHz，兼容Slot A和Socket A两种接口，晶体管数目达到了3700万。在频率方面，雷鸟可以达到1.4GHz的高频。由于此时K7与PIII的同频表现基本相同，因此频率更高也更便宜的雷鸟更受用户的青睐。在当时，雷鸟Athlon 750搭配VIA KT133主板，价格比Intel的奔腾套装便宜30%，但性能却没有打折扣，迅速席卷了民用PC市场。

另外，为了与Intel的赛扬争夺入门级市场，AMD又推出了代号为Spitfire的“钻龙”(Duron，俗称毒龙)系列，作为速龙的精简版，并且同样以超高的性价比广受好评，同频超越赛扬2。另外，Duron可以通过铅笔破解倍频，直上800MHz，性价比就更加突出。直到Intel在2001年推出了采用著名的PIII-S“图拉丁”(Tualatin)核心的赛扬，毒龙的领先优势才失去。

2001年8月，Intel的基于NetBurst架构的奔腾4系列开始铺货，首批型号代号为Willamette，频率来到了史无前例的2GHz。NetBurst架构的宗旨是采用较长的流水线，通过几乎是暴力提升频率的简单方法来达到提升性能的效果。这是一种大舰巨炮主义的想法，长流水线固然可以提升处理器的潜在能力，但带来的频率和功耗瓶颈也是十分严重的。Willamette的同频性能败于自家的Tualatin和AMD的K7，但毕竟频率较高，因此还是比较有优势。 AMD的动作是：升级目前的K7架构，代号为Palomino，并且速龙系列的名字也换成了Athlon XP。Palomino相对于雷鸟，加入了对Intel SSE指令集的支持，并且SIMD逻辑也有改善，性能提升了15%。

2002年，代号“北木”(Northwood)的制程改进版P4面世，0.13μm制程，FSB和频率大大提升，并且创新性地引入了Intel引以为豪的超线程技术(hyper-threading)，Palomino又感受到了空前的压力，AMD有推出K7小修改版Thoroughbred来迎战，超高的性价比仍然留住了一大批忠实用户。

AMD毒龙

在这两年内，AMD在与Intel进行拉锯战的同时，完成了对微处理器产品线的布局：速龙XP和毒龙主攻桌面高低端市场，速龙4/XP-M和毒龙M主攻移动高低端市场，速龙MP则是服务器市场。虽然在移动端和服务器表现一般，但在桌面端的表现十分抢眼。

2003年初，AMD继续拿K7微架构大做文章，推出了升级版速龙XP，代号Barton和Thorton。Barton在当时的DIY领域俗称为“巴顿将军”，是K7的巅峰之作，也是谢幕之作。Barton的代表型号Athlon XP 2500+，则是当年的一代神U，其性价比极高，超频潜力极佳。在当年，速龙XP 2500+搭配上DDR双通道内存和NVidia nForce 2 Ultra主板，其价格与Intel的赛扬平台相当，但性能则比赛扬强几条街。另外，通过超外频的方式，可以把2500+活活变成3200+，性能生吃Northwood的绝大多数型号，血拼3GHz以上的高端P4，非常凶悍。

速龙XP2500+

总之，AMD与Intel竞争到这个阶段，Intel虽然还占据着CPU市场的主动，但其地位受到了非常严重的冲击。而Intel在P4和NetBurst的弯路中还要继续绕一段时间，在这段时间内，AMD当然也没闲着，他们准备着下一轮的更大的攻势。

7、K8上市，64位CPU普及，AMD进入全盛时期

2003年9月23日，AMD发布K8微架构的新品Athlon 64/64 FX（“速龙64”），与当年早前发布的Opteron（“皓龙”）一起，组成K8大军，对Intel的P4展开猛攻。

Athlon 64/Opteron采用了AMD自家的AMD64架构，是整个微处理器历史上第一款64位CPU，具有划时代的重要意义。它们的代号分别为：SledgeHammer和ClawHammer，可以工作在纯64位模式下，也可以工作在32位模式甚至混合模式下，以用来提供向后兼容性，但同时又不牺牲性能。这种32位向64位平稳过渡的做法赢得了一致的好评，微软的Windows以及各主流的Unix/Linux系统都开始为64位提供良好的支持，AMD为推动32位到64位的进化功不可没。AMD的采用64位x86扩展指令集的这种方式，因为其十分先进便捷，成为了业界标准。Intel搞了很长时间的64位安腾(Itanium)架构轻松地被AMD64击败，后来Intel甚至为自己的64位架构取得了AMD64的授权。大概AMD自己也从来不会想到会有这样一天。

速龙64主打主流桌面市场，64 FX则主打高性能，这也是“FX”这两个字母被AMD用来标榜高性能的开端。两者都采用0.13μm工艺生产，内部集成内存控制器和HyperTransport控制器，流水线长度有所加长，频率约为2~2.4GHz，TDP为89W。虽然性能不错，但由于两者分别需要不同的Socket 754和Socket 940主板支持，并且主流的速龙64还不支持双通道内存，因此虽然得到了好评，但并没有对Northwood构成实质性的威胁。

2004年上半年，AMD吸取了教训之后推出新的改进版K8，代号Newcastle。速龙64和64 FX统一为Socket 939接口，全部支持双通道，NVidia也十分给力地推出了nForce 4主板，K8的势头愈发不可阻挡。 也就是在2004年，Intel基于NetBurst架构的第三代P4E面世（E代表extreme），代号为Prescott。Prescott可以说是历史上争议最大的一个微架构，它的流水线级数从之前的20级，一跃达到了惊人的31级，频率已经接近了4GHz，但事实证明，Intel几乎是完全失败了。Prescott相对于Northwood而言，性能没有提升，而K8大获全胜。Athlon 64 3200+和Athlon 64 FX-55等经典型号疯狂蚕食着Intel在桌面处理器的市场份额，2004年，AMD在桌面处理器领域的份额超过了50%，Intel颓势非常明显。“玩游戏选AMD”已经成为深入人心的口号，AMD进入全盛时期。

速龙64位处理器

2005年5月，这次是Intel，抢先发布了史上第一款双核CPU：奔腾D。不过，奔腾D是由两颗P4的核心共享FSB组成，本质上还是没有摆脱高功耗低性能的怪圈。然而大约一周以后，AMD就祭出了自己的双核心处理器：Athlon 64 X2，代号Toledo/Manchester，制程为90nm。速龙64 X2成功地吊打了奔腾D，皓龙也在服务器领域对英特尔的Xeon造成了巨大的冲击，超高的能耗比使得P4毫无脸面。在家用领域，拥有一片X2 3800+这样的处理器，就相当于拥有了想要的几乎全部性能。而经过高频San Diego修订版的速龙FX系列，也终于推出了双核版本Toledo FX-60，和之后的Windsor FX-62等衍生型号一起，霸占了民用级CPU性能宝座。

AMD 闪龙处理器

当然，占据全面优势的AMD有理由给自己的好产品加上他们认为合适的价格。入门级的X2 3800+当年的价格普遍在2000元以上，最高端的FX型号高达7000元以上，但这也没有阻挡DIYer们的热情，AMD可谓是赚的盆满钵溢。2005年下半年，AMD又发布了主打性价比的“闪龙”(Sempron)系列，代号Palermo/Manila，采用Socket 754接口，超频性能同样上佳。在AMD的攻势下，Intel十分被动，Nocona、Smithfield、Presler、Paxville等架构面对速龙、闪龙、皓龙，只能被认为是仓促发布的产品，全部败下阵来。“64位”和“双核”这两大关键且密集的战役，Intel全都打输了。

与此同时，AMD也不忘为自己取得的胜利造势，公开宣称自己赢得了“双核对决”(dual-core duel)。不仅如此，在2005年，AMD还提起了一项诉讼，指控Intel在微处理器市场使用垄断优势、恶意竞争，以妨害AMD处理器进入市场（虽然事实并非如此），Intel还遭到了调查。AMD的日子简直过得不要太好。

8、Intel推出Core系列开始扭转局势

2006 年 8 月，Intel 展开逆袭，推出了下一代的 CPU──Core 2 系列。新系列的 Intel CPU，断开和 PenTIum 4 的关联，以 Pentium III 的 CPU 硬件架构为基础重新设计，并采用 AMD 所发展的 64 位指令集架构。这一次，Intel 以过往成功的产品为基础并重新设计，以 Core 为名重新出发。Intel 结束产品线的混乱以及产品效能低落的数年。同步多线程，彻底发挥 CPU 核心的计算能力 。

2008 年，Intel 将其 Hyper-Threading 的技术重新导入 Core i 系列 CPU，也就我们现在所熟知的 i3、i5、i7 处理器。所谓的 Hyper-Threading，便是在一个 CPU 核心内部在将其分成两份。采用这一项技术后，在多执行绪的执行情况下，将可带来将近 30% 的效能提升，相当惊人。

Bulldozer 处理器

2011 年，最为应对，AMD 推出 Bulldozer，其采用的并非是 Intel 所使用的 SMT 技术，而是 Clustered MultiThreaded（CMT）技术。此技术是将一颗 CPU 内部的整数执行单元复制一份，让 CPU 具备在同一核心内部执行两个执行绪能力，在后续要扩增核心的计算能力上，相当的容易，所需要的修改相对的较少。 然而，其缺点便是没有办法共用执行单元，无法享有 SMT 中最重要的优点，用两个 Thread 尽可能让执行单元不会有空闲状态。此外，两个独立的 L1 Cache 虽然感觉在实作上会比较简单。但是，为了要维持 Cache 的一致性，便需要拥有额外的 Core 内部资料交换单元，大大的提升控制电路的复杂性。

最后，结果便是众所皆知的，AMD 于 x86 的 CPU 市占率直直落，现今在中高端的笔电市场中，更几乎看不到采用 AMD CPU 的产品。就在 AMD 要消失在市场之中时，Zen CPU 的消息传出！

9、锐龙(Ryzen)推出，硬件架构的重新设计

2012 年，K8 的主要硬件架构师 Jim Keller 回到 AMD。这一次，他的回归，让 AMD 重返荣耀的声音响起。将底层硬件架构做比较，可以发现 Ryzen CPU，取消了 Bulldozer 所提出的 Integer Cluster，并以类似 Intel Hyper-Threading 的技术取而代之。如此便能让 CPU 尽可能地达到满载的状况。

此外，新的 Ryzen CPU 也引进了 Intel 于 Sandy Bridge 架构开始采用的 Micro-op Queue，以减少重新 Decode 的需求，提升单次可执行的指令数。借由更多先进的技术，让 AMD 得以获得大幅度的效能提升。也因此，AMD 公布 Ryzen CPU 其每个周期可以执行的指令比前一代 CPU 多 52%，改善幅度相当大。

锐龙处理器

2017年2月21日AMD发布，首批有Ryzen7三款高端型号1700、1700X和1800X。采用AMD 1331针接口，14NM处理器“Ryzen”系列，中文名称为“锐龙”。至于实际的 Ryzen CPU 效能如何呢？现在已经有相当多的评测文章将 Intel Kaby Lake 系列和 Ryzen 系列 CPU 做比较，在这不再多做评比。不过，在一般的应用上，AMD 的 CPU 不会再像之前的 CPU，看不到 Intel CPU 的车尾灯。