AMD CPU 的历史：从第二供应商到 Chiplet

几十年来，许多人一听到“电脑处理器”，首先想到的只有 Intel 一个名字。但 x86 的故事并不只属于一家公司。Advanced Micro Devices，简称 AMD，最初是一家为其他公司生产芯片的小企业。它在较大对手的阴影下度过了数十年，赢得了多场法律和设计上的较量，并在 2010 年代后期围绕 Zen 架构和 Chiplet（小芯片）制造方式重建了自己。本文从 1969 年创立讲起，一直到如今用于游戏电脑、服务器和游戏主机的处理器。

1969 年：在硅谷创立

AMD 于 1969 年在加州桑尼维尔成立，创始人是 Jerry Sanders 和一群曾在 Fairchild Semiconductor 工作的工程师与销售人员。Fairchild 是几年前帮助开发集成电路的公司。创业初期，AMD 生产逻辑芯片和存储器，其中许多是基于其他公司的设计。与大型供应商竞争，迫使 AMD 专注于价格和快速交付，这种习惯陪伴了公司几十年。

第二供应商时代

在 1970 年代，大型电子厂商不希望在重要芯片上只依赖一家供应商。如果供应商短缺或涨价，整条产品线都可能停摆。因此业界采用第二供应商制度：一家公司设计芯片，另一家公司获得授权生产同样的芯片，让客户有选择余地。AMD 成为业界最重要的第二供应商之一。

1975 年，AMD 开始生产 Intel 8080 处理器的一个版本，称为 Am9080。它的引脚和功能相同，为 8080 设计的系统无需改动电路板即可使用 AMD 的芯片。这项业务在 AMD 还没有自己的处理器设计时，带来了稳定的收入和制造经验。

IBM PC 与 8086 系列

1978 年的 Intel 8086 以及随后更便宜的 8088，成为 x86 架构的基础。1981 年，IBM 为其 PC 选择了 8088，并希望有第二供应商来保证货源。因此 Intel 把设计授权给其他厂商，AMD 也是其中之一。这使 AMD 进入了个人电脑业务的中心，因为 IBM PC 成为整个兼容机产业的范本。

不过，授权范围有限。设计主导权仍在 Intel 手中，合同规定了 AMD 可以生产哪些芯片以及条件。这种紧张关系持续多年：AMD 需要授权才能成长，而 Intel 希望掌控最能带来利润的架构。

286 与 386 之争

1982 年，Intel 推出 80286，这是一款性能更好的 16 位处理器，内存管理能力有所提升。AMD 获得授权并生产了自己的版本 Am286。然而，协议中包含关于微代码使用的条款。微代码是告诉处理器如何执行操作的底层指令，双方为此争论了多年。

1985 年的 Intel 386 是一款 32 位处理器，后来成为现代 PC 软件的基础。AMD 在长期谈判以及包括诉讼和仲裁在内的法律程序之后，最终生产出自己的版本 Am386。双方都在法律费用上投入巨大。最终结果是一项交叉授权和解，明确了哪些设计可以视为独立完成，哪些仍归原权利人所有。

AMD 从这段历史中得到的教训是：知识产权是芯片业务的核心。如果一家公司不拥有核心设计，它就始终处于脆弱地位。

486 与寻找自身定位

Intel 1989 年的 80486 把处理器、浮点运算单元和缓存集成在同一芯片上。它明显快于 386，并成为 1990 年代初高性能桌面电脑的标准。AMD 也生产了兼容的 486 芯片，随着个人电脑市场扩张，其销量增长。客户希望以更低的价格获得更快的机器，AMD 提供的选择受到许多系统组装商的欢迎。

K5：第一款完全自主设计的 x86 处理器

1996 年，AMD 发布了 K5，这是其第一款完全自主设计的 x86 处理器。在此之前，AMD 主要依赖授权设计和对 Intel 产品的逆向工程。K5 证明了 AMD 的工程师能够基于自己的架构打造有竞争力的芯片。它的性能并不总能与 Intel 的 Pentium 持平，但在价格和与当时软件的兼容性方面具有优势。

K5 项目遇到了不少困难。一些设计目标过于雄心勃勃，芯片上市比计划晚了。不过，这段经历让 AMD 学会了管理大型设计项目、验证复杂逻辑，以及与制造伙伴协作。

NexGen 与 K6

1996 年初，AMD 收购了小公司 NexGen，该公司的团队设计了一款名为 Nx586 的处理器。NexGen 的工程师采用了不同的思路：他们把 x86 指令翻译成更简单的内部操作，使芯片可以并行处理多个操作。Nx586 在某些工作负载中有优势，但在制造和市场上遇到了问题。

AMD 以 NexGen 团队为基础开发了 1997 年推出的 K6。K6 是一款高效且便宜的芯片，直接与 Intel 的 Pentium MMX 竞争。它的日常性能对于其价格而言很强，帮助 AMD 树立了高性价比处理器制造商的声誉。

K6-2 与 3DNow!

1998 年发布的 K6-2 增加了一组名为 3DNow! 的指令，用于加速三维图形和大量浮点运算。这些扩展是为了满足日益增长的 3D 游戏和多媒体需求而开发的。软件需要专门支持才能使用，并非所有程序都支持，但 K6-2 为 AMD 提供了当时 Intel 没有的功能。

K6-2 在低价和主流市场大量热销，帮助 AMD 在桌面市场获得了更大的份额。

Athlon：AMD 成为性能领先者

1999 年，AMD 发布了 Athlon，由 Dirk Meyer 领导、曾参与 K7 项目的工程师团队设计。Athlon 是一次重大飞跃。它拥有全新的架构、更快的总线和更深的流水线，是 AMD 第一款在纯性能上能够认真与 Intel 顶级产品竞争的 x86 处理器。

2000 年 3 月，AMD 成为第一家向消费者出货 1 GHz x86 处理器的公司，比 Intel 略早。这一里程碑受到广泛报道，也改变了 AMD 的形象，使其从低价品牌变为技术领先者。玩家和超频爱好者开始偏爱 Athlon。

Thunderbird、Palomino 与 Athlon XP

2000 年的 Athlon Thunderbird 在处理器核心上加入了二级缓存，提升了性能，随后推出了 Palomino 核心和 Athlon XP。“XP”这个名字用来表明，即使时钟频率较低，AMD 的处理器在多项测试中也能与 Intel 的 Pentium 4 相匹敌。以性能而非频率命名的做法引起了争议，但在市场上效果很好。

Athlon XP 和 Athlon MP 在桌面和服务器市场都取得了成功。这一时期 AMD 盈利能力很强，但与 Intel 的竞争依然激烈。

Athlon 64 与 x86-64

这一时代最重要的转折点出现在 2003 年，AMD 为服务器推出了 Opteron，为普通用户推出了 Athlon 64。两者都实现了 x86 的扩展 x86-64，官方名称为 AMD64，增加了 64 位寻址和更多寄存器。Intel 当时与 Hewlett-Packard 合作开发另一种 64 位架构 IA-64，即 Itanium，它与现有的 x86 软件不兼容。AMD 的方案让处理器既能运行 32 位程序，也能运行 64 位程序，客户无需重写软件即可升级。

这一决定取得了成功。Intel 最终以 Intel 64 的名称采用了 AMD64 指令集，这证实了 AMD 为其后十年的主流 x86 指明了方向。

内存控制器移入芯片

Athlon 64 还把内存控制器移入了处理器本身。此前它位于主板上，是一颗独立的芯片，每次访问内存都会增加延迟。集成之后，处理器从内存读取数据更快，许多应用的性能都有所提升。这一思路后来成为整个行业的标准，也为之后的 Infinity Fabric 和 Chiplet 设计打下了基础。

Athlon 64 X2 与双核时代

2005 年，AMD 发布了 Athlon 64 X2，这是一款在同一芯片上集成两个核心的双核处理器。Intel 大约同时也推出了双核产品，但 Athlon 64 X2 因其性能、低功耗以及与现有主板的兼容性而广受好评。在多核计算的早期，它使 AMD 在消费市场占据了强势地位。

2006 年收购 ATI

2006 年，AMD 完成了对大型显卡芯片厂商 ATI Technologies 的收购，交易金额约为 54 亿美元。这笔交易改变了公司的方向。它带来了拥有数十年经验的图形团队和一批有价值的专利。AMD 相信，把中央处理与图形处理结合起来，将决定计算的未来。

这次收购的代价也很高。AMD 承担了大量债务，还必须整合两个文化不同的工程组织，此后的财务状况变得更加脆弱。不过，CPU 与 GPU 结合的理念，催生了 AMD 从 2011 年开始出货的 APU（加速处理单元），后来也促成了游戏主机中的处理器。

Phenom 与代价高昂的失误

2007 年的 Phenom 是 AMD 第一款原生四核处理器，四个核心都制作在同一块晶片（die）上，而不是把两颗双核芯片拼在一起。这一设计很有野心，但早期版本的转译后备缓冲器（TLB）存在缺陷，在某些情况下影响稳定性和性能。AMD 发布了补丁和后续修订版，但公司的声誉受到了损害。

Phenom 的时钟频率也落后于 2006 年推出、性能优势明显的 Intel Core 2。AMD 的市场份额随之减弱，公司转而专注于降低成本和图形业务。这一时期让 AMD 深刻认识到，充分验证、切合实际的时间表以及设计失误的代价有多大。

Bulldozer 与 APU

2011 年，AMD 推出 Bulldozer 架构，把核心组织成“模块”，其中两个核心共享一个浮点单元。其想法是在合理的硅片成本下增加核心数量，但每个核心的性能低于预期，在浮点密集型负载中尤其明显。FX 系列受到广泛批评。

同一时期，AMD 为笔记本和低价桌面电脑推出了 Llano APU，把 CPU 和 GPU 集成在一颗芯片上。APU 的方向从长远看是正确的，但当时公司的资金非常有限。

困难时期与复兴

2012 年至 2016 年，AMD 大幅削减成本并精简人员。Lisa Su 于 2014 年 10 月出任 CEO，她把公司重心放在核心产品和新架构上。曾在多款芯片上获得高度评价的设计师 Jim Keller 于 2012 年加入，并领导了 Zen 架构的开发。

Zen 的目标是大幅提升每时钟周期执行的指令数（IPC），采用适合增加核心数的结构，并利用 TSMC 更先进的制造工艺。

Zen 与 Ryzen

2017 年 3 月，AMD 发布了基于 Zen 的首批 Ryzen 处理器。它们以远低于竞争对手的价格提供了多得多的核心，使 AMD 重新成为游戏玩家和内容创作者的有吸引力的选择。2017 年 6 月，面向服务器的 EPYC 系列随之推出，以具有竞争力的价格提供了比 Intel 服务器芯片更多的核心和内存容量。

Chiplet 改变了经济账

2019 年发布的 Zen 2 是又一个重要转折点。AMD 把处理器拆分为多个称为 CCD（Core Complex Die）的小型晶片，并把它们围绕一颗包含内存控制器的中央 I/O 晶片布置。各个晶片之间通过 Infinity Fabric 相连。

好处在于良率。在 TSMC 的 7 纳米工艺上，小晶片中无缺陷的比例远高于一颗大晶片。因此 AMD 可以降低每颗处理器的成本，并把同一种 CCD 用在从 Ryzen 到高核心数 EPYC 的多种产品上。这使公司在价格和核心数量两方面都获得了更强的地位。

Zen 3、3D V-Cache 与 Zen 4

2020 年的 Zen 3 重新组织了 CCD 的缓存结构，让每个核心都能访问更大的三级缓存，游戏性能因此明显提升。2022 年，AMD 推出 Ryzen 7 5800X3D，把 3D V-Cache 堆叠在 CCD 之上，大幅增加了 L3 缓存容量。由于它在游戏中的表现出色，成为玩家们的热门选择。

同样在 2022 年发布的 Zen 4 引入了 AM5 接口和 DDR5 内存，这是平台上的重大变化。2024 年发布的 Zen 5 提升了每时钟周期性能和计算吞吐量。

游戏主机与掌上设备

AMD 为多款游戏主机提供芯片。2013 年的 PlayStation 4 和 Xbox One 使用 Jaguar 架构，2020 年的 PlayStation 5 和 Xbox Series 则使用 Zen 2。这些长期合同为 AMD 带来了稳定收入。2022 年发布的 Steam Deck 同样采用 AMD 的 APU，将 Zen 2 CPU 与 RDNA GPU 组合在一起，因此 AMD 在掌上游戏领域也占有一席之地。

从 AMD 历史中得到的启示

• 第二供应商的经历让 AMD 学会了制造和质量控制，即使当时并不拥有设计。
• 知识产权和设计协议很重要。依赖竞争对手的授权会使公司暴露在风险之中。
• x86-64 和 Zen 这样的大胆创新，带来的成果远胜于紧跟领先者。
• Chiplet 说明，改变成本与良率的经济账，也能改变一家公司的地位。
• Phenom 的缺陷这类失误表明，一次延误或一个缺陷就可能造成多年的影响。

结语

从 1975 年授权生产的 8080 副本，到达到 1 GHz 的 Athlon，再到由 Chiplet 构成的 Ryzen 和 EPYC，AMD 的历史是一部在远比自己强大的对手面前竞争、并多次重建自己的历史。每当你打开一台使用 AMD 处理器的电脑，都是在享受这些工程决策的成果。