有史以来最具影响力的芯片：42年历史的8086裸片拆解分析

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来源：EETOP编译自righto

英特尔8086微处理器是在42年前的上个月推出的， 我们为此款芯片制作了一些高分辨率的裸片以示纪念。8086是有史以来最有影响力的芯片之一。它开创了x86体系结构，该体系结构如今仍占据着台式机和服务器计算的主导地位。

下图是8086的裸片照片。在这张照片中，可以看到芯片的金属层，大部分遮住了其下的硅片层。在裸片的边缘，细细的绑定线提供了芯片上的焊盘和外部引脚之间的连接。(电源和接地焊盘各有两根绑定线，以支持较大的电流)。该芯片在当时是很复杂的，包含29000个晶体管。

（点击查看大图）

观察芯片内部

大多数集成电路都是用环氧树脂封装的，为了观察到内部的裸片，对于环氧树脂封装的芯片我们需要用到危险的酸来溶解封装。为了避免这种情况，我采用陶瓷封装的8086来替代。打开陶瓷封装很简单，就是用凿子沿着缝隙敲击，然后将陶瓷顶盖弹开即可。

40引脚陶瓷DIP封装的8086芯片

除去顶部，可以在中心看到硅芯片。芯片通过微小的绑定线连接到芯片的金属引脚。这是40针DIP封装，当时是微处理器的标准封装。请注意，硅芯片本身仅占芯片尺寸的一小部分。

8086芯片在集成电路封装的中间

我们采用冶金显微镜拍摄了数十张裸片的照片，并使用名为Hugin的程序将它们贴合成高分辨率的图像，文章开头的照片显示了芯片的金属层，但该层隐藏了其下方的硅。

在显微镜下，可以看到8086部件号以及版权日期。绑定线连接到焊盘和位于顶部的一部分微码ROM

对于下面的管芯照片，去除了金属和多晶硅层，显示了具有29,000个晶体管的底层硅。2 标签是根据我的逆向工程显示的主要功能块。芯片的左侧包含16位数据路径：芯片的寄存器和算术电路。加法器和高位寄存器构成与外部存储器通信的总线接口单元，而低位寄存器和ALU构成处理数据的执行单元。芯片的右侧具有控制电路和指令解码，以及控制每个指令的微码ROM。

在下面的芯片照片中，去掉了金属和多晶硅层，显示了底层的硅和29,000个晶体管。标签显示了主要的功能块。芯片的左侧包含16位数据通路：寄存器和算术电路。加法器和上层寄存器构成与外部存储器通信的总线接口单元，下层寄存器和ALU构成处理数据的执行单元。芯片的右侧有控制电路和指令解码，以及控制每条指令的微码ROM。

显示主要功能块的8086微处理器的裸片。

8086的一个特点是指令预取，它通过在需要指令之前从内存中获取指令来提高性能。这是由左上方的总线接口单元实现的，它可以访问外部存储器。高位寄存器包括8086的臭名昭著的段寄存器，它提供对比16位地址所允许的64 KB更大的地址空间的访问。对于每次存储器访问，都添加了段寄存器和存储器偏移量以形成最终的存储器地址。为了提高性能，8086有一个单独的加法器用于这些内存地址计算，而不是使用ALU。高位寄存器还包括六个字节的指令预取缓冲区和程序计数器。

芯片的左下角存放着执行单元，该单元用于执行数据操作。低位寄存器包括通用寄存器和堆栈指针等索引寄存器。16位ALU执行算术运算（加减法）、布尔逻辑运算和移位。ALU不执行乘法或除法，这些运算是通过一连串的移位和加/减法来完成的，所以速度相对较慢。

微码计算机设计中最困难的部分之一就是创建控制逻辑，该逻辑用来告知处理器的每个部分如何执行每条指令。1951年，莫里斯·威尔克斯（Maurice Wilkes）提出了微代码的想法：代替由复杂的逻辑门电路构建控制逻辑，可以用称为微代码的特殊代码代替控制逻辑。为了执行一条指令，计算机在内部执行一些更简单的微指令，这些指令由微码指定。使用微码，构建处理器的控制逻辑成为编程任务，而不是逻辑设计任务。

微代码在20世纪60年代的大型计算机中很常见，但早期的微处理器如6502和Z-80并没有使用微代码，因为早期的芯片没有空间来存储微代码。但是，后来的8086和68000等芯片，利用芯片密度不断增加的优势，使用了微代码。这使得8086可以实现复杂的指令（如乘法和字符串复制），而不会使电路更加复杂。缺点是微码占用了8086的很大一部分裸片；在裸片照片的右下角可以看到。

微码ROM的一部分。

上面的照片显示了微码ROM的一部分。在显微镜下，可以看到微码ROM的内容，并且可以根据每个位置上是否存在晶体管来读取位。ROM由512条微指令组成，每条21位宽。每个微指令指定数据在源和目标之间的移动。它还指定了微操作，可以是跳转，ALU操作，内存操作，微代码子例程调用。微码非常有效；一个简单的指令（例如递增或递减）由两个微指令组成，而更复杂的字符串复制指令则由八个微指令实现。

8086的历史

通往8086的道路并不像你想象的那样直接和有计划。它最早的祖先是1970年的台式电脑/终端机Datapoint 2200。Datapoint 2200是在微处理器诞生之前，所以它使用的是由一块布满独立TTL集成电路的电路板构建的8位处理器。Datapoint咨询英特尔和德州仪器公司是否可以用一块芯片取代那块板子。复制Datapoint 2200的架构，德州仪器在1971年推出了TMX 1795处理器，而英特尔推出的是8008处理器（1972年）。然而，Datapoint拒绝了这些处理器，这是一个致命的决定。尽管德州仪器公司找不到TMX 1795处理器的客户而放弃了它，但英特尔还是决定将8008作为产品出售，就此开创了微处理器市场。英特尔在8008之后又推出了改进的8080（1974）和8085（1976）处理器。

Datapoint 2200计算机。照片由Austin Roche提供。

1975年，英特尔的下一个重大计划是将8800处理器设计为1980年代英特尔的主要架构。由于计划的高性能，该处理器被称为“微型大型机”。它具有为Ada等高级语言设计的全新指令集，并在硬件级别支持面向对象的编程。不幸的是，该芯片当时过于雄心勃勃，大大落后于计划。它最终在1981年推出(作为iAPX 432)，性能令人失望，是一款商业失败的产品。

由于iAPX 432进度落后，因此英特尔在1976年决定在iAPX 432就绪之前需要一个简单的，权宜之计的处理器来销售。英特尔迅速将8086设计成一个16位处理器，与1978年发布的8位80804有一定的兼容性。随着1981年IBM个人电脑（PC）的推出，8086有了很大的突破。到1983年，IBM PC成为最畅销的计算机，并成为个人计算机的标准。IBM PC中的处理器是8088，是8086的变种，采用8位总线。IBM PC的成功使8086体系结构成为仍然持续了42年的标准。

IBM PC为什么选择Intel 8088处理器？据最初的IBM PC工程师之一David Bradley博士说，关键因素是团队对Intel开发系统和处理器的熟悉程度。（他们在较早的IBM Datamaster台式计算机 中使用了Intel8085 。）另一位工程师Lewis Eggebrecht表示，Motorola 68000是值得竞争的产品,但其16位数据总线将大大增加成本（与8086一样）。他还称赞了英特尔更好的支持芯片和开发工具。

无论如何，使用8088处理器的决定巩固了x86系列的成功。IBM PC AT（1984）升级到兼容但功能更强大的80286处理器。1985年，x86系列产品的80386移植到32位，然后在2003年采用AMD Opteron架构的移植到 64位。x86体系结构仍在通过AVX-512 矢量操作（2016）等功能进行扩展 。但是即使进行了所有这些更改，x86体系结构仍保留了与原始8086的兼容性。

晶体管

8086芯片采用了一种叫做NMOS的晶体管。可以将晶体管视为开关，控制电流在称为源极和漏极的两个区域之间流动。这种晶体管是通过在硅基底的区域掺杂杂质来制造具有不同电性能的 "扩散 "区域。晶体管由栅极激活，栅极由一种特殊类型的硅制成，称为多晶硅，层叠在硅基板之上。晶体管通过上面的金属层连接在一起，构建了完整的集成电路。现代的处理器可能有十几层金属层，而8086的金属层只有一层。

集成电路中MOSFET的结构。

下图是硅的特写照片，显示了算术逻辑单元(ALU)的一些晶体管。掺杂的导电硅呈深紫色。白色条纹是多晶硅线穿过硅的地方，形成了晶体管的栅极。(23个晶体管形成7个门)晶体管的形状很复杂，以使布局尽可能高效。此外，晶体管有不同的尺寸，以便在需要的地方提供更高的功率。请注意，相邻的晶体管可以共享源极或漏极，从而使它们连接在一起。圆圈是硅层和金属布线之间的连接（称为过孔），而小方块是硅层和多晶硅之间的连接。

8086中一些晶体管的特写镜头，金属和多晶硅层已在这张照片中去除。由于薄膜干扰，掺杂的硅具有深紫色外观。

结论

8086的本意是在英特尔发布他们的旗舰iAPX 432芯片之前，作为一个临时性的临时处理器，它是由一块满是TTL芯片的电路板构建的处理器的“后代”。但从这些不起眼的开始，8086的架构(x86)意外地最终主导了桌面和服务器计算，直到现在。

虽然8086是一个复杂的芯片，但可以在显微镜下检查单个晶体管。这里有一张8086去除金属和多晶硅后的高分辨率照片，点击查看大图。

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46年前的今天英特尔8086处理器诞生：奠定x86架构基础

IT之家 6 月 9 日消息，在个人电脑发展史上，提起英特尔 8086 微处理器，其影响力绝对是毋庸置疑的。它不仅仅是一块芯片，更是改变了整个行业，并奠定了至今仍主导我们大部分计算机的 x86 架构的基础。发布于 1978 年的英特尔 8086，即使在 40 多年后的今天，仍然被认为是微处理器历史上最重要的创新之一。

据IT之家了解，8086 由 Stephen Morse 领导的团队设计研发。当时，英特尔正面临着来自摩托罗拉等公司的激烈竞争，虽然采用平面地址空间而非分段内存寻址，但摩托罗拉的 6800 微处理器已经在市场上取得了相当大的成功。8086 正是英特尔为满足人们对更强大、更通用计算需求所作出的回应。

拥有高达 10 MHz 的时钟速度和 16 位架构，8086 相比于前辈们来说是一次巨大飞跃。它采用复杂指令集计算 (CISC) 架构，该架构至今仍被英特尔处理器所使用。这种通用性使其成为商用和个人计算应用的热门选择，并且在许多方面经受住了时间的考验。8086 以“86”结尾也并非巧合，正是这颗处理器奠定了 x86 架构的基础，并被一直沿用至今。这也标志着英特尔对 CISC 架构的坚持，而 ARM 等公司则采用了 RISC 架构。

8086 还引入了许多重要特性，例如分段内存寻址，使其能够访问比以往 8 位处理器更大的内存空间。这对于运行更复杂的程序和操作系统至关重要，它将 1MB 的内存空间分成了多个 64KB 的段。该芯片的架构也为后续的 8088 处理器（8086 的衍生版本）铺平了道路，并最终成为赋予 IBM PC 运算能力的核心部件。

8086 是众多微处理器的开山鼻祖，包括 80286、80386、80486，以及 80486 的继任者 —— 传奇的奔腾系列，每一款处理器都建立在 8086 所奠定的基础之上。事实上，8086 最值得注意的遗产之一就是其指令集架构 (ISA)，该架构几十年来一直在维护和扩展。即使是像英特尔酷睿系列这样现代的处理器，也能追溯到最初的 8086 和 x86 架构。

展望现在，拥有 x86 架构根基的现代英特尔处理器不断突破计算极限，而这一切都要归功于 8086 作为早期奠基石所做出的贡献。英特尔也认识到了它的重要性，并在 2018 年推出了限量版酷睿 i7-8086K 处理器来纪念 8086 诞生 40 周年。

英特尔 8086 不仅仅是一颗处理器，它的出现标志着为现代计算奠定基础的关键时刻，标志着一个新的技术时代的开始，其影响力直到今天仍然存在。

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