Первый микропроцессор

В 1959 году сотрудники компании Texas Instruments изобрели интегральную схему - полупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов.

🕛 23.09.2009, 17:08

В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что микропроцессор AMD Athlon 64 X2 содержит больше 233 млн. транзисторов! В наше время во многих типах микросхем используется не один миллион транзисторов.

В 1998 году компания Intel отпраздновала свое тридцатилетие. Она была основана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) и Эндрю Гро-увом (Andrew Grove). Ученые поставили перед собой вполне определенную цель: создать практичную и доступную полупроводниковую память. Ничего подобного ранее не создавалось, учитывая тот факт, что запоминающее устройство на кремниевых микросхемах стоило по крайней мере в сто раз дороже обычной для того времени памяти на магнитных сердечниках. Стоимость полупроводниковой памяти достигала одного доллара за бит, в то время как запоминающее устройство на магнитных сердечниках стоило всего лишь около пенни за бит. Вот что сказал Роберт Нойс: “Нам было необходимо сделать лишь одно - уменьшить стоимость в сто раз и тем самым завоевать рынок. Именно этим мы в основном и занимались”.
В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, намного превысив емкость существующих в то время микросхем. (1 Кбит равен 1024 битам, один байт состоит из 8 битов, т.е. эта микросхема могла хранить всего 128 байт информации, что по современным меркам ничтожно мало.) Созданная микросхема, известная как динамическое оперативное запоминающее устройство 1103 (DRAM), стала к концу следующего года наиболее продаваемым полупроводниковым устройством в мире. К этому времени Intel выросла из горстки энтузиастов в компанию, насчитывающую более ста служащих.
Японская компания Busicom обратилась к Intel с просьбой разработать набор микросхем для семейства высокоэффективных программируемых калькуляторов. В то далекое время логические микросхемы разрабатывались непосредственно для определенного приложения или программы. Большинство микросхем, входящих в этот заказ, были предназначены для выполнения строго определенного круга задач, поэтому ни одна из них не могла получить широкого распространения.
Первоначальная конструкция калькулятора компании Busicom предусматривала по крайней мере 12 микросхем различных типов. Инженер компании Intel Тед Хофф (Ted Hoff) отклонил данную концепцию и вместо этого разработал однокристальное логическое устройство, получающее команды приложения из полупроводниковой памяти. Этот центральный процессор находился под управлением программы, которая позволяла адаптировать функции микросхемы для выполнения поступающих задач. Микросхема была универсальной по своей природе, т.е. ее применение не ограничивалось калькулятором. Логические же модули других конструкций имели только одно назначение и строго определенный набор встроенных команд. Новая микросхема могла считывать из памяти набор команд, которые и использовались для управления ее функциями. Тед Хофф стремился разработать вычислительное устройство, размещенное в одной микросхеме и выполняющее самые разные функции в зависимости от получаемых команд.

С этой микросхемой была связана одна проблема: все права на нее принадлежали исключительно компании Busicom. Тед Хофф и другие разработчики понимали, что данная конструкция имеет практически неограниченное применение, позволяя преобразовывать “несуразные” машины в настоящие интеллектуальные системы. Они настояли на том, чтобы Intel выкупила права на созданную микросхему. Основатели Intel Гордон Мур и Роберт Нойс всячески поддерживали создание новой микросхемы, в то время как другие сотрудники компании были обеспокоены тем, что это нанесет удар по основной деятельности Intel - продаже оперативной памяти. Каждый микрокомпьютер Intel, состоящий из четырех микросхем, содержал в те времена по два модуля памяти. Вот что сказал бывший коммерческий директор Intel: “Вначале я относился к этой архитектуре, как к способу выгодной реализации большого количества микросхем памяти, и именно в это направление мы собирались вкладывать дополнительные средства”.
Компания Intel предложила Busicom вернуть отданные ею за лицензию 60 тыс. долларов в обмен на право распоряжаться разработанной микросхемой. Японская компания, находящаяся в тяжелом финансовом положении, согласилась. В это время никто из производителей, равно как и сама Intel, не смогли в полной мере оценить важность этого события. Как оказалось впоследствии, именно эта сделка определила будущее Intel. В 1971 году появился первый 4-разрядный микрокомпьютерный набор 4004 (термин микропроцессор появился значительно позже). Микросхема размером с ноготь большого пальца содержала 2 300 транзисторов, стоила 200 долларов и по своим параметрам была сопоставима с первой электронно-вычислительной машиной ENIAC. Как уже отмечалось, в системе ENIAC, созданной в 1946 году, было около 18 тыс. вакуумных электронных ламп; она занимала 3 000 кубических футов (85 кубических метров). Микропроцессор 4004 выполнял 60 тыс. операций в секунду, что являлось на то время невероятным достижением.
В 1972 году был выпущен преемник 4004 - 8-разрядный микропроцессор 8008. А в 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью 8086 и 8-разрядной 8088. Эти процессоры получили в течение всего лишь одного года около 2 500 наград за технологические новшества и достижения в сфере вычислительных систем. В число призеров вошла и одна из разработок IBM, ставшая впоследствии первым персональным компьютером.
Замечание
Под термином PC понимается тип персонального компьютера, в котором используется процессор архитектуры Intel и который базируется на архитектуре систем PC, XT и AT компании IBM. До появления PC существовали и другие типы персональных компьютеров, однако архитектура PC получила наибольшее распространение с момента появления на рынке в 1981 году.
В 1982 году Intel представила микропроцессор 286, содержащий 134 тыс. транзисторов. По эффективности он превосходил другие 16-разрядные процессоры того времени примерно в три раза. Благодаря концепции внутрикристальной памяти он стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Этот качественно новый микропроцессор был затем использован в эпохальном компьютере PC-AT компании IBM.
В 1985 году появился 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисторов и выполнял более 5 млн. операций в секунду (Million Instruction Per Second - MIPS). Компьютер DESKPRO 386 компании Compaq был первым ПК, созданным на базе нового микропроцессора.
Следующим из семейства Intel стал процессор 486, появившийся в 1989 году. Он содержал уже 1,2 млн. транзисторов и первый встроенный сопроцессор, а также работал в 50 раз быстрее процессора 4004, и его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов.
В 1993 году Intel представила первый процессор Pentium, производительность которого выросла в пять раз по сравнению с семейством Intel 486. Этот процессор содержал 3,1 млн. транзисторов и выполнял до 90 млн. операций в секунду, что примерно в 1 500 раз выше быстродействия процессора 4004.

Основанием для перехода Intel от нумерации процессоров (386/486) к использованию различных названий (Pentium/Pentium Pro) послужило то, что числовое значение не позволяет должным образом обеспечить безопасность зарегистрированной торговой марки и избежать использования того же номера для нумерации идентичной микросхемы, разработанной конкурентами.
Процессор семейства P6, называемый Pentium Pro, появился на свет в 1995 году. Он содержал 5,5 млн. транзисторов и являлся первым процессором, кэш-память второго уровня которого была размещена прямо на кристалле, что позволяло значительно повысить его быстродействие. Даже в наше время процессор Pentium Pro, выполняющий до 300 млн. команд в секунду, все еще используется для многопроцессорных серверов и высокоэффективных рабочих станций.
Компания Intel пересмотрела архитектуру P6 (Pentium Pro) и в мае 1997 года представила процессор Pentium II. Он содержит 7,5 млн. транзисторов, упакованных, в отличие от традиционного процессора, в картридж, что позволило разместить кэш-память L2 непосредственно в модуле процессора. В апреле 1998 года семейство Pentium II пополнилось дешевым процессором Celeron, используемым в домашних ПК, и профессиональным процессором Pentium II Xeon, предназначенным для серверов и рабочих станций. В 1999 году Intel выпустила процессор Pentium III, который представлял собой, по сути, Pentium II, содержащий инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions).
В то время как процессор Pentium стремительно занимал доминирующее положение на рынке, AMD приобрела компанию NexGen, работавшую над процессором Nx686. В результате слияния компаний появился процессор AMD К6. Этот процессор как в аппаратном, так и программном отношении был совместим с процессором Pentium, т.е. устанавливался в гнездо Socket 7 и выполнял те же программы. AMD продолжила разработку более быстрых версий процессора K6 и завоевала значительную часть рынка ПК среднего класса.
В 1998 году Intel впервые интегрировала кэш-память второго уровня непосредственно в кристалл процессора (работающего на полной тактовой частоте ядра процессора), что позволило существенно повысить его быстродействие. Для этого вначале был использован процессор второго поколения Celeron (созданный на основе ядра Pentium II), а также кристалл Pentium IIPE (с расширенными вычислительными возможностями), применяемый только в портативных системах. Первым процессором для настольных вычислительных машин старшей модели, содержащим встроенную кэш-память второго уровня и работающим с полной частотой ядра, стал процессор второго поколения Pentium III (созданный на основе ядра Coppermine), представленный в конце 1999 года. После этого практически все основные изготовители процессоров также начали встраивать кэш-память второго уровня в кристалл процессора, причем эта тенденция сохраняется и по сей день.
В 1999 году AMD представила процессор Athlon, который позволил ей конкурировать с Intel на рынке высокоскоростных настольных ПК практически на равных. Этот процессор оказался весьма удачным, и компания Intel получила в его лице достойного соперника в области наиболее производительных систем.
Следующий, 2000 год ознаменовался появлением на рынке новых разработок этих компаний. Так, например, AMD впервые представила процессоры Athlon Thunderbird и Duron. Процессор Duron, по существу, идентичен процессору Athlon и отличается от него только меньшим объемом кэш-памяти второго уровня; Thunderbird, в свою очередь, использует интегрированную кэш-память, что позволяет значительно повысить его быстродействие. Duron представляет собой более дешевую версию процессора Athlon, которая была разработана в первую очередь для того, чтобы составить достойную конкуренцию недорогим процессорам Celeron, созданным в Intel.
Компания Intel в 2000 году представила Pentium 4, новейший процессор из семейства IA-32, а также анонсировала процессор Itanium (кодовое имя Merced), который стал первым представителем 64-разрядных процессоров Intel (IA-64). Благодаря этому процессору в недалеком
будущем появятся совершенно новые операционные системы и приложения, которые, тем не менее, будут совместимы с 32-разрядным программным обеспечением.
В 2000 году произошло еще одно знаменательное событие, имеющее историческое значение: компании Intel и AMD преодолели барьер в 1 ГГц, который до того времени многим казался неустранимым.
В 2001 году Intel представила новую версию процессора Pentium 4 с рабочей частотой 2 ГГц, который стал первым процессором ПК, достигшим подобного быстродействия. Кроме этого, компанией AMD был представлен процессор Athlon XP, созданный на основе нового ядра Palomino, а также Athlon МР, разработанный специально для многопроцессорных серверных систем. В течение 2001 года AMD и Intel продолжили работу над повышением быстродействия разрабатываемых микросхем и улучшением параметров существующих процессоров Pentium III/Celeron, Pentium 4 и Athlon/Duron.
В 2002 году Intel представила процессор Pentium 4, впервые достигший рабочей частоты 3,06 ГГц. Последующие за ним процессоры будут также поддерживать технологию Hyper-Threading (HT), благодаря которой компьютер с одним процессором превращается в виртуальную двухпроцессорную систему. Одновременное выполнение двух потоков приложений дает для процессоров с технологией HT прирост производительности 25-40% по сравнению с обычными процессорами Pentium 4. Данная технология совместима с Windows XP Home Edition, которая, однако, не поддерживает обычные двухпроцессорные системные платы.
В 2003 году AMD выпустила первый 64-разрядный процессор Athlon 64 (кодовое наименование ClawHammer, или K8). В отличие от серверных 64-разрядных процессоров Itanium и Itanium 2, оптимизированных для новой 64-разрядной архитектуры программных систем и довольно медленно работающих с традиционными 32-разрядными программами, Athlon 64 воплощает в себе 64-разрядное расширение семейства x86, представителями которого являются более ранние процессоры Athlon, Pentium 4 и др. Поэтому Athlon 64 выполняет 32-разрядные приложения так же эффективно, как и 64-разрядные. Intel ответила выпуском Pentium 4 Extreme Edition - первого процессора для потребительского рынка, оснащенного кэш-памятью третьего уровня L3 объемом 2 Мбайт, что отразилось не только на производительности, но и на количестве транзисторов.
В 2005 году компании Intel и AMD представили свои первые двухъядерные процессоры; по большому счету, это два процессорных ядра, интегрированных на одной подложке. Хотя системные платы, поддерживающие установку двух и большего количества процессоров, на протяжении многих лет использовались в серверах, в сегменте настольных ПК многоядерные архитектуры появились впервые. Вместо того чтобы постоянно наращивать тактовые частоты процессоров, как это делалось до настоящего времени, производители решили увеличивать быстродействие, объединяя два и большее количество ядер в одном процессоре. Это позволит устранить ряд “узких мест”, а также снизить уровень энергопотребления.