Микропроцессоры

1.3 Эволюция процессоров

Изобретение транзистора

Технологический процесс производства микропроцессоров неразрывно связан с  эволюцией и постоянным усовершенствованием  транзистора. Транзистор, изобретённый в 1948 году в лабораториях корпорации Bell, позволил создавать компьютер из малоразмерных электронных схем, созданных на печатных платах. Революционная роль транзистора в его малых размерах. Объединение большого числа таких транзисторов на текстолитовой плате позволило создавать отдельные узлы, и даже целые устройства. Применение транзисторов позволило уменьшить габариты ЭВМ и увеличить их вычислительную мощность. Однако габариты ЭВМ на транзисторах всё же оставались очень большими для их широкого применения. Но ведь с точки зрения технологического процесса нет особой разницы, делать ли один транзистор на подложке или сразу много. Изготовив достаточное количество транзисторов на одной подложке, остается один шаг до превращения нескольких транзисторов в интегральную микросхему – соединить определённым образом полученные транзисторы. И такой революционный шаг был сделан спустя ровно 10 лет после изобретения транзистора. Первая настоящая интегральная схема была выпущена в 1958 году компанией Texas Instruments. Интегральные микросхемы постепенно стали составной частью практически любого радиоэлектронного устройства, в том числе и ЭВМ. Компьютеры стали применяться не только для научных расчетов, но и в бизнесе. Но это всё же ещё были очень громоздкие и дорогие устройства.

1.3.1 Intel Corporation

Все, кто когда-либо сталкивался с понятием персональный компьютер, так или иначе, наслышаны о таком гиганте компьютерной индустрии как Intel Corporation. Сейчас Intel - это не только передовая корпорация, выпускающая микропроцессорное оборудование для построения компьютерных систем. Спектр выпускаемого оборудования и комплектующих Intel растет с каждым годом, а корпорация уверенно утверждается на все новых и новых позициях на рынке компьютерных технологий.

Корпорация Intel была основана в середине июня 1968 г. Робертом Нойсом и Гордоном Муром. Практически, сразу после основания компании к ним присоединился нынешний председатель совета директоров - Эндрю Гроув. В 1974 г. в корпорацию пришел ее будущий президент и главный управляющий Крейг Барретт и уже с тех пор Intel превратилась в крупнейшего в мире производителя микропроцессоров с числом сотрудников, превысившим 64 тысячи, и годовым доходом свыше 25 миллиардов долларов.

Первоначальная коммерческая и  промышленная задача была сформулирована в 1968 г., как создание рынка запоминающих устройств для вычислительных машин на базе кремниевых кристаллов. Уже в то время стало очевидно, что запоминающие устройства на кремниевой основе являются перспективными технологиями, которые в будущем будут основой развития вычислительной техники и технологии компьютерных устройств. Дело в том, что тогда кремниевая память стоила в сотни раз дороже магнитных носителей, которые занимали основную часть рынка запоминающих устройств. Поэтому Intel, в то время, надо было продвигать новые конструктивные реализации памяти и микропрограммные вычислительные устройства, которые стали бы для разработчиков вычислительной техники недорогой и мощной альтернативой магнитным носителям. Однако время шло и компания начала развитие смежных технологий. Очень скоро специалистам Intel стало ясно, что компьютерная индустрия ожидает не просто отдельных комплектующих, но современного высокопроизводительного решения на уровне проекта архитектуры вычислительной машины, включающего, прежде всего микропроцессорное вычислительное устройство, запоминающие устройства и контроллеры периферийных компонентов. Такой проект был создан.

Intel 4004

Спустя 11 лет после выпуска первой интегральной микросхемы произошла  очередная революция: появился микропроцессор. В 1969 году на только что созданную Intel поступил заказ от японской компании Busicom на разработку 12 специализированных микросхем для бухгалтерского калькулятора. Вместо этих микросхем инженеры Intel во главе с Гордоном Муром и Робертом Нойсом разработали микропроцессор общего назначения, предназначенный для применения в калькуляторах. Это был однокристальный микропроцессор, получивший название 4004 (4-разрядная шина данных и 16-контактный корпус). Процессор Intel 4004 стал технологическим триумфом корпорации: устройство размером с палец, стоило 200 долларов, и было сравнимо по своей вычислительной мощи с первой ЭВМ ENIAC, созданной в 1946 г., и занимавшей пространство объемом в 85 куб. метров. Новая технология, практически сразу, легла в основу создания программируемых калькуляторов с огромным, по тем временам (от 4-х до 64-х килобайт) объемом оперативной памяти, способных обрабатывать массивы данных.

Intel i8008 и i8080

Следующий процессор - восьмиразрядный i8008 (1972 год) - был быстрее предшественника  в два раза. i8008 послужил основой для прототипа процессора персональных компьютеров. В 1974 году был создан i8080 - первый "классический" процессор. Его появление имело большое значение, которое трудно переоценить. i8080 являлся основой первого в мире персонального компьютера Altair. Все процессоры х86 - это дальние потомки i8080. Несмотря на свое огромное значение и большой объем продаж, на рынке этот процессор потеснил более удачный Zilog-80, который, в свою очередь, был обязан такой популярностью i8080. Процессор Z-80 создала группа инженеров, ранее работавших в Intel и участвовавших в разработке i8080.

С появлением микропроцессоров эволюция транзисторов, из которых, собственно, и состоит любая микросхема, не остановилась. Продолжалась борьба за частоту исходных кремниевых пластин. Более точно дозируемым становится процесс внесения легирующих примесей. Это позволяет постоянно улучшать частотные свойства транзисторов. Но настоящая битва развернулась на фронте улучшения разрешающей способности процесса фотолитографии, лежащего в основе производства микросхем. Это так называемая «технологическая норма» технологического процесса. Она определяет минимальный размер элементов, которые могут быть сформированы на пластине. Когда говорят, например, о технологии 0,18 мкм, то подразумевают именно значение нормы технологического процесса 0,18 мкм.

Intel i8086 и i8088

В 1976  году  фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором i8086. Размер его регистров был увеличен в два раза, что дало возможность  увеличить производительность в 10 раз по сравнению с i8080. Кроме того, размер информационных шин был увеличен  до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен - до 20 бит.  Это  позволило 86-му прямо контролировать 1МB оперативной памяти. Как прямой потомок i8080, i8086 унаследовал большую часть множества его команд. Регистры этого процессора были разработаны таким образом, что они могли обрабатывать как 16-ти битные значения, так и 8-ми битные - также как это делал i8080. Память i8086 была также доработана специальным образом. Весь мегабайт оперативной памяти  не  представлялся единым полем, а был разделен на 16 сегментов величиной по 64Кб. В некотором смысле i8086 опередил свое время. Малые компьютеры основывались на 8-ми битной архитектуре,  память была очень дорога, требовались дополнительные 16-ти битные микросхемы. Использование этого процессора предполагалось в 16-ти битных устройствах, которые не оправдывали свою цену в то время. 

       Через год после презентации i8086, Intel объявил о разработке микропроцессора i8088 (1979 год). Он являлся очень похожим на i8086: 16-битные регистры, 20 адресных линий, тот же набор команд - все то же, за исключением одного, - шина данных была уменьшена до 8 бит. Это позволяло полностью использовать широко распространенные в то время 8-битные элементы технического обеспечения.

Процессор i8088, родоначальник большинства  процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 мм². Для сравнения, процессор Pentium 4 1.7 ГГц состоит из 42 млн. транзисторов, производится по 0,18-микронному техпроцессу и имеет площадь, равную 217 мм². Матрица процессора Рentium 4 имеет в 1400 раз больше транзисторов, чем у процессора 8088, однако площадь поверхности его ядра только в 7 раз больше размера ядра 8088!

i8088 мог потеряться в истории,  как это было с i8085, не реши IBM реализовать  свой первый персональный компьютер на его базе. Выбор IBM был объясним. Восьми битная шина данных позволяла использовать имеющиеся на рынке микросхемы. Шестнадцати битная внутренняя структура давала важные преимущества по сравнению с существующими микропроцессорами. 

Итак, i8088 явился базой для разработки семейства малых компьютеров. Он подготовил почву для быстрого создания совместимых настольных компьютеров. Потенциально i8086 был в два раза производительней, и почти полностью совместим с i8088. Микропроцессоры i8088 и i8086 совместимы, но не взаимозаменяемы.  Восемь дополнительных бит данных требовали 8-ми дополнительных проводов. Таким образом, подключение этих двух микросхем было различным. Компьютер разрабатывался  либо под один микропроцессор, либо под другой.

       По мере развития компьютерной индустрии, рынком была проведена оптимизация разделения функций между устройствами. И каждое устройство развивалось в направлении реализации своих функций.  Intel  продолжал совершенствовать свои микропроцессоры. В 1982 году был представлен микропроцессор i80186. Этот чип стал базовым для создания целого ряда совместимых компьютеров и реализации турборежима. Также был создан микропроцессор i80188 - приемник i8088.

Intel i286, i386 и  i486

В 80-х годах Intel открыла эру высокопроизводительного настольного компьютерного оборудования. В 1982 г. вышел современнейший, по тем временам, микропроцессор i286, который уже тогда, кроме неслыханной производительности, имел, в зачаточном виде, возможности по обеспечению многозадачного режима и защищенного режима (Protected Mode). Также он поддерживал обращение к расширяемой (EMS) памяти, объемом до 8 MB. В 1985 г. появился микропроцессор i386. Процессор i386 имел не только завершенную систему поддержки многозадачного режима, механизм защиты сегментов, но и мог оперировать оперативной памятью объемом до 64MB.

Улучшение технологии производства микропроцессоров позволило значительно повысить их тактовую частоту. Каждое новое поколение  процессоров имеет более низкое напряжение питания и меньшие токи, что способствует уменьшению выделяемого ими тепла. Но самым главным достижением является то, что при уменьшении нормы технологического процесса можно значительно увеличить количество транзисторов на одном кристалле. Большее количество транзисторов, входящих в состав процессора, позволяет усовершенствовать архитектуру процессора с целью достижения еще большей производительности. Даже разрядность процессоров очень быстро увеличилась с 4 в первом процессоре до 32 в процессоре i386.

Значительной вехой в истории развития архитектуры процессоров персональных компьютеров (очередная революция) стало появление процессора i486. Производственный техпроцесс к тому времени достиг отметки в 1 мкм, благодаря чему удалось расположить в ядре процессора 1,5 млн. транзисторов, что было почти в 6 раз больше, чем у CPU предыдущего 386-го поколения. Он был в 1500 раза быстрее своего "прапрадедушки" i4004. В архитектуре процессора персонального компьютера впервые появился конвейер на пять стадий. Конвейерные вычисления были, конечно, известны задолго до появления персональных компьютеров, но высокая степень интеграции теперь позволила применить этот эффективный способ вычислений и в персональном компьютере. На одном кристалле Intel разместила и собственно процессор, и математический сопроцессор, и кэш-память L1, которые до этого располагались в отдельных микросхемах. Эта революция произошла спустя 20 лет после появления первого микропроцессора, в октябре 1989 года. 486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием. Тактовая частота процессора даже превысила тактовую частоту системной шины.

Intel Pentium

С момента выпуска 486-го процессора технологический процесс производства микропроцессоров начал развиваться  бурными темпами.

Однако 90-е годы стали переломным моментом в политике корпорации. Дело в том, что дальнейшее наращивание производительности с темпами, достигнутыми ранее, и таким же снижением стоимости стало невозможно. Был достигнут предел технологического оборудования и самой технологии серии 80х86. На горизонте уже маячили разработки новой серии Intel Pentium. Однако технологические достижения данной технологии позволили снизить стоимость процессоров лишь в последние годы, а в то время Intel потребовалась серьезная и грандиозная рекламная компания, которая, к слову сказать, была успешно проведена, чтобы оставить завоеванные пространства рынка за собой, и занять новые рубежи. Создание процессора следующего поколения стало возможным благодаря переходу на новый техпроцесс – 0,8 мкм, следствием чего явилось увеличение числа транзисторов до 3,1 млн. Процессор Pentium со своей конвейерной и суперскалярной  архитектурой достиг впечатляющего уровня производительности.

Основные особенности  процессора: ядро нового CPU включало уже два 5-стадийных конвейера для операций над целыми числами, позволяющих выполнить две инструкции за такт, и 8-стадийный конвейер для операций с плавающей запятой, что почти удваивало его вычислительные возможности по сравнению с 486-м процессором аналогичной частоты. Удлинение конвейера позволило увеличить тактовую частоту, хотя и создало некоторые проблемы, связанные с предсказанием ветвления выполняемых команд. Для решения этой проблемы, на кристалле расположили специальный буфер, Branch Target Buffer, с помощью которого реализовали механизм динамического предсказания ветвления. Когда по мере исполнения внутренних инструкций встречалось ветвление, в буфере запоминалась эта команда и адрес перехода. Эти данные использовались для предсказания перехода при повторном выполнении данной инструкции.

Таким образом, Pentium по всем параметрам превосходил своего предшественника – i486. Производительность, выпущенного в марте 1993 года процессора Pentium в пять раз превысила показатель такового i486, что и предопределило применение архитектуры Pentium в процессорах до настоящего времени. Уже первые модели процессоров Pentium были настолько совершенны (для своего времени), что во многих приложениях производительность компьютера определялась не скоростью вычислений, а скоростью обмена данными процессора с кэш-памятью второго уровня (L2). Ведь обмен данными осуществлялся по общей системной шине, как и в процессорах i486. Конечно, этот недостаток был известен, но при технологии 0,8 мкм расположить кэш-память второго уровня на одном кристалле с процессором было невозможно.

Intel Pentium Pro

Первая попытка расположить  кэш второго уровня, если не на одном кристалле, то хотя бы рядом с ядром процессора, была реализована в процессоре Pentium Pro. Выпущенный в 1995 году, процессор Intel Pentium Pro стал первым CPU с архитектурой P6. Этот процессор появился, когда технология достигла уровня 0,5 мкм. Главное преимущество и уникальная особенность Р6 - размещенная  в  одном корпусе с процессором вторичная статическая кэш-память размером 256 кб, соединенная с процессором специально выделенной шиной. Первая причина  объединения  процессора  и вторичного кэша в одном корпусе - облегчение проектирования и производства высокопроизводительных  систем  на базе Р6. В Р6 вторичный кэш уже настроен на процессор оптимальным образом, что облегчает проектирование материнской платы. Вторая причина объединения - повышение производительности. Кэш второго уровня связан с процессором специально выделенной шиной шириной 64 бита и работает на той же тактовой частоте, что и процессор. Объединение процессора и вторичного кэша в одном корпусе и их связь через выделенную шину является шагом по направлению к методам повышения производительности.