Первым микропроцессором intel был. Процессоры

29.05.2019

Федерико Фаджин присоединился к компании Intel, чтобы превратить видение Теда Хоффа в кремниевую реальность. Менее чем через год он и его команда создали микропроцессор 4004, который был представлен в ноябре 1971 г. Первой серьезной проблемой для Фаджина стала разработка методологии использования новой технологии кремниевых затворов. Это позволило по-другому создавать сложные схемы. Поскольку ничего подобного до этого никто не делал, пришлось все начинать с нуля. И Федерико Фаджину это удалось - он самостоятельно разработал чип всего за 9 месяцев 1970 г. Это фантастически короткий срок по сравнению с процессорами «Интел» следующих поколений. Например, для создания 32-разрядного чипа уже потребовалось 100 человеко-лет.

Конструктивное исполнение

Дизайн на основе кремниевых затворов, созданный Федерико Фаджином, сделал первый микропроцессор реальностью в 1971 г. Он был необычным, так как интеграция такой сложности никогда раньше не достигалась. Фаджин смог разработать процессор Intel 4004 только благодаря своим инновациям в МОП-технологии производства Начальная загрузка и скрытый контакт стали идеями, которые легли в основу впервые примененной им методологии проектирования, позволили спасти архитектуру Хоффа и реализовать ее в 1970 г. Без этого она была бы неосуществима, потому что результат был бы слишком медленным и дорогостоящим, чтобы иметь практическое применение. Таким образом, изобретение не заключалось в разработке модели простого ЦПУ, недостатка в которых в то время не было, но в создании и внедрении технологии, которая впервые позволила разместить на одном кристалле все функциональные блоки процессора.

Тед Хофф надеялся, что предложенная им архитектура и набор команд могут быть размещены на одном кристалле. Однако он не мог оценить осуществимость проекта или воплотить его, поскольку не являлся МОП-разработчиком. Именно Федерико Фаджин изобрел дизайн и компоновку 2300 транзисторов произвольной логики на кристалле размером всего 3х4 мм, недорогом, с 5-кратной скоростью работы и вдвое большей плотностью размещения элементов, чем у существовавшей в то время технологии МОП.

Методология Фаджина стала прорывом и использовалась во всех ранних микропроцессорах компании. Итальянский инженер привел проект к успешному завершению и сыграл роль в продвижении нового процессора Intel, продемонстрировав руководству компании, что чип может использоваться не только в калькуляторах.

Технические характеристики

Спецификации процессора Intel 4004 следующие:

Площадь кристалла: 12 мм 2 .
Максимальная тактовая частота: 740 кГц.
Время цикла: 10,8 мкс (8 тактов / цикл команды).
Время выполнения команды - 1 или 2 цикла команды (10,8 или 21,6 мкс), 46300-92600 команд в секунду.
Сложение двух 8-значных чисел (по 32 бита каждое) занимает 850 мкс, т. е. 79 циклов команд, около 10 циклов на десятичную цифру.
Раздельное хранение программ и данных. В отличие от дизайнов на основе использующих отдельные шины, в 4004 есть одна мультиплексированная 4-битная шина для передачи 12-разрядных адресов, 8-битных команд и 4-битных слов данных.
Прямая адресация 51220 бит (640 байт) ОЗУ, организованного в виде 1280 4-разрядных «символов», из которых 1024 представляют данные и 256 - состояние.
Прямая адресация 32768 бит ПЗУ (4096 байт).
Набор из 46 команд (из которых 41 шириной 8 бит и 5 - 16 бит).
16 регистров по 4 бита.
Внутренний стек подпрограмм глубиной в 3 уровня.

Заказ Busicom

Компьютер с хранимой программой, использовавшийся в качестве калькулятора в 1950-х и 1960-х годах, был одним из лучших достижений послевоенной эпохи и был знаком всем инженерам, работающим в полупроводниковой промышленности.

В 1969 г. японский производитель калькуляторов Busicom обратился к компании Intel, чтобы воплотить в кремнии их логический дизайн для серии калькуляторов. Их подход повторял реализацию первого в мире настольного программируемого калькулятора Olivetti"s Programma 101, представленного на Всемирной ярмарке в Нью-Йорке в 1965 г. и поступившего в продажу в том же году. Programma 101 имел ЦПУ (центральное процессорное устройство) и с последовательным чтением и записью, которые были выполнены из дискретных компонентов. Компания Busicom предложила аналогичную архитектуру, предусматривавшую реализацию процессора на трех МОП-микросхемах, ПЗУ и регистра еще на двух, с двумя другими чипами ввода-вывода.

Архитектура MCS-4

Руководитель отдела прикладных исследований Тед Хофф признал, что сложность дизайна Busicom заключалась в использовании последовательной памяти, и поскольку Intel разрабатывала свое первое динамическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), он видел, что конструкцию можно существенно упростить, используя традиционную и более универсальную компьютерную архитектуру, основанную на ОЗУ. С помощью Стэна Мазора и благодаря взаимодействию с инженерами Busicom, среди которых был Масатоши Сима, Хофф сформулировал архитектуру MCS-4, сократив дизайн с 7 до 4 чипов. Хофф полагал, что ЦПУ можно было бы реализовать в одном 4-битном микропроцессоре, но ни он, ни Мазор не были МОП-разработчиками, и у Intel не было специалистов, способных создавать сложные ИС с произвольной логической структурой. Поэтому предложение Хоффа простаивало около 6 месяцев, пока в апреле 1970 года не был принят на работу Федерико Фаджин, который и возглавил этот проект.

Инновационная технология

Федерико Фаджин перешел в Intel из Fairchild Semiconductor, где в 1968 г. он разработал МОП-технологию с кремниевыми затворами и создал на ее основе первую в мире коммерческую интегральную схему 3708. Технология была принята компанией Intel и впоследствии всей мировой полупроводниковой промышленностью, и в течение 40 лет являлась базовой структурой, использовавшейся почти во всех микросхемах. соучредитель компании «Интел», признал, что основным компонентом ее раннего успеха стал именно этот шаг. МОП-технология с кремниевыми затворами обеспечила конкурентоспособные характеристики Intel 4004: чип был примерно в 5 раз быстрее, имел в 100 раз меньшую утечку перехода и вмещал в 2 раза больше логических транзисторов произвольного типа по сравнению с чипом того же размера, изготовленного с алюминиевыми затворами, и рассеивал равную мощность. Это позволило создавать первые коммерчески успешные динамические ОЗУ, датчики изображения с ПЗС-матрицей (приборы с зарядовой связью), энергонезависимые запоминающие устройства и микропроцессоры. Впервые в истории процессор содержал все компоненты компьютера общего назначения.

Создание нового дизайна и макета

Тэд Хофф не был конструктором МОП-схем. Его роль заключалась в создании архитектуры и в дальнейшей поддержке продуктов. После определения набора команд проект был передан команде МОП-разработчиков, возглавляемой Федерико Фаджином. Работы велись очень быстро, и примерно за 9 месяцев были созданы 3 основных чипа. Последним из них в январе 1971 года появился микропроцессор Intel 4004.

По словам Стэна Мазора, заслуга Фаджина состояла в том то, что он осуществил инженерный дизайн, а Хоффа - в создании оригинальной концепции и архитектуры. Сам Мазор являлся своего рода посредником, который помогал, как мог, и делал то, что мог.

Федерико Фаджин разработал методологию проектирования МОП-структур с кремниевым затвором, используемых в произвольных логических схемах. Эта было необходимо, поскольку новая технология требовала другого дизайна, и особенно макета.

По словам Фаджина, он решил, что вместо того, чтобы отдельно проектировать логику, а затем схему, следует делать их вместе на одном листе. При этом необходимо учитывать расположение, насколько это возможно, чтобы проводники и транзисторы располагались как можно ближе к окончательной компоновке. Очевидно, для этого нужно было предварительно провести общее планирование чипа, чтобы знать размещение различных блоков. Именно тогда он и уточнил методологию создания такого типа схем.

Проектирование нового процессора Intel и руководство проектом MCS-4 с начала разработки до производства мог осилить только тот, кто был способен внедрять инновации в технологию процесса, макетирование микросхем, схемотехнику, логический дизайн и компьютерную архитектуру. Фаджин приобрел такие навыки и знания через свое образование и опыт работы до того, как он присоединился к Intel. После окончания технического вуза в Виченце (Италия) он участвовал в разработке и создании небольшого транзисторного экспериментального компьютера с памятью на магнитных сердечниках в компании Olivetti в Борголомбардо (Италия) в возрасте 19 лет. Затем он с отличием окончил Университет Падуи и занялся разработкой технологии МОП, создав 2 коммерческие микросхемы, когда работал в SGS-Fairchild (теперь ST Micro). В 1968 г. он был направлен в Fairchild Semiconductor R&D в Пало-Альто (Калифорния), где создал технологию МОП с кремниевым затвором и др.

Реальные инновации

Концептуализация первого процессора, ставшая основным вкладом Хоффа в проект 4004, происходила и в других компаниях. К такому же выводу пришли несколько групп независимо друг от друга. Поэтому главным в изобретении микропроцессора было создание экономически обоснованного продукта. Только один человек в мире знал, как сделать следующий шаг и перевести архитектуру в рабочий дизайн. Это был Федерико Фаджин. Без него первый микропроцессор никогда бы не был построен. Еще в Fairchild он изобрел технологию, которая легла в основу будущих устройств. После начала работы в компании «Интел», он исправил ошибки отсутствующего Хоффа, а затем сделал первый чип Intel 4004, после чего возглавил разработку 8008 и являлся главным архитектором 8080.

В то время инженеры знали, как создавать небольшие компьютеры, делать логический дизайн ЦПУ и создавать программы. Идея о микропроцессоре, т. е. о размещении на одном кристалле универсального компьютера, тоже витала в воздухе. Некоторые архитектуры уже были реализованы на нескольких МОП-микросхемах. Тем не менее, никто не знал, как установить 2300 транзисторов произвольной логики - минимально необходимое количество для простого процессора - в микросхему достаточно маленького размера, чтобы производство было дешевым, скорость работы была высокой, а рассеиваемая мощность достаточной для размещения в существующих корпусах.

Таким образом, реальная инновация в микропроцессоре заключалась в его компоновке на одном кремниевом чипе, поскольку все остальное было сделано раньше. И это удалось Фаджину без какой-либо значимой помощи со стороны Теда Хоффа и Стэна Мазора.

Единственный, кто ему помогал, - это инженер Busicom Масатоши Сима. Он пришел в Intel, чтобы проверить прогресс выполнения заказа через пару дней после того, как Фаджин был нанят на работу. Он понял, что за предыдущие 6 месяцев не было достигнуто никакого прогресса. Учитывая задержку в проекте и отсутствие какого-либо инженера Intel, способного помочь, Симе было разрешено остаться на 6 месяцев, чтобы ускорить работу. Однако он мало знал об и, хотя он был очень полезным, все творческие решения принимал Фаджин. Начальник последнего, Лесли Вадаш, был так озабочен дизайном 1103 (первым 1024-битным динамическим ОЗУ, считавшегося будущим Intel), что не мог обеспечить технический контроль над проектом MCS-4. После успеха с 4004 Фаджин руководил внедрением 8008, а также задумал и определил архитектуры самых успешных из всех первых процессоров - 4040 и 8080.

Сомнения разработчиков

По словам Стэна Мазора, он и Тед Хофф полагали, что Intel 4004 был слишком агрессивным. Они не были уверены, что его можно сделать, поэтому начали с другого чипа, названного 4005. Это был совместный проект с MIL, который был партнером Intel в Канаде. Они определили намного более простую архитектуру, чем 4004. Канадская компания должна была разработать чип, а Intel - предоставить память. Оказалось, что она не смогла сделать 4005.

Хофф и Мазор в 1994 г. не были уверены в возможности реализации 4004. Вот почему через несколько месяцев после того, как Фаджин присоединился к Intel, они создали более простую архитектуру 4005 и отдали в канадскую компанию MIL для разработки. Но инженерам MIL микропроцессор сделать не удалось. Стало понятно, что даже создание простого чипа было далеко от рутинной работы. Кроме того, Хофф и Мазор сомневались, что 4004 может пригодиться для приложений, отличных от калькуляторов, кассовых аппаратов и т.п. Они думали, что только 1201, а позже и 8008 будут иметь достаточно универсальную архитектуру, чтобы использоваться в различных приложениях. После завершения проекта 4004 Фаджин продемонстрировал, что микропроцессор может применяться в различных системах управления и призвал руководство вывести Intel 4004 на рынок.

Неудачи с 8008

Другим примером, доказывающим то, насколько необходимой была методология Фаджина, является Intel 8008, архитектура которого первоначально разрабатывалась корпорацией Computer Terminal Corporation (CTC). Работа над чипом, первоначально названным 1201, началась до того, как Фаджин присоединился к Intel, но проект, назначенный разработчику процессоров с произвольной логикой, который перешел из General Instrument, далеко не продвинулся, потому что в то время отсутствовала какая-либо методология и библиотеки схем. Работы над 8008 были приостановлены и возобновились только в год выпуска Intel 4004.

Микропроцессор TI

Еще одним примером является первый одночиповый ЦПУ, который стал вторым источником для 8008, заказанных CTC у компании Texas Instruments. Объявленный в прессе в середине 1971 года, всего через несколько месяцев после успешного создания 4004, этот процессор так никогда и не заработал и никогда не продавался. Он был создан с использованием МОП-технологии с металлическим затвором компанией, которая имела многолетний опыт разработки ИС со сложной произвольной логикой. По сравнению с процессором «Интел-8008», размер чипа ТІ был вдвое больше, обеспечивая выполнение тех же функций. Скорость работы и рассеиваемая мощность никогда не обнародовались.

Пример для подражания

После того, как проект 4004 был завершен, другие инженеры, как внутри, так и вне компании Intel, смогли изучить методы, используемые Фаджином, исследовав дизайн под микроскопом. Этот же стиль использовался во всех других ранних микропроцессорах Intel и Zilog.

В заключение

4004 стал самым первым в истории процессором, сделанным по технологии кремниевого затвора. Это была самая передовая интегральная микросхема того времени. Ее создание требовало не только экстраординарных творческих способностей и навыков от дизайнера, но и глубокого знания новой технологии, которое мог иметь только ее разработчик. Кроме того, для успешного завершения проекта, который требовалось завершить за 10 месяцев из-за предыдущих невыполненных обязательств перед клиентом, были необходимы большое мужество, мотивация, навыки управления и устойчивая напряженная работа.

Продолжая тему первой статьи - история эволюции процессоров с конца XX века по начала XXI века.

Во многих процессорах 80-х годов использовалась архитектура CISC (Complex instruction set computing). Чипы были довольно сложными и дорогими, а также не достаточно производительными. Возникла необходимость в модернизации производства и увеличения количества транзисторов.

Архитектура RISC

В 1980 году стартовал проект Berkeley RISC, которым руководили американские инженеры Дэвид Паттерсон и Карло Секвин. RISC (restricted instruction set computer) - архитектура процессора с увеличенным быстродействием благодаря упрощенным инструкциям.

Руководители проекта Berkeley RISC - Дэвид Паттерсон и Карло Секвин

После нескольких лет плодотворной работы, на рынке появилось несколько образцов процессоров с сокращенным набором команд. Каждая инструкция платформы RISC была простой и выполнялась за один такт. Также присутствовало намного больше регистров общего назначения. Кроме того использовалась конвейеризация с упрощенными командами, что позволяло эффективно наращивать тактовую частоту.

RISC I вышел в 1982 году и содержал более чем 44 420 транзисторов. Он имел всего 32 инструкции и работал на частоте 4 МГц. Следующий за ним RISC II насчитывал 40 760 транзисторов, использовал 39 инструкций и был более быстрым.

Процессор RISC II

Процессоры MIPS: R2000, R3000, R4000 и R4400

Архитектура процессоров MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) предусматривала наличие вспомогательных блоков в составе кристалла. В MIPS использовался удлиненный конвейер.

В 1984 году группа исследователей во главе с американским ученым Джоном Хеннесси основала компанию, проектирующую микроэлектронные устройства. MIPS лицензировала микропроцессорную архитектуру и IP-ядра для устройств умного дома, сетевых и мобильных применений. В 1985 году вышел первый продукт компании - 32-битный R2000, который в 1988 году был доработан в R3000. У обновленной модели имелась поддержка многопроцессорности, кэш-памяти инструкций и данных. Процессор нашел применение в SG-сериях рабочих станций разных компаний. Также R3000 стал основой игровой консоли Sony PlayStation.

Процессор R3000

В 1991 году вышла линейка нового поколения R4000. Данный процессор обладал 64-битной архитектурой, встроенным сопроцессором и работал на тактовой частоте 100 МГц. Внутренняя кэш-память составляла 16 Кб (8 Кб кэш-команд и 8 Кб кэш-данных).

Через год вышла доработанная версия процессора - R4400. В этой модели увеличился кэш до 32 Кб (16 Кб кэш-команд и 16 Кб кэш-данных). Процессор мог работать на частоте 100 МГц - 250 МГц.

Процессоры MIPS: R8000 и R10000

В 1994 году появился первый процессор с суперскалярной реализацией архитектуры MIPS - R8000. Емкость кэш-памяти данных составляла 16 Кб. У этого CPU была высокая пропускная способность доступа к данным (до 1.2 Гб/с) в сочетании с высокой скоростью выполнения операций. Частота достигала 75 МГц - 90 МГц. Использовалось 6 схем: устройство для целочисленных команд, для команд с плавающей запятой, три вторичных дескриптора кэш-памяти ОЗУ и кэш-контроллер ASIC.

Процессор R8000

В 1996 году вышла доработанная версия - R10000. Процессор включал в себя 32 Кб первичной кэш-памяти данных и команд. Работал CPU на частоте 150 МГц - 250 МГц.

В конце 90-х компания MIPS занялась продажей лицензий на 32-битную и 64-битную архитектуры MIPS32 и MIPS64.

Процессоры SPARC

Ряды процессоров пополнили продукты компании Sun Microsystems, которая разработала масштабируемую архитектуру SPARC (Scalable Processor ARChitecture). Первый одноименный процессор вышел в конце 80-х и получил название SPARC V7. Его частота достигала 14.28 МГц - 40 МГц.

В 1992 году появилась следующая 32-битная версия под названием SPARC V8, на базе которой был создан процессор microSPARC. Тактовая частота составляла 40 МГц - 50 МГц.

Над созданием следующего поколения архитектуры SPARC V9 с компанией Sun Microsystems совместно работали Texas Instruments, Fujitsu, Philips и другие. Платформа расширилась до 64 бит и являлась суперскалярной с 9-стадийным конвейером. SPARC V9 предусматривала использование кэш-памяти первого уровня, разделенного на инструкции и данные (каждая объемом по 16 Кб), а также второго уровня емкостью 512 Кб - 1024 Кб.

Процессор UltraSPARC III

Процессоры StrongARM

В 1995 году стартовал проект по разработке семейства микропроцессоров StrongARM, реализовавших набор инструкций ARM V4. Эти CPU представляли собой классическую скалярную архитектуру с 5-стадийным конвейером, включая блоки управления памятью и поддерживая кэш-память инструкций и данных объемом по 16 Кб каждая.

StrongARM SA-110

И уже в 1996 году был выпущен первый процессор на базе StrongARM - SA-110. Он работал на тактовых частотах 100 МГц, 160 МГц или 200 МГц.

Также на рынок вышли модели SA-1100, SA-1110 и SA-1500.

Процессор SA-110 в Apple MessagePad 2000

Процессоры POWER, POWER2 и PowerPC

В 1985 году компания IBM начала разработку RISC-архитектуры следующего поколения в рамках проекта America Project. Разработка процессора POWER (Performance Optimization With Enhanced RISC) и набора инструкций для него длилась 5 лет. Он был весьма производительный, но состоял из 11 различных микросхем. И поэтому в 1992 году вышел другой вариант процессора, что умещался в одном чипе.

Чипсет POWER

В 1991 году совместными усилиями альянса компаний IBM, Apple и Motorola была разработана архитектура PowerPC (сокращенно PPC). Она состояла из базового набора функций платформы POWER, а также поддерживала работу в двух режимах и была обратно совместима с 32-битным режимом работы для 64-разрядной версии. Основным назначением являлись персональные компьютеры.

Процессор PowerPC 601 использовался в Macintosh.

Процессор PowerPC

В 1993 году был представлен POWER2 с расширенным набором команд. Тактовая частота процессора варьировалась от 55 МГц до 71.5 МГц, а кэш-память данных и инструкций была 128-256 Кб и 32 Кб. Микросхемы процессора (их было 8) содержали 23 миллиона транзисторов, а изготавливался он по 0.72-микрометровой CMOS-технологии.

В 1998 году IBM выпустила третью серию процессоров POWER3 на 64 бита, полностью совместимых со стандартом PowerPC.

В период с 2001 по 2010 вышли модели POWER4 (до восьми параллельно выполняющихся команд), двухядерные POWER5 и POWER6, четырех-восьми ядерный POWER7.

Процессоры Alpha 21064A

В 1992 году компания Digital Equipment Corporation (DEC) выпустила процессор Alpha 21064 (EV4). Это был 64-разрядный суперскалярный кристалл с конвейерной архитектурой и тактовой частотой 100 МГц - 200 МГц. Изготовлен по 0,75-мкм техпроцессу, со внешней 128-разрядной шиной процессора. Присутствовало 16 Кб кэш-памяти (8 Кб данных и 8 Кб инструкций).

Следующей моделью в серии стал процессор 21164 (EV5), который вышел в 1995 году. Он обладал двумя целочисленными блоками и насчитывал уже три уровня кэш-памяти (два в процессоре, третий - внешний). Кэш-память первого уровня разделялась на кэш данных и кэш инструкций объемом по 8 Кб каждый. Объем кэш-памяти второго уровня составлял 96 Кб. Тактовая частота процессора варьировалась от 266 МГц до 500 МГц.

DEC Alpha AXP 21064

В 1996 году вышли процессоры Alpha 21264 (EV6) с 15,2 миллионами транзисторов, изготовленные по 15,2-мкм техпроцессу. Их тактовая частота составляла от 450 МГц до 600 МГц. Целочисленные блоки и блоки загрузки/сохранения были объединены в единый модуль Ebox, а блоки вычислений с плавающей запятой - в модуль Fbox. Кэш первого уровня сохранил разделение на память для инструкций и для данных. Объем каждой части составлял 64 Кб. Объем кэш-памяти второго уровня был от 2 Мб до 8 Мб.

В 1999 году DEC купила компания Compaq. В результате чего большая часть производства продукции, использовавшей Alpha, была передана компании API NetWorks, Inc.

Процессоры Intel P5 и P54C

По макету Винода Дхама был разработан процессор пятого поколения под кодовым названием P5. В 1993 году CPU вышли в производство под названием Pentium.

Процессоры на ядре P5 производились с использованием 800-нанометрового техпроцесса по биполярной BiCMOS-технологии. Они содержали 3,1 миллиона транзисторов. У Pentium была 64-битная шина данных, суперскалярная архитектура. Имелось раздельное кэширование программного кода и данных. Использовалась кэш-память первого уровня объемом 16 Кб, разделенная на 2 сегмента (8 Кб для данных и 8 Кб для инструкций). Первые модели были с частотами 60 МГц - 66 МГц.

Процессор Intel Pentium

В том же году Intel запустила в продажу процессоры P54C. Производство новых процессоров было переведено на 0,6-мкм техпроцесс. Скорость работы процессоров составляла 75 МГц, а с 1994 года - 90 МГц и 100 МГц. Через год архитектура P54C (P54CS) была переведена на 350-нм техпроцесс и тактовая частота увеличилась до 200 МГц.

В 1997 году P5 получила последнее обновление - P55C (Pentium MMX). Появилась поддержка набора команд MMX (MultiMedia eXtension). Процессор состоял из 4,5 миллиона транзисторов и производится по усовершенствованной 280-нанометровой CMOS-технологии. Объем кэш-памяти первого уровня увеличился до 32 Кб (16 Кб для данных и 16 Кб для инструкций). Частота процессора достигла 233 МГц.

Процессоры AMD K5 и K6

В 1995 году компания AMD выпустила процессор K5. Архитектура представляла собой RISC-ядро, но работала со сложными CISC-инструкциями. Процессоры изготавливались с использованием 350- или 500-нанометрового техпроцесса, с 4,3 миллионами транзисторов. Все K5 имели пять целочисленных блоков и один блок вычислений с плавающей запятой. Объем кэш-памяти инструкций составлял 16 Кб, а данных - 8 Кб. Тактовая частота процессоров варьировалась от 75 МГц до 133 МГц.

Процессор AMD K5

Под маркой K5 выпускалось два варианта процессоров SSA/5 и 5k86. Первый работал на частотах от 75 МГц до 100 МГц. Процессор 5k86 работал на частотах от 90 МГц до 133 МГц.

В 1997 году компания представила процессор K6, архитектура которого существенно отличалась от K5. Процессоры изготавливались по 350-нанометровому техпроцессу, включали в себя 8,8 миллионов транзисторов, поддерживали изменение порядка выполнения инструкций, набор команд MMX и блок вычислений с плавающей запятой. Площадь кристалла составляла 162 мм². Объем кэш-памяти первого уровня насчитывал 64 Кб (32 Кб данные и 32 Кб инструкции). Работал процессор на частоте 166 МГц, 200 МГц и 233 МГц. Частота системной шины была 66 МГц.

В 1998 году AMD выпустила чипы с улучшенной архитектурой K6-2, с 9,3 миллионами транзисторов изготавливаемого по 250-нанометровому техпроцессу. Максимальная частота чипа составляла 550 МГц.

Процессор AMD K6

В 1999 году вышла третья генерация - архитектура K6-III. Кристалл сохранил все особенности K6-2, но при этом появилась встроенная кэш-память второго уровня объемом 256 Кб. Объем кэша первого уровня составлял 64 Кб.

Процессоры AMD K7

В том же 1999 году на смену К6 пришли процессоры К7. Они выпускались по 250-нм технологии с 22 миллионами транзисторов. У CPU присутствовал новый блок целочисленных вычислений (ALU). Системная шина EV6 обеспечивала передачу данных по обоим фронтам тактового сигнала, что давало возможность при физической частоте 100 МГц получить эффективную частоту 200 МГц. Объем кэш-памяти первого уровня составлял 128 Кб (64 Кб инструкций и 64 Кб данных). Кэш второго уровня достигал 512 Кб.

Процессор AMD K7

Несколько позже появились кристаллы, базировавшиеся на ядре Orion. Они производилось по 180-нм техпроцессу.

Выход ядра Thunderbird внес необычные изменения в процессоры. Кэш-память 2-го уровня была перенесена непосредственно в процессорное ядро и работала на одинаковой с ним частоте. Кэш был с эффективным объемом 384 Кб (128 Кб кэша первого уровня и 256 Кб кэша второго уровня). Увеличилась тактовая частота системной шины - теперь она функционировала с частотой 133 МГц.

Процессоры Intel P6

Архитектура P6 пришла на смену P5 в 1995 году. Процессор являлся суперскалярным и поддерживал изменения порядка выполнения операций. Процессоры использовали двойную независимую шину, которая значительно увеличила пропускную способность памяти.

В том же 1995 году были представлены процессоры следующего поколения Pentium Pro. Кристаллы работали на частоте 150 МГц - 200 МГц, имели 16 Кб кэш-памяти первого уровня и до 1 Мб кэша второго уровня.

Процессор Intel Pentium Pro

В 1999 году были представлены первые процессоры Pentium III. Они базировались на новой генерации ядра P6 под названием Katmai, которые являлись модифицированными версиями Deschutes. В ядро была добавлена поддержка инструкций SSE, а также улучшился механизм работы с памятью. Тактовая частота процессоров Katmai достигала 600 МГц.

В 2000 году вышли первые процессоры Pentium 4 с ядром Willamette. Эффективная частота системной шины составляла 400 МГц (физическая частота - 100 МГц). Кэш-данных первого уровня достигал объема 8 Кб, а кэш-память второго уровня - 256 Кб.

Следующим ядром линейки стало Northwood (2002 год). Процессоры содержали 55 миллионов транзисторов и производились по новой 130-нм КМОП-технологии с медными соединениями. Частота системной шины составляла 400 МГц, 533 МГц или 800 МГц.

Intel Pentium 4

В 2004 году производство процессоров вновь перевели на более тонкие технологические нормы - 90 нм. Вышли Pentium 4 на ядре Prescott. Кэш данных первого уровня увеличился до 16 Кб, а кэш второго уровня достиг 1 Мб. Тактовая частота составляла 2,4 ГГц - 3,8 ГГц, частота системной шины - 533 МГц или 800 МГц.

Последним ядром, которое использовалось в процессорах Pentium 4 стало одноядерное Cedar Mill. Выпускалось по новому техпроцессу - 65 нм. Существовало четыре модели: 631 (3 ГГц), 641 (3,2 ГГц), 651 (3,4 ГГц), 661 (3,6 ГГц).

Процессоры Athlon 64 и Athlon 64 X2

В конце 2003 года AMD выпустила новую 64-битную архитектуру K8, построенную по 130-нанометровому техпроцессу. В процессоре был встроенный контроллер памяти и шина HyperTransport. Она работала на частоте 200 МГц. Новые продукты AMD получили название Athlon 64. Процессоры поддерживали множество наборов команд, таких как MMX, 3DNow!, SSE, SSE2 и SSE3.

Процессор Athlon 64

В 2005 году на рынок вышли процессоры компании AMD под названием Athlon 64 X2. Это были первые двухъядерные процессоры для настольных компьютеров. В основе модели лежали два ядра, выполненных на одном кристалле. Они имели общий контроллер памяти, шину HyperTransport и очередь команд.

Процессор Athlon 64 X2

В течение 2005 и 2006 годов AMD выпустила четыре поколения двухъядерных чипов: три 90-нм ядра Manchester, Toledo и Windsor, а также 65-нм ядро Brisbane. Процессоры отличались объемом кэш-памяти второго уровня и энергопотреблением.

Процессоры Intel Core

Процессоры Pentium M обеспечивали большую производительность, чем настольные процессоры на базе микроархитектуры NetBurst. И поэтому их архитектурные решения стали основой для микроархитектуры Core, которая вышла в 2006 году. Первым настольным четырехядерным процессором стал Intel Core 2 Extreme QX6700 с тактовой частотой 2.67 ГГц и 8 Мб кэш-памяти второго уровня.

Кодовое имя первого поколения мобильных процессоров компании Intel было Yonah. Они производились с использованием техпроцесса 65 нм, основанного на архитектуре Banias/Dothan Pentium M, с добавленной технологией защиты LaGrande. Процессор мог обрабатывать до четырех инструкций за такт. В Core был переработан алгоритм обработки 128-битных инструкций SSE, SSE2 и SSE3. Если раньше каждая команда обрабатывалась за два такта, то теперь для операции требовался лишь один такт.

Intel Core 2 Extreme QX6700

В 2007 году вышла 45-нм микроархитектура Penryn с использованием металлических затворов Hi-k без содержания свинца. Технология использовалась в семействе процессоров Intel Core 2 Duo. В архитектуру добавилась поддержка инструкций SSE4, а максимальный объем кэш-памяти 2-го уровня у двухъядерных процессоров увеличился с 4 Мб до 6 Мб.

Процессор AMD Phenom II X6

В 2008 году вышла архитектура следующего поколения - Nehalem. Процессоры обзавелись встроенным контроллером памяти, поддерживающим 2 или 3 канала DDR3 SDRAM или 4 канала FB-DIMM. На смену шине FSB, пришла новая шина QPI. Объем кэш-памяти 2-го уровня уменьшился до 256 Кб на каждое ядро.

Intel Core i7

Вскоре Intel перевела архитектуру Nehalem на новый 32-нм техпроцесс. Эта линейка процессоров получила название Westmere.
Первой моделью новой микроархитектуры стал Clarkdale, обладающий двумя ядрами и интегрированным графическим ядром, производимым по 45-нм техпроцессу.

Процессоры AMD K10

Компания AMD старалась не отставать от Intel. В 2007 году она выпустила поколение архитектуры микропроцессоров x86 - K10. Четыре ядра процессора были объединены на одном кристалле. В дополнение к кэшу 1-го и 2-го уровней модели K10 наконец получили L3 объемом 2 Мб. Объем кэша данных и инструкций 1-го уровня составлял 64 Кб каждый, а кэш-памяти 2-го уровня - 512 Кб. Также появилась перспективная поддержка контроллером памяти DDR3. В K10 использовалось два 64-битных контроллера. Каждое процессорное ядро имело 128-битный модуль вычислений с плавающей запятой. Вдобавок ко всему, новые процессоры работали через интерфейс HyperTransport 3.0.

В 2007 году с архитектурой K10 вышли многоядерные центральные процессоры Phenom фирмы AMD, предназначенные для использования в стационарных персональных компьютерах. Решения на базе K10 производились по 65- и 45-нм техпроцессу. В новой версии архитектуры (К10,5) контроллер памяти работал с памятью DDR2 и DDR3.

Процессор AMD Phenom

В 2011 году вышла новая архитектура Bulldozer. Каждый модуль содержал два ядра со своим блоком целочисленных вычислений и кэш-памятью 1-го уровня. Поддерживалась кэш-память 3-го уровня объемом 8 Мб, шины HyperTransport 3.1, технологии увеличения частоты ядер Turbo Core второго поколения и наборов инструкций AVX, SSE 4.1, SSE 4.2, AES. Также процессоры Bulldozer были наделены двухканальным контроллером памяти DDR3 с эффективной частотой 1866 МГц.

Процессор AMD Bulldozer

В 2013 году компания представила следующее поколение процессоров - Piledriver. Данная модель являлась улучшенной архитектурой Bulldozer. Были доработаны блоки предсказания ветвлений, возросла производительность модуля операций с плавающей запятой и целочисленных вычислений, а также тактовая частота.

Просматривая историю, можно проследить этапы развития процессоров, изменения в их архитектуре, усовершенствования технологий разработки и многое другое. Современные CPU отличаются от тех, которые выходили раньше, но при этом имеют и общие черты.

Введение

1 Развитие микропроцессоров

2 Микропроцессоры i80386

3 Микропроцессоры i80486

4 Процессоры Pentium

5 Производительность процессоров

6 Сопроцессоры

Список используемой литературы

Введение

Важнейший элемент любого PC - микропроцессор. Он в большей степени определяет возможности вычислительной системы. Первый микропроцессор i4004 был изготовлен в 1971г и с тех пор фирма Intel прочно удерживает лидирующее положение на сегменте рынка. Наиболее успешен проект разработки i8080. Именно на ней был основан компьютер "Альтаир", для которого Б. Гейтс написал свой первый интерпретатор Basic. Классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Настоящим промышленным стандартом для PC стал микропроцессор i8088, который был анонсирован Intel в июне 1979г. В 1981г "голубой гигант" (фирма IBM) выбрала этот процессор для своего PC. Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4.77 МГц и имел быстродействие около 0.33 Mops, однако потом были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту 8 МГц. Микропроцессор i8086 появился ровно на год раньше, в июле 1978г, стал популярен благодаря компьютеру CompaqDecPro. Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в феврале 1982г Intel выпустила i80286. Он появился одновременно с новым компьютером IBM PC AT. Наряду с увеличением производительности имел защищенный режим (использовал более изощренную технику управления памятью). Защищенный режим позволил таким программам, как Windows 3.0 и OS/2 работать с ОЗУ выше 1Мб. Благодаря 16-ти разрядным данным на новой системной шине можно обмениваться с ПУ 2-х байтными сообщениями. Новый микропроцессор позволял в защищенном режиме обращаться к 16Мб ОЗУ. В процессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1.2 Mips.

1 Развитие микропроцессоров

ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок РОНов (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команд достигала 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а РФ ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его команд входило всего 46 инструкций.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.

Цикл команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.

1 апреля 1972 г. фирма Intel начала поставки первого в отрасли 8-разрядного прибора i8008. Кристалл изготавливался по р-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

В отличие от своих предшественников МП имел архитектуру ЭВМ принстонского типа, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ.

По сравнению с i4004 число РОН уменьшилось с 16 до 8, причем два регистра использовались для хранения адреса при косвенной адресации памяти (ограничение технологии - блок РОН аналогично кристаллам 4004 и 4040 в МП 8008 был реализован в виде динамической памяти). Почти вдвое сократилась длительность машинного цикла (с 8 до 5 состояний). Для синхронизации работы с медленными устройствами был введен сигнал готовности READY.

Система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возросла в 2,3 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.

Возможности р-канальной технологии для создания сложных высокопроизводительных МП были почти исчерпаны, поэтому "направление главного удара" перенесли на n-канальную МОП технологию.

1 апреля 1974 МП Intel 8080 был представлен вниманию всех заинтересованных лиц. Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт.

За счет использования 40-выводного корпуса удалось разделить ША и ШД, общее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации, сократилось до 6.

В РФ были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из РФ и введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной.

Новое в архитектуре МП - использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до 10 дополнительных чипов средней интеграции). В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее в универсальных ЭВМ IBM System 360 и др.).

ПДП открыл зеленую улицу для применения в микроЭВМ таких сложных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микроЭВМ в полноценную вычислительную систему.

Традицией компании, начиная с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, а семейства БИС, рассчитанных на совместное использование.

Современные микропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x86 или IA-32 (Intel Architecture 32 bit), но совсем скоро произойдет переход на более совершенную, производительную 64-х битную архитектуру IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Фактически переход уже начался, этому свидетельствует массовый выпуск и выход в продажу в 2003 году нового микропроцессора Athlon 64 корпорации AMD (Advanced Micro Devices), этот микропроцессор примечателен тем, что может работать как с 32-х битными приложениями, так и с 64-х битными. Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше.

2 Микропроцессоры i80386

В октябре 1985 года Intel анонсировал первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Первым компьютером, использующий этот микропроцессор, был CompaqDeskPro 386. Полностью 32-разрядная архитектура в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью, которое помимо блока сегментации было дополнено блоком управления страницами. Этого устройство позволяет легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие составляло 6 Mips. 32-адресные линии позволяли физически адресовать 4Gb памяти, кроме того, был введен новый режим управления виртуальной памятью V86. В этом режиме могли одновременно могли выполняться несколько задач для i8086.

Микропроцессор i80386, изготовленный на 1 кристалле с сопроцессором, назывался i80386DX. Более дешевая модель 32-разрядного микропроцессора появилась только в июле 1988г (i80386SX). Новый микропроцессор использовал 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. Это было особенно удобно для стандартного IBM PC AT. Программное обеспечение, написанное для i80386DX, работало на i80386DX. Внутренние регистры были полностью идентичны. Индекс SX произошел от слова "шестнадцать"(16-разрядная шина данных). Для i486 SX стал означать отсутствие сопроцессора. На осенней выставке в 1989г Intel анонсировала i80486DX, который содержал 1.2 млн. транзисторов на одном кристалле и был полностью совместим с остальными 86-ми процессорами. Новые микросхемы впервые объединили на 1 кристалле ЦП, сопроцессор и Кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволяющим достичь 4-х кратного производительности обычных 32-разрядных систем. 8Кб встроенной Кэш-памяти ускоряли выполнение за счет промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор имел производительность 16.5 Mips. Созданная в январе 1991г. версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволял увеличить производительность еще на 50%. Встроенный сопроцессор существенно ускорял математические вычисления, однако впоследствии стало ясно, что подобный микропроцессор необходим только 30% пользователей.

Компания Intel начала свою деятельность в июле 1968 году. Ее основатели, инженеры Гордон Мур и Роберт Нойс, ранее были в штате компании Fairchild. Специалисты сразу обозначили основное направление работы – сделать память на основе полупроводников максимально доступной и практичной. На тот момент память данного типа стоила во много раз дороже, чем память на базе магнитных технологий. В этой статье мы узнаем, как был разработал Первый микропроцессор и кто его создатели.

Позднее деятельностью компании заинтересовалась компания Busicom (Япония), которая заключила с Intel контракт на разработку микросхем для линейки программируемых калькуляторов. В те года такие микросхемы создавались сразу под конкретные устройства.

Весной 1970 года Intel приняла на работу инженера Фредерико Фаггина, чтобы он спроектировал управляющую микросхему 4004 — первый микропроцессор. Фаггин также ранее работал в Fairchild Semiconductor, где изобрел технологию кремниевого затвора. Данные наработки и были использованы в процессе создания новых микрочипов.

Первоначально все права на новую микросхему принадлежали компании Busicom. Фаггин был уверен, что его изобретение найдет в будущем широкое применение, поэтому убедил руководство купить права на чип. У Busicom также были серьезные финансовые проблемы, поэтому она согласилась на компенсацию в размере 60 тысяч долларов.

15 ноября 1971 года был официально анонсирован чип 4004 (самый первый микропроцессор от intel), который использовался в микрокомпьютере MCS-4. Производительность процессора составляла всего 108 кГц. Для создания чипа использовалась 10-микронная технология, что дало возможность разместить 2300 транзисторов. Стоит отметить, что производительность была сопоставима с возможностями ENIAC (1946 год), который использовал 18 тысяч вакуумных ламп и занимал площадь 85 квадратных метров.

Хотя первый микропроцессор предназначался для установки в калькуляторы, позднее он нашел применение в других сферах. Например, чип использовался в медицине при анализе крови, в системе управления дорожным движением и даже в космической ракете «Pioner 10», разработанной NASA для проведения исследований.

Ну, и для знатоков английского видео о процессоре 4004