Первые процессоры для компьютеров. Большая энциклопедия нефти и газа. Чемпион на пьедестале

История развития процессоров

Характеристики МП

Контрольные вопросы

История развития процессоров с 1971 года до наших дней

Интересен тот факт, что первый процессор был выпущен на 10 лет раньше первого ком­пьютера IBM PC. Компания Intel создала свой первый процессор в 1971 году, а компания IBM свой первый ПК - в 1981 году. Но даже теперь, спустя более четверти века, мы продол­жаем использовать системы, в той или иной мере сходные по архитектуре с первым ПК. Про­цессоры, установленные в наших компьютерах сегодня, большей частью имеют обратную совместимость с процессором 8088, который компания IBM выбрала для своего первого персо­нального компьютера в 1981 году.

15 ноября 2001 года микропроцессор отпраздновал свое 30-летие. За эти годы его быстро­действие увеличилось более чем в 18500 раз (с 0,108 МГц до 2 ГГц). Процессор 4004 был представлен 15 ноября 1971 года; он работал на частоте 108 кГц (108000 тактов в секунду, или всего 0,1 МГц). Про­цессор 4004 содержал 2300 транзисторов и производился с использованием 10-микронной технологии. Это означает, что все линии, дорожки и транзисторы располагались от других элементов на расстоянии около 10 микрон (миллионная часть метра). Данные передавались блоками по 4 бит за такт, а максимальный адресуемый объем памяти составлял 640 байт. Процессор 4004 предназначался для использования в калькуляторах, однако в конечном ито­ге нашел и другие применения в связи с широкими возможностями программирования. На­пример, процессор 4004 использовался для управления светофорами, при анализе крови и даже в исследовательской ракете Pioneer 10, запущенной NASA!

В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.

Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система CP/M, а Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.

Со временем процессор 8080 стал настолько известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инженеров Intel, занимавшихся разработкой процессора 8080, создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z-80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был несовместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разрабатывать более дешевые и простые компьютеры. В Z-80 был также включен расширенный набор ко­манд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обеспечение. В этот про­цессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z-80, могло использоваться практически со всеми версиями 8080. Перво­начально процессор Z-80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8500 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти.

Компания Intel не остановилась на достигнутом, и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии. Несмотря на то что он обогнал процессор Z-80 на несколько меся­цев, ему так и не удалось достичь популярности последнего. Он использовался в основном в качестве управляющей микросхемы различных компьютеризованных устройств.

В этом же году компания MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был аб­солютно не похож на процессоры Intel. Он был разработан группой инженеров компании Mo­torola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансфор­мировался в семейство процессоров 68000. Цена первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8-разрядный процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Та­кая цена была вполне приемлема для Стива Возняка (Steve Wozniak), и он встроил процессор- 6502 в новые модели Apple I и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, соз­данных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компьютерных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES). Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые впоследствии были использованы в компьютерах Apple Macintosh. Второе поколение компьютеров Mac использовало процессор PowerPC, являю­щийся преемником 68000. Сегодня компьютеры Mac снова перешли на архитектуру PC и ис­пользуют с ними одни процессоры, микросхемы системной логики и прочие компоненты.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под ко­довым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Core 2 и AMD Athlon 64 X2. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным - внут­ренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании про­цессора 8086 обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но в то же время значи­тельное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программ­ного обеспечения. Это свойство впоследствии сыграло важную роль для быстрого перевода программ системы CP/M (8080) на рельсы PC.

Несмотря на высокую эффективность процессора 8086 его цена была все же слишком вы­сока по меркам того времени и, что гораздо важнее, для его работы требовалась дорогая мик­росхема поддержки 16-разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессо­ра, в 1979 году Intel выпустила процессор 8088 - упрощенную версию 8086. Процессор 8088 использовал те же внутреннее ядро и 16-разрядные регистры, что и 8086, мог адресовать 1 Мбайт памяти, но в отличие от предыдущей версии использовал внешнюю 8-разрядную шину данных. Это позволило обеспечить обратную совместимость с ранее разработанным 8-разрядным процессором 8085 и тем самым значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого ПК "урезанный" процессор 8088, а не 8086.

Это решение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индустрии. Про­цессор 8088 был полностью программно-совместимым с 8086, что позволяло использовать 16-разрядное программное обеспечение. В процессорах 8085 и 8080 использовался очень по­хожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разра­батывать разнообразные программы для IBM РС, что явилось залогом его будущего успеха. Не желая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большинством процессоров, выпущенных в то время.

В те годы еще поддерживалась обратная совместимость процессоров, что ничуть не меша­ло вводить различные новшества и дополнительные возможности. Одним из основных изме­нений стал переход от 16-разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32-разрядной внутренней архитектуре 386-го и последующих процессоров, относя­щихся к категории IA-32 (32-разрядная архитектура Intel). Эта архитектура была представ­лена в 1985 году, однако потребовалось еще 10 лет, чтобы на рынке появились такие операци­онные системы, как Windows 95 (частично 32-разрядные) и Windows NT (требующие ис­пользования исключительно 32-разрядных драйверов). И только еще через шесть лет появилась операционная система Windows XP, которая была 32-разрядной как на уровне драйверов, так и на уровне всех компонентов. Итак, на адаптацию 32-разрядных вычислений потребовалось 16 лет. Для компьютерной индустрии это довольно длительный срок.

Теперь наблюдается очередной "скачок" в развитии архитектуры ПК - компании Intel и AMD представили 64-разрядные расширения 32-разрядной архитектуры Intel IA-64 (Intel Archi­tecture, 64-bit - 64-разрядная архитектура Intel), выпустив процессоры Itanium и Itanium 2. Од­нако данная архитектура была абсолютно несовместима с существовавшей 32-разрядной. Архи­тектура IA-64 была анонсирована в 1994 году в рамках проекта по разработке компаниями Intel и HP нового процессора с кодовым именем Merced; первые технические детали были опубликованы в октябре 1997 года. В результате в 2001 году был выпущен процессор Itanium, поддерживающий архитектуру IA-64.

К сожалению, IA-64 не являлась расширением архитектуры IA-32, а была совершенно но­вой архитектурой. Это хорошо для рынка серверов (собственно, для этого IA-64 и разрабаты­валась), однако совершенно неприемлемо для мира ПК, который всегда требовал обратной совместимости. Хотя архитектура IA-64 и поддерживает эмуляцию IA-32, при этом обеспечи­вается очень низкая производительность.

Компания AMD пошла по другому пути и разработала 64-разрядные расширения для архи­тектуры IA-32. В результате появилась архитектура AMD64 (которая также называется x86-64). Через некоторое время Intel представила собственный набор 64-разрядных расширений, кото­рый назвала EM64T (IA-32e). Расширения Intel практически идентичны расширениям AMD, что означает их совместимость на программном уровне. В результате впервые в истории сложи­лась ситуация, когда Intel следовала за AMD в разработке архитектуры ПК, а не наоборот.

Для того чтобы 64-разрядные вычисления стали реальностью, необходимы 64-разрядные операционные системы и драйверы. В апреле 2005 года компания Microsoft начала распро­странять пробную версию Windows XP Professional x64 Edition, поддерживающую дополни­тельные инструкции AMD64 и EM64T. Основные производители компьютеров уже постав­ляют готовые системы с предустановленной Windows XP Professional x64 и с 64-разрядной системой Windows Vista; они также разработали 64-разрядные драйверы для достаточно со­временных моделей устройств. Выпускаются и 64-разрядные версии Linux, благодаря чему каких-либо серьезных препятствий для перехода к 64-разрядным вычислениям нет.

Последним достижением можно считать выпуск компаниями Intel и AMD двух- и четы-рехъядерных процессоров. Они содержат два или четыре полноценных ядра на одной под­ложке; в результате один процессор теоретически может выполнять работу двух или четырех процессоров. Хотя многоядерные процессоры не обеспечивают значительного увеличения быстродействия в играх (которые в основном предполагают выполнение данных в один по­ток), они просто незаменимы в многозадачной среде. Если вы когда-нибудь пытались одно­временно выполнять проверку компьютера на наличие вирусов, работать с электронной по­чтой, а также запускать какие-то другие приложения, то наверняка знаете, что такая нагрузка может "поставить на колени" даже самый быстрый одноядерный процессор. Поскольку двухъядерные процессоры сейчас выпускаются обеими компаниями, Intel и AMD, шансы на то, что вам удастся выполнить работу гораздо быстрее благодаря многозадачности, значи­тельно возрастают. Современные двухъядерные процессоры также поддерживают 64-разряд­ные расширения AMD64 или EM64T, что позволяет воспользоваться преимуществами как двухъядерности, так и 64-разрядных вычислений.

Персональные компьютеры прошли долгий путь развития. Первый используемый в ПК процессор 8088 содержал 29 тыс. транзисторов и работал с частотой 4,77 МГц. Процессор AMD Athlon 64 FX содержит больше 105 млн. транзисторов, процессор Pentium 4 670 (ядро Prescott) работает с частотой 3,8 ГГц и содержит 169 млн. транзисторов, преимущественно благодаря наличию кэш-памяти второго уровня L2 объемом 2 Мбайт. Двухъядерные процес­соры, содержащие два ядра и кэш-память на одной подложке, характеризуются еще большим количеством транзисторов. Процессор Intel Pentium D содержит 230 млн. транзисторов, а AMD Athlon 64 X2 - более 233 млн. Последние процессоры Core 2 Duo и Core 2 Quad содер­жат 291 и 582 млн. транзисторов соответственно; при этом в последний интегрирована кэш­память второго уровня объемом 8 Мбайт. Многоядерная архитектура и постоянно растущий объем кэш-памяти второго уровня приводят к постоянному росту количества транзисторов. Скоро эта отметка перевалит за один миллиард. Все это является практическим подтвержде­нием закона Мура, в соответствии с которым быстродействие процессоров и количество со­держащихся в них транзисторов удваивается каждые 1,5-2 года.

ПРИМЕЧАНИЕ В сфере выпуска микропроцессоров с фирмой Intel постоянно конкурирует фирма AMD. Микропроцессоры фирмы AMD выпуска 2003- 2004 годов (Athlon ХР, Athlon 64) мало в чем уступают процессорам Pentium 4, а в некоторых режимах работы даже превосходят последние по быстродействию. Но, как и прежде, МП AMD сильнее греются (их штатная температура - 55-80 °С, в то время, как у МП Pentium 30-60 °С), поэтому для них необходим мощный вентилятор и надежная система защиты от катастрофического перегрева. Все МП Pentium такой системой снабжены: у них имеется датчик, который при превышении температуры 120-130 °С мгновенно выключает МП, спасая его от «сгорания». У МП Pentium есть еще более совершенная система - Thermal Monitor, принудительно замедляющая работу микропроцессора при превышении допустимой температуры

Процессор громоздких компьютеров середины XX века, основанный на механических реле, затем на электронных лампах, а потом на транзисторах, представлял собой целый шкаф (а то и не один), набитый электроникой. Каждое такое устройство было ненадежным, сложным и дорогим и потребляло огромное количество электроэнергии.

КОНСТРУКТОР ДЛЯ ЭНТУЗИАСТА

Первый ПК был разработан в 1974 году студентом Джонатаном Титусом. Дебютировавший на обложке журнала «Радиоэлектроника» компьютер Титуса, названный автором «Модель 8» (Mark 8), представлял собой проект для любителей­самодельщиков и распространялся в виде буклета, в котором были подробно расписаны конструкция и электрическая схема чудо­аппарата. Сам изобретатель попытался заработать на продаже набора печатных плат для всех желающих собрать собственный компьютер. Прочие компоненты, включая процессор Intel 8008, предлагалось приобретать в магазине.

Конечно, такой продукт не мог рассчитывать на коммерческий успех. Тем не менее он создал совершенно новую, доселе невиданную отрасль – полноценные компьютеры, доступные широкому кругу частных лиц.

Лишь при появлении полупроводниковых интегральных схем удалось объединить все компоненты, отвечающие за вычисления, в одном компактном чипе. Преимущества такого подхода разработчики осознали отнюдь не сразу, еще долго процессоры выпускались в виде целого набора микросхем.

В 1969 году японская компания Busicom заказала у корпорации Intel комплект из дюжины микросхем для своего нового настольного калькулятора. Один из разработчиков Intel предложил объединить часть их в микросхему, сочетающую в себе все необходимые функции. Руководство обеих фирм приняло новую идею благосклонно, так как она сулила немалую экономическую выгоду.

Дело в том, что стоимость производства слабо коррелирует со сложностью микросхемы, и двенадцать простых (то есть маленьких) чипов обойдутся гораздо дороже, нежели четыре больших, до которых сократился комплект для калькулятора Busicom. Причем основную, «вычислительную» микросхему, названную процессором, нетрудно сделать универсальной и применять в самых разных устройствах, где требуется выполнять какие-либо вычисления.

Именно этот чип, выпущенный в 1971 году под маркой Intel 4004, стал первым коммерческим однокристальным микропроцессором. Он работал с 4-разрядными двоичными числами и выполнял 60 тысяч операций в секунду. Правда, до персональных компьютеров Intel 4004 так и не добрался – в те годы такая концепция попросту отсутствовала.

Процессор для народа

Следующий процессор, Intel 8008, был 8-разрядным, умел адресовать до 16 кб памяти, состоял из 3,5 тысяч транзисторов и работал на тактовой частоте от 500 до 800 кГц. Именно он сделал возможным появление недорогого компактного компьютера, впоследствии названного персональным.

Отметим, что Intel 8008 имел мало общего с Intel 4004. Архитектуру и набор инструкций разрабатывал заказчик (компания Computer Terminal Corporation, CTC), причем исходя из его будущего применения в терминалах для «больших» компьютеров. Из-за срыва сроков поставки и недостаточной мощности процессора CTC отказалась от заказа. Стремясь хоть как-то компенсировать затраты на разработку, Intel выпустила свой продукт в широкую продажу. Мало кто ожидал, что частные умельцы не только оценят по достоинству недорогой процессор, но и смогут создать на его основе самые настоящие самодельные компьютеры. CTC же построила свой терминал по старинке, с применением комплекта специализированных микросхем.

Появление первых персональных компьютеров заставило специалистов Intel задуматься о перспективах микропроцессоров. Intel 8008 был тепло принят маленькими радиоэлектронными компаниями, разрабатывающими калькуляторы и специализированные цифровые устройства. Но «модель 8» и подобные ей показали, что у «легких» процессоров может быть и другое применение. Сделав ставку на призрачную пока новую отрасль, компания Intel пошла на риск – в 1974 году был выпущен новый процессор Intel 8080, более чем в десять раз превосходивший 8008 по производительности. Достигнуто это было как увеличением тактовой частоты до 2 МГц, так и более совершенной архитектурой, потребовавшей уже 6 тысяч транзисторов. Шина памяти была доведена до 16 разрядов, благодаря чему 8080 мог адресовать до 64 кб памяти, а система команд была значительно расширена по сравнению с Intel 8008.

ТЕМ ВРЕМЕНЕМ В СССР…

До конца 60­х годов XX века советская вычислительная техника развивалась быстрыми темпами. Множество НИИ разрабатывали ЭВМ самых разных типов, не уступавших лучшим западным образцам. Все это богатейшее хозяйство было совершенно несовместимо друг с другом, да такой задачи разработчикам и не ставилось.

Тем не менее ближе к 70­м годам руководство страны приняло решение унифицировать выпускаемую электронно­вычислительную технику и ввести аппаратную и программную совместимость между ЭВМ различного применения. Новая концепция получила название «Единое Семейство» (ЕС ЭВМ), причем за основу были взяты не отечественные разработки, а архитектура IBM 360. Чуть позже, в середине 70­х, для мини­ и микро­ЭВМ приняли архитектуру PDP­11 американской компании DEC.

Для отрасли это имело катастрофические последствия. Все многолетние наработки были выброшены на свалку. Отныне уделом разработчиков ЭВМ стало копирование западных образцов и освоение импортных технологий.

После отмирания PDP­11 советская промышленность перешла на копирование процессоров Intel и Zilog. Так, все персональные компьютеры 80­х годов, такие как «Радио 86РК», «Микроша», «Вектор­06Ц», «Корвет», «СМ­1800» и т.д., были построены на отечественных аналогах Intel 8080, а чуть позже большую популярность получили клоны ZX Spectrum, построенные на микросхемах КР1858ВМ1 и КР1858ВМ3, неотличимых от Zilog Z80.

Вынужденное следование «в хвосте» привело к неизбежному отставанию электронной промышленности Советского Союза от западных компаний. Постепенно отставание накапливалось и к 1991 году составляло уже около десятка лет.

Для калькуляторов новинка была дороговата, в розницу 8080 продавался за $360, но для применения в компьютерах цена была довольно приемлемой.

Хитрость таилась в скидках. При партиях от тысячи штук цена Intel 8080 составляла уже не $360, а $75. Этим и воспользовалась «калькуляторная» компания MITS, заключив OEM-контракт с Intel и выпустив персональный компьютер Altair-8800. Компьютер стоил всего $397 (что было совсем недалеко от розничной цены одного только процессора), при этом он поставлялся собранным и готовым к работе. Бешеный успех «Альтаира» положил начало буму персональных компьютеров, что заставило многие электронные компании начать разработку и выпуск собственных универсальных микропроцессоров.

Волна восьмиразрядных

Если разработка процессоров для мэйнфреймов была по плечу только крупным корпорациям, таким как Intel и Hewlett-Packard, то сконструировать и выпустить микропроцессор для ПК могла практически любая маломальски серьезная электронная компания. Перечислим самые известные чипы, появившиеся на волне успеха Intel 8080.

Motorola MC6800, 1974 год. Вышедший вскоре после Intel 8080 MC6800 предлагал несколько большую производительность примерно за те же деньги. Главными преимуществами процессора считались: питание всего по одной линии 5 В (вместо трех у большинства конкурентов), способность оперировать 16-битными числами и более солидное происхождение – архитектура MC6800 была прямым наследником архитектуры процессора компьютера DEC PDP-11.

Ключевой ошибкой Motorola стало уравнивание отпускной цены с главным конкурентом – Intel 8080. Большинство потенциальных заказчиков отказались переходить на совершенно новый процессор, не имевший, в отличие от процессоров Intel, наработанного парка ПО, без существенного экономического выигрыша. В результате Motorola MC6800 практически не получил применения в ПК (кроме собственного компьютера Motorola EXORciser) и использовался в основном как контроллер периферийных устройств, хотя какое-то время выпускался Altair 680 – аналог Altair 8800, но на другом процессоре.

Motorola MC6800 состоял из 4,5 тыс. транзисторов, работал на тактовой частоте от 1 до 2 МГц и адресовал до 64 кб памяти. Для применения в качестве микроконтроллера в последующие годы было разработано несколько вариаций процессора, оснащенных собственной памятью и тактовым генератором.

В середине 70-х годов США пережили кризис полупроводниковой индустрии, и микропроцессорный бум не оказал на это заметного влияния – слишком уж малы были объемы продаваемых персональных компьютеров. Многие электронные компании были вынуждены сократить штат. Так, Motorola покинуло 4,5 тысяч сотрудников, в том числе инженеры, разрабатывавшие MC6800.

MOS Technology 6502, 1975 год. Уволенная команда разработчиков Motorola MC6800 вскоре затеяла собственный проект, которым стала компания MOS Technology. Первым продуктом был MOS Technology 6501, электрически совместимый с 6800, что позволяло устанавливать его на ту же системную плату, что и мотороловский процессор. Получив вполне ожидаемый судебный иск от Motorola, MOS Technology была вынуждена спешно устранить скандальную совместимость. Так родился 6502, для популяризации которого был специально спроектирован компьютер KIM-1.

Главным преимуществом новинки была ее стоимость. Притом что в 1975 году Intel 8080 продавался в розницу за $179, MOS Technology 6502 стоил всего $25. Для небогатых одиночек – первопроходцев отрасли персональных компьютеров – это было как манна небесная. Несмотря на непререкаемый авторитет Intel 8080, процессор 6502 получил применение во многих ПК тех лет, включая неудачный Apple I и хитовый Apple II, давший путевку в жизнь фруктовой компании двух Стивов.

Как и все микропроцессоры того периода, 6502 был 8-разрядным и работал с 16-разрядной адресной шиной, что позволяло адресовать до 64 кб памяти. Тактовая частота была невысокой даже для тех лет – от 1 до 2 МГц, но благодаря продуманной архитектуре, во многом близкой к более поздним RISC-процессорам, 6502 работал наравне с более высокочастотными конкурентами.

НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ТЕРМИНАТОР

В знаменитом фантастическом боевике «Терминатор» в те моменты, когда камера смотрит глазами главного героя – робота, на экране мелькают строчки какого­то ассемблерного кода. Дотошным фанатам фильма удалось установить источник – это оказалась программа для компьютеров семейства Apple II, основанных на 2­мегагерцевом процессоре MOS Technology 6502. Судя по всему, ресурсы Скайнет к 2029 году основательно истощились, вследствие чего враждебный к людям искусственный интеллект был вынужден строить роботов на основе антикварных процессоров, выпущенных за полвека до того…

Zilog Z80, 1976 год. Созданный бывшими сотрудниками Intel, 8-разрядный процессор основывался на архитектуре Intel 8080 и имел совместимую с ним систему команд. Благодаря этому часть программ, разработанных для интеловского процессора, работала на Z80 без изменений, что послужило залогом успеха – продукт Zilog был гораздо дешевле интеловского. Кроме того, Z80 требовал менее сложной обвязки, всего одну линию питания; также сыграло свою роль то, что компания Zilog свободно продавала лицензии на его выпуск.

Изначально работавший на тактовой частоте 2,5 МГц Z80 был впоследствии разогнан до 20 МГц. Процессор содержал 8,5 тыс. транзисторов и имел расширенный набор регистров, за счет чего при использовании в качестве микроконтроллера мог обходиться без оперативной памяти.

Отечественному читателю процессор может быть знаком по популярному в нашей стране в 90-е годы компьютеру ZX Spectrum. Кроме того, он широко использовался до последнего времени в качестве процессора для игровых приставок и игровых автоматов, в качестве микроконтроллера в электронных игрушках, автоматических определителях номера, пультах ДУ и даже в устройствах, предназначенных для военного применения.

Поколение 1979

Флагманом следующего технологического прорыва опять-таки стала Intel. Новейший 16-разрядный процессор Intel 8086 призван был наголову разгромить MOS Technology и Zilog. Новинка основывалась на усовершенствованной архитектуре и имела новую систему команд, не полностью совместимую с 8080. Размер шины адреса был увеличен с 16 до 20 разрядов, что позволяло адресовать до 1 Мб памяти. Шина данных была 16-разрядной, но делила одни и те же физические линии с шиной адреса, что позволило упростить число контактов процессора, но снизило производительность.

Новый процессор оказался почти в десять раз мощнее Intel 8080. Тем не менее успеха 8086 не имел. Увлекшись технологическим усовершенствованием, разработчики упустили из вида экономическую эффективность. 16-разрядная шина данных требовала использования дорогих 16-разрядных микросхем при построении системных плат для процессора. Это резко увеличивало себестоимость ПК на 8086, потому лишь несколько производителей рискнуло выпустить компьютеры на новом чипе, но заметного успеха они не добились. Intel 8086 задал новую планку производительности, послужил фундаментом для огромного семейства x86. Именно его потомки впоследствии целиком и полностью заняли весь рынок микропроцессоров для персональных компьютеров.

По пути, проложенному 8086, пошли его более успешные потомки и конкуренты.

Intel 8088, 1979 год. Своеобразная работа над ошибками, выполненная Intel, получила признание заказчиков. Этот процессор был аналогом 8086, но имел важное отличие: 8-разрядную шину данных. Таким образом, он стал связующим звеном между 8- и 16-разрядными процессорами.

Intel 8088 содержал 29 тысяч транзисторов, работал на тактовых частотах от 5 до 10 МГц, имел 20-разрядную шину адреса и 8-разрядную шину данных. Именно этот процессор лег в основу легендарного IBM PC. Множество компаний выпускали свои аналоги этого популярного процессора: NEC, Siemens, AMD и даже советские заводы освоили производство клонов 8088, на основе которых собирались ПЭВМ «Поиск», «Агат-П», «Искра-1030».

ДРУЗЬЯ МАТЕМАТИКА

Ранние микропроцессоры умели работать лишь с целыми числами. Естественно, для них не было ничего сложного и в вычислении дробей, программе надо было только представить дробные числа в виде нескольких целых и выполнить обратное преобразование после вычислений. Большинству пользователей этого было достаточно. Но многие программные пакеты для научных расчетов, работы с графикой и звуком производят огромное количество вычислений с числами с плавающей точкой (то есть с дробями). Постоянные преобразования из дробных в целые и обратно требуют выполнения многих «лишних» команд, в результате чего производительность резко падает.

При этом усложнять архитектуру процессора ради дробных чисел было расточительно: не каждый заплатит в полтора раза больше за ускорение научных расчетов. Потому практически все производители выпускали дополнительные процессоры, берущие на себя расчеты с дробными числами. Такие чипы называли математическими сопроцессорами, и продавались они отдельно от основных процессоров. Более того, докупить и установить сопроцессор пользователь мог и потом, после покупки ПК. Также можно было запросто комбинировать процессор одной фирмы с сопроцессором другой, лишь бы семейство совпадало. Впоследствии Intel начала выпускать процессоры с интегрированным сопроцессором, а начиная с Intel Pentium чипы получили встроенные возможности для работы с числами с плавающей точкой.

Motorola MC68000, 1979 год. Являвшийся на тот момент самым мощным и универсальным 16-разрядным процессором, он был прямым наследником «динозавра» PDP-11. Его разработчики не шли ни на какие компромиссы: 24-разрядная шина памяти (позволявшая адресовать до 64 Мб памяти), 16-разрядная шина данных, 32-битные регистры, тактовая частота от 8 до 16 МГц. В отличие от Intel 8086 инженеры Motorola не стали мультиплексировать шины данных и адреса, ввиду чего пришлось оснастить процессор 64 ножками.

Излишне говорить, что новинка была дорогой и требовала дорогих микросхем системной логики. Тем не менее высочайшая по тем временам производительность, удобная система команд, наличие встроенных средств отладки склонили многих заказчиков в пользу продукта Motorola: так, Apple выбрала MC68000 в качестве процессора для нового ПК, названного Apple Macintosh, также их применяли Commodore и Atari.

Zilog Z8000, 1979 год. Воодушевленная успехом Z80, Zilog выпустила новый, весьма претенциозный процессор. Подобно Intel 8086, Z8000 работал с 16-разрядной шиной данных, мультиплексированной c шиной адреса, ширина которой составляла от 16 до 23 разрядов. Работал процессор на частотах от 4 до 20 МГц, имел 16-битные регистры, которые можно было объединять попарно для работы с 32-битными числами.

Увы, Zilog допустила фатальную ошибку – Z8000 не был совместим с Z80 ни аппаратно, ни программно. Прямой конкурент, Intel 8088, был такого недостатка лишен. И если из-за ве сомого авторитета Motorola заказчики были готовы сменить парк ПО при переходе с MC6800 на MC68000, то Zilog была новичком в полупроводниковой индустрии.

Новые процессоры никто не хотел покупать. Благодаря встроенным средствам разделения процессорных ресурсов (так, операционная система и приложение работали с разными режимами процессора) Z8000 получил некоторое распространение в мини-серверах, работавших под управлением ОС UNIX. На этом его успехи и закончились. По иронии судьбы простенький Z80 надолго пережил своего потомка.

Чемпион на пьедестале

Intel 80286 практически уничтожил конкуренцию архитектур на рынке процессоров персональных компьютеров. Отныне Motorola выпускала процессоры для Apple, все же остальные производители компьютеров перешли на х86. Что же произошло?

Вышедший на рынок в 1982 году Intel 80286 имел важнейшую особенность. Будучи в пять раз быстрее 8086 и умея работать с многократно большим объемом памяти, новый процессор остался полностью программно совместимым с предыдущими моделями. Ни один из конкурентов такого весомого преимущества не имел. Покупая компьютер на основе Intel 80286, пользователь мог не менять ПО, стоимость которого, как известно, может превышать стоимость самого ПК в несколько раз. Как же это было достигнуто?

Очень просто. Инженеры Intel применили не слишком изящный, зато действенный способ: ввели новый режим работы процессора. При включении компьютера Intel 80286 запускался в базовом режиме, названном реальным. Для программ процессор 80286 в реальном режиме ничем не отличался от 8086, кроме производительности. Те же программы, которые нуждались в объеме оперативной памяти большем, чем 1 Мб, и многозадачности, переключали процессор в защищенный режим. В этом режиме 80286 мог адресовать уже до 16 Мб и обеспечивал одновременную работу нескольких приложений. Ради совместимости такой «костыль» присутствует в процессорах семейства x86 до сих пор.

Войны клонов

Дальновидная корпорация Intel не стремилась ограничивать доступ конкурирующих компаний к своим наработкам. Стремясь обеспечить доминирование архитектуры x86 на рынке, она подписывала лицензионные соглашения буквально со всеми желающими. Многие компании, не имея возможности разработать свой чип с нуля и продвинуть его на рынок, модернизировали процессоры х86 и выпускали под собственной маркой. Такие процессоры были зачастую быстрее и дешевле оригинала от Intel, ввиду чего получили большую популярность в сегменте домашних.

Основные производители х86-совместимых процессоров

Cyrix. В отличие от большинства копировщиков Cyrix всегда разрабатывала выпускаемые x86-процессоры самостоятельно, старательно создавая аналоги технологий Intel. Основанная в 1988 году компания Cyrix ориентировалась на выпуск математических сопроцессоров для Intel 80286 и 80386. Первых успехов компания добилась уже в 1989 году: ее FastMath 83D87, предназначенный для использования совместно с Intel 80386, обгонял аналог от Intel на 50%.

ПРОЦЕССОР ДЛЯ ЭКОНОМНЫХ

Конкуренция с AMD и Cyrix вынудила Intel принять меры для удержания за собой бюджетного сегмента рынка процессоров. Снижать цены было бы неразумно – на плечах Intel и так лежали расходы на совершенствование процессоров, конкуренты же шли проторенным путем. Было принято простое решение – выпуск «урезаных» версий популярных процессоров, названных Intel Celeron.

Первенец, выпущенный в 1998 году, основывался на ядре Pentium II без кэш­памяти L2. Эффект был вполне ожидаем, по производительности в большинстве приложений Celeron не мог конкурировать со «старшим братом», но при этом имел ту же архитектуру и поддерживал все новые технологии. Это и требовалось, чтобы насытить бюджетный сегмент рынка, не снижая цены на основные модели.

Первые «селероны» были восприняты настороженно: полное отсутствие кэша L2 слишком сильно било по производительности, что ставило новый процессор на ступеньку ниже, чем даже Pentium MMX. Intel учла критику и исправила свою ошибку в последующих моделях, оснащая их лишь меньшим объемом кэша L2, чем у Pentium. Эти усовершенствованные Celeron по­прежнему уступали Pentium в большинстве приложений, но уже не так сильно, а в играх и вовсе отставание было незаметно. После «развода» Intel и AMD последняя повторила этот трюк, выпустив Duron, урезаный аналог Athlon, правда, со значительно меньшим успехом.

Три года спустя Cyrix представила собственные центральные процессоры – 486SLC и 486DLC. Любопытно, что эти процессоры устанавливались в гнезда не для Intel 80486, а для 80386. Название символизировало то, что производительность новинок вплотную подбирается к мощности новейших 80486. Они имели успех у пользователей, желающих модернизировать свои старые компьютеры на Intel 80386. Впоследствии был выпущен Cx5x86, предназначенный для апгрейда с 80486 до уровня Pentium.

Впервые ЦП от Cyrix обогнал интеловский аналог лишь в 1995 году. Cyrix 6x86 работал на более низкой тактовой частоте, чем Intel Pentium, но в целом был эффективнее. Уступал он Pentium лишь в операциях с числами с плавающей точкой, вследствие чего меньше подходил для новейших игр с трехмерной графикой.

Увы, ввиду все усложнявшейся разработки более мощных процессоров, наметившееся лидирование Cyix сошло на нет в конце 90-х, и компания превратилась в производителя «лоу-энд» чипов. Впоследствии Cyrix была приобретена тайваньским производителем чипсетов VIA Technologies.

IDT. Не все производители х86-совместимых процессоров придерживались интеловской архитектуры. В 1997 году компания IDT выпустила процессор WinChip (IDT-C6), соответствовавший Intel Pentium. Изначально нацеленный на нижний сегмент рынка, WinChip отличался низкой себестоимостью производства, скромными энергопотреблением и тепловыделением. Достигнуто это было весьма изощренным способом: WinChip имел RISC-архитектуру и упрощенный набор команд и при помощи специального блока транслировал команды x86 в собственные команды. Естественно, такой подход обусловил откровенно позорную производительность.

ПЯТОЕ ПОКОЛЕНИЕ

В марте 1993 года Intel продемонстрировала процессор нового поколения P5. Вопреки ожиданиям, новинка обрела не традиционное обозначение 586, а более звучную марку Pentium. Архитектура x86 была кардинально переработана: процессор получил возможность выполнять две команды одновременно, механизм предсказания адреса перехода и радикально переработанный механизм кэширования данных. Кроме того, шина данных стала 64­разрядной, что вдвое повысило ее пропускную способность по сравнению с Intel 80486.

Первые модели Intel Pentium, работавшие на тактовых частотах 60 и 66 МГц, громкого успеха не получили. Мало того что они требовали замены системной платы из­за нового процессорного гнезда Socket 4, так еще и работали заметно медленнее топовых моделей 80486. Оптимизированных под новую архитектуру программ еще не было, а старые не могли использовать все преимущества P5.

AMD. Американская компания Advanced Micro Devices начала выпуск микропроцессоров еще в 1974 году. Первый продукт, AMD 9080, был полным клоном процессора Intel 8080, причем параллельно с ним выпускался собственный, ни с чем не совместимый 4-разрядный комплект микросхем Am2900, использовавшийся в разнообразных цифровых устройствах.

Продолжая производить клоны по лицензии Intel, AMD долгое время поддерживали свое семейство 32-разрядных RISC-процессоров Am29000, широко использовавшихся в лазерных принтерах. В 1995 году компания прекратила разработку Am29000 и перебросила освободившихся инженеров на x86-проекты. Вскоре это дало плоды, AMD начала уходить от копирования интеловских процессоров. Уже в следующем году был выпущен процессор AMD K5, имевший производительность большую, чем Intel Pentium, за счет четырехконвейерной архитектуры, позволявшей выполнять до четырех команд одновременно, причем новой технологии поддержка со стороны ПО не требовалась. Зато желательна была оптимизация программ под K5, за счет чего производительность повышалась на 30%.

В данный момент маятник качнулся в сторону Intel. Выпустив крайне удачный Intel Core второго поколения, компания стремительно увеличивает свою долю десктопного рынка, в то время как обещанный AMD Bulldozer задерживается. Вернет ли AMD позиции и сможет хотя бы немного потеснить Intel? Время покажет.

), начиная от первых графических адаптеров MDA и CGA и заканчивая новейшими архитектурами AMD и NVIDIA. Теперь настала очередь проследить за тем, как развивались центральные процессоры - не менее важная составляющая любого компьютера. В этой части материала речь пойдет о 1970-х годах, а следовательно, первых 4- и 8-битных решениях.

Первые центральные процессоры были многоножками

1940–1960-е годы

Прежде чем углубляться в историю развития центральных процессоров, необходимо сказать несколько слов о развитии компьютеров в целом. Первые CPU появились еще в 40-х годах XX века. Тогда они работали с помощью электромеханических реле и вакуумных ламп, а применяемые в них ферритовые сердечники выполняли роль запоминающих устройств. Для функционирования компьютера на базе таких микросхем требовалось огромное количество процессоров. Подобный компьютер представлял собой огромный корпус размером с достаточно большую комнату. При этом он выделял большое количество энергии, а его быстродействие оставляло желать лучшего.

Компьютер, использующий электромеханические реле

Однако уже в 1950-х годах в конструкции процессоров стали применяться транзисторы. Благодаря их применению инженерам удалось добиться более высокой скорости работы чипов, а также снизить их энергопотребление, но повысить надежность.

В 1960-х годах получила свое развитие технология изготовления интегральных схем, что позволило создавать микрочипы с расположенными на них транзисторами. Сам процессор состоял из нескольких таких схем. С течением времени технологии позволили размещать все большее количество транзисторов на кристалле, в связи с чем количество используемых в CPU интегральных схем сокращалось.

Тем не менее архитектура процессоров была всё ещё очень и очень далека от того, что мы видим сегодня. Но выход в 1964 году IBM System/360 немного приблизил дизайн тогдашних компьютеров и CPU к современному - прежде всего в плане работы с программным обеспечением. Дело в том, что до появления этого компьютера все системы и процессоры работали лишь с тем программным кодом, который был написан специально для них. В своих ЭВМ компания IBM впервые использовала иную философию: вся линейка разных по производительности CPU поддерживала один и тот же набор инструкций, что позволяло писать ПО, которое работало бы под управлением любой модификации System/360.

Компьютер IBM System/360

Возвращаясь к теме совместимости System/360, нужно подчеркнуть, что IBM уделила очень много внимания данному аспекту. Например, современные компьютеры линейки zSeries до сих пор поддерживают работу программного обеспечения, написанного для платформы System/360.

Не стоит забывать и о компании DEC (Digital Equipment Corporation), а именно о ее линейке компьютеров PDP (Programmed Data Processor). Фирма была основана в 1957 году, и в 1960 году выпустила свой первый миникомпьютер PDP-1. Устройство представляло собой 18-битную систему и по размерам было меньше, чем мейнфреймы того времени, занимая «всего лишь» комнатный угол. В компьютер был интегрирован ЭЛТ-монитор. Интересно, что первая в мире компьютерная игра под названием Spacewar! была написана именно под платформу PDP-1. Стоимость компьютера в 1960 году составляла 120 тысяч долларов США, что было значительно ниже цены других мейнфреймов. Тем не менее PDP-1 не пользовался особой популярностью.

Компьютер PDP-1

Первым коммерчески успешным устройством DEC стал компьютер PDP-8, выпущенный в 1965 году. В отличие от PDP-1, новая система была 12-битной. Стоимость PDP-8 составляла 16 тысяч долларов США – это был самый дешевый миникомпьютер того времени. Благодаря столь низкой цене устройство стало доступно промышленным предприятиям и научным лабораториям. В итоге было продано около 50 тысяч таких компьютеров. Отличительной архитектурной особенностью процессора PDP-8 стала его простота. Так, в нем было всего четыре 12-битных регистра, которые использовались для задач различного типа. При этом PDP-8 содержал всего 519 логических вентилей.

Компьютер PDP-8. Кадр из фильма «Три дня Кондора»

Архитектура процессоров PDP напрямую повлияла на устройство 4- и 8-битных процессоров, о которых и пойдет речь далее.

Intel 4004

1971 год вошел в историю как год появления первых микропроцессоров. Да-да, таких решений, которые используются сегодня в персональных компьютерах, ноутбуках и других устройствах. И одной из первых заявила о себе тогда еще только-только основанная компания Intel, выпустив на рынок модель 4004 - первый в мире коммерчески доступный однокристальный процессор.

Прежде чем перейти непосредственно к процессору 4004, стоит сказать пару слов о самой компании Intel. Её в 1968 году создали инженеры Роберт Нойс и Гордон Мур, которые до того момента трудились на благо компании Fairchild Semiconductor, и Эндрю Гроувом. Кстати, именно Гордон Мур опубликовал всем известный «закон Мура», согласно которому количество транзисторов в процессоре удваивается каждый год.

Уже в 1969-ом, спустя всего лишь год после основания, компания Intel получила заказ от японской компании Nippon Calculating Machine (Busicon Corp.) на производство 12 микросхем для высокопроизводительных настольных калькуляторов. Первоначальный дизайн микросхем был предложен самой Nippon. Однако такая архитектура не приглянулась инженерам Intel, и сотрудник американской компании Тед Хофф предложил сократить число микросхем до четырех за счет использования универсального центрального процессора, который бы отвечал за арифметические и логические функции. Помимо центрального процессора, архитектура микросхем включала оперативную память для хранения данных пользователя, а также ПЗУ для хранения программного обеспечения. После утверждения окончательной структуры микросхем продолжилась работа над дизайном микропроцессора.

В апреле 1970 года к команде инженеров Intel присоединился итальянский физик Федерико Фаджин, который до этого также работал в компании Fairchild. У него был большой опыт работы в области логического проектирования компьютеров и технологий МОП (металл-оксид-полупроводник) с кремниевыми затворами. Именно благодаря вкладу Федерико инженерам Intel удалось объединить все микросхемы в один чип. Так увидел свет первый в мире микропроцессор 4004.

Процессор Intel 4004

Что касается технических характеристик Intel 4004, то, по сегодняшним меркам, конечно, они были более чем скромные. Чип производился по 10-мкм техпроцессу, содержал 2300 транзисторов и работал на частоте 740 кГц, что означало возможность выполнения 92 600 операций в секунду. В качестве форм-фактора использовалась упаковка DIP16. Размеры Intel 4004 составляли 3x4 мм, а по бокам располагались ряды контактов. Изначально все права на чип принадлежали компании Busicom, которая намеревалась использовать микропроцессор исключительно в калькуляторах собственного производства. Однако в итоге они позволили Intel продавать свои чипы. В 1971 году любой желающий мог приобрести процессор 4004 по цене примерно 200 долларов США. К слову, чуть позже Intel выкупила все права на процессор у Busicom, предрекая важную роль чипа в последующей миниатюризации интегральных схем.

Несмотря на доступность процессора, его область применения ограничилась калькулятором Busicom 141-PF. Также долгое время ходили слухи, что Intel 4004 применялся в конструкции бортового компьютера беспилотного космического аппарата «Пионер-10», который стал первым межпланетным зондом, совершившим пролет вблизи Юпитера. Эти слухи напрямую опровергаются тем, что бортовые компьютеры «пионера» имели 18- или 16-битную разрядность, тогда как Intel 4004 был 4-битным процессором. Впрочем, стоит отметить, что инженеры NASA рассматривали возможность его использования в своих аппаратах, однако посчитали чип недостаточно испытанным для таких целей.

Процессор Intel 4040

Спустя три года после выхода процессора Intel 4004 увидел свет его преемник - 4-битный Intel 4040. Чип производился по тому же 10-мкм техпроцессу и работал на той же тактовой частоте 740 кГц. Тем не менее, процессор стал немного «сложнее» и получил более богатый набор функций. Так, 4040 содержал 3000 транзисторов (на 700 больше, чем у 4004). Форм-фактор процессора остался прежним, однако вместо 16-пинового стали использовать 24-пиновый DIP. Среди улучшений 4040 стоит отметить поддержку 14 новых команд, увеличенную до 7 уровней глубину стека, а также поддержку прерываний. «Сороковой» использовался в основном в тестовых устройствах и управлении оборудованием.

Intel 8008

Помимо 4-битных процессоров, в начале 70-х годов в арсенале Intel появилась и 8-битная модель - 8008. По своей сути чип представлял собой 8-битную версию процессора 4004 с меньшей тактовой частотой. Не стоит этому удивляться, потому как разработка модели 8008 велась параллельно с разработкой 4004. Так, в 1969 году компания Computer Terminal Corporation (впоследствии Datapoint) поручила Intel создание процессора для терминалов Datapoint, предоставив им схему архитектуры. Как и в случае с моделью 4004, Тэд Хофф предложил интегрировать все микросхемы в один чип, и в CTC согласились с таким предложением. Разработка плавно шла к своему завершению, но в 1970 году CTC отказались как от чипа, так и от дальнейшего сотрудничества с Intel. Причины были банальны: инженеры Intel не вложились в установленные сроки разработки, а функциональность предоставленного «камня» не соответствовала запросам CTC. Договор между двумя компаниями был разорван, права на все наработки остались у Intel. Новым чипом заинтересовалась японская компания Seiko, инженеры которой хотели использовать новый процессор в своих калькуляторах.

Процессор Intel 8008

Так или иначе, но после прекращения сотрудничества с CTC Intel переименовала разрабатываемый чип в 8008. В апреле 1972 года этот процессор стал доступен для заказа по цене 120 долларов США. После того как Intel осталась без поддержки CTC, в стане компании осторожно относились к коммерческим перспективам нового чипа, однако сомнения были напрасны - процессор хорошо продавался.

Технические характеристики 8008 были во многом схожи с 4004. Процессор производился в 18-пиновом форм-факторе DIP по 10-мкм технологическим нормам и содержал 3500 транзисторов. Внутренний стек поддерживал 8 уровней, а объем поддерживаемой внешней памяти составлял до 16 Кбайт. Тактовая частота 8008 была установлена на отметке 500 кГц (на 240 кГц ниже, чем у 4004). За счет этого 8-битный процессор Intel зачастую проигрывал в скорости 4-битному.

На основе 8008 было построено несколько компьютерных систем. Первой из них стал не очень известный проект под названием The Sac State 8008. Эта система разрабатывалась в стенах университета Сакраменто под руководством инженера Билла Пентца. Несмотря на то, что долгое время первым созданным микрокомпьютером считалась система Altair 8800, именно The Sac State 8008 является таковым. Проект был завершен в 1972 году и представлял полностью полноценный компьютер для обработки и хранения медицинских записей пациентов. Компьютер включал в себя непосредственно процессор 8008, жесткий диск, 8 Кбайт оперативной памяти, цветной дисплей, интерфейс для подключения к мейнфреймам, а также собственную операционную систему. Стоимость такой системы была крайне высокой, поэтому The Sac State 8008 так и не смог получить должного распространения, хотя довольно продолжительное время конкурентов в плане производительности у него не было.

Примерно так выглядел The Sac State 8008

Тем не менее, The Sac State 8008 - не единственный компьютер, построенный на базе процессора 8008. Были созданы и другие системы, такие как американская SCELBI-8H, французская Micral N и канадская MCM/70.

Intel 8080

Как и в случае с процессором 4004, спустя некоторое время 8008 также получил обновление в лице чипа 8080. Однако в случае с 8-битным решением изменения, внесенные в архитектуру процессора, были намного более существенные.

Intel 8080 был представлен в апреле 1974 года. Прежде всего, нужно отметить, что производство процессора перевели на новый 6-мкм техпроцесс. Более того, при производстве использовалась технология N-МОП (n-канальные транзисторы) - в отличие от 8008, который производился с помощью P-МОП-логики. Использование нового техпроцесса позволило разместить на кристалле 6000 транзисторов. В качестве форм-фактора использовался DIP с 40 контактами.

Модель 8080 получила более богатый набор команд, который включал 16 команд передачи данных, 31 команду для их обработки, 28 команд для перехода с прямой адресацией, а также 5 команд управления. Тактовая частота процессора составила 2 МГц - в 4 раза больше, чем у предшественника. Также 8080 имел 16-разрядную адресную шину, которая позволяла производить адресацию 64 Кбайт памяти. Эти нововведения обеспечили высокую производительность нового чипа, которая примерно в 10 раз превышала таковую у 8008.

Процессор Intel 8080

Процессор 8080 в своей первой ревизии содержал серьезную ошибку, которая могла приводить к зависанию. Ошибка была исправлена в обновленной ревизии чипа, получившей название 8080А и выпущенной только спустя полгода.

Благодаря высокой производительности процессор 8080 стал очень популярным. Его применяли даже в системах управления уличным освещением и светофорами. Однако в основном его использовали в компьютерных системах, самой известной из которых являлась разработка компании MITS Altair-8800, представленная в 1975 году.

Altair-8800 работал на базе операционной системы Altair BASIC, а в качестве шины использовался интерфейс S-100, который спустя несколько лет стал стандартом для всех персональных компьютеров. Технические характеристики компьютера были более чем скромные. Он обладал всего лишь 256 байт оперативной памяти, у него отсутствовали клавиатура и монитор. Пользователь работал с компьютером путем ввода программ и данных в двоичной форме, щелкая набором маленьких ключей, которые могли занимать два положения: верхнее и нижнее. Результат считывался также в двоичной форме - по погасшим и светящимся лампочкам. Тем не менее, Altair-8800 стал настолько популярным, что такая маленькая компания, как MITS, попросту не успевала удовлетворять спрос на компьютеры. Популярности компьютера напрямую посодействовала его невысокая стоимость - 621 доллар США. При этом за 439 долларов США можно было приобрести компьютер в разобранном виде.

Компьютер Altair-8800

Возвращаясь к теме 8080, нужно отметить, что на рынке присутствовало множество его клонов. Тогдашняя маркетинговая ситуация в корне отличалась от того, что мы наблюдаем сегодня, и Intel было выгодно предоставлять сторонним компаниям лицензии на производство копий 8080. Производством клонов занималось множество крупных компаний, таких как National Semiconductor, NEC, Siemens и AMD. Да, в 70-е годы у AMD еще не было собственных процессоров - фирма занималась исключительно выпуском «ремейков» других кристаллов на собственных мощностях.

Интересно, что существовала и отечественная копия процессора 8080. Она была разработана Киевским НИИ микроприборов и носила название КР580ВМ80А. Было выпущено несколько вариантов этого процессора, в том числе и для применения в военных объектах.

«Незалежный» КР580ВМ80А

В 1976 году появилась обновленная версия чипа 8080, получившая индекс 8085. Новый кристалл изготавливался по 3 мкм техпроцессу, что позволило разместить на чипе 6500 транзисторов. Максимальная тактовая частота процессора составляла 6 МГц. Набор поддерживаемых инструкций содержал 79 команд, среди которых были две новые команды для управления прерываниями.

Zilog Z80

Главным событием после выхода 8080 стало увольнение Федерико Фаджина. Итальянец не был согласен с внутренней политикой компании и решил уйти. Вместе с бывшим менеджером Intel Ральфом Унгерманном и японским инженером Масатоши Шимой он основал компанию Zilog. Сразу после этого началась разработка нового процессора, похожего по своей архитектуре на 8080. Так, в июле 1976 года появился процессор Zilog Z80, бинарно совместимый с 8080.

Федерико Фаджин (слева)

В сравнении с Intel 8080 Zilog Z80 имел много улучшений, например, расширенный набор команд, новые регистры и инструкции для них, новые режимы прерываний, два отдельных блока регистров, а также встроенную схему регенерации динамической памяти. Кроме этого, стоимость Z80 была намного ниже, чем 8080.

Что касается технических характеристик, то процессор производился по 3-мкм технологическим нормам с применением технологий N-МОП и КМОП. Z80 содержал 8500 транзисторов, а его площадь равнялась 22,54 мм 2 . Тактовая частота Z80 варьировалась в пределах от 2,5 до 8 МГц. Разрядность шины данных составляла 8 бит. Процессор обладал 16-битной адресной шиной, а объем адресуемой памяти составлял 64 Кбайт. Z80 производился в нескольких форм-факторах: DIP40 или 44-контактных PLCC и PQFP.

Процессор Zilog Z80

Z80 очень быстро превзошел в популярности все конкурирующие решения, в том числе и 8080. Процессор применялся в компьютерах таких компаний, как Sharp, NEC и других. Также Z80 «прописался» в консолях Sega и Nintendo. Кроме этого, процессор использовался в игровых автоматах, модемах, принтерах, промышленных роботах и многих других устройствах.

ZX Spectrum

Отдельного упоминания достойно устройство под названием ZX Spectrum, несмотря на то, что наше сегодняшнее повествование не касается решений 80-х годов прошлого столетия. Компьютер разрабатывался британской компанией Sinclair Research и был выпущен в 1982 году. ZX Spectrum был далеко не первой разработкой SR. В начале 1970-х годов глава компании и ее главный инженер Клайв Синклейр (Clive Sinclair) занимались тем, что продавали радиодетали по почте. Ближе к середине 70-х Клайв создал карманный калькулятор, который стал первым успешным изобретением фирмы. Отметим, что в компании не занимались непосредственно разработкой калькулятора. Им удалось найти удачное сочетание дизайна, функциональности и стоимости, благодаря которому устройство отлично продавалось. Следующим устройством Sinclair также стал калькулятор, но с более богатым набором функций. Устройство предназначалось для более «продвинутой» аудитории, но снискать особого успеха ему не удалось.

Клайв Синклейр - «отец» ZX Spectrum

После калькуляторов Синклейр решил сосредоточиться на разработке полноценных компьютеров, и в промежутке между 1980 и 1981 годами появились домашние компьютеры линейки ZX: ZX80 и ZX81. Но самым популярным решением стала выпущенная в 1982 году система под названием ZX Spectrum. Изначально она должна была выйти на рынок под названием ZX83, но в последний момент было принято решение переименовать девайс, чтобы подчеркнуть поддержку компьютером цветного изображения.

ZX Spectrum стал популярным, прежде всего, благодаря своей простоте и дешевизне. Компьютер внешне напоминал игровую приставку. К нему через внешние интерфейсы подключались телевизор, который использовался в качестве монитора, и кассетный магнитофон, выполняющий функцию накопителя. На корпусе «Спектрума» располагалась многофункциональная клавиатура на 40 резиновых клавиш. Каждая кнопка имела до семи значений при работе в разных режимах.

Компьютер ZX Spectrum

Внутренняя архитектура ZX Spectrum также была довольно простой. Благодаря использованию технологии ULA (Uncommitted Logic Array) основную часть схемы компьютера удалось разместить на одной микросхеме. В качестве центрального процессора использовался Zilog Z80 с тактовой частотой 3,5 МГц. Объем оперативной памяти составлял 16 или 48 Кбайт. Правда, некоторые сторонние производители выпускали модули памяти объемом 32 Кбайт, которые вставлялись в один из портов расширения «Спектрума». Объем ПЗУ составлял 16 Кбайт, причем в память был вшит диалект языка BASIC под названием Sinclair BASIC. ZX Spectrum поддерживал вывод лишь однобитного звука через встроенный динамик. Компьютер работал лишь в графическом режиме (8 цветов и 2 уровня яркости). Следовательно, поддержки текстового режима не было. Максимальное разрешение при этом составляло 256x192 пикселов.

Начальная цена на ZX Spectrum была установлена на отметке 125 фунтов стерлингов. Интересно, что Sinclair Research всё ещё продавали свои устройства с помощью почты. За первые 17 месяцев после выхода «Спектрума» было продано более миллиона компьютеров.

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.

История появления и развития первых процессоров для компьютеров берет своё начало в середине двадцатого века. Сейчас уже невозможно себе представить, что как-то можно обойтись без персональных компьютеров, но не так давно, всего каких-то сорок лет назад, слова «компьютер» и «процессор» были известны лишь узкому кругу специалистов. И лишь в 1971 году произошло знаковое событие — никому тогда ещё неизвестная фирма Intel из американского города Санта-Клара дала жизнь первому микропроцессору , благодаря чему в дальнейшем различных типов, конфигураций и назначения, прочно вошли в нашу жизнь, и ими пользуются все и везде, от учащихся школ до инженеров и ученых.

Процессоры с применением электромеханических реле, вакуумных ламп, ферритовых сердечников (то есть специальных устройств памяти)

Данный этап эволюции процессоров затронул период с сороковых по самый конец пятидесятых годов. Такие процессоры устанавливали в специальные разъёмы на отдельных модулях, которые были собраны в стойки. Огромное количество подобных стоек, соединённых проводниками, в совокупности представляли собой процессор. Отличительной чертой являлась их низкая надёжность, небольшое быстродействие, а также огромное выделение теплоты.

Процессоры на транзисторах

Это был второй этап эволюции процессоров, который длился, начиная с середины пятидесятых годов до середины шестидесятых. Транзисторы монтировали уже на платы весьма близкие к нынешним платам по облику, которые устанавливались в стойки. Как и раньше, процессор в среднем состоял из нескольких подобных стоек. Выросло быстродействие, повысился уровень надёжности, уменьшился уровень энергопотребления.

Процессоры на микросхемах

Это был третий этап эволюции процессоров, который наступил в середине шестидесятых годов. Первоначально применялись микросхемы с низкой степенью интеграции, которые содержали простейшие транзисторные, а также резисторные схемы. Потом по мере развития технологий, стали применять микросхемы, которые реализовывали отдельные части цифровой схемотехники. По началу элементарные ключи, а также различные логические элементы, потом более элементы посложнее - элементарные регистры, сумматоры, счётчики, позднее возникли микросхемы, которые содержали функциональные блоки самого процессора - арифметическо-логическое устройство, микропрограммное устройство, регистры, а также устройства для работы с шинами данных и различных команд.

Микропроцессоры

Четвёртым этапом, в самом начале семидесятых годов, было создание микропроцессора, то есть специальной микросхемы, на кристалле у которой физически были расположены все главные элементы, а также блоки процессора. Корпорация Intel в 1971 году смогла создать первый во всем мире четырехразрядный микропроцессор 4004, который состоял из 2300 транзисторов, имел рабочую частоту 108 кГц — это 0,108 МГц или 0,000108 ГГц (где-то в 20000 раз меньше частоты ). Производился этот 4-битный процессор по 10-микронной технологии и был предназначен для применения в микрокалькуляторах. В последствии Intel 4004 стали использовать в анализаторах крови, в схемах управления светофоров и даже на межпланетных космических станциях.

Со временем почти все процессоры стали выпускать в формате таких микропроцессоров. Исключением длительное время были только лишь малосерийные процессоры, которые аппаратно оптимизировались для решения различных специальных задач. К примеру, суперкомпьютеры или процессоры для осуществления решения целого ряда военных задач, или же какие-нибудь процессоры, к которым, как правило, предъявлялись некие особые требования по уровню надёжности, своему быстродействию, либо же защите от воздействия электромагнитных импульсов, а также воздействия ионизирующей радиации. С удешевлением, а также распространением самых современных технологий, данные процессоры тоже начинают делать в формате микропроцессора.

Развитие микропроцессоров

Процесс перехода к микропроцессорам дал возможность создавать персональные компьютеры, проникшие сейчас практически в каждый дом. Самым первым общедоступным микропроцессором явился четырехразрядный Intel 4004, который весной 1972 года сменил восьмибитный Intel 8008, состоявший из 3500 транзисторов и работавший на частоте 200 кГц, имел 8-разрядную шину данных, хотя и производился также по 10-микронной технологии. Сфера его применения ограничивалась терминалами и программируемыми калькуляторами.

Следующим шагом в развитии микропроцессоров стало создание в 1974 году Intel 8080. Новый 8-битный процессор содержал уже 6000 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Кроме всего прочего, это был первый микропроцессор, который уже мог делить числа. Именно он стал основой для создания первого персонального компьютера Altair 8800, в котором использовалась операционная система СР/М. Простота общения с компьютером Altair 8800 и легкость написания для него программ — заслуга будущих основателей фирмы Мicrosoft Пола Аллена и Билла Гейтса, которые в конце 1975 года создали для него интерпретатор языка Ваsic (Бэйсик), что немало поспособствовало популяризации в то время.

Но история Intel 8080 на этом не закончилась. Кучка бывших инженеров Intel, которые занимались разработкой процессора 8080, объединившись, в конце 1975 года создали компанию Zilog Corporation, которая выпустила микропроцессор Z80, представляющий собой значительно улучшенную версию 8080. Изначально Z80 содержал 8500 транзисторов, работал на частоте 2,5 МГц и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Позднее он стал работать уже на частоте 10 МГц. Самым, пожалуй, ярким представителем компьютеров на базе Z80 был «Sinclair ZX Spectrum» английской компании Sinclair Research Ltd.

В 1978 году Intel выпускает новый шестнадцатиразрядный микропроцессор Intel 8086, содержащий набор команд х86, который заложил основы архитектуры всех нынешних настольных процессоров. 8086 работал на частоте 5 МГц и содержал 29000 транзисторов. Он мог адресовать 1 Мбайт памяти благодаря 20-разрядной адресной шине. По причине большой распространённости восьмиразрядных модулей памяти выпущен был весьма дешевый Intel 8088, являющийся упрощенной версией 8086 со всеми теми же характеристиками, но с восьмиразрядной шиной данных. Это дало возможность программной и аппаратной совместимости как с процессором 8086, так и с предыдущими 8-разрядными процессорами 8085 и 8080.

Использование Intel 8088

позволило в значительной мере увеличить потенциал и возможности персональных компьютеров, так как он позволил работать с 1 Мб памяти, тогда, как все имевшиеся на тот момент компьютеры были ограничены 64 Кб. Программное обеспечение для компьютеров на Intel 8088 разрабатывала фирма Microsoft. И в 1981 году для компьютера IBM РС была представлена первая версия операционной системы MS DOS 1.0. Дальше по мере прогресса анонсировались и новые версии DOS, которые предоставляли пользователям дополнительные удобства с учётом новых возможностей компьютеров. Тем самым через пару лет, вытеснив с рынка 8-битовые модели компьютеров, IВМ РС занял ведущее место.

В 1982 году Intel выпускает новый 16-разрядный микропроцессор Intel 80286, разработанный по 1,5 микронной технологии. Он имел 134000 транзисторов, виртуальную память размером до 1 Гб, а также защищённый режим с 24-битной адресацией, который позволял использовать 16 мегабайт памяти на частоте: 8, 12 и 16 МГц.

Процессор типа Intel 80386 возник в 1985 году и смог привнести улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, которая позволила применять до 4 гигабайт оперативной памяти, а также еще и поддержку механизма применения виртуальной памяти. Intel 80386 изготавливался по 1,5 мкм технологии, имел уже 275000 транзисторов и работал на частотах: 16, 20-40 МГц. Данная линейка процессоров была построена на вычислительной регистровой модели. Параллельно шло развитие микропроцессоров, которые взяли за основу вычислительную стековую модель.

В 1989 году увидел свет новый микропроцессор Intel 80486, в котором на одном, изготовленном по 1 мкм технологии, кристалле 1200000 транзисторов, первичный кэш и встроенный математический сопроцессор 80487. 486 работал на частотах: 25, 33, 50 и 66 МГц и, как его предшественник, мог использовать до 4 Гб .

Первые 32-разрядные процессоры Pentium

появились в 1993 году. Они уже имели 3 миллиона транзисторов, были изготовлены по 0,8 мкм технологии, имели частоту 60 и 66 МГц и 64-битную шину данных. В следующем 1994 году вышло второе поколение процессоров Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, изготовленных по 0,6 мкм технологии, что снизило потребляемую ими мощность.

И вот, последние 20 лет, начиная с 1993 года, с момента появления первого процессора Intel Pentium, прогресс в развитии компьютерных процессоров продвигался так быстро, что сейчас в наших домашних персональных компьютерах уже стоят четырех- , шести- , восьми-ядерные процессоры тактовой частотой более 3 ГГц, созданные по 22 нм технологии, со встроенным видеоядром, но использующие всё ту же х86 архитектуру. И хотя, за время существования микропроцессоров разработано было большое множество разных архитектур, часть из них (в усовершенствованном и дополненном виде) применяется и поныне. К примеру, Intel x86, который развился сначала в 32-битную IA-32, а позднее в 64-битную x86-64 (у Intel получила название EM64T). Процессоры с архитектурой x86 использовались вначале только в компьютерах корпорации IBM (IBM PC), однако, ныне они всё более активно применяются во всех сферах компьютерной индустрии, от огромных суперкомпьютеров до небольших встраиваемых процессоров.

И это далеко не предел. В планах корпорации в ближайшие годы перейти на производство микропроцессоров по 14 нм технологии, далее 10 нм и 8 нм, и соответственно увеличение их производительности с одновременным снижением энергопотребления.