Краткая история процессоров Intel, часть 1: 4004 для Pentium Pro
Чтобы отпраздновать 40-ю годовщину 8086 года и дебют архитектуры x86, мы запускаем новую ретроспективу некоторых из самых важных проектов процессора Intel. В этой статье мы рассмотрели первые десятилетия истории с 4004 в 1971 году до Pentium Pro в 1994 году. Этот период охватывает первые две эпохи Закона Мура (концепция, которую мы обсуждали в другом месте), в которой дискретные возможности быстро интегрировались на одну непрерывную пластину, а затем, когда микропроцессорные транзисторы учитывались, а тактовые частоты продолжали расти.
Intel 4004 Intel 4004 был выпущен в 1971 году и стал настоящей вехой в истории компьютеров - это первый коммерческий микропроцессор, полностью интегрированный в один чип. Разработанный Федерико Фаггином, 4004 работал на частоте 740 кГц, использовал четырехбитную микроархитектуру и выполнил восемь циклов вычисления, чтобы выполнить полную инструкцию. Он был построен для японской компании Busicom, которая заключила контракт с Intel на создание линейки чипов, пригодных для использования в будущих калькуляторах. Он был заклеймен как 4004 как часть новой схемы именования, предназначенной для идентификации всего семейства 4000 как части интегрированного целого (номера деталей 4000-4003 относятся к другим компонентам в дизайне. После пересмотра своего соглашения с Busicom, Intel приобрел права на продажу дизайна другим компаниям и начал продавать микрокомпьютер MCS-4 в конце 1971 года. В этом проекте использовалось 2300 транзисторов.
Intel 8008 Intel 8008 торговал некоторой тактовой частотой - он работал на частоте 500 кГц, в отличие от 4004 на 720 кГц - для расширенных возможностей. В то время как несколько медленнее, он мог работать на восьми бит данных за раз, а не на четырехбитовом ограничении 4004. Первоначально введенный в эксплуатацию до 4004, чип опоздал на рынок и компания, которая изначально заказала его, Computer Terminal Corporation , позже решил не использовать дизайн. Компания согласилась разрешить Intel продавать чип самостоятельно, а 8008 стал коммерческим успехом. Он использовался во французском микрокомпьютере Micral-N в 1972 году и канадском MCM / 70, начиная с 1974 года. На чипе использовалось 3500 транзисторов, что значительно усложнило его, чем 4004 (тогда несколько тысяч транзисторов были серьезными инженерное усилие.) Федерико Фаггин не возглавлял весь проект, но он завершил разработку, и он был завершен под его руководством. В 2008 году Фаггин назвал 8008 «предком Pentium Pro».
Intel 8080 Intel 8080 был дизайном 1974 года, который последовал за 8008 и резко увеличил тактовую частоту от 500 кГц до 2 МГц (позже будут выпущены чипы с частотой до 3,125 МГц). 8080 был первым чипом Faggin, разработанным с нуля, и использовал n-канальный MOS-процесс (4004 и 8008 использовал p-channel MOS), с меньшим количеством требуемых чипов и 6000 транзисторов в базовой конструкции. В то время Intel, была известна больше для своей памяти, чем ее процессоры, но 8080 был огромным успехом на начинающем рынке микрокомпьютеров с выдающимися победами в дизайне и широким охватом промышленности. 8080 была базовой моделью процессора, используемой для неоперированной операционной системы CP / M. Intel будет следить за 8080 с 8085 - двоично-совместимым процессором с поддержкой 5 В и несколькими новыми инструкциями для поддержки новых прерываний.
Intel 8086 8086 и 8088 были задуманы как краткосрочные решения, которые принесли бы доход для Intel, когда он работал над своим «настоящим» чипом следующего поколения i432APX. 8086 и 8088 почти идентичны, но 8086 реализовали 16-битную внутреннюю и внешнюю шины, а 8088 подключены к остальной системе через 8-битную шину. По иронии судьбы, Intel построила 8086 и 8088 частично, чтобы отбиться от конкуренции Федерико Фаггина, который покинул компанию и начал свой собственный конкурирующий бизнес Zilog. «86» в имени CPU исходил из того, что у него было 8 16-разрядных регистров общего назначения. Финальный чип содержал 20 000 транзисторов (29 000, если вы считали ПЗУ и PLA), измеряли площадь в 33 мм и строили по технологии 3,2 микрона. Это дед современной индустрии процессоров x86.
Сегодня чипы x86 являются основой современных вычислений. ARM может доминировать в индустрии смартфонов, но облачные сервисы и платформы, на которых полагаются смартфоны, находятся в центрах обработки данных, работающих на оборудовании на базе x86. Что удивительно, оглядываясь назад, так это то, что никто в Intel даже не подозревал, что это произойдет. Intel потопила свои надежды и мечты в i432APX, 32-битном микропроцессоре с принципиально иным дизайном, чем все, что пробовала компания раньше. Ранние продажи 8086 и 8088 были не очень сильными, так как весь компьютерный рынок сталкивался с чем-то вроде аппаратного перенасыщения. Операция Intel Crush, агрессивное маркетинговое и вспомогательное обслуживание вокруг 8086, помогла изменить это и привлекла внимание IBM в этом процессе.
Войдите в IBM. Когда Big Blue решила создать свой первый компьютер, он сузил поле до трех вариантов: Motorola 68000, Intel 8086 и Intel 8088. Поскольку 8088 и 8086 были совместимы друг с другом, в конечном итоге не имело значения, какой процессор Intel IBM выбрала. IBM была более знакома с Intel, чем Motorola, а у Microsoft был интерпретатор BASIC с поддержкой x86, который уже использовался. Если бы IBM пошла по-другому, мы могли бы сидеть здесь, говоря о росте «Motosoft» вместо «Mintel». IBM решение о поддержке Intel сформировало будущее вычислений и будущие процессоры Intel. В течение следующих нескольких лет OEM-производители, такие как Compaq, вывели на рынок новые системы, оснащенные новыми, более продвинутыми процессорами x86.
Ниже мы обсудим следующую серию процессоров Intel, начиная с 80286 и работая через Pentium Pro. 80186, в то время как он технически существовал, фактически использовался главным образом в качестве встроенного микроконтроллера, а не для ПК-процессора (с небольшим количеством исключений). Для большинства линия преемственности прыгала с 8086/8088 на 80286.
Intel 80286 Intel 80286 был преемником 8086 (80186 в основном использовался на встроенных рынках). Он запустил новую платформу IBM PC / AT и был доступен в вариантах 4MHz, 6MHz, 8MHz и 12.5MHz. 80286 упаковал 134 000 транзисторов и был значительно быстрее, чем часы 8086, благодаря демультиплексированным адресам и шинам данных, выделенному сумматору и аппаратурному мультипликатору. В некоторых случаях 80286 был в два раза быстрее, чем старый 8086, даже при работе с одинаковой тактовой частотой. 80286 был также первым процессором Intel, разработанным для многопользовательских систем, и первым чипом x86 с функцией Protected Mode, хотя ошибки и ограничения в реализации 286 означали, что эта функция широко не использовалась. 80286 может поддерживать до 16 МБ ОЗУ, и, хотя Intel никогда не создавала версию чипа выше 12,5 МГц, AMD и Harris разработали варианты с тактовой частотой 20 МГц и 25 МГц соответственно.
Intel 80386 80386 был существенным шагом вперед для проектирования процессоров Intel. Построенный на 1,5-микронной и 1-микронной технологиях, это был первый 32-разрядный процессор Intel x86 и первый процессор Intel, который теоретически мог решить проблему до 4 ГБ памяти. Он расширил и расширил Защищенный режим 80286 и включил новый виртуальный режим 8086, который позволил 386 эмулировать несколько чипов 8086 одновременно. Это позволило 386 выполнять программы, которые могли работать только в реальном режиме, используя операционную систему защищенного режима. 80386 также поддерживал модель с плоской памятью, находясь в защищенном режиме, что позволяло программам обрабатывать память как единое непрерывное адресное пространство, даже несмотря на то, что сам процессор фактически использовал сегментированную модель памяти. 386SL поддерживает автономную кэш-память, установленную на материнской плате (16KB-64KB). Как и в случае с 286, другие компании представили 80386 клонов - AMD выпустила 386 тактовых импульсов до 40 МГц на шине 40 МГц по сравнению с шинами 25 и 33 МГц, поддерживаемые Intel.
Intel 80486 80486 был запущен в 1989 году, спустя три года после первоначального дебюта 80386. Это был первый процессор Intel, содержащий более миллиона транзисторов, первый чип Intel x86 с кешем L1 на кристалле и первый сильно конвейерный процессор x86 (плотный трубопровод - это тот, в котором каждый этап выполняет свои операции в течение одного и того же временного интервала). 80486 был первым чипом Intel, который реализовал множитель тактовых импульсов, в котором процессор работает с кратностью базовой шины и первым чипом Intel, который мог бы регулярно заполнять простые инструкции за один такт. Это был также первый чип Intel для реализации FPU на кубике (у 486DX была эта функция, а 486SX и предыдущие чипы 386DX не были). Сначала Intel попыталась увеличить частоту шины до 50 МГц, но была вынуждена отключить их из-за проблем стабильности и тепла.
Intel Pentium и Pentium MMX Pentium дебютировал в 1993 году как первый нецифровой процессор Intel x86. Новый процессор включал двойные целые конвейеры, а это означало, что иногда он мог выполнять до двух инструкций за такт (это называется суперскалярной архитектурой). Он использовал 64-битную внешнюю шину вместо 32-битной шины 486 и предлагал отдельные кэши команд и данных для повышения производительности. Эффективность FPU также значительно улучшилась. Впоследствии Intel представит Pentium MMX с поддержкой новых мультимедийных инструкций (технология MMX), больших кешей и более высокой общей производительности. Pentium и Pentium MMX по-прежнему имеют отношение к современному процессору Intel - его первоначальное ядро Atom (Bonnell) вдохновило 80486 и P5, как и первые несколько поколений Xeon Phi (Knights Ferry, Knights Corner). Когда Intel захотела продемонстрировать сверхпороговые транзисторы напряжения, она снова обратилась к ядру Pentium, чтобы сделать это. В то время как конкуренты Intel снова представили свои собственные чипы, для других поставщиков x86 все труднее было создавать продукты, которые могли бы работать с Intel.
Intel Pentium Pro Intel Pentium Pro - великий прадед практически всех потребительских процессоров Intel, построенных за последние 21 год. Это был первый чип Intel, который переводил инструкции x86 во внутренние микрооперации и переупорядочивал эти переведенные операции для оптимального выполнения в CPU. Сегодня это общепринятая техника, известная как исполнение вне порядка, но в то время и стоило Intel радикально сократить объем памяти и энергопотребление по сравнению с Pentium. Номинальный TDP на Pentium 200 составлял 15,5 Вт, а Pentium MMX - 15,7 Вт TDP. TDP для Pentium Pro на частоте 200 МГц, в сравнении, составлял 35 Вт. Частично это было связано с большим кэшем L2 от кристалла, который потреблял значительное количество энергии. Улучшения производительности Pentium Pro в основном были связаны с использованием 32-битного кода; он мог бы опередить Pentium с эквивалентным тактовым импульсом на 25-35 процентов в этих тестах, но был только на 5 процентов быстрее при сравнении с 16-битным кодом. Это ограничило принятие чипа, поскольку MS-DOS, Windows 3.1 и Windows 95 были полностью или значительно основаны на 16-битном коде.
8086 к Pentium можно, возможно, сгруппировать в виде одного семейства продуктов, хотя семья, которая развивалась чрезвычайно менее чем за 20 лет. Все эти чипы выполняли собственные инструкции x86, используя то, что мы теперь вызываем в порядке выполнения (до изобретения исполнения вне порядка мы просто назвали это «исполнение».) Intel поднялась, чтобы доминировать на рынке персональных компьютеров в силу эти ядра. В октябре 1985 года самый быстрый 80386DX был синхронизирован с частотой 12 МГц. К июню 1995 года Pentium 133 был продан - более чем 10-кратное повышение скорости, помимо всего архитектурного улучшения, всего за десять лет.
К этому моменту Intel уже в значительной степени завоевала рынок персональных компьютеров и начала рано проникать в пространство рабочих станций и центров обработки данных, но основная часть рынка по-прежнему принадлежала к различным архитектурам RISC, поддерживаемым укоренившимися игроками, такими как Sun, MIPS и HP. Intel хотела расширить свои возможности в центрах обработки данных и профессиональных рабочих станциях, но для этого требовалась архитектура процессора, которая позволила бы ей конкурировать с этими чипами high-end рабочих станций на абсолютной производительности. Intel добавила производственные мощности в 1980-х и 1990-х годах, и любой новый чип должен был сделать больше, чем просто повысить производительность - он должен был быть процессором, который мог бы использовать растущую экономию масштаба Intel.
Pentium Pro и его потомки были процессором. Мы обсудим, как они эволюционировали - и функции, которые они вывели на рынок, - в нашей следующей партии.
Читать далее
Как работают кэши ЦП L1 и L2 и почему они являются неотъемлемой частью современных микросхем
Вам когда-нибудь было любопытно, как работает кеш L1 и L2? Мы рады, что вы спросили. Здесь мы глубоко погружаемся в структуру и природу одного из самых фундаментальных проектов и инноваций вычислительной техники.
Как Intel потеряла рынок мобильных устройств, часть 2: Рост и пренебрежение Atom
Во второй части мы исследуем конкретные решения, принятые Intel, появление и игнорирование Atom, а также то, почему передовых технологий компании было недостаточно для завоевания мобильного рынка.
MIT создает масштабируемый объектив без движущихся частей
Наука оптика на протяжении веков раскрывала масштаб и детали Вселенной. С правильным стеклом вы можете посмотреть на далекую галактику или на шевелящиеся жгутики одной бактерии. Но линзы должны фокусироваться - они должны двигаться. Инженеры Массачусетского технологического института разработали «металинзу», которая может изменить то, как мы строим камеры и телескопы.
Новый космический корабль, сейчас на орбите, будет демонстрационная очистка
В отличие от некоторых прошлых демонстраций, ELSA-D не предназначена для подметания всех этих небольших битов прошлых миссий. Скорее, астроразлагаемые надеются сделать систему ELSA частью будущих космических миссий.