З нагоди 40-річчя від оригінального Intel 8086 та архітектури x86

З нагоди 40-річчя від оригінального Intel 8086 та архітектури x86

Сорок років тому сьогодні Intel запустила оригінальний мікропроцесор 8086 - діда кожного x86-процесора, який коли-небудь збудував, в тому числі ті, що ми зараз використовуємо. Це, слід зазначити, є більш-менш протилежним підсумком того, що всі очікували в той час, включаючи Intel.

За словами Стівена П. Морса, який керував процесом розробки 8086, новий процесор "мав на меті бути недовговічним і не мати ніяких спадкоємців". Першочергова мета Intel з 8086 полягала в покращенні загальної продуктивності по відношенню до попередніх продуктів при збереженні джерела сумісність із попередніми продуктами (тобто мова асемблера для 8008, 8080 або 8085 може працювати на 8086 після перекомпіляції). Він запропонував швидше загальну продуктивність, ніж 8080 або 8085, і міг направити до 1 Мб оперативної пам'яті (8085 на 64 Кбайт). Вона містила вісім 16-бітових регістрів, в яких в першу чергу походить абревіатура x86, і була запропонована з тактовою частотою 5 МГц (пізніші версії були синхронізовані до 10 МГц).

8086 процесор помирає Зображення Вікіпедії
8086 процесор помирає Зображення Вікіпедії

Морз має досвід як програмного, так і апаратного забезпечення, і, як видно з цієї історичної ретроспективи, прийняті рішення спрямовані на полегшення підтримки зворотної сумісності з попередніми продуктами Intel. Він навіть зазначає, що, як він знав, що, коли б він знав, що він винаходив архітектуру, яка б забезпечувала потужність обчислень протягом наступних 40 років, він би зробив щось по-іншому, включаючи використання симетричної структури реєстру і уникнення сегментованої адресації. Спочатку 8086 був призначений для припинення дії, а Intel працював гарячково, щоб закінчити свій справжній мікропроцесор наступного покоління - перший 32-розрядний мікропроцесор Intel Intel iAPX 432. Коли продажі 8086 почали сковзати в 1979 році, Intel прийняла рішення розпочати масштабну маркетингову операцію навколо чіпа, який отримав назву Operation Crush. Мета? Сприйняття 8086, крім конкуруючих продуктів, виготовлених компанією Motorola і Zilog (остання заснована колишніми співробітниками Intel, у тому числі Федеріко Фагін, головний архітектор першого мікропроцесора Intel 4004). Project Crush виявився досить успішним, і на його думку IBM спонукає прийняти 8088 (скорочений 8086 з 8-розрядною шиною) для першого IBM PC.

З огляду на історичне панування архітектури x86 у комп'ютерній індустрії, можна очікувати, що чіп, який запустив революцію, був би високим досягненням або квантовим стрибком над конкуренцією. Правда більш прозаїчна. 8086 був твердим процесорним ядром, побудованим інтелектуальними архітекторами та підтримувався сильною маркетинговою кампанією. З іншого боку, комп'ютерна революція, яку вона допомагала започаткувати, перетворила світ.

Все, що сказано, є ще одна точка, про яку хочеться торкнутися.

Це вже 40 років. Чому ми все ще використовуємо процесори x86?

Це просто питання з досить складною відповіддю. По-перше, в ряді дуже реальних сенсів ми насправді не використовуємо процесори x86. Оригінальний 8086 був чіпом із 29000 транзисторів. Сучасні чіпи мають кількість транзисторів у мільярдах. Процес сучасного процесора процесора мало нагадує процес виробництва nMOS, який використовується для реалізації оригінального дизайну в 1978 році. Матеріали, що використовуються для побудови ЦП, самі по собі різняться, а поява EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) ще більше перетворить цей процес.

Сучасні мікросхеми x86 перетворюють мікрокод x86 на внутрішні мікропроцесори для більш ефективного виконання. Вони реалізують такі функції, як виконання поза замовленням та спекулятивне виконання для покращення продуктивності та обмеження впливу повільних автобусів пам'яті (по відношенню до процесорних годин) з декількома рівнями кеш-пам'яті та можливостями, як передбачення галузі. Люди часто запитують "чому ми як і раніше використовуємо процесори x86?", Як якщо б це було аналогічно "Чому ми все ще використовуємо 8086?" Чесна відповідь: Ми не. 8086 з 1978 року і Core i7-8700K - обидва процесори, так само як і модель T, і 2018 Toyota - обидва автомобілі, однак вони не дуже поділяють набагато більше, ніж ця основна класифікація.

Крім того Intel кілька разів намагався замінити або витіснити архітектуру x86. Усі програми iAPX 432, Intel i960, Intel i860 і Intel Itanium мали намір витіснити x86. Далеко не відмовляючись розглядати альтернативи, Intel буквально витрачав мільярди доларів протягом декількох десятиліть, щоб привести ці альтернативні бачення до життя. Архітектура x86 виграла ці бої - але це не просто виграло їх, тому що він пропонував зворотну сумісність. Ми звернулися до Intel Fellow Ronak Singhal за цією статтею, яка вказала на аспект проблеми, яку я чесно не розглядав раніше. У кожному випадку x86 продовжувала перемагати проти архітектур, які Intel хотіла замінити, оскільки інженери, що працюють на цих процесорах x86, знайшли способи покращити та підвищити продуктивність існуючих мікроархітектур Intel, часто поза межами того, що навіть інженери Intel вважали можливі роки раніше.

Чи існує штраф за продовження підтримки оригінальної версії x86 ISA? Є - але сьогодні це крихітний. Оригінальний Pentium може присвятити до 30 відсотків своїх транзисторів до зворотної сумісності, а ставка Pentium Pro на виконання нестандартного замовлення та внутрішні мікропроцесори зважували величезну кількість пробілу та потужності, але ці ставки окупились . Сьогодні можливості, які споживали величезні ресурси на старих чіпах, - це цифри, що відрізняються від одиниці цифр, або менший обсяг бюджету сучасного мікропроцесора. Порівняння між різними ISA показали, що рішення щодо архітектурного проектування мають набагато більший вплив на ефективність роботи та споживання енергії, ніж ISA, принаймні вище рівня мікроконтролерів.

Чи будемо ми ще 40 років використовувати чіпи x86? Я поняття не маю. Я сумніваюся, що будь-який з дизайнерів процесора Intel, який побудував 8086 ще в 1978 році, вважав, що їх ядро ​​буде використовувати більшість персональних комп'ютерних революцій 1980-х і 1990-х років. Проте Intel недавні кроки в таких галузях, як AI, машинне навчання та центри обробки даних в хмарі є доказом того, що сімейство процесорів x86 не розвивається. Незалежно від того, що станеться в майбутньому, 40-річний успіх - величезна спадщина одного маленького чіпа - особливо того, що, як стверджує Стівен Мур, "мав намір бути нетривалим і не мати жодних спадкоємців".

Функція зображення Томаса Нгуєна через Вікіпедію