История и эволюция процессоров Intel. Часть 1

Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования «Станция юных техников» города Каменск-Шахтинский

Тема работы:

История и эволюция процессоров Intel.

Часть 1

Выполнил: педагог дополнительного образования Никонов М.А.

В 1969 году с заказом к Intel обратился японский производитель калькуляторов Busicom. Разработка чипов по проекту началась в апреле 1970 года. 15 ноября 1971 микропроцессор Intel под кодовым названием 4004 вышел в свет. Помимо статуса первенца для компании, этот чип считается первым в мире коммерчески доступным однокристальным процессором. Четырехбитный ЦП производился по технологическим нормам 10 мкм. Чип мог работать на частоте до 740 кГц и состоял из 2300 транзисторов. Он имел 16 регистров и поддерживал 46 инструкций. Адресуемая память составляла 640 байт, а память для команд — 4 КБ.

В 1972 году компания выпускает улучшенного преемника 4004 под названием Intel 4040 . Набор инструкций был расширен до 60, количество регистров — до 24, память команд — до 8 КБ. За счет большего числа контактов процессор получил поддержку прерываний. При всем этом 4040 был программно совместим с предшественником, неизменными остались техпроцесс и тактовые частоты. Процессор нашел применение в игровых устройствах и различных микроконтроллерах.

История появления первого 8-битного процессора компании под названием Intel 8008 в чем-то схожа с четырехбитным первенцем 4004. Изначально его разработку заказала компания Computer Terminal Corporation (CTC) для применения в своем новом терминале. Как и в случае с 4004, планировалось разместить компоненты на нескольких микросхемах, но история с предложением объединить их на одном чипе повторилась. Когда процессор был уже почти готов, CTC отказывается от проекта, ссылаясь на временную задержку и неудовлетворенность рабочими характеристиками. Договор между компаниями был разорван, и теперь Intel имела полное право продавать чип другим компаниям. После некоторых доработок изначального проекта, 1 апреля 1972 года был анонсирован микропроцессор Intel 8008, положивший начало 8-битной эре продуктов компании.

1 апреля 1974 года, был представлен следующий процессор серии – Intel 8080 . Адресация памяти была расширена до 16-битной, что позволило увеличить максимальное количество ОЗУ до 64 КБ. Система команд подверглась переработке: новый чип стал поддерживать до 80 различных инструкций. Однако он, как и предшественники, все также не умел выполнять операции умножения и деления - их приходилось реализовывать с помощью подпрограмм или применять внешние сопроцессоры-чипы Intel 8231 и 8232.

8 июня 1978 года компания выпускает первый 16-битный процессор Intel 8086 . Архитектура команд, реализованная в процессоре, стала основой современной архитектуры x86 — той самой, которая и сегодня стоит в основе практически любого процессора, используемого в персональном компьютере или ноутбуке.

Помимо удвоенной шины данных, 8086 получил 20-битную адресацию памяти. Это позволяло использовать до 1 МБ ОЗУ, которые делились на 640 КБ основной и 384 КБ расширенной. Первые процессоры серии работали на 4 МГц, но со временем появились варианты, способные работать на частотах вплоть до 16 МГц. Как и 8085, чип производился по 3 мкм технологии.

Следующий процессор серии увидел свет в начале 1982 года. 80186 стал усовершенствованным вариантом модели 8086 и включал в себя два контроллера прямого доступа к памяти. В чип интегрировали множество различных вспомогательных микросхем, которые ранее распаивались отдельно. К набору команд прибавилось 17 новых.

Разработка модели 80286 велась параллельно с 80186. Но, если 80186 является лишь усовершенствованным и более интегрированным решением, чем предшественник 8086, то изменения в 80286 куда глубже. Самым главным нововведением стал защищенный режим, который за счет изменения механизма адресации памяти позволяет адресовать до 16 МБ физической ОЗУ и до 1 ГБ виртуальной. Это позволило снять ограничения реального режима исполнения и избавиться от проблемы недостатка ОЗУ для сложных задач, но требовало изменений в программном обеспечении. Старое ПО все также могло использовать реальный режим, где адресовался максимум 1 МБ ОЗУ.

Первым массовым 32-битным процессором компании в 1985 году стал Intel 80386 . При совместимости с программным обеспечением для предшественников, внутреннее устройство архитектуры x86 было серьезно доработано. Стали использоваться 32-битные регистры, шина данных с аналогичной шириной и такая же адресация физической памяти. Благодаря этому стало возможным избавиться от сегментации памяти, которая была ограничением еще со времен 8086. Модель получила новый способ управления памятью — страничное преобразование. Максимальный объем поддерживаемой физической памяти достиг 4 ГБ, а виртуальной, благодаря 46-битной адресации, целых 64 ТБ.

Разновидности Intel 80386 были довольно популярны на протяжении нескольких лет, и лишь в 1989 году компания представила его последователей — процессоры серии 80486 . В чипы был впервые интегрирован математический сопроцессор FPU и кеш-память первого уровня L1 объемом 8 или 16 КБ, а также были добавлены новые инструкции для работы с ней. Ранее располагавшаяся на материнской плате микросхема кеш-памяти тоже осталась, но теперь выполняла функции кеша второго уровня L2.

Самым главным нововведением стало использование множителей. Теперь частота процессора не была равна частоте его шины, а определялась коэффициентом умножения. Это позволило значительно увеличить производительность за счет роста тактовой частоты, которая в поздних моделях могла достигать планки в 100 МГц. Помимо отличающихся частот, модели серии делились на полноценные DX и урезанные SX. У последних встроенный FPU был отключен в кристалле или полностью отсутствовал.

Pentium первого поколения были представлены 22 марта 1993 года. Главным новшеством семейства процессоров стала суперскалярная архитектура P5. Процессоры обзавелись двумя конвейерами, за счет чего могли выполнять две инструкции за такт одновременно — правда, для этого старым программам требовалась перекомпиляция. Для более эффективной работы суперскалярности был внедрен механизм предсказания адресов ветвления.

Параллельно с Pentium компания занималась разработкой другой процессорной архитектуры P6, впервые ставшей основой процессоров Pentium Pro , а позже и их последователей — Pentium II и III. Pentium Pro были анонсированы в конце 1995 года как процессоры для серверов и рабочих станций. Они официально поддерживали многопроцессорную конфигурацию — до четырех ЦП в одной системе. Специально для процессоров был разработан новый Socket 8, содержавший 387 контактов.

Следующая серия процессоров – Pentium III , представленной в начале 1999 года. Первые модели все так же использовали Slot 1, однако уже вторая волна чипов получила интегрированный кеш L2 и исполнение Socket 370, с которого пошла традиция использовать названия по количеству контактов. Третье поколение Pentium все также основано на архитектуре P6, но впервые обзавелось новым набором 128-битных инструкций SSE. Помимо этого, значительно возросшие частоты — от 450 МГц до 1.4 ГГц — поспособствовали ощутимому приросту производительности по сравнению с предшественниками. 

20 ноября 2000 года был представлен первый процессор на новой архитектуре — Pentium 4 .

Первая версия Netburst, применявшаяся в новинках, имела конвейер глубиной в 20 стадий — намного длиннее, чем 12 стадий в P6. Эта особенность дает возможность использовать более высокие частоты, но производительность начинает страдать сильнее при промахе кеша или неверно предсказанном переходе. Для смягчения этих явлений был внедрен новый алгоритм предсказания ветвлений и увеличен их буфер. Также было решено отказаться от применявшегося до этого кеша инструкций, заменив его на кеш микроопераций. Емкость последнего составила 12 000 микроопераций. Традиционный кеш L1 для данных при этом сохранился, добавилась поддержка инструкций SSE2.

Core, начало: Core Duo и Core 2 Duo/Quad

Архитектура Core базируется на наработках мобильных чипов Pentium M , ядро которых, в свою очередь, основано на ядре Pentium III с архитектурой P6. Несмотря на присутствие на рынке мобильных Pentium 4, в 2003 году Intel решила развивать P6 для ноутбучных моделей процессоров как менее прожорливую и более производительную альтернативу.

В середине 2006 года архитектура добирается до десктопа, попутно получив усовершенствования в виде поддержки 64-битных вычислений. Первые двухъядерные модели Core 2 Duo на ядре Conroe производятся по 65 нм техпроцессу, имеют до 4 МБ кеша L2 и достигают частоты 2.67 ГГц с шиной в 1066 МГц. При TDP 65 Вт, в два раза меньшем, чем у Pentium 4 и Pentium D, в различных задачах процессоры обгоняют предшественников архитектуры NetBurst от двух до трех раз. При этом сокет и тип ОЗУ у новых процессоров остался прежним — DDR2 и Socket 775, хотя они и требовали новых материнских плат. Платами диктовался и максимальный размер ОЗУ — 8 ГБ.

В начале 2007 года выходят первые четырехъядерные процессоры компании — Core 2 Quad, представляющие собой склейку из двух кристаллов Conroe с TDP в 105 Вт. 

Выпускаются новые чипсеты, поддерживающие два типа памяти: DDR2 и DDR3, применение которой позволяло расширить ОЗУ до 16 ГБ. Intel воскрешает старые бренды и расширяет ассортимент процессорами Pentium и Celeron. Новые модели используют архитектуру Core и отличаются от старших Core 2 Duo меньшими объемами кешей и более низкой частотой.

В 2008 году Intel в качестве шага «Тик» переносит процессоры семейства на 45 нм техпроцесс, попутно повысив частоты, увеличив размеры кешей и добавив поддержку инструкций SSE 4.1. Новые Core 2 Duo на базе кристалла Wolfdale получают стоковые частоты до 3.33 ГГц, шину частотой 1333 МГц и до 6 МБ кеша L2. Линейка Core 2 Quad разрастается: топовые модели удваивают возможности кристалла Wolfdale, более простые представляют двукратные возможности относительно бюджетных моделей Core 2 Duo, при этом вписываясь в 95 Вт тепловыделения.

Источники информации

• https://club.dns-shop.ru/blog/t-100-protsessoryi/91744-istoriya-i-evolutsiya-protsessorov-intel-chast-1-nachalo/?ysclid=mj095ue5cn610010480&utm_referrer=https%3A%2F%2Fya.ru%2F
• https://digital-razor.ru/media/articles/hardware/intel-story/