История создания процессора

История создания процессора

Вступление

    Сегодня мир без компьютера — это немыслимое явление. А ведь мало кто задумывается об устройстве этих "существ". И  уж точно никто не знает, насколько  умными стали данные аппараты за последние 50 лет. Для многих людей Искусственный интеллект и компьютер, который стоит на вашем столе, — это одно и тоже. Но как люди просвещенные, мы знаем, что до разума человека, или даже собаки любой, даже  самой умной, машине еще далеко.

    А ведь отличие все-таки есть: в мозге  живых существ идет параллельная обработка видео, звука, вкуса, ощущений, и т. д., не говоря уже о такой элементарной вещи, как мыслительный процесс, который сопровождает многих от рождения и до самой смерти.

    Сегодня любой прорыв в информационных технологиях  встречается как нечто особо выдающееся. Люди хотят создать себе младшего брата, который, если еще не думает, то хотя бы соображает быстрее их. Понятно, что никакими гигагерцами не измеришь уникум человеческого мозга, но никто и не измеряет, и мы проведем краткую экскурсию в недалекое прошлое и, конечно, в непонятное настоящее развития главной части компьютера, его мозга, его сердца — его центрального процессора.

Экскурс в историю микропроцессоров

    Самые первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) появились в 60-е годы ХХ столетия. Сначала эти машины были громоздки, и они были доступны только исследовательским центрам с огромным бюджетом. Компьютеры же, участвуя в современном сверхбыстром научно-техническом прогрессе, становятся все меньше и меньше. В настоящее время это машины, имеющие размеры дипломата и выполняющие любые мыслимые и не мыслимые операции.

    Но  обратимся к историческим справкам. С 1978 года был запущен в серийное производство один из первых процессоров  из серии i86. Именно развитие этой серии  и привело к появлению доступных и небольших по размером персональных компьютеров, так популярных в наше время.

    Мы  остановимся на IBM-совместимых компьютерах. Названы они так по имени фирмы  производителя.

    Мы  остановимся на этих компьютерах  лишь потому, что, к примеру, компьютеры Apple Computers можно назвать скорее специализированными, чем широко распространенными.

    В1978 году фирма Intel совместно с фирмой IBM разрабатывает и выпускает  в серию первые из процессоров  семейства i86. Если присмотреться, то можно  увидеть, что с фирмой Intel к ряду процессоров присоединяются и другие фирмы, которые производят свои устройства по зарекомендовавшей себя технологии.

    Важно то, что почти с самого начала эти фирмы выливаются в конкурирующие  между собой предприятия, что  и приводит к резким темпам развития, снижениям цен и соответственно можно считать этот факт положительным для потребителя.

    AMD — это отпочковавшийся от Intel младший брат, но пути эти фирм  расходятся по всем параметрам. Сейчас наблюдается явное противостояние  двух сильных конкурентов, у которых есть свои технологии, а так же сильные и слабые стороны. AMD по праву занимает свою долю на рынке процессоров, даже несмотря на то, что ее подход к развитию технологий скорее эволюционный, чем революционный. Поэтому не надо считать, что AMD просто клонирует Intel Pentium — это не так.

    Сегодня многие эксперты говорят о том, что  фирма Ciryx сдала позиции почти  все свои позиции, хотя по-прежнему выпускает современные и недорогие  процессоры, но уже и не стремится  занять, хотя бы номинально, лидерство. Данную фирму всегда отличало то, что она самостоятельно разрабатывала процессоры, но не все модели были столь удачны, как у конкурентов.

    Нельзя  утверждать, что компания Intel с Pentium по Pentium 4 совершила что-то сверхреволюционное в области своих разработок. Однако считается, что эта фирма идет на шаг впереди своего младшего брата.

    Это заблуждение было развеяно в 2000 – 2001 годах, когда из-за неправильной политики в маркетинге Intel не смогла продвинуть свой новый процессор Pentium 4 из-за большой стоимости не столько самого чипа, сколько периферии, в частности памяти RDIMM.

    Компания AMD пользуется этой ситуацией и выходит  в свет с процессором Athlon, а чуть погодя — Athlon XP, который по характеристикам даже превосходил Pentium 4, а по цене был гораздо ниже.

    В прессе про процессоры AMD заговорили не просто как про дешевую альтернативу, но и как про более выгодное вложение средств, по крайней мере, для домашних пользователей.

    Но Intel не сдается и, несмотря на провал в маркетинге, мы понимаем, что ее процессор был куда более технологически совершенен. Что мы и видим в ситуации на рынке, AMD опять входит в роль, к которой все привыкли в роль дешевой альтернативы более дорогим, но и более быстрым и современным Pentium.

    Для пользователей персональных компьютеров мы скажем, что приобретение машины с процессором Pentium — это рискованное вложение средств. Мода на компьютерном рынке меняются так стремительно, что за ней почти невозможно уследить: 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200 МГц... Закончится ли когда-нибудь эта бешеная гонка? Решением может стать MMX (Multimedia eXtension — "мультимедиа- расширение") — технология, которая может превратить "простой" Pentium ПК в мощную мультимедийную систему.

    Как известно, на кристалле процессора Pentium интегрирован математический сопроцессор. Этот функциональный блок, который отвечает за "перемалывание чисел", но... а практике, подобные возможности требуются все же достаточно редко, их используют в основном системы САПР и некоторые программы, решающие чисто вычислительные задачи. У большинства пользователей этот блок просто простаивает.

    Создавая  технологию MMX, фирма Intel стремилась решить две задачи: во-первых, задействовать  неиспользуемые возможности, а во-вторых, увеличить производительность ЦП при  выполнении типичных мультимедиа-программ. С этой целью в систему команд процессора были добавлены дополнительные инструкции (всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей запятой выполняют функции рабочих регистров.

    Дополнительные машинные команды предназначены для таких операций, как быстрое преобразование Фурье (функция, используемая в видеокодеках), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами.

    "Процессоры, использующие технологию MMX, совместимы с большинством прикладных программ, ведь для "старого" ПО регистры MMX выглядят точно так же, как обычные регистры математического сопроцессора. Однако встречаются и исключения. Например, прикладная программа может одновременно обращаться только к одному блоку — либо вычислений с плавающей запятой, либо MMX. В ином случае результат, как правило, не определен, и нередко происходит аварийное завершение прикладной программы.

    Технология MMX — это генеральное  направление развития архитектуры процессоров Intel на 1997 г. В первую очередь ее преимущества смогут оценить конечные пользователи — мультимедиа-компьютеры станут заметно мощнее и дешевле. Официальное объявление новой технологии запланировано на начало октября 1996 года, однако процессор, в котором реализована технология MMX, уже существует. Он известен под кодовым названием P55C, и Intel, видимо, сознательно оттягивает момент его выпуска, давая изготовителям ПК возможность ознакомиться с достоинствами этого ЦП.

    Среди компаний, которые  предполагают выпустить  мультимедиа-ПК с процессором P55C, есть как признанные лидеры компьютерного рынка — Compaq, Dell, Acer, так и молодые, но динамичные фирмы, например, Compulink Research (CLR).

    Ожидается, что большинство  популярных прикладных программ будут использовать технологию MMX, причем к концу 1997 г. их количество более чем удвоится, и пользователи вновь столкнутся с проблемой выбора. Сегодня имеются три высокопроизводительных процессора — Pentium с тактовой частотой 200 МГц, Pentium Pro с той же тактовой частотой и 200-МГцовый вариант P55C. Результаты испытаний на производительность, которые предоставила фирма CLR, позволяют сделать вывод, что ПК с процессором P55C занимают промежуточное положение в этом ряду. При выполнении типичных задач результаты этого ЦП почти не отличаются от показателей "обычных" моделей Pentium с такой же тактовой частотой. Однако при исполнении фрагментов кода, который был оптимизирован для P55C (на видео-, аудио- и графических тестах), он не уступает процессору Pentium Pro, в зависимости от типа задачи выигрыш в быстродействии достигает от 70% до 400%. Как ожидается, мультимедиа-ПК с процессором P55C будет дешевле аналогичного по функциональным возможностям компьютера.

    В статье использованы материалы, предоставленные  фирмой CLR".

    Смешно  читать эту статью, зная, что за ММХ проследовал "расширенный ММХ", а потом SSE и, наконец, сейчас — SSE2. В дальнейшем обзоре мы увидим, что это еще не все.

    Кроме технологических решений по увеличению количества инструкций велась работа и по улучшению процесса производства. Ведь транзисторов для обработки информации становилось все больше и больше, и они, в конце концов, просто не помещались на кристалл, что приводило к более совершенным решениям. В настоящее время процессоры Intel выпускаются по техпроцессу с нормой в 0,13 мкм, и на одном квадратном миллиметре кристалла располагается миллионы транзисторов. Intel планирует перейти на 0,09 мкм уже в 2003 году.

Что такое техпроцесс 0,13 мкм

    Попробую  объяснить, не вдаваясь в технологию. Обычно приведенная цифра означает длину канала КМОП-транзистора. Скорость переключения каскада на КМОП зависит от крутизны ВАХ транзисторов и емкости нагрузки. Крутизна определяется током через транзистор и отношением (ширина канала — W) / (длинна канала — L). Основная емкость в КМОП технологии — емкость затворов транзисторов — пропорциональна площади затвора = ~W * L. Очевидно, что чем меньше длина канала, тем меньше площадь затвора (причем зависимость квадратичная), при том же отношении W/L. Следовательно, можно уменьшить ток, и не потерять быстродействие. А можно уменьшить W/L за счет уменьшения ширины канала и уменьшить размер транзисторов — увеличить количество элементов на кристалле (хотя в современных технологиях ширина канала, как правило, оптимальна с точки зрения минимизации размера топологического элемента).

Новый процессор от Intel 

    В конце мая корпорация Intel сообщила о том, что в течение ближайшего месяца производители компьютеров намерены представить первые серверы и рабочие станции на базе процессоров Itanium. Ожидается, что в этом году около 25 компаний выпустят более 35 таких моделей, а сотни поставщиков оборудования и программного обеспечения предложат продукты, работающие с данными системами. IDC прогнозирует, что в этом году будет продано 26 тыс. систем на базе Itanium, а к 2004 году их число возрастет до 540 тыс. Иными словами, сообщение Intel означало, что начался промышленный выпуск нового процессора корпорации.

    Системы на основе процессоров Itanium будут поддерживаться четырьмя ОС, включая платформу Microsoft Windows (64-разрядную версию для рабочих станций — 64-bit Edition и 64-разрядную версию для серверов — 64-bit Windows Advanced Server Limited Edition 2002); HP-UX 11i v1.5 компании Hewlett-Packard, AIX-5L корпорации IBM и Linux. 64-разрядные версии последней планируют поставлять компании Caldera International, Red Hat, SuSE Linux и Turbolinux. Уже анонсировано более 500 приложений, которые предполагается портировать для архитектуры Itanium.

    Буквально в день объявления Itanium о выпуске  систем на его основе заявили несколько крупных компаний, в числе которых Bull, Compaq, Dell, Fujitsu-Siemens, Hewlett-Packard, IBM, NEC, SGI и Unisys. В частности, IBM анонсировала рабочую станцию IntelliStation Z Pro и сервер X380, Dell — четырехпроцессорный сервер PowerEdge 7150 и рабочую станцию Precision Workstation 730, Bull — 4- и 16-процессорные модели серверов Escala IL. Особо хотелось бы отметить системы, представленные Hewlett-Packard: двухпроцессорную рабочую станцию HP Workstation i2000 и 4- и 16-процессорные серверы HP Server rx4610 и HP Server rx9610. В настоящее время HP-UX — единственная 64-разрядная система UNIX, обеспечивающая переносимость на уровне двоичного кода программных приложений заказчиков при переходе с RISC (Reduced Instruction Set Computing) на архитектуру Itanium. HP-UX оптимизирована с тем, чтобы обеспечить высокий уровень производительности, масштабируемости и надежности. Кроме того, сейчас Hewlett-Packard — единственный производитель компьютеров на платформе RISC, чью технику можно перевести на платформу Itanium без повторной компиляции приложений и ПО. А дело здесь в следующем.

    Путь  процессоров Itanium к потребителю в Intel обычно делят на шесть этапов: завоевание поддержки отрасли, выпуск прототипов для партнеров, выпуск прототипов для разработчиков, выпуск пилотных систем, платформы и, наконец, массовое внедрение решений. Известно, что для тестирования и разработки производителям компьютеров и пользователям было поставлено более 6500 систем. Первый этап этого пути датируется ноябрем 1997 года. Однако хотелось бы напомнить, что история Itanium началась значительно раньше

Merced, он же Itanium

    Еще в июне 1994г. компании Intel и Hewlett-Packard подписали  соглашение о совместной разработке новой 64-разрядной архитектуры, ориентированной  на применение в серверах и рабочих станциях. Преимущества микропроцессоров с большей разрядностью очевидны. Они позволяют адресовать больший объем памяти, дают возможность оперировать с большим диапазоном чисел, повышают эффективность параллельных и матричных вычислений и т. д. Заметим, что еще в 1983 г. в Hewlett-Packard было принято решение начать проект объединения различных процессоров и ОС, используемых в трех компьютерных линейках (HP1000, HP3000 и HP9000). Результаты этого решения сегодня хорошо известны: это семейство процессоров PA-RISC (Precision Architecture Reduced Instruction Set Computing) и ОС UP-UX, которые совместно применяются в высокопроизводительных рабочих станциях и Unix-серверах (N-, V-, L- и A-класса). Первый компьютер на базе PA-RISC был представлен еще в 1985 г. Исследования и разработки ведутся в лаборатории микропроцессоров, которая входит в подразделение System VLSI Technology Operation. В 1989 г. в поисках нового, наследующего PA-RISC решения Нewlett-Packard приступила к разработке архитектуры EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing), впоследствии переименованной в WideWorld Architecture, а затем в SuperParallel Processor Architecture (SP-PA). Но в 1993 г., когда эта 64-разрядная архитектура была практически готова, руководители проекта поняли, что компании одной не вынести огромных расходов на разработку и изготовление нового процессора. Тогда в Нewlett-Рackard впервые рассмотрели возможность привлечь к созданию высокопроизводительного процессора другую компанию.