Mikroprocesory: história

https://www.cnews.cz/serial-historie-procesoru-x86-1-dil/

musíme se vrátit do roku 1971. Malá firmička pro vývoj a výrobu pamětí Intel Corp. získala objednávku na zakázkovou výrobu a návrh elektronické části kalkulátoru od japonské firmy Busicom. Jenže pro tak velkou práci neměl Intel dostatek zaměstnanců. Proto se z nouze vytvořilo řešení kombinované, co nebylo v hardwaru, doplnilo se softwarem.

Mikroprocesor i4004

Tak vznikl první mikroprocesor na světě, známý jako i4004. Byl čtyřbitový, obsloužil až 640 B RAM a jeho využití bylo obdobné, jako současné jednočipy typu 8051 atd. Intel si až zpětně uvědomil, že vytvořil průlomovou součástku. Veškerá práva však měla firma Busicom, která naštěstí krachovala, takže se jí hodil každý dolar (přesněji řečeno japonský jen). Proto souhlasili s nabídkou, že práva na 4004 odkoupí zpět firma Intel za 60 000 USD. Zřejmě jen díky tomu máme současné procesory v tom stavu, v jakém jsou. Od 15. listopadu 1971 se prodávaly za 200 USD za jeden kus. Unikátní řešení

Tím vše odstartovalo. Půl roku poté Intel rozšířil 4004 na 8 bitů, čímž vznikl i8008 s adresací až 16 KB. Tyto procesory pracovaly na 500 až 800 kHz, chcete-li na 0,5 až 0,8 MHz. Primárním zákazníkem byla firma Computer Terminal Corporation (později známá jako DataPoint). Vznikl ale problém, co s programy napsanými pro 4004? Přece jen i přes velkou příbuznost příkazů jde o 4 versus 8bitový procesor.

Záchrana pro Intel

Také vinou páté arabsko-izraelské války roku 1973 dramaticky stoupla cena ropy, což pomohlo odstartovat hospodářskou krizi. To se Intelu dotklo v nepříjemnou chvíli, a tak vzala za své téměř polovina zaměstnanců. Duben 1974 znamenal velký obrat v historii Intelu; zachraňuje se procesorem i8080, který se stal legendou. Procesor se najednou dostal na vnitřní frekvenci 2 MHz. Umožňoval také díky 16bitové adresaci pracovat přímo až s 64 KB RAM, což byl čtyřnásobek svého předchůdce.

Procesor Intel 8080 byl použit do prvních osobních počítačů typu MITS Altair 8800 z roku 1975 (s 256 B RAM) či IMSAI 8080. To byl základ, na kterém se stavěl následující svět pokročilejších osobních počítačů včetně operačního systému CP/M. Právě kombinace i8080 + CP/M se ukázala jako velmi důležité pro další vývoj. Mimochodem, legenda Space Invaders byla vytvořena v první verzi právě pro 8080. Původně nezáživná hra se stala velmi zajímavou díky realitě, se kterou se nepočítalo. Procesor totiž nezvládal rychlé překreslování takového množství objektů, a tak v počátcích hraní je vše pomalé. Čím je méně nepřátel, tím se hra více a více zrychluje. S tím se původně nepočítalo, ale právě proto se hra stala velmi hratelnou.

Mírným zlepšením se z 8080 stal 8085. A tam skončila klasická 8bitová éra procesorů Intel.

Na 16 bitů se přešlo modelem i8086 roku 1978. Aby se mohlo využít i 8bitové okolí (určené pro i8080/8085), vytvořil se model Intel 8088. Právě ten se použil pro počítač IBM PC, model 5150 (neboli první pécéčko). Pro průmysl byly roku 1982 navrženy modely 80188 a 80186, ve stejnou dobu byl uveden procesor pro stolní počítače 80286 (neboli Intel286).

32bitový svět byl v této řadě započat roku 1985 procesorem Intel386. Pro využití levného 16bitového okolí se později vytvořila „ořezaná“ verze s názvem 386sx. Od té doby se původní Intel386 označuje jako 386DX. Když se k tomu přidal matematický koprocesor 387 a 8 KB cache, vznikl Intel486. To je první procesor, který si později vyžádal chlazení.

První náznak 64bitového světa přišel v této rodině s procesorem Intel Pentium. Ten totiž komunikuje s okolím pomocí 64bitové sběrnice. Skutečná 64bitová výpočetní část se do těchto procesorů dostala jako jednotka MMX. První procesor vysloveně odladěný na 32bitové aplikace byl Intel Pentium Pro. Ten se ale v běžných počítačích neobjevil.

Vlastnosti obou světů se sloučily od procesoru Intel Pentium II. Jeho zjednodušenou a levnější obdobou byl Intel Celeron. Následoval model Pentium III, kterému například pro aplikace s 3D grafikou přibyla jednotka SSE.

Intel se rozhodl nevylepšovat staré jádro Intel Pentium Pro, ale vytvořit pro další dekádu něco zcela nového. Výsledek byl pojmenován Pentium 4 a pomáhal některým aplikacím k vysokému výkonu.

Postupem času se Intel pokusil ne zcela vytížený procesor zaměstnat více. Slouží k tomu technologie HyperThreading. Když se tyto dva procesory ukryjí do jednoho pouzdra, vznikne dvoujádrové Pentium D. Verze pro víceprocesorové stroje získala název Intel Xeon.

Odskokem od Pentia III byl vytvořen model Pentium M, určený pro mobilní použití. Mohutnou inovací se oba tyto procesory dnes nazývají Intel Core Duo.

Tento zjednodušený pohled dokládá cestu od roku 1971 po rok 2006 v rámci jedné linie. Vedle té existují neméně slavné rodiny od této skupiny odvozené. Jen namátkou musím jmenovat Zilog Z80, procesory AMD od K5, přes NexGen 586 a 686 nebo Élan až po AMD Athlon 64 X2 / Dual-Core Opteron / Turion 64 X2. Dále propletenec Cyrix / IDT / VIA / AMD / SGS Thomson / National Semiconductor s procesory SLC / DLC jako obdoba 386 / 486 až MII, MediaGX / Geode či C3 / C7 (resp. Eden / CoreFusion).

Někde tam uvnitř je vhodné zmínit i chladné procesory Transmeta, epizodu procesorů 486 od UMC, IBM Blue Lightning. Možná překvapí procesor ALi / ULi / DM&P M6117C / M6117D, což je 386sx s čipsetem dohromady pro průmyslové účely. Mimochodem – procesory vyráběl i producent čipsetů SiS. Model SiS SC550 se však rychle posunul pod křídla DM&P jako Vortex86 (M6127D). Do toho ještě můžeme zaplést Rise mP6, protože právě z něj SC550 pochází.

The first microprocessors were designed and manufactured in the 1970s. Designers predominantly used MOSFET transistors with pMOS logic in the early 1970s, and then predominantly used NMOS logic from the mid-1970s. They also experimented with various word lengths. Early on, 4-bit processors were common (e.g. Intel 4004). Later in the decade, 8-bit processors such as the MOS 6502 superseded the 4-bit chips. 16-bit processors emerged by the decade's end. Some unusual word lengths were tried, including 12-bit and 20-bit. Intel's 4004 is widely regarded as the first commercial microprocessor.

In the 1980s, 16-bit and 32-bit microprocessors were common among new designs, and CMOS technology overtook NMOS. Transistor count increased dramatically during the decade.

Key home computers which remained popular for much of the 1980s predominantly use processors developed in the 1970s. Versions of the MOS Technology 6502, first released in 1975, power the Commodore 64, Apple IIe, BBC Micro, and Atari 8-bit family. The Zilog Z80 (1976) is at the core of the ZX Spectrum.

The IBM PC launched in 1981 with an Intel 8088. It was not until Intel's 80286 (used in the 1984 IBM PC/AT), and later the 80386, that processors designed in the 1980s drove the computers of the 1980s. These chips had higher clock speeds and 32-bit memory access. The end of the decade saw the launch of the Intel 80486, the first personal computer CPU with on-chip floating point support instead of as an optional coprocessor.

A mid-1980s generation of GUI-driven home computers is based around the Motorola 68000: Macintosh (1984), Atari ST (1985), Amiga (1985), and X68000 (1987). Even the Sega Genesis game console, released in 1988-89, uses a 68000 as the main CPU and a Z80 for sound.

The 32-bit microprocessor dominated the consumer market in the 1990s. Processor clock speeds increased by more than tenfold between 1990 and 1999, and 64-bit processors began to emerge later in the decade. In the 1990s, microprocessors no longer used the same clock speed for the processor and the RAM. Processors began to have a front-side bus (FSB) clock speed used in communication with RAM and other components. Typically, the processor itself ran at a clock speed that was a multiple of the FSB clock speed. Intel's Pentium III, for example, had an internal clock speed of 450–600 MHz and an FSB speed of 100–133 MHz. Only the processor's internal clock speed is shown here.

64-bit processors became mainstream in the 2000s. Microprocessor clock speeds reached a ceiling because of the heat dissipation barrier. Instead of implementing expensive and impractical cooling systems, manufacturers turned to parallel computing in the form of the multi-core processor. Overclocking had its roots in the 1990s, but came into its own in the 2000s. Off-the-shelf cooling systems designed for overclocked processors became common, and the gaming PC had its advent as well. Over the decade, transistor counts increased by about an order of magnitude, a trend continued from previous decades. Process sizes decreased about fourfold, from 180 nm to 45 nm.

Roman Kišš:,,...Ak máte k dispozícii mikroprocesor a podporné obvody, dokážete zostrojiť mikropočítač, ktorý sa programuje priamo v strojovom kóde a výsledky zobrazuje pomocou diód alebo sedemsegmentového displeja. To opisujem kufríkový mikropočítač PMI 80. (https://www.nextech.sk/a/Rozhovor--Roman-Kiss---Osudy-slovenskeho-Steva-Jobsa)

Základnom budúceho PMD 85 boli obvody obrazového procesora, ktorý dokázal pristupovať do pamäte tak, aby vôbec nespomaľoval hlavný mikroprocesor, prípadne len minimálne. Toto riešenie rýchlej grafiky som si, samozrejme, dal patentovať. Za patent som dostal asi pol milióna korún, čo bola na tie časy obrovská suma. Dali sa za to kúpiť dva domy. Po odchode z Československa som časť z nich vymenil za kanadské doláre a kúpil si auto. PMD 85 som predstavil na konferencii vo februári 1982. PMD 85 dostal prioritu, stala sa z toho politická objednávka a začal sa vyrábať vo veľkom. Vyrobilo sa ich zhruba 200-tisíc. Prvú verziu PMD 85-1 vyrábala Tesla Piešťany, neskôr bola výroba presunutá do podniku Tesla Bratislava, kde bol počítač inovovaný. Nebol to osobný počítač v pravom zmysle slova, stál asi 50 000 Kčs, čo vtedy prevyšovalo cenu osobného auta, takže sa dodával na univerzity, do škôl, na výskumné pracoviská a do podnikov.

Len asi 15 percent pamäťových čipov vyrábaných v Tesle bolo v tolerancii a ostatné boli nepodarky. PMD 85 bol navrhnutý tak, že mohol využívať pamäťové čipy, ktoré nespĺňali požadované tolerancie parametrov, takže keď sa PMD 85 začal vyrábať, Tesla už nestíhala dodávať ani tie nepodarky a pamäte sa začali dovážať zo ZSSR a Bulharska.

Nasledujúca tabuľka je prevzatá z https://en.wikipedia.org/wiki/Microprocessor_chronology

Date	Name	Developer	Max clock (first version)	Word size (bits)	Process	Transistors	MOSFET	Ref.
1971	4004	Intel	740 kHz	4	10 μm	2 250	pMOS
1972	8008	Intel	500 kHz	8	10 μm	3 500	pMOS
1974	8080	Intel	2 MHz	8	6 μm	6 000	NMOS
1976	Z-80	Zilog	2,5 MHz	8	4 μm	8 500	NMOS
1977	8085	Intel	3,0 MHz	8	3 μm	6 500
1978	8086	Intel	5 MHz	16	3 μm	29 000	NMOS (HMOS)
1979	8088	Intel	5 MHz	8/16	3 μm	29 000	NMOS (HMOS)
1982	80286	Intel	6 MHz	16	1,5 μm	134 000
1983	RISC-II	UC Berkeley	3 MHz	-	3 μm	40 760	NMOS
1983	MIPS	Stanford University	2 MHz	32	3 μm	25 000
1985	80386	Intel	16–40 MHz	32	1,5 μm	275 000
1987	ARM	Acorn	8 MHz	32	2 μm	25 000
1989	80486	Intel	25 MHz	32	1 μm	1 180 000
1993	Pentium	Intel	60–66 MHz	32	800 nm	3,1 M
1997	Pentium II	Intel	233–300 MHz	32	350 nm	7,5 M
1999	Pentium III	Intel	450–600 MHz	32	250 nm	9,5 M
2000	Pentium 4	Intel	1.3–2 GHz	32/64	180–130 nm	42 M	1 / 1
2003	Pentium M	Intel	0.9–1.7 GHz	32	130–90 nm	77 M	1 / 1
2006	Core Duo	Intel	1.1–2.33 GHz	32	90–65 nm	151 M	2 / 1
2008	Atom	Intel	0,8–1,6 GHz	64	65–45 nm	47 M	1 / 1
2008	Core i7	Intel	2,66–3,2 GHz	64	45–32 nm	730 M	2, 4, 6 / 1
2011	Intel "Sandy Bridge"	Intel	1,6–3,4 GHz	64	32 nm	995 M	2, 4 / 1	(1,) 2
2013	Intel "Haswell"	Intel	1,9–4,4 GHz	64	22 nm	1400 M	4 / 1	2
2017	Zen	AMD	3,2–4,1 GHz	64	14 nm	4800 M	8, 16, 32 / 1, 2, 4	2
2019	z15	IBM	5.2 GHz	64	14 nm	9200 M	12 / 1	2
2020	M1	Apple	3.2 GHz	128/64	5 nm	16000 M	8	1