Tak powstały procesory. Oto droga do bariery 1 GHz

Tak powstały procesory. Oto droga do bariery 1 GHz20.10.2022 10:00
Intel 4004
Intel 4004
Źródło zdjęć: © Materiały prasowe | Intel

Aktualnie najnowsze procesory są efektem bardzo długiego, blisko 200-letniego rozwoju. Oto kroki milowe prowadzące do pokonania bariery 1 GHz.

Może dla niektórych będzie to zaskoczeniem, ale dzisiejszej elektroniki nie byłoby bez odkrycia krzemu, którego w 1823 roku dokonał Jöns Jacob Berzelius. Następnie w 1903 roku Nikola Tesla opatentował pierwsze schematy bramek logicznych będących kluczową częścią procesorów aż do dzisiaj.

Pierwsze procesory Intela i atak klonów od AMD

Kolejnym krokiem milowym było powstanie i zaprezentowanie pierwszego tranzystora z 23 grudnia 1947 roku. Jego twórcami byli: John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley, którzy osiem lat później zostali nagrodzeni nagrodą Nobla z fizyki.

Z kolei pierwszy działający układ scalony zademonstrowano 12 września 1958 roku. Został on opracowany przez Roberta Noyce'a z Fairchild Semiconductor i Jacka Kilby'ego z Texas Instruments, a już dwa lata później IBM opracował pierwszy zautomatyzowany zakład produkcji tranzystorów. W 1965 roku Gordon Moore spostrzegł, że liczba tranzystorów w mikroprocesorze podwaja się trendem wykładniczym, co zostało nazwane prawem Moore’a.

Tak dochodzimy do powstania Intela w 1968 roku oraz AMD rok później. Pierwszym rewolucyjnym efektem pracy niebieskich był wprowadzony na rynek w 1971 roku czterobitowy mikroprocesor 4004. Pokazał on, ze złożone obwody scalone można zmieścić w układzie wielkości paznokcia. Pracował z częstotliwością 740 kHz i zawierał 2300 tranzystorów, oferując moc obliczeniową zajmującego kilka pokoi komputera ENIAC.

AMD wypuściło z kolei swój konkurencyjny czterobitowy układ AM2900 w 1975 roku będący bardziej częścią składową tzw. procesorów modułowych niż samodzielną jednostką.

  • Schemat układu Intel 4004
  • Intel 4004
  • Intel 8008.
  • Schemat układu Intel 8008.
  • Intel 8080.
  • Rdzeń Intela 80286 pod rozpraszaczem ciepła.
  • Intel 80286 wraz z ceramicznym rozpraszaczem ciepła.
  • Wycinek z lokalnej gazety o założeniu Intela.
  • Zdjęcie rdzenia Intela 80386.
  • Intel 80386.
  • Intel 80486.
  • Układ z rodziny AM2900.
  • AMD AM9080, czyli kopia Intela 8080.
  • AM286.
  • AM386
  • AM486 zamontowany na płycie głównej.
  • Intel 8086.
Źródło zdjęć: © Materiały prasowe | Intel
[1/17]
Schemat układu Intel 4004

Następnie w 1972 roku mamy ośmiobitowego Intela 8008 o taktowaniu 200-800 kHz zbudowanego z 3500 tranzystorów, a dwa lata później pojawił się Intel 8080 składający się 4500 tranzystorów pracujący z częstotliwością 2 MHz i oferujący dziesięciokrotną wydajność 8008. Nowość była sercem pierwszych komputerów osobistych Altair. Warto tutaj zaznaczyć, że AMD stworzyło w 1975 roku jego klon dzięki inżynierii wstecznej. Został oznaczony jako AM9080.

Wywołało to konflikty patentowe pomiędzy Intelem a AMD, które zostały zażegane w 1976 roku na podstawie umowy - AMD miało prawo budować procesory wykorzystujące architekturę x86.

Kolejna rewolucja pojawiła się w 1978 roku w postaci pierwszego procesora 16-bitowego, czyli Intela 8086. Co ciekawe ten był w stanie programowo radzić sobie z instrukcjami 8-bitowymi, a składał się z 29 tys. tranzystorów i był taktowany zegarem 8 MHz. Był to też początek architektury x86, która stanowi bazę do dzisiaj, a jej nazwa odnosi się właśnie do tego procesora.

Następnie 1 lutego 1982 roku powstał Intel 80286, który był pierwszy raz kompatybilny z instrukcjami poprzednich procesorów. Składał się on z 134 tys. tranzystorów oraz charakteryzował taktowaniem w zakresie 8-10 MHz. AMD z kolei wypuściło rok później jego kopę oznaczoną jako AM286, mogącą działać z wyższą częstotliwością (do 20 MHz).

Sytuacja powtórzyła się też w przypadku pierwszego 32-bitowego procesora Intela 80386 i jego analoga AMD, czyli AM386 - ponownie charakteryzującego się wyższym taktowaniem (do 40 MHz względem 33 MHz Intela). Wywołało to kolejną wojnę Intela z AMD, ponieważ Intel twierdził, ze porozumienie z 1976 pozwalało na produkcję tylko starszych układów. Tymczasem AMD twierdziło, że obejmowało też przyszłe konstrukcje. Ostatecznie era klonów zakończyła się wraz z wydaniem procesorów AM486 (szybciej taktowana wersja Intela 80486) i wydanego w 1995 roku AM586 (poprawiona wyżej taktowana seria osiągająca nawet 150 MHz).

Pierwszy Pentium oraz własny procesor AMD

Ostatecznie AMD dalej mogło produkować procesory oparte na architekturze x86, ale te nie mogły w przyszłości wykorzystywać podstawek Intela. W ten oto sposób w 1996 roku narodził się K5 będący pierwszym procesorem w pełni zaprojektowanym przez AMD. Był to 32-bitowy układ składający się z 4,3 mln tranzystorów o taktowaniu 75 - 133 MHz, wykorzystujący współdzielone z Intelem gniazdo Socket 5 lub Socket 7 - mające jeden pin więcej.

Tymczasem w 1993 roku Intel wydał pierwszy procesor P5, który zapoczątkował serię Pentium (nazwa pochodzi od piątej generacji procesorów x86). Pierwszy Pentium był 32-bitową jednostką składającą się z 3100 000 tranzystorów, początkowo taktowaną zegarem 60 MHz. W następnych latach procesor był kilkukrotnie odświeżany dzięki stosowaniu niższych procesów produkcyjnych (zaczęto od 800 nm, a skończono na 350 nm).

  • Rdzeń procesora K5.
  • Pierwszy własny procesor AMD K5.
  • Zdjęcie rdzenia K6 po zdjęciu rozpraszacza ciepła.
  • K6.
  • Intel Pentium.
  • Intel Pentium II.
Źródło zdjęć: © Materiały prasowe | AMD
[1/6]
Rdzeń procesora K5.

Ponadto niektóre procesory Pentium miały słynny błąd w obliczeniach zmiennoprzecinkowych, który kosztował Intela miliony dolarów strat w wyniku obsługi roszczeń gwarancyjnych i konieczności przeprowadzania testów układów.

Następcą był Pentium Pro (P6) wydany w listopadzie 1995 roku, który (dzięki zastosowaniu początkowo 600- a później 350-nm procesu produkcyjnego) składał się z 5,5 mln tranzystorów i charakteryzował taktowaniem wynoszącym maksymalnie 200 MHz. Procesor był co prawda dostępny wyłącznie na rynku serwerowym, ale stanowił bazę dla wydanego 7 maja 1997 roku Pentiuma II składającego się z 7,5 mln tranzystorów i charakteryzującego się taktowaniem do 400 MHz.

Pęka granica 1 GHz

Kolejnym krokiem milowym było przekroczenie taktowania 1 GHz, czego pierwsze dokonało AMD za pomocą procesora Athlon z 1999 roku, a dokładniej wersji oznaczonej jako K75 Orion. Intel dokonał tego dopiero w 2000 roku za pomocą specjalnej wersji Pentium III 1,13 GHz (rdzeń Coppermine w litografii 180 nm), która - można rzec delikatnie - do najstabilniejszych nie należała. AMD tymczasem wypuściło jeszcze wyżej taktowane rewizje oznaczone jako Thunderbird o taktowaniu do 1,4 GHz.

Dopiero wydane w 2001 roku procesory Pentium III oparte na rdzeniu Tualatin wykorzystujące 130 nm litografię zdołały bezpiecznie przekroczyć granicę 1 GHz (część modeli) oraz pierwsze Pentium 4 wykorzystujące mikroarchitekturę NetBurst.

  • AMD K7 Athlon 1,1 GHz (Thunderbird)
  • Pentium III Tualatin.
  • AMD K8 Athlon 64 ze zdjętym rozpraszaczem ciepła.
  • Intel Pentium 4 Willamette.
Źródło zdjęć: © Wikimedia Commons
[1/4]
AMD K7 Athlon 1,1 GHz (Thunderbird)

64-bity wchodzą do gry

W 2003 roku AMD wydało pierwszy konsumencki 64-bitowy procesor K8 Athlon 64, który cechował się też przeniesieniem kontrolera pamięci z chipsetu na procesor, co bardzo pozytywnie wpłynęło na obniżenie opóźnień pamięci i pozwoliło osiągnąć znaczną przewagę nad starszymi rozwiązaniami.

Warto tutaj znaczyć, że prace nad rozszerzeniem architektury x86 o 64-bitowe rejestry ogólnego przeznaczenia AMD ogłosiło w 1999 roku. Tymczasem Intel w międzyczasie pracował nad nową architekturą Intel Architecture-64 (IA-64) bez wstecznej kompatybilności z x86, co w teorii umożliwiłoby odcięcie AMD od rynku nowych procesorów (liczne obwarowania licencyjne).

Okazało się jednak, że AMD64 jest szybszym i lepszym rozwiązaniem, które zdobyło większą popularność oraz to właśnie je Intel musiał zaimplementować pod nazwą Intel64 - począwszy od procesorów Xeon z 2004 roku. Można rzec, że od tego czasu na rynku nastąpiła równowaga, ponieważ aby AMD mogło funkcjonować, potrzebuje patentów dotyczących x86, a Intel z kolei dostępu do patentów instrukcji 64-bitowych będących w posiadaniu AMD.

Następnym krokiem milowym było pojawienie się jednostek dwurdzeniowych, o czym więcej przeczytacie w publikacji o ostatnich 20 latach rozwoju procesorów, która powstała w ramach cyklu z okazji 20-lecia dobrychprogramów.

Przemysław Juraszek, dziennikarz dobreprogramy.pl

Programy

Aktualizacje
Aktualizacje
Nowości
Oceń jakość naszego artykułuTwoja opinia pozwala nam tworzyć lepsze treści.
Udostępnij:
Wybrane dla Ciebie
Komentarze (36)