Tak powstały procesory. Oto droga do bariery 1 GHz

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.

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.

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).

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).

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.

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.

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.