Реклама:

В 1968 году Роберт Нойс (Robert Noyce), изобретатель кремниевой интегральной схемы, Гордон Мур (Gordon Moore), автор известного закона Мура, и Артур Рок (Arthur Rock), венчурный капиталист из Сан-Франциско, основали корпорацию Intel для производства компьютерных микросхем. За первый год своего существования корпорация продала микросхем всего на 3000 долларов, но потом объем продаж заметно вырос.

В конце 60-х годов калькуляторы представляли собой большие электромеханические машины размером с современный лазерный принтер и весили около 20 кг. В сентябре 1969 года японская компания Busicom обратилась к корпорации Intel с просьбой выпустить 12 несерийных микросхем для электронной вычислительной машины. Инженер компании Intel Тед Хофф (Ted Hoff), назначенный в качестве исполнителя этого проекта, решил, что можно поместить 4-разрядный универсальный процессор на одну микросхему, которая будет выполнять те же функции и при этом окажется проще и дешевле. Так в 1970 году появился первый процессор на одной микросхеме - 4004 на 2300 транзисторах.

Заметим, что ни сотрудники Intel, ни сотрудники Busicom не имели ни малейшего понятия, какое грандиозное открытие они совершили. Когда компания Intel решила, что стоит попробовать использовать процессор 4004 в других разработках, она предложила купить все права на новую микросхему у компании Busicom за 60 000 долларов, то есть за сумму, которую Busicom заплатила Intel за разработку этой микросхемы. Фирма Busicom сразу приняла предложение Intel, и компания Intel начала работу над 8-разрядной версией микросхемы, 8008, выпущенной в 1972 году. Все процессоры семейства Intel, начиная с моделей 4004 и 8008, перечислены в табл. 1.4.

Поскольку никто не ожидал большого спроса на микросхему 8008, она была выпущена достаточно ограниченным тиражом. Ко всеобщему удивлению, новая микросхема вызвала большой интерес, поэтому компания Intel начала разработку еще одного процессора, в котором предел в 16 Кбайт памяти (как у процессора 8008), навязываемый количеством внешних выводов микросхемы, был преодолен. Так появился небольшой универсальный процессор 8080, выпущенный в 1974 году. Как и PDP-8, он произвел революцию на компьютерном рынке и сразу стал массовым продуктом. Разница лишь в масштабах: компания DEC продала тысячи PDP-8, a Intel - миллионы процессоров 8080.

В 1978 году появился процессор 8086, 16-разрядный процессор на одной микросхеме. Процессор 8086 был во многом похож на 8080, но не был полностью совместим с ним. Затем появился процессор 8088 с такой же архитектурой, как у 8086. Он выполнял те же программы, что и 8086, но вместо 16-разрядной шины у него была 8-разрядная, из-за чего процессор работал медленнее, но стоил дешевле, чем 80861. Когда компания IBM выбрала процессор 8088 для IBM PC, эта микросхема стала эталоном в производстве персональных компьютеров.

Таблица 1.4. Семейство процессоров Intel. Тактовая частота измеряется в МГц (1 МГц = 1 млн циклов/с)

Микросхема

Дата выпуска

МГц

Количество транзисторов

Объем памяти

Примечание

4004

4/1971

0,108

2 300

640 байт

Первый микропроцессор на микросхеме

8008

4/1972

0,08

3 500

16 Кбайт

Первый 8-разрядный микропроцессор

8080

4/1974

6 000

64 Кбайт

Первый многоцелевой процессор на микросхеме

8086

6/1978

5-10

29 000

1 Мбайт

Первый 16-разрядный процессор на микросхеме

8088

6/1979

5-8

29 000

1 Мбайт

Использовался в IBM PC

80286

2/1982

8-12

134 000

16 Мбайт

Появилась защита памяти

80386

10/1985

16-33

275 000

4 Гбайт

Первый 32-разрядный процессор

80486

4/1989

25-100

1 200 000

4 Гбайт

Кэш-память на 8 Кбайт

Pentium

3/1993

60-223

3 100 000

4 Гбайт

Два конвейера, у более поздних моделей - ММХ

Pentium Pro

3/1995

150-200

5 500 000

4 Гбайт2

Два уровня кэш-памяти

Pentium II

5/1997

233-400

7 500 000

4 Гбайт

Pentium Pro плюс ММХ

Pentium ill

2/1999

650-1400

9 500 000

4 Гбайт

Появились SSE-команды, ускоряющие обработку трехмерной графики

Pentium 4

11/2000

1300-3800

42 000 000

4 Гбайт

Гиперпоточность, дополнительные

SSE-команды

Ни 8088,

ни 8086

не могли

обращаться к

памяти

объемом более 1 Мбайт.

К началу 80-х годов это стало серьезной проблемой, поэтому компания Intel разработала модель 80286, совместимую с 8086. Основной набор команд остался, в сущности, таким же, как у процессоров 8086 и 8088, но память была устроена немного по-другому, хотя благодаря совместимости с предыдущими микросхемами и могла работать по-прежнему. Процессор 80286 использовался в IBM PC/AT и в моделях PS/2. Он, как и 8088, пользовался большим спросом (главным образом потому, что покупатели рассматривали его как более быстрый вариант модели 8088).

1 На самом деле разница в стоимости самих микропроцессоров была незначительной, но компьютеры, собираемые на базе микропроцессора 8088, были дешевле, чем собираемые на базе микропроцессора 8086. В то время были распространены 8-разрядные периферийные устройства, поэтому микропроцессор 8088 позволял упростить сопряжение с внешними устройствами. - Примеч. научн. ред.

2 Шина адреса у микропроцессоров Pentium Pro и Pentium II имеет ширину 36 бит, что позволяет непосредственно адресовать 64 Гбайт. - Примеч. научн. ред.

Следующим шагом был 32-разрядный процессор 80386, выпущенный в 1985 году. Как и 80286, он был более или менее совместим со всеми старыми версиями. Совместимость такого рода оказывалась благом для тех, кто пользовался старым программным обеспечением, и некоторым неудобством для тех, кто предпочитал современную архитектуру, не обремененную ошибками и технологиями прошлого.

Через четыре года появился процессор 80486. Он работал быстрее, чем 80386, мог выполнять операции с плавающей точкой и имел кэш-память объемом 8 Кбайт. Кэш-память позволяет держать наиболее часто используемые слова внутри центрального процессора и избегать длительных обращений к основной (оперативной) памяти. Иногда кэш-память находится не внутри центрального процессора, а рядом с ним. Процессор 80486 содержал встроенные средства поддержки мультипроцессорного режима, что давало производителям возможность конструировать системы с несколькими процессорами.

В этот момент компания Intel, проиграв судебную тяжбу по поводу нарушения правил именования товаров, выяснила, что номера (например, 80486) не могут быть торговой маркой, поэтому следующее поколение компьютеров получило название Pentium (от греческого слова nevxe - пять). В отличие от процессора 80486, у которого был один внутренний конвейер, Pentium имел два, что позволяло работать ему почти в два раза быстрее (конвейеры мы рассмотрим подробно в главе 2).

Впоследствии в линейку Pentium были введены дополнительные команды, известные под общим названием ММХ (MultiMedia extension - мультимедийное расширение). Они были предназначены для ускорения вычислительных операций, связанных с обработкой звуковых и видеоданных, что позволило отказаться от специальных мультимедийных сопроцессоров.

Когда появилось следующее поколение компьютеров, те, кто рассчитывал на название Sexium (sex no-латыни - шесть), были разочарованы. Название Pentium стало так хорошо известно, что его решили оставить, и новую микросхему назвали Pentium Pro. Несмотря на столь незначительное изменение названия, этот процессор очень сильно отличался от предыдущего. У него была совершенно другая внутренняя организация, и он мог выполнять до пяти команд одновременно.

Еще одно нововведение у Pentium Pro - двухуровневая кэш-память. Процессор содержал 8 Кбайт памяти для часто используемых команд и еще 8 Кбайт для часто используемых данных. В корпусе Pentium Pro рядом с процессором (но не на самой микросхеме) находилась другая кэш-память объемом 256 Кбайт.

Большой объем кэш-памяти в Pentium Pro отчасти компенсировался отсутствием ММХ-команд (первоначально Intel не удалось спроектировать микросхему адекватного размера, отвечавшую критерию рентабельности). Когда технологическая база позволила совместить в рамках одной микросхемы набор ММХ-команд и большой кэш, новая модель получила название Pentium II. Через некоторое время для улучшенной передачи трехмерной графики [171] в процессор были введены дополнительные мультимедийные команды под названием SSE (Streaming SIMD Extensions - потоковые SIMD-расширения) - в результате появился процессор Pentium III (правда, согласно внутренней номенклатуре компании, это все тот же Pentium II).

Следующая модель Pentium получила новую внутреннюю архитектуру. Одновременно было решено перейти с римских цифр в обозначениях моделей на арабские. Так появился процессор Pentium 4. По традиции он превзошел все предыдущие модели по быстродействию. В версии с тактовой частотой 3,06 ГГц была реализована новая функция - гиперпоточность (hyperthreading). Она позволяет программам разделять задачи на два программных потока, которые обрабатываются процессором параллельно; следовательно, скорость выполнения повышается. Кроме того, для дальнейшего повышения скорости обработки звуковых и видеоданных был внедрен дополнительный набор SSE-команд. Фотография микросхемы Pentium 4 приводится на рис. 1.8. Ее фактический размер необычно велик - 16,0 х 13,5 мм.

Pentium 4

Рис. 1.8. Микросхема Pentium 4 (фотография используется с разрешения корпорации Intel)

Помимо основной линейки процессоров, которую мы рассмотрели, Intel разрабатывает специальные варианты микросхем для отдельных сегментов рынка. В начале 1998 года компания запустила новую линейку под названием Celeron. По производительности процессор Celeron уступал Pentium II, зато стоил дешевле. Поскольку у процессора Celeron такая же архитектура, как у Pentium И, мы не будем обсуждать его в этой книге. В июне 1998 года компания Intel выпустила специальную версию Pentium II для верхнего сегмента рынка - Xeon. Эту модификацию снабдили кэш-памятью большего объема, ускоренной внутренней шиной и усовершенствованными средствами поддержки мультипроцессорного режима, однако по всем остальным параметрам она ничем не отличалась от

Pentium II, что дает нам полное право не рассматривать ее отдельно. Для процессоров Pentium III также была разработана версия Xeon.

Итак, в ноябре 2000 года Intel выпускает Pentium 4 - новую модель процессора, позволявшую выполнять те же программы, b что Pentium III и Xeon, но основанную на качественно новом конструктивном решении. В версии Pentium 4 с тактовой частотой 3,06 ГГц была реализована технология гиперпоточности, о которой мы поговорим в главе 8.

В 2003 году появилась микросхема Pentium M (где M - сокращение от "Mobile") для портативных компьютеров. Она задумывалась как составная часть новой архитектуры Centrino, которая должна была, во-первых, снизить энергопотребление, увеличив тем самым ресурс аккумулятора, во-вторых, обеспечить возможность производства более компактных и легких корпусов, в-третьих, организовать при помощи встроенного интерфейса беспроводные сетевые соединения по стандарту IEEE 802.11 (WiFi). Intel планирует продолжить разработку специализированных наборов микросхем - в частности, предназначенных для домашних развлекательных устройств и ноутбуков с поддержкой стандарта IEEE 802.16 (WiMax).

Все микросхемы Intel обратно совместимы со всеми своими предшественниками вплоть до модели 8086. Другими словами, программы, написанные когда-то для 8086, выполняются на Pentium 4 без каких бы то ни было изменений. Обратная совместимость в течение длительного времени является одним из основных принципов проектирования в Intel - соблюдение этого принципа позволяет сократить срок окупаемости инвестиций в программное обеспечение. Естественно, поскольку модель Pentium 4 на три порядка сложнее, чем 8086, ее возможности несопоставимо шире. Постепенные расширения, которые проектировщикам процессоров приходилось внедрять для достижения этой цели, привели к формированию весьма громоздкой архитектуры; если бы разработчики Pentium 4 задались целью исправить эту ситуацию, им пришлось бы переработать 42 миллиона транзисторов и команд.

Интересно, что хотя закон Мура раньше ассоциировался с количеством бит в памяти компьютера, он в равной степени применим и к процессорам. Если напротив даты выпуска каждой микросхемы поставить количество транзисторов на этой микросхеме (см. табл. 1.4), мы увидим, что закон Мура действует и здесь. График показан на рис. 1.9.

Вероятно, закон Мура будет действовать еще несколько лет, однако уже сейчас очевидной становится проблема, способная поставить на нем крест, - теплоотдача. В настоящее время тактовая частота повышается за счет уменьшения размера транзисторов, что, в свою очередь, вызывает потребность в более высоком напряжении. Потребление энергии и теплоотдача прямо пропорциональны площади элемента, получающего питание, а значит, чем выше скорость, тем больше выделяется тепла, которое необходимо отводить. Процессор Pentium 4 с тактовой частотой 3,6 ГГц потребляет 115 Вт. При этом он выделяет примерно столько же тепла, сколько лампочка на 100 Вт. Чем больше повышается тактовая частота, тем заметнее становится проблема.

В ноябре 2004 года компания Intel была вынуждена отменить выпуск модели Pentium 4 с тактовой частотой 4 ГГц из-за проблем с теплоотводом. Большие вентиляторы способны решить проблему, но они слишком шумные, что, естественно, не нравится пользователям. Водяное охлаждение, применяемое на мэйнфреймах, совершенно неприемлемо для настольных машин, не говоря уже о ноутбуках. Поэтому некогда безудержный рост тактовой частоты, вероятно, на некоторое время поуспокоится - по крайней мере, до того момента, когда инженеры Intel придумают эффективный способ отвода тепла. В планах Intel теперь другие новации - компания планирует разместить на одной микросхеме два процессора и снабдить ее общим кэшем большого объема. Поскольку величина энергопотребления определяется напряжением и тактовой частотой, два процессора на одной схеме потребляют значительно меньше энергии, чем один, работающий на аналогичной скорости. Таким образом, действие закона Мура может в будущем перейти с повышения тактовых частот на увеличение объема встроенных в микросхемы кэшей (действительно - ведь уровень энергопотребления модулей памяти заметно ниже, чем процессоров!).

Pentium 4

Семейства компьютеров || Оглавление || Знакомство с микросхемой UltraSPARC III