Но AMD успела закончить Phenom X4, освоить 45 нм техпроцесс, увеличить объем скрытой памяти и представить AMD Phenom II X6 с 6 ядрами на год раньше Intel. В очередной раз компания закрепила свои позиции и не оставила далеко позади своего извечного конкурента.
# факты | Как работает процессор компьютера?
Вы читаете эти строки прямо сейчас со смартфона, планшета или ПК. Каждое из этих устройств оснащено микропроцессором. Микропроцессор — это «сердце» каждого компьютера. Существует множество типов микропроцессоров, но все они делают одно и то же. Сегодня мы поговорим о том, как работает микропроцессор и какие задачи он выполняет. На первый взгляд, это кажется очевидным. Но многим пользователям было бы интересно узнать больше о самом важном компоненте, обеспечивающем работу компьютера. Мы узнаем, как технология, основанная на простой числовой логике, позволяет компьютеру не только решать математические задачи — его можно использовать в качестве развлекательного центра. Как всего два числа — единица и ноль — превращаются в красочные игры и фильмы? Этот вопрос многие задавали себе снова и снова, и они будут рады узнать ответ. В конце концов, процессор AMD Jaguar, который мы недавно тестировали и на котором основаны новейшие игровые консоли, также основан на той же древней логике.
В англоязычной литературе микропроцессор часто называют CPU (central processing unit). Причина такого названия заключается в том, что современный процессор представляет собой один чип. Первый в истории человечества микропроцессор был разработан корпорацией Intel в 1971 году.
Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии
Речь идет о Intel 4004, который был не очень мощным и мог выполнять только сложение и вычитание. Он мог обрабатывать только четыре бита информации одновременно (т.е. 4 бита), но его появление было значительным событием для своего времени. Весь процессор помещается на одном чипе. До появления Intel 4004 компьютеры были основаны на серии микросхем или дискретных элементов (транзисторов). Микропроцессор 4004 стал основой для одного из первых портативных калькуляторов.
Первым микропроцессором для домашних компьютеров был Intel 8080, представленный в 1974 году. Вся вычислительная мощность 8-битного компьютера была сосредоточена на одном чипе. Но действительно большим анонсом стал процессор Intel 8088. Он был представлен в 1979 году и использовался в первых основных компьютерах IBM с 1981 года.
С тех пор процессоры развивались и становились все мощнее. Каждый, кто хоть немного знаком с историей микропроцессорной промышленности, помнит, что на смену 80886 пришел 80286. Затем появились 80386 и, наконец, 80486. Затем было несколько поколений Pentium: Pentium, Pentium II, III и Pentium 4. Это были процессоры «Intel», основанные на базовой конструкции 8088. Они были обратно совместимы. Это означало, что Pentium 4 мог обрабатывать каждый фрагмент кода для 8088, но с примерно в пять тысяч раз большей скоростью. С тех пор прошло не так много лет, но сменилось уже несколько поколений микропроцессоров.
В 2004 году Intel начала предлагать многоядерные процессоры. Количество используемых в них транзисторов увеличилось на миллионы. Но даже сейчас процессор подчиняется общим правилам, которые были созданы для первых чипов. В таблице приведена история микропроцессоров Intel до 2004 г. Мы объясним, что означают содержащиеся в ней данные:
- Имя. Модель процессора
- Дата. Год, когда процессор был впервые представлен. Многие процессоры были представлены несколько раз, каждый раз увеличивая тактовую частоту. Таким образом, очередная модификация чипа может быть анонсирована всего через несколько лет после появления первой версии.
- Транзистор. Количество транзисторов в микросхеме. Вы можете видеть, что это число неуклонно растет
- Микрометр. Микрометр — это одна миллионная часть метра. Это определяется толщиной самого тонкого провода на чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрометров.
- Тактовая частота. Максимальная тактовая частота процессора.
- Ширина данных. «Разрядность» арифметико-логического блока (АЛУ) процессора. 8-разрядное АЛУ может выполнять сложение, вычитание, умножение и другие операции над двумя 8-разрядными числами. 32-битное АЛУ может работать с 32-битными числами. Чтобы сложить два 32-битных числа, 8-битное АЛУ должно выполнить четыре команды. 32-разрядное АЛУ может выполнить эту операцию с помощью одной команды. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешней шины данных совпадает с «битовой шириной» АЛУ. Процессор 8088 имел 16-разрядное АЛУ, но 8-разрядную шину. Более поздние процессоры Pentium имели 64-битную шину, а АЛУ оставалось 32-битным.
- MIPS (миллионы инструкций в секунду). Это дает приблизительную оценку производительности процессора. Современные микропроцессоры выполняют так много различных задач, что этот показатель потерял свое первоначальное значение и может использоваться в основном для сравнения вычислительной мощности различных процессоров (как в этой таблице).
Логика микропроцессора
Чтобы понять, как работает микропроцессор, необходимо изучить логику, на которой он основан, и ознакомиться с языком ассемблера. Это родной язык микропроцессора.
Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (инструкций). С помощью этих инструкций микропроцессор выполняет три основные задачи:
- Используя свое арифметико-логическое устройство, микропроцессор выполняет математические операции: Сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей запятой (с помощью специального арифметического процессора с плавающей запятой).
- Микропроцессор способен передавать данные из одного типа памяти в другой.
- Микропроцессор способен принимать решение и «прыгать» на основании этого решения, т.е. переходить к выполнению нового набора инструкций.
- Адресная шина. Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Он посылает адреса в память.
- Шина данных: ширина шины 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать данные из памяти. Когда мы говорим о «битовой ширине» процессора, мы имеем в виду ширину шины данных.
- Каналы RD (чтение) и WR (запись), которые позволяют взаимодействовать с памятью.
- Тактовая линия (тактовая шина), которая обеспечивает тактовые циклы процессора
- Линия сброса (шина стирания, шина сброса), которая сбрасывает счетчик команд и перезапускает выполнение инструкций
Поскольку информация довольно сложная, мы будем считать, что и шина адреса, и шина данных имеют ширину всего 8 бит. Давайте кратко рассмотрим компоненты этого относительно простого микропроцессора:
- Регистры A, B и C — это логические схемы, которые используются для хранения данных между
- Адресная защелка аналогична A, B и C.
- Счетчик команд — это логическая схема (защелка), способная увеличивать значение на один шаг (когда подается соответствующая команда) и очищать значение (когда подается соответствующая команда).
- ALU (арифметический логический блок) может выполнять операции сложения, вычитания, умножения и деления между 8-битными числами или действовать как обычный сумматор.
- Тестовый регистр — это специальный буфер, в котором хранятся результаты операций сравнения, выполняемых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно число больше другого. В тестовом регистре также может храниться бит переноса последней операции сумматора. Он сохраняет эти значения в цепи разрешения. Эти значения затем могут быть использованы декодером инструкций для принятия решений
- Шесть блоков на диаграмме называются «3-состояниями». Это контрольные экземпляры. К кабелю может быть подключено несколько источников вывода, но буфер сортировки позволяет передавать только одно значение от одного из этих источников (за раз): «0» ή «1». Так буфер классификации узнает, как пропустить значения или не дать источнику вывода отправить данные
- Регистр инструкций и декодер инструкций управляют всем вышеперечисленным.
Это подводит нас к ядру микропроцессора. И началось оно с разработки архитектуры. Официальные лица предложили назвать его «4000 семей». Каждая модель содержала 16 выходных микросхем. Со временем появилась 4-битная версия 4004 и другие. Считается, что Intel разработала первый в мире процессор такого рода.
Каким был самый первый процессор – Intel 404?
Скоро — 15 ноября 2021 года — исполнится 50 лет с тех пор, как микропроцессор Intel 4004 произвел революцию в развитии электронных систем в мире. Это был не первый в мире процессор. Примерно за год до того, как Intel 4004 был описан в научно-технических журналах, военные разработали и внедрили процессор CADC F14 для собственных нужд. По понятным причинам изобретение долгое время оставалось секретным, а Intel 4004 стал первой коммерческой версией.
Интегральные схемы на основе МОП-транзисторов существуют с 1960-х годов. Они использовались для создания компьютеров, терминалов и бортовых систем для гражданских и военных самолетов. Первоначально они были довольно громоздкими и могли выполнять лишь несколько функций. Однако, увеличив количество транзисторов и уменьшив их размер, конструкторы смогли разработать чипы, которые могли довольно быстро выполнять до 100 функций. Тогда родилась идея создать первый в мире процессор.
Как это произошло?
В начале 1970-х годов скромная японская компания Nippon Calculation Machines, Limited, позже переименованная в Busicom Corp, специализировалась на создании карманных калькуляторов (что следует из названия). В то время для каждого нового устройства им приходилось разрабатывать специальный набор микросхем, которые были специализированы в очень ограниченном объеме. Японцам понадобилось 12 таких разработок, которые они передали Intel.
Когда контракт был заключен, инженер компании Marshian Эдвард Хофф представил идею уменьшить количество микросхем для японских устройств и использовать один центральный процессор, который бы выполнял все необходимые логические и числовые функции для всех микросхем одновременно. Все сразу же с энтузиазмом восприняли эту идею. В конце 1969 года М. Е. Хофф в сотрудничестве с С. Е. Мейсоном предложил инновационную архитектуру четырехчиповых центральных процессоров с минимальным количеством микросхем. Количество чипов было уменьшено до 4.
Идею Хоффа подхватил итальянский физик Федерико Фаджин. Он использовал ту же технологию MOS (металл-оксидный полупроводник), с которой он много и успешно работал в прошлом. Именно он разработал семейство 4-битных микрокомпьютеров Intel Micro Computer Set или MCS-4. Дата следующей технологической революции была официально объявлена 15 ноября 71-го года, когда популярный американский торговый журнал Electronic News объявил о выпуске чипа 4004, который содержал все функции большого компьютера на одном кристалле. О прорыве (всего за 25 лет работы) свидетельствуют такие цифры: Микропроцессор Intel 4004 имел размеры ⅛ x ⅙ дюйма (12 квадратных миллиметров) и обладал такой же мощностью, как и первый компьютер 1946 года, который состоял из 1800 вакуумных трубок и занимал отдельное пространство.
Технические характеристики
Что такое процессор первого поколения? По сегодняшним меркам, технические возможности Intel 4004 были более чем средними. Он был построен по 10-мкм процессорной технологии, имел 2250 транзисторов, 4-битную шину и работал на частоте 108 кГц, что позволяло выполнять 92 600 операций в секунду. Внутренний стек имел только три уровня. ПЗУ имело размер 4 Кб, ОЗУ — 640 байт, а тактовая частота составляла 740 кГц. Шина данных была 4 бита, а шина адреса — 12 бит. Процессор может получить доступ к 16 входным портам и такому же количеству выходных портов.
Каждой категории товаров был присвоен свой номер. Микросхемы памяти, такие как микросхемы PMOS, были первым типом продукции, производимой Intel. Он имел номер 1xxx. Следующим типом микросхем были NMOS-чипы с номером 2xxx, а четырехразрядные микропроцессоры имели номер 4xxx. Следующая цифра (вторая) указывает на тип продукта: Ноль для процессоров, три для чипов ПЗУ, шесть для чипов PROM. Последние две цифры указывают на серийный номер изделия. Первый коммерческий процессор Intel состоял из 3 микросхем (ПЗУ, ОЗУ и расширителя ввода-вывода), которые появились на рынке до собственно процессора, отсюда и последний блок (4004) в нумерации продуктов.
Упаковка
Ранние версии процессоров Intel MCS-4 имели керамические корпуса со специальными белыми и серыми полосами на «спинках» чипов. По этой причине их иногда называют «пакетами с серой маркировкой». Такой продукт маркировался буквой «С» перед номером 4004. Сегодня эти версии представляют большую ценность для коллекционеров и стоят довольно дорого (до 400 долларов). Более поздние корпуса выпускались в чисто белом цвете с обозначением C4004, а затем в темно-сером с буквой «D». Более поздние версии имеют пластиковый корпус и маркируются буквой «P».
За 50 лет, прошедших с момента его появления, первый коммерческий процессор развивался семимильными шагами: Количество бит в микропроцессоре неуклонно росло до 64, появилась кэш-память, общее количество транзисторов достигло миллиарда, логическая сложность архитектуры значительно возросла, а частота превысила 4 ГГц. Но, как показывает практика, это не предел. См. также статью «7 лучших моделей ноутбуков».
Кроме того, микропроцессор позволял работать с 16-битными числами и имел более стабильное происхождение. Его архитектура повторяла структуру компьютера DEC PDP-11.
Микросхемы для калькуляторов
Компания Busicom (Япония) знала об успехе Intel. Они решили заказать разработку микросхем для популярного семейства программируемых калькуляторов.
Программируемые калькуляторы имели ряд ячеек памяти для временного хранения чисел. Они были оснащены процессором для запуска программ по обработке сохраненных чисел. Таким образом, программируемые калькуляторы были первым шагом к будущим компьютерам, но они еще не были настоящими компьютерами.
В то время чипы были разработаны для конкретного устройства, что не позволяло использовать их в других конструкциях. Другими словами, Busicom не рисковал, заказывая только свои калькуляторы. Другим конкурентам приходилось самим производить или заказывать подобные чипы.
Универсальная микросхема: от идеи до воплощения
Первоначально Intel обязалась разработать не менее 12 (двенадцати) чипов с уникальной архитектурой и специфическими функциями. Судя по всему, японцам пришлось создать не менее 12 различных моделей своих программируемых калькуляторов.
Однако Тед Хофф (инженер компании Intel) предложил использовать совершенно иной подход. Его идея заключалась в разработке одного универсального чипа, на котором можно было бы выполнять программу из полупроводниковой памяти. На этом чипе должны были использоваться четыре модуля: процессор 4004, контроллер ввода-вывода, ОЗУ, основная память, и ПЗУ, постоянная память.
Фактически, Тед предложил создать один чип вместо двенадцати (12) различных чипов. Этот единственный чип может быть запрограммирован множеством различных способов. Поэтому они могли использовать его не только для 12 устройств, заказанных японцами, но и вообще для любого количества различных микросхем для решения бесчисленных задач.
Разработка для японской компании появилась благодаря прототипу решения от Intel — универсальному приложению для различных устройств, в которых чипы могут и должны использоваться для обработки информации.
В апреле 1970 года компания наняла инженера Фредерико Фаггина. На основе идей Хоффа он разработает микросхему управления 4004. Первые рабочие образцы были получены в январе 1971 года. Все этапы разработки были завершены в марте. Промышленное производство началось еще в июне 1971 года.
Это сделало 4004 первым функциональным «компьютером общего назначения», который можно было программировать для выполнения различных задач. Технически он был реализован в виде одного чипа. Чип был уникальным, и его функциональность, его работа, отныне зависела от того, как этот чип был запрограммирован.
Позже были разработаны гораздо более мощные процессоры, такие как очень популярный Intel 8080 и многие другие. Микропроцессор Intel 4004 был первой из поздних, очень успешных разработок.
Права на микропроцессор Intel 4004
Первоначально права на новый чип принадлежали компании-заказчику Busicom. Фаггин знал, что новый дизайн будет использоваться из-за его гибкости и тенденции разработчиков к уменьшению размеров своих компьютеров.
В конце концов ему удалось убедить руководство Intel купить права на новый чип. Busicom в то время испытывал значительные финансовые трудности и согласился продать права за 60 000 долларов. Таким образом, Intel стала обладателем уникальной разработки, опередившей свое время и своих потенциальных конкурентов.
Великие компьютеры были созданы людьми в середине XX века. Процессоры известны в своих основных компонентах уже давно. Почему первый процессор Intel вошел в историю, чем он был примечателен?
Российские процессоры
Мало кто знает, что российские инженеры участвовали в создании многих моделей процессоров, упомянутых в этой статье. В целом, компьютеры, построенные в Советском Союзе, были первыми в мире. Сегодня в это трудно поверить, но траектории американского космического корабля «Аполлон» и советского космического корабля «Союз-19» были рассчитаны с помощью БЭСМ-6. И это была идея советских инженеров во главе с Сергеем Лебедевым.
После развала страны высокотехнологичное производство рухнуло, а утечка мозгов усилилась. Например, в начале 1990-х годов инженер Владимир Пентковский работал в ИТМиВТ над микропроцессором El-90, который имел кэш-память, мог работать в защищенном режиме и поддерживал сопряжение с другими процессорами. Но смена правительства заставила отказаться от проекта. И Пентковский, получив приглашение, перешел в Intel, где стал главным разработчиком Pentium.
Этот же институт работал и над комплексом «Эльбрус-3». Борис Бабаян был руководителем инженерной группы. Однако была выпущена только одна машина, которая по некоторым параметрам уступала его современным машинам. Вместо этого они занялись разработкой новой микроархитектуры под названием «Эльбрус-2000», которая уже оказалась интересной: она работала на частоте 1,2 ГГц, почти не выделяла тепла и была компактной. Однако она так и не дошла до финальной стадии, и в 2004 году Бабаян и его команда перешли в Intel.
Ситуация на российском рынке перерабатывающих компонентов сегодня такова, что существуют конкурентные разработки. Например, Эльбрус-16С, который конкурирует по параметрам с Intel Core i7. Радует и то, что недавно они начали массовое производство процессора «Skif» на базе ядер ARM, у которого, вероятно, будет лучшее будущее, чем у других «соотечественников».
Микропроцессор — самый важный компонент компьютера. Он определяет большую часть вычислительной мощности машины. С тех пор как в мире появились первые процессоры на основе интегральных схем, теперь легко находить нужную информацию и выполнять сложные вычисления. И, возможно, в будущем можно будет возложить на искусственный интеллект еще больше собственных обязанностей.
Сегодня «нанометровый техпроцесс» — это обычное число, обозначающее более высокую плотность транзисторов или большее их количество по сравнению с прошлым.
Эволюция микропроцессоров
За прошедшие годы микропроцессоры претерпели множество изменений. В их производстве участвует большое количество компаний.
Motorola
В 1974 году компания Motorola выпустила микропроцессор MC6800. Он появился на рынке вскоре после Intel 8080 и имел более высокую круглосуточную производительность. Основным преимуществом этого устройства было то, что ему требовался источник питания всего на 5 вольт, в то время как у его конкурентов — на 3 вольта.
Кроме того, микропроцессор позволял работать с 16-битными числами и имел более стабильное происхождение. Его архитектура повторяла структуру компьютера DEC PDP-11.
MOS Technology
В 1975 году была основана компания MOS Technology, первым продуктом которой стал микропроцессор MOS Technology 6501. Устройство было электрически совместимо с Motorola MC6800, поэтому его можно было установить на ту же материнскую плату. Однако это привело к судебному спору. Поэтому MOS Technology срочно потребовалось устранить скандальную совместимость. Так родился микропроцессор 6502. Компьютер KIM-1 был разработан для распространения.
Главным преимуществом нового продукта была его цена. Так, в 1975 году Intel 8080 стоил 179 долларов, а MOS Technology 6502 можно было приобрести всего за 25 долларов.
70-е: конкуренция Intel, Zilog и Motorola
1979 год был временем острой конкуренции между различными компаниями. В то время был представлен микропроцессор Intel 8088. Он был похож на 8086, но имел одно существенное отличие: восьмибитную шину данных. Таким образом, устройство стало связующим звеном между 8- и 16-разрядными процессорами.
В том же году Motorola представила MS6800, самый мощный и гибкий 16-битный процессор на сегодняшний день. Создатели этого устройства использовали ряд инноваций. Разработка включала 24-битную шину памяти, 32-битные регистры и 16-битную шину данных. Кроме того, тактовая частота устройства варьировалась от 8 до 16 мегагерц.
Также в 1979 году компания Zilog представила новый процессор, который был довольно сложным. Z8000 работал с 16-битной шиной данных. Он также имел шину адреса шириной от 16 до 23 бит. Процессор мог работать в диапазоне от 4 до 20 мегагерц и имел 16-разрядные регистры. Их можно комбинировать с 32-битными числами.
Этим компания Zilog совершила роковую ошибку. Микропроцессор Z8000 не был совместим с Z80 ни в аппаратном, ни в программном плане. Его прямой конкурент, Intel 8088, не имел этого недостатка. Поэтому новые процессоры Zilog не пользовались большим спросом. В результате более примитивный вариант Z80 явно превзошел новинку.
Процессоры нового поколения Intel
Модель микропроцессора 80286, разработанная компанией Intel, практически уничтожила конкурентов на рынке. Это устройство было представлено на рынке в 1982 году. Его отличала одна решающая особенность. Процессор был в пять раз быстрее, чем 8086, и мог работать со значительно большим объемом памяти. Пользователи, купившие компьютеры с Intel 80286, не могли изменить программное обеспечение. Это было важно, поскольку стоимость во много раз превышала цену самого компьютера.
Добиться такого результата было несложно. Инженеры Intel представили новый способ работы процессора. При включении компьютера Intel 80286 запускался в базовом режиме, так называемом реальном режиме. Для программ процессор 80286 не отличался от 8086 ничем, кроме производительности.
Программы, которым требовалось более 1 мегабайта памяти и многозадачность, переводили процессор в специальный защищенный режим. В этом режиме устройство могло адресовать до 16 мегабайт и позволяло одновременно запускать несколько приложений.
Сегодняшние процессоры — это хорошо известные 64-битные чипы с гигагерцовой скоростью. Но эти четыре бита и около ста килогерц были большим успехом в микроэлектронике. В конце концов, это был первый коммерчески доступный чип для всех.
Что мы вкладываем в термин «процессор»
Центральный процессор — это устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических и управляющих операций, записанных в машинном коде. По сути, это мозг компьютера. Первые процессоры представляли собой огромные шкафы, в которых находились схемы и сборки отдельных компонентов. В 1950-х годах это были реле, ферритовые сердечники и вакуумные трубки, а в 1960-х их заменили транзисторы. Первые транзисторы были большими, но со временем они становились все меньше и меньше, так что схемы можно было строить в относительно небольших корпусах — микросхемах.
Со временем микросхемы также становились все меньше и меньше; были созданы так называемые микропроцессоры — компоненты, состоящие из одной или многих маленьких микросхем. Сегодня микропроцессоры называют процессорами, потому что они почти полностью заменили своих «отцов». Процессоры также послужили основой для внедрения компьютеров в частные дома. Но в 1970-х годах, когда на рынке появились первые микропроцессоры, это было невозможно — они были слишком дороги. И когда на рынке появились первые более дешевые версии, компьютеры на их основе были не очень мощными и поэтому не обладали широкими возможностями.
В то же время действительно мощные процессоры использовались только в суперкомпьютерах. В США их разработкой занимались многие частные компании, а в СССР — НИИ, в том числе Институт точного машиностроения и вычислительной техники Академии наук. Советское правительство поручило ученым скопировать американский суперкомпьютер Cray, но работа шла очень медленно. Гораздо лучше сработал другой подход — взять лучшее из другого продукта, Burroughs B5000, и дополнить его разработанными внутри компании усовершенствованиями.
В конце 1970-х годов ИТМиВТ выпустил суперкомпьютер «Эльбрус». Одним из инженеров, разработавших компьютер, был Борис Арташесович Бабаян, а Владимир Мстиславович Пентковский написал основной язык для компьютера. Компьютеры были основаны на суперскалярных процессорах, которые могли выполнять две или более независимых инструкций за тактовый цикл. Аналогичная технология была использована в американском суперкомпьютере CDC 6600, который был запущен в 1963 году, но советские ученые первыми сообщили общественности об этом принципе. То, что Советский Союз был впереди, подтверждает Кит Дифендорф, один из разработчиков первого западного массово масштабируемого процессора Motorola MC88100, в февральском номере журнала Microprocessor Report за 1999 год. По его словам, система, сопоставимая с Эльбрусом, появилась на Западе лишь спустя почти 15 лет.
За ним последовал «Эльбрус-2», усовершенствованный «Эльбрус», который стал самым распространенным суперкомпьютером в СССР. В середине 1980-х годов под руководством Бабаяна началась разработка Эльбруса-3. Среди прочих усовершенствований, он поддерживал эмулятор кода процессора Intel и поэтому мог использовать западное программное обеспечение. При этом производительность снизилась всего на 10-30%. В то же время Пентковский руководил разработкой собственного процессора «Эль-90», в основу которого легли решения, использованные при создании «Эльбруса-2» и «Эльбруса-3».
Это также было время, когда Intel начала расти. Она была основана в 1968 году, но первоначально мало участвовала в разработке суперкомпьютеров. Intel начала производить чипы и через три года после своего основания выпустила первый микропроцессор массового спроса — Intel 4004. Он использовался в микрокомпьютерах, а следующий чип, Intel 8008, применялся на заводах по розливу напитков, терминалах ввода-вывода и в тех же компьютерах. Более поздние продукты компании использовались в настольных компьютерах, но их функциональность была далека от той, к которой мы привыкли сегодня.
Утечка мозгов
В конце 1980-х годов в СССР началась перестройка. В стране не хватало производителей, а средства на исследования и разработки были крайне ограничены. Но команда ученых ИТМиВТ продолжала работать над максимальным усовершенствованием Эльбруса-3 и Эль-90. В это же время пал «железный занавес», секретность была снята, и советские разработчики получили возможность работать с иностранными, в том числе американскими, компаниями.
К этому времени уже были созданы упрощенный эксплуатационный прототип «Эльбрус-3» и проектный прототип Эль-90. Ускорить их было просто невозможно — в 1991 году распался Советский Союз и начался экономический кризис. Но двумя годами ранее Intel приезжала в Москву, чтобы посетить лабораторию компьютерных наук Российской академии наук, и пригласила оттуда Педковского в США для «обмена опытом». Сразу же после распада СССР и прекращения финансирования разработки собственных процессоров он переехал в США, где стал одним из ведущих инженеров Intel.
В то же время в начале 1990-х годов стремительно распространялись персональные компьютеры — любой более или менее состоятельный человек мог приобрести его. Затем появились интернет, мощные операционные системы и мультимедиа. Конкуренция на рынке ПК начала усиливаться. Intel, один из лидеров отрасли, начал разработку радикально нового процессора — Pentium. Когда он был запущен в 1993 году, он превзошел всех конкурентов и позволил компании выйти на первое место на рынке массовых процессоров для настольных компьютеров.
Все указывает на то, что Пентковски принимал непосредственное участие в его разработке: многие решения, использованные в El-90, были применены и там. Например, раздельные кэши инструкций и данных, а также высоконадежный режим вычислений, уже реализованный в «Эльбрус-2». В СССР она была разработана по заказу военных — несколько процессоров в одной системе сравнивали результаты вычислений и пересчитывали их, если они не совпадали. Кроме того, Pentium имел средства мониторинга производительности, которые были у El-90, но не было у других.
Pentium был первым коммерчески успешным суперскалярным процессором Intel. После этого все процессоры общего назначения использовали супермасштабирование, включая современные многоядерные процессоры. Единственным исключением являются Intel Atom и им подобные — они предназначены для мобильных устройств с питанием от батарей. Однако они не подходят для более или менее серьезной работы, даже для игр.
Официально Пентковский пришел в Intel в 1993 году, как раз в то время, когда на рынке появился Pentium. И хотя его непосредственное участие в разработке первой модели может быть доказано лишь косвенно, Pentium III, безусловно, был разработан им — Intel сама наняла Пентковского для руководства разработкой архитектуры. Существует также легенда, что процессор был назван именно в честь русского ученого Pentium, но официальная версия Intel другая — название происходит от Penta, что означает «пять». В конце концов, процессор Pentium — это пятое поколение.
Бабаян же после распада СССР основал компанию MCST, где продолжил развивать свои процессоры. В 1991 году он подписал соглашение о сотрудничестве с компанией Sun Microsystems (США) и совместно разработал чипы на архитектуре SPARK, используемой Sun. Часть вырученных средств пошла на разработку совершенно нового процессора, 64-битного процессора «Эльбрус 2000» или E2k. В то же время Intel в сотрудничестве с Hewlett-Packard начала работу над своим продуктом Itanium (кодовое название Merced) с тактовой частотой 800 МГц, от 2 до 4 МБ скрытой памяти L3 и TDP 60 Вт.
Текущее положение дел
В 2004 году 500 сотрудников MCST, включая Бориса Бабаяна, перешли в Intel. До этого американская компания работала в России 12 лет, но после переезда Бабаяна и его коллег число сотрудников российского подразделения удвоилось. В то же время Intel смогла использовать более сотни патентов США для защиты архитектурных решений «Эльбруса». Сам Бабаян объяснил свой переход в Intel как единственный способ коммерческой реализации хорошей идеи:
«Когда мы вели переговоры с Intel, мы поняли, что, возможно, придется действовать иначе, чем раньше. Однако, ознакомившись с планом развития компании, мы увидели так много новых идей и сфер применения наших знаний и опыта, что согласились без колебаний. Конечно, работа с лидерами отрасли — это процесс взаимного обогащения и единственный способ коммерческой реализации хорошей идеи. Мы надеемся, что через несколько лет наши разработки станут частью самых распространенных в мире компьютерных систем.
В Intel Бабаян занимает должность директора по архитектуре в подразделении программных решений. Бабаян — первый европейский ученый, получивший звание Intel Fellow за вклад в развитие компьютерной индустрии. Кроме него, 85 сотрудников компании, насчитывающей около 85 000 работников по всему миру, были названы стипендиатами Intel.
В результате MCST потеряла несколько ценных руководителей, включая главного научного сотрудника, а также свою интеллектуальную собственность. Тем не менее, рост Эльбруса не прекращается. Для России производство собственных процессоров является вопросом национальной безопасности, и основными клиентами МЦСТ является Министерство обороны. Процессоры постоянно совершенствуются, но, конечно, им еще далеко до Intel в решении повседневных задач.
Владимир Пентковский умер в США в 2012 году в возрасте 66 лет. Он участвовал в разработке еще многих поколений процессоров Intel, и многие из его решений еще долго будут использоваться в наших компьютерах.
Вскоре после этого к команде присоединился новый соучредитель, инженер Эндрю Гроув. Название NM Electronics было изменено на Intel. Инженеры объединили свои усилия с целью сделать память на основе полупроводников максимально практичной и доступной для рядового пользователя.
Почему так важен «чистый» кремний, как на него наносят транзисторы и при чем тут закон Мура
Процессоры изготовлены из кремния — благодаря внутренней атомной структуре, подходящей для таких целей. Конечно, процесс «добычи» кремния, не говоря уже об использовании транзисторов и других компонентов, еще более дорогостоящий и сложный. Именно по этой причине микропроцессоры сегодня в основном «воспроизводятся» горсткой производителей по всему миру. В их число входят Intel, Samsung и TSMC.
Кремний добывают из песка. Он подвергается химической обработке в течение длительного периода времени для получения так называемого «чистого» кремния (уровень чистоты которого составляет 99,9 %), который затем используется для производства специальных кристаллов. Для этого кремний расплавляется, и внутрь него помещается маленький кристалл, который формирует вокруг себя еще один слой кристаллической решетки.
Этот процесс повторяется несколько раз, так что получается большой цилиндрический монокристалл весом около ста килограммов. Он разрезается алмазной пилой на кусочки диаметром около 30 сантиметров — вы наверняка видели такие кусочки на картинках, иллюстрирующих производство микроэлектроники, — и транзисторы «печатаются» на нем после тщательной полировки.
Мы уже рассказывали о деталях этого процесса в другой статье. Короче говоря, эти пластины облучаются светом для создания мельчайших деталей будущих интегральных схем. Первоначально для фокусировки световых лучей на поверхности светочувствительной кремниевой пластины использовалась система линз и зеркал, которые проходили через заранее подготовленный трафарет и отпечатывали схему на пластине.
Со временем процесс был усовершенствован. Вначале источником света для литографии служила ртутная лампа. Позже длина волны света была уменьшена путем перехода от ламп с парами ртути к лазерам со смесями различных газов. Следующее поколение лазерных технологий — это устройства, излучающие свет с длиной волны 193 нанометра.
Наконец, появилась технология EUV — сверхжесткий ультрафиолетовый свет с длиной волны 13,5 нанометров. Эта технология настолько сложна и уникальна, что только одна компания в мире работает над ней на высоком уровне — ASML, которая поставляет другим производителям электроники оборудование для «печати» компонентов системы на кремниевых пластинах с требуемой точностью.
Уменьшая длину волны, можно разместить на кремнии больше транзисторов, увеличивая мощность чипа при сохранении исходных размеров. Возможно, вы слышали о законе Мура, который гласит, что количество транзисторов на чипе удваивается каждые два года.
Теперь выясняется, что это скорее наблюдение инженера Intel, чем незыблемое правило. Но он придал понятию технологического процесса «ярлык», который производители электроники (будь то сами процессоры или смартфоны, компьютеры и другое оборудование на их основе) любят сегодня навешивать на презентации.
Сегодня «нанометровый техпроцесс» — это обычное число, обозначающее более высокую плотность транзисторов или большее их количество по сравнению с прошлым.
Что такое «система на чипе»
После нанесения необходимых компонентов на печатную плату, ядро процессора снабжается контактами, чтобы его можно было вставить в материнскую плату, и все это закрывается сверху. Последний выполняет несколько функций: С одной стороны, он защищает дорогостоящий чип с его миллиардами транзисторов, а с другой стороны, служит для отвода тепла во время работы чипа — воздушные или водяные кулеры не просто ставятся поверх крышки.
В какой-то момент стало ясно, что чипы стали настолько малы, что не только центральный процессор, но и другие компоненты, такие как графический чип (GPU), радиомодули и модемы, могут поместиться под одной защитной крышкой. Решение, в котором все критически важные компоненты компьютера находятся рядом друг с другом на одной интегральной схеме, называется «система-на-чипе» или system-on-chip (SoC).
Фактически, такие «системы-на-чипе» используются почти во всех современных мобильных устройствах: Смартфоны, планшеты, умные часы. В первую очередь из-за их относительно небольших размеров и более низкого энергопотребления и тепловыделения, которые способствуют мобилизации технологии. Однако долгое время производительность этих SoC оставалась значительно ниже по сравнению со «зрелыми» центральными процессорами (CPU) и графическими процессорами (GPU) не только в ПК, но и в ноутбуках.
Несколько лет назад все было так: существовали мощные процессоры (как GPU, так и CPU) для настольных компьютеров от таких гигантов, как AMD и Intel, и относительно слабые «системы на чипе» (когда все компоненты собраны вместе) на базе архитектуры ARM для портативных карманных компьютеров — и эти два мира долгое время никак не пересекались.
Но к концу 2020 года ситуация изменилась по указанию Apple. Оказалось, что такие «системы-на-чипе» не только сравнимы со своими «взрослыми» аналогами по производительности, но даже могут превосходить их, имея преимущество в виде гораздо меньшего энергопотребления. Компания Apple сделала рискованный шаг, перейдя от ноутбуков и настольных компьютеров к процессорам, которые изначально использовались только в портативных устройствах. Компания не была первой, кто принял такое решение, но она была, по крайней мере, одной из первых, кто сделал это успешно.
Будущее — за ARM? И при чем тут Apple
Десятилетия назад не существовало так называемых языков программирования «высокого уровня», таких как Python, поэтому все инструкции приходилось писать в машинном коде, и каждая такая инструкция означала указание процессору. В целом, процесс отнимал много времени и, прежде всего, был громоздким — каждая программа была очень длинной и трудночитаемой.
Этот подход получил название RISC (Reduced Instruction Set Computing). По мере совершенствования технологии RISC начала развиваться в двух направлениях — появились архитектуры x86 и ARM. Первый — для «зрелых» и мощных компьютеров с процессорами от Intel или AMD, которые могут выполнять инструкции на основе технологии CISC (Complex Instruction Set Computing), второй — для относительно небольших мобильных устройств с низким энергопотреблением, выполняющих улучшенные и более простые инструкции RISC.
Чтобы немного упростить ситуацию: Когда мы говорим CISC, мы подразумеваем «классические» процессоры Intel или AMD, когда мы говорим RISC, мы подразумеваем мобильные «системы на чипе», такие как Apple или Samsung. Чтобы создать процессор x86, производитель должен сам придумать и спроектировать все транзисторы и соединения между ними. Это сложно и дорого. С ARM ситуация иная: любая компания может купить лицензию и создать собственный процессор с этой архитектурой, изменить компоновку и добавить другие модули.
Сложность заключается в том, что программы, созданные для CISC (т.е. x86, большие настольные процессоры), не могут быть прочитаны RISC-чипами (ARM, мобильные варианты) из-за разного набора инструкций. Поэтому до недавнего времени нельзя было просто запустить программу, созданную для смартфона, на компьютере.
Решение Apple перевести свои компьютеры на чипы ARM, которые аналогичны тем, что стоят в iPhone и понимают команды RISC-процессоров, считается революционным, поскольку компания нашла для них способ читать программное обеспечение, разработанное для старых процессоров Intel с архитектурой x86. Другими словами, последнее поколение компьютеров Apple с фирменными чипами M1 на базе архитектуры ARM является универсальным и сочетает в себе лучшее из двух миров: Производительность, энергоэффективность и возможность чтения программного обеспечения, разработанного для обоих типов устройств.
Последуют ли этому примеру другие гиганты, такие как Intel и AMD? Пока нельзя сказать наверняка. Тем не менее, их «классические» процессоры показывают не меньшую, если не большую, пиковую производительность. Кроме того, их процессоры в массовом сегменте обычно предназначены для компьютеров с операционной системой Windows, а Microsoft еще не оптимизировала операционную систему для чтения программ для обеих архитектур.
14,2″ 3024 x 1964 IPS, 120 Гц, бесконтактный, Apple M1 Pro (8 ядер), 16 ГБ, 512 ГБ SSD, встроенная графика, Mac OS, серебристый цвет корпуса
