История микропроцессоров: появление и развитие

Время чтения: 26 минут

На заре существования американская компания Intel ориентировалась исключительно на разработку микросхем памяти. В 1970 году она представила модели полупроводниковой динамической памяти, которые по характеристикам серьёзно опережали ещё широко распространённую в то время память на магнитных сердечниках. Эти ранние продукты определили успешное и богатое на инновации будущее компании. Их следующий продукт — первый в мире микропроцессор — был успешным и изменил ход развития сферы информационных технологий.

Проект, который и привёл к созданию микропроцессора, возник в 1969 году, когда японская компания Busicom (Business Computer Corporation, бывшая Nippon Calculating Machine Corporation) обратилась к Intel за разработкой набора из 12 микросхем для своего нового печатающего калькулятора Busicom 141-PF. Маршиан Эдвард «Тед» Хофф, инженер Intel, назначенный главой проекта, считал, что изготавливать набор из 12 микросхем экономически нецелесообразно. Он предложил упростить конструкцию калькулятора, перенеся часть функций на специально спроектированный процессор, работающий по программе и способный заменить собой часть микросхем набора. Вместе с Федерико Фаджином, впоследствии основавшим компанию Zilog, Тед Хофф разработал схему, состоящую всего из четырёх микросхем:

Компания Busicom, поначалу настроенная скептически, наконец дала добро Intel на проектирование. Девять месяцев спустя компания успешно завершила проект. Примечательно, что четырёхбитный 4004, состоящий всего из 2300 транзисторов, вытравленных на крошечном кристалле кремния, мог выполнять 60 000 (в среднем) операций в секунду, что делало его таким же мощным, как и некоторые образцы компьютеров той эпохи, которые собирались на отдельных дискретных транзисторах и могли занимать целое помещение.

Но, несмотря на успех с Busicom, в самой Intel были разногласия по поводу более широкого применения микропроцессора. Они договорились с Busicom об оставлении за собой прав на разработку и продолжили его дальнейшее совершенствование. Первые полностью функциональные 4004 были доступны в марте 1971 года, а первое публичное представление состоялось в ноябре.

Газетный заголовок гласил: Intel «объявляет новую эру интегрированной электроники». 4004 — первый в истории однокристальный микропроцессор, который стал коммерчески доступен. Он был 4-разрядный, разработанный для калькуляторов и других встраиваемых систем. Работая на тактовой частоте 740 кГц, 4004 мог выполнять до 92 000 инструкций в секунду, имел доступ к 4 КБ ПЗУ и 640 байтам ОЗУ. Он был включён в комплект микросхем («чипсета») MCS-4, куда входили:

Прослеживая историю разработки, рассмотрим векторы и движущие силы развития микропроцессоров. В разделе будут рассмотрены лишь некоторые из популярных представителей и их семейств, так как полностью осветить тему развития микропроцессорной электроники в рамках статьи невозможно.

Итак, эволюцию микропроцессоров можно разделить на пять поколений: от 1971 года и до настоящего времени.

Микросхемы, разработанные тогда, назывались микропроцессорами первого поколения. Они обрабатывали инструкции последовательно, то есть извлекали из памяти, декодировали, а затем выполняли. Когда инструкция была завершена, микропроцессор обновлял указатель инструкции (команды) и извлекал следующую. Яркий представитель первого поколения — Intel 4004 — это полноценный 4-битный центральный процессор (ЦП).

4004 может взаимодействовать с клавиатурой, принтером, портами ввода/вывода и другим периферийным оборудованием. Он может напрямую адресовать 4 КБ ПЗУ и 640 байт ОЗУ. Для временного хранения данных предусмотрено 16 индексных регистров. 4004 также может напрямую адресовать до 16 4-битных портов ввода и столько же — вывода. Микросхема 4004 изготовлена по технологии PMOS, базирующейся на p-канальных полевых транзисторах.

За Intel 4004 в 1972 году последовал 8008 — первый в мире 8-разрядный микропроцессор. Он не был «доработкой» 4004, а представляет собой кульминацию развития другого проекта, возникшего в результате контракта с компанией Computer Terminals Corporation из Сан-Антонио, штат Техас.

В 1969 году Computer Terminals Corporation заключила контракт с двумя компаниями, Intel и Texas Instruments, на создание однокристального микропроцессора 1201. В конце 1970 года Texas Instruments вышла из проекта из-за проблем с надёжностью предварительных образцов. В 1970 году, когда Intel ещё не полностью разработала требуемый микропроцессор, Computer Terminals Corporation решила использовать собственную разработку, изготовленную по устаревшей технологии TTL (ТТЛ), базирующейся на биполярных транзисторах.

Версия 1201 от Intel появилась слишком поздно — в конце 1971 года, была слишком медленной и требовала ряда дополнительных вспомогательных микросхем. Computer Terminals Corporation не была заинтересована в её использовании. Изначально она должна была выплатить Intel по контракту 50 000 долларов (по тем временам огромная сумма) за разработку микропроцессора. Чтобы не платить за микросхему, которая им не была нужна, она освободила Intel от контрактных обязательств и позволила использовать разработку без ограничений.

Так в апреле 1972 года Intel выпустила 1201 на рынок под обозначением 8008. Позже он стал основой для знаменитого компьютерного комплекта Mark-8, ставшего бестселлером в 1974 году.

Менее известными представителями первого поколения были PPS-4 (4-битный) компании Rockwell International и IMP-16 (16-битный) компании National Semiconductor.

Во второй половине 1970-х технология производства уже позволяла размещать на одном кристалле до нескольких десятков тысяч транзисторов, ознаменовав открытие второго поколения. Оно дало миру несколько поистине легендарных представителей, к примеру, этих:

Это поколение уже имеет параллельное чтение, декодирование и выполнение инструкций. Когда первая инструкция исполняется, вторая декодируется, а третья извлекается из памяти. Разница между первым и вторым — в более прогрессивной технологии выпуска полупроводниковых приборов — NMOS, базирующейся на n-канальных полевых транзисторах. Эта новая технология привела к пятикратному увеличению скорости выполнения инструкций при меньшем энергопотреблении.

Intel 8080

Он стал огромным источником идей по совершенствованию. Начиная с середины 1972 года эти идеи были использованы для создания Intel 8080. Процессор мог выполнять больше инструкций, адресовать до 64 КБ памяти, имел 256 портов ввода/вывода и мог выполнять 16-битные арифметические инструкции и векторные прерывания.

Среди разработчиков 8080 были некоторые ключевые специалисты, ответственные за 4004 и 8008, к примеру, Федерико Фаггин и Масатоси Шима. 8080 был представлен в начале 1974 года по цене 360 долларов. Он был разработан по 6-микронной технологии NMOS и содержал 6000 транзисторов. 40-выводной корпус позволял использовать отдельные физические шины адреса и данных.

Первые 8080 работали на частоте 2 МГц и обладали производительностью 0.64 миллиона инструкций в секунду (Million Instructions Per Second, MIPS). В отличие от 4004 и 8008, 8080 быстро приобрёл популярность среди разработчиков. Он был использован во множестве продуктов, наиболее значимым из которых стал легендарный микрокомпьютерный набор Altair 8800 компании MITS.

Altair 8800 продемонстрировал, что для микропроцессоров существует потребительский рынок, выходящий за рамки традиционных встраиваемых систем — бытовых и промышленных персональных компьютеров.

Motorola 6800

Компания Motorola вышла на рынок микропроцессоров в 1974 году с 8-разрядным процессором 6800. Он содержал 4000 транзисторов и был изготовлен по технологии NMOS, обладая существенными достоинствами на фоне 8080 от Intel. К примеру, повышенной производительностью и потребностью только в одном источнике питания 5 вольт (вместо ±5 и +12 вольт, требующихся 8080). 6800 содержал всего два 8-разрядных регистра общего назначения и один индексный регистр, что означало, что он ориентирован преимущественно на работу с данными в памяти. Поскольку память в те времена была быстрее микропроцессоров, прямая работа с ней не приводила к снижению производительности. Motorola выпустила специальную версию 6800 для General Motors, а затем для Ford. Это положило начало огромному рынку электронных блоков управления (ЭБУ) автомобилей, на котором Motorola с тех пор доминирует.

Zilog Z80

Упомянутые ранее Федерико Фаггин и Масатоси Шима покинули Intel в 1975 году, чтобы основать компанию Zilog, которая впоследствии выпустила ультрапопулярный Z80. 2.5-мегагерцовый Zilog Z80 был выпущен в 1976 году и обеспечивал совместимость с 8080, а также имел множество существенных улучшений. Набор инструкций был расширен и включал команды перемещения и ввода/вывода блоков.

Для лучшей поддержки прерываний и операционных систем (ОС) был добавлен второй набор регистров. Z80 позволял упростить схему компьютера, предоставляя важные сигналы обновления динамической памяти с произвольным доступом (Dynamic Random Access Memory, DRAM) и встроенную схему тактирования, которой требовался лишь внешний кварцевый резонатор, и всё.

Z80 превзошёл 8080 по продажам, став предпочтительным во многих приложениях. Один из первых микрокомпьютеров — Tandy TRS-80 — был представлен в 1977 году. TRS-80 включал в себя процессор Z80, 4 КБ ОЗУ, 4 КБ ПЗУ, клавиатуру, чёрно-белый дисплей и накопитель на магнитной ленте. Цена комплекта составляла всего 600 долларов. За первые несколько месяцев были проданы тысячи экземпляров, что превзошло все ожидания.

Он также стал основой для культового британского микрокомпьютера ZX Spectrum, популярного среди энтузиастов даже сегодня, а также в качестве основного или вспомогательного процессора многих игровых консолей, к примеру, Sega Genesis (Mega Drive). По сей день Z80 остаётся популярным для встраиваемых систем.

Другие заслуживающие внимания микропроцессоры

8-разрядный RCA 1802, представленный в 1974 году, в отличие от конкурентов того времени, был разработан с применением CMOS (КМОП), позволяющей ему работать на экстремально низкой тактовой частоте, снижая тем самым энерго- и тепловыделение до минимума. Этот факт и наличие отказоустойчивых и радиационно стойких версий на сапфировой подложке позволили использовать RCA 1802 в аэрокосмической и военной отраслях.

8-разрядный однокристальный National Semiconductor SC/MP (Simple Cost-effective Micro Processor), представленный в 1976 году, был первым чипом, поддерживающим несколько ведущих устройств на системной шине компьютера, что стало первым шагом развития многопроцессорных систем. Процессор был разработан для систем с минимальным количеством дополнительных микросхем и вспомогательных электронных компонентов: в некоторых случаях он даже не нуждается в кварцевом резонаторе.

TMS9900 от Texas Instruments, представленный в 1976 году, был первым однокристальным 16-разрядным микропроцессором. Удивительно, но факт, что архитектура этого микроконтроллера была основана на архитектуре мини-компьютера Texas Instruments 990: по сути, TMS9900 стал однокристальной версией 990 (в котором задачи центрального процессора выполнял целый набор микросхем). Особенность архитектуры — поддержка многозадачности с использованием программно переключаемого набора регистров процессора, что позволяло быстро переключать контекст между параллельно выполняемыми программами.

Взявшее начало в 1978 году, оно было представлено наиболее удачными процессорами Intel 8086 (именно он «главный герой» этой статьи) и Motorola MC68000 — 16- и 32-разрядными микропроцессорами с производительностью, сравнимой с производительностью мини-компьютеров того времени. Третье поколение появилось, когда число транзисторов в интегральных схемах приблизилось к 250 000. Выпущенный в то же время Zilog Z8000 — прямой последователь успешного Z80 — имел много своеобразных и не совсем удачных решений (к примеру, полная несовместимость с программами для Z80), что в итоге не дало ему стать сколько-нибудь распространённым.

Intel 8086

Выпущенный в 1978 году, он был первым 16-разрядным микропроцессором от Intel и заложил основу для архитектуры x86, которая до сих пор используется в большинстве современных компьютеров. 8086 имел 16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса, что позволяло ему адресовать до 1 МБ памяти. Память разбивалась на сегменты по 64 КБ.

Процессор следующего поколения Intel 80286 расширил адресное пространство до 16 МБ, но по-прежнему использовал сегменты размером не более 64 КБ и только в защищённом режиме (Protected Mode), в отличие от реального режима (Real Mode) 8086, адресное пространство которого ограничено 1 МБ. 8086 стал одним из первых массовых микропроцессоров, использовавших конвейеризацию выполнения инструкций, что повышало его производительность.

Motorola 68000

Появившийся годом позже, он стал прямым конкурентом 8086. 68000 — не один микропроцессор, а целое семейство третьего и четвёртого поколения, каждый представитель которого имел особенности.

К примеру, 68000 имел механизм конвейерного выполнения инструкций; 68010 имел поддержку виртуальной памяти, обеспечивающей бо́льшую безопасность работы в многозадачном режиме. 68020 стал первым 32-разрядным (68000 и 68010 имели 16-разрядное арифметико-логическое устройство, АЛУ), а также одним из первых стал использовать размещённую непосредственно на кристалле процессора кэш-память.

Хотя это семейство не стало столь популярно, как 8086, всё же оставило след в истории и использовалось во многих легендарных компьютерах и игровых консолях. К примеру, Apple Lisa, Macintosh и Sega Genesis (Mega Drive).

Начало четвёртого поколения приурочим к дате, когда количество транзисторов на кристалле перевалило за 1 миллион, а 32-разрядные микропроцессоры стали в порядке вещей. Первый 32-разрядный чип от Intel был iAPX-432, который имел революционные возможности и должен был заменить семейство x86, из-за ограниченных технологических возможностей того времени изготовить не представлялось возможным. Таким образом архитектура x86 продолжила своё существование: увидели свет ещё 16-разрядный 80286, а затем полноценные 32-разрядные 80386 и 80486, затем — в середине 1990-х годов — Intel Pentium, который ознаменовал начало пятого поколения. Motorola представила 68020 и 68030 и другие, а также семейство 88000, не имевшее коммерческого успеха из-за внутренней конкуренции с предыдущим успешным семейством 68000.

Первым 32-битным Intel был упомянутый ранее iAPX-432, представленный в 1981 году, но так и не обрётший коммерческого успеха. У него была витиеватая система команд, работающая со сложными данными, но низкая производительность по сравнению с архитектурой x86. К примеру, с 80286 (представленным в 1982 году), который был почти в четыре раза быстрее на типичных тестах производительности.

Успех Motorola с 68000 привёл к появлению 68010, в котором была реализована поддержка виртуальной памяти. 68020, представленный в 1984 году, имел полноценные 32-разрядные шины данных и адреса. 68020 стал чрезвычайно популярен на рынке высокопроизводительных микрокомпьютеров, и многие небольшие компании начали выпускать системы настольного размера. Следующим представлен 68030, в котором блок управления памятью был интегрирован непосредственно в микропроцессор, а не выполнялся в виде отдельных микросхем.

Дальнейший успех привёл к появлению 68040, в котором математический сопроцессор стал частью кристалла. 68050 не смог достичь обещанной производительности и не был выпущен, а последующий 68060 вышел на рынок слишком поздно и не смог «тягаться» с уже на «голову» более быстрыми моделями других производителей. Семейство 68000 исчезло из домашних компьютеров в начале 1990-х годов. Другие крупные компании разработали свои реализации 68020 и последующие версии для работы во встраиваемых системах. В какой-то момент во встраиваемых системах было больше процессоров 68020, чем процессоров Intel Pentium в персональных компьютерах.

Количество транзисторов в устройствах пятого поколения превысило 10 миллионов. Себестоимость даже высокопроизводительных микросхем снизилась на несколько порядков, что повлекло снижение стоимости персональных компьютеров и их массовое распространение. До этого времени компьютер был уделом науки или бизнеса, а в домашнем сегменте доминировали игровые компьютеры, подключаемые к телевизору. Появляются 64-разрядные модели, семимильными шагами увеличивается тактовая частота работы ядра, системной шины, шины данных и памяти. Также растёт количество ядер процессора, что приводит к появлению 2 и 4-ядерных Intel Pentium и AMD Athlon и их упрощённых разновидностей Celeron и Duron с тактовой частотой до 3.5 ГГц.

Хотя 64-разрядные процессоры были известны ещё с начала 1990-х годов (преимущественно для специализированных компьютеров), но в сегменте ПК они появились лишь в начале 2000-х годов. С внедрением компанией AMD 64-битной архитектуры, обратно совместимой с x86 — так называемой x86-64 — а затем почти полностью совместимых с ней 64-битных процессоров от Intel, началась эра высокопроизводительных персональных компьютеров. Обе линейки запускают устаревшие 32-битные приложения без потери производительности, но тяготеют всё же к современным 64-битным. Появляются 64-разрядные версии всех популярных операционных систем; разработка и поддержка 32-разрядных версий прекращается.

В 2011 году британская компания ARM Limited представила новую версию одноимённой архитектуры ARM: устройства имеют низкое энергопотребление и тепловыделение в совокупности с высокой производительностью и компактными размерами. Такое удачное сочетание качеств отлично подходит для мобильной техники и встраиваемых систем. Сегодня подавляющее большинство мобильных устройств оснащено процессорами архитектуры ARM.

С 2012 года появляется конкурирующая с Intel Core линейка процессоров AMD — FX, а затем и Ryzen. Обе линейки идут рука об руку, наращивая количество как физических ядер, так и виртуальных — потоков. Повышению вычислительной мощности помогло появление технологий Turbo Boost, позволяющей процессору увеличивать тактовую частоту сверх номинальной в моменты наивысшей вычислительной нагрузки, Hyper-Threading, позволяющей одному физическому ядру обрабатывать несколько потоков одновременно и некоторых других.

Наиболее современные высокопроизводительные микропроцессоры (сведения на 2025 год) имеют 32–64 физических ядер, работающих на номинальной тактовой частоте порядка 3.5 ГГц с возможностью повышения до 5.5 ГГц, показывая производительность примерно в 1.5 миллиона раз более высокую, чем первый Intel 4004. Технологический процесс производства («техпроцесс») был уменьшен от «огромных» 10 микрометров у 4004 до 5 нанометров у современных версий, которые впору уже называть не «микро», а «нанопроцессорами».