Zgodovina procesorjev

Zgodovina procesorjev

Zgodovina procesorjev se začne decembra 1947, ko so trije inženirji podjetja Bell Telephones, William Shockley, Walter Brattain in John Bardeen, izumili tranzistor.

Do takrat (in še nekaj let zatem) so osnovo računalnikov sestavljale med seboj povezane elektronke. Tranzistorji so elektronke hitro nadomestili, saj so bili manjši, zanesljivejši in cenejši. Srce računalnika je bilo množica tranzistorjev, povezanih z žicami. Leta 1952 je radarski strokovnjak G. W. Dummer predlagal, da bi žice med tranzistorji nadomestili s ploščo, na kateri bi bile povezave med posameznimi elementi, pričvrščenimi na ploščo.

Zamisel je postala temelj za vsa današnja integrirana vezja. Prvi računalnik na tranzistorje so izdelali štiri leta pozneje na univerzi MIT, istega leta, kot so izumitelji tranzistorja dobili Nobelovo nagrado. Čeprav so tranzistorje na podlagi silicija v Texas Instruments začeli izdelovati že leta 1954, je še vedno šlo za posamezne polprevodniške elemente. Leta 1958 pa je Jack Kilby, inženir v istem podjetju, na kos germanija, dolg dober centimeter in s premerom okoli dva milimetra, nanizal pet elementov. Izum integriranega vezja pa poleg Texas Instruments pripisujejo tudi podjetju Fairchild Semiconductors, saj je nekaj mesecev pozneje podoben podvig uspel tudi Robertu Noycu, le da za izdelavo svojega vezja ni uporabil germanija, temveč plast silicijevega oksida na ploščici silicija, na kateri so bile aluminijaste povezave med posameznimi elementi.

V praktično rabo so integrirana vezja prišla v začetku šestdesetih let. Čeprav so bila integrirana vezja v šestdeseti letih po zasnovi dokaj podobna današnjim procesorjem, pri njih ni šlo za prave procesorje. Izdelana so bila po naročilu, za vsakega kupca posebej, in če so jih želeli uporabiti v drugi napravi z drugačnim namenom, je bilo treba vezje sestaviti na novo.

Za izum procesorjev je bilo prelomno leto 1968, ko sta Robert Noyce in Gordon Moore, ki je postavil tako imenovani Moorov zakon, ustanovila podjetje Intel, Wayne Pickette pa je pri Fairchildu predlagal izdelavo računalnika, ki bi temeljil na samo enem integriranem vezju oziroma čipu. Polprevodniški velikan je njegovo ponudbo zavrnil. Leto pozneje so odpadniki iz Fairchilda ustanovili podjetje AMD, ki pa vsaj sprva ni igralo velike vloge pri razvoju procesorjev. Intel se je konec šestdesetih preživljal predvsem z izdelovanjem pomnilniških elementov, med drugim je bil prvi, ki je na trgu predstavil pomnilniški element z zmogljivostjo en kilobit.

Kljub temu je sprejel ponudbo podjetja CTC, ki je želelo približno sto elementov za svoje računalo, ki bi sestavljali namenski 8-bitni procesor računala. Intel je ponudil, da bi elemente skrčil v eno samo vezje. V istem času so na vrata Noyca in Moora potrkali tudi predstavniki japonskega podjetja Busicom, ki so prav tako želeli elektronsko srce za svoje računalo, sestavljeno iz dvanajstih namenskih vezij. Intelovi inženirji so dognali, da bi izdelava sestavnih delov stala več, kot je bila predvidena cena računala, zato so za rešitev uporabili eno samo štiribitno integrirano vezje, ki ga je bilo mogoče programirati, da je opravljalo funkcije računala. Pri Busicomu so njihovo rešitev sprejeli in podpisali ekskluzivno pogodbo za uporabo omenjenega vezja. Leta 1971 se je tako rodil prvi mikroprocesor, Intel 4004.

  

Od zamisli do končne rešitve pa je minilo še kar nekaj časa, po Busicomovem mnenju preveč, in prišlo je do razkola med podjetjema. Intel, ki je 4004 prodajal pod ceno in je dohodek načrtoval pri prodaji pomnilniških vezij za novi čip, je od Busicoma za 56.000 dolarjev odkupil pravico za uporabo vezja v katerikoli napravi, razen v računalih. S tem se je začel Intelov pohod v sam vrh računalniške industrije (ob čemer je zanimivo, da se je z Microsoftovim nakupom okolja DOS za podobno vsoto, 50.000 dolarjev, dobrih deset let pozneje začel pohod na vrh še enega današnjega velikana v tej industriji).

4004 bi bil po zdajšnjih merilih prav smešno nezmogljiv, v takratnem času pa je pomenil pravo revolucijo. Narejen je bil v osemmikronski tehnologiji in je deloval s taktom 108 kHz. Sestavljalo ga je 2300 tranzistorjev. Stal je 200 dolarjev. Znal je samo seštevati in odštevati po dve štiribitni števili, njegov strojni jezik pa je obsegal 45 ukazov. Revolucionarno pri novem Intelovem izdelku je bilo predvsem dejstvo, da so lahko njegovo delovanje nadzorovali s programom, ki je bil zapisan v pomnilniku, pri prejšnjih integriranih vezjih pa je bil »program« sestavni del strojne zasnove vezja.

Poleg procesorja 4004 je Intel predstavil celo družino izdelkov 4000. Tako je poleg procesorja predstavil še 2k ROM čip 4001, pomnilnik 4002 z zmogljivostjo 320 bitov in 10-bitni vhodno-izhodni register 4003.

Podjetje CTC, ki se je medtem preimenovalo v Datapoint, je odpovedalo svoje naročilo za vezje računala in v zameno za stroške razvoja, ki jih je prevzel Intel, vse pravice zanj prodalo izdelovalcu. Vezje Intel 1201, namenjeno Datapointovemu računalu, je tako postalo osnova za Intelov prvi 8-bitni procesor, 8008. Kupci so novi procesor sicer dobro sprejeli, vendar pa so Intelu posredovali kar nekaj pripomb. Tako so želeli večjo hitrost, lažje programiranje in več vhodno-izhodnih funkcij.

Leta 1974 je bil tako predstavljen Intel 8080, verjetno najpomembnejši in najbolj široko uporabljan procesor v zgodovini. Imel je 6000 tranzistorjev in bil narejen v 6-mikronski tehnologiji, deloval pa je s taktom 2 MHz. Glavni inženir pri projektu, Frederico Faggin, je še isto leto zapustil Intel in ustanovil podjetje Zilog, pozneje znano po dokaj široko uporabljanem procesorju Z80, sicer izpeljanki Intelovega izdelka. Tudi Motorola je kmalu zatem objavila svoj, resda zapozneli vstop na trg procesorjev in predstavila procesor M6800, ki je po zmogljivostih podoben 8080, a ga je precej laže programirati. Motorola je imela takrat dobre povezave z avtomobilsko industrijo, tako da je novi procesor v svojih avtomobilih kot programabilne mikrokrmilnike uporabila večina ameriških izdelovalcev avtomobilov. Med pomembnejše izdelovalce procesorjev pa se je v tem času prebilo tudi podjetje MOS, ki je s procesorjem 6502 pridobilo nekatere, v prihodnosti znane kupce. Med drugim so bili na podlagi njihovih procesorjev zgrajeni Apple II, Commodore 64 in računalniki podjetja Acorn.

Konec sedemdesetih sta tako Intel kot Motorola napovedala prve 16-bitne procesorje s svojih proizvodnih trakov, Intel 8086 in M68000. 8086 je bil desetkrat zmogljivejši od 8080. Sestavljalo ga je kar 29.000 tranzistorjev, deloval pa je s taktom od pet do deset MHz. Ker pa je bila večina preostalih elementov takratnih računalnikov namenjena osembitnim procesorjem, je Intel izdal tudi okrnjeno različico šestinosemdesetice, procesor 8088. Ta je bil po notranji zasnovi sicer enak 8086, vendar je imel le 8-bitno podatkovno vodilo, s čimer je bil združljiv z drugimi osembitnimi vezji, vendar je bil zaradi tega tudi precej manj zmogljiv od svojega povsem šestnajstbitnega brata.

Intel je v marketinški kampanji za 8086 napovedal dolgoletno podporo arhitekturi x86. S tem je želel prepričati kupce k nakupu svojih procesorjev, ki so po zmogljivostih malo zaostajali za Motorolinimi in Zilogovimi, saj naj bi njihova zavezanost združljivosti poskrbela, da bo programska oprema, napisana za 8086 in 8088, tekla tudi na naslednjih rodovih njihovih izdelkov. S kampanjo so zadeli žebljico na glavico, saj se je prav iz tega razloga IBM odločil za vstop na trg osebnih računalnikov uporabiti Intelov procesor, in sicer manj zmogljivi 8088, ki je bil cenejši. S tem je Intel postal daleč najpomembnejši izdelovalec procesorjev.

8088 so sledili 80186, ki je bil uporabljan predvsem kot mikrokrmilnik, medtem ko ga v modelih PC nismo opazili, in leta 1982 procesor 80286, ki je bil prvi pravi 16-bitni procesor v računalnikih IBM in z njimi združljivih osebnih modelih. Takrat pa so že nastali programi, ki so za svoje delovanje potrebovali večjo zmogljivost in 16-bitni procesorji enostavno niso zadovoljili njihovih potreb. Najbolj znano med njimi je bilo Microsoftovo okolje Windows.

Tako je Motorola leta 1984 predstavila 32-bitni 68020, ki je bil uporabljan predvsem v Commodorjevih in Applovih računalnikih, Intel pa leto pozneje 80386. Deloval je s taktom od 16 do 33 MHz in bil sestavljen iz 275.000 tranzistorjev. Isto leto je Intel tudi opustil proizvodnjo pomnilniških vezij, ki so mu v prvih letih obstoja rezala kruh, in se povsem usmeril na procesorje. S procesorjem 386 se je svet računalnikov PC prvič oddaljil od IBM (prvi PC z novim procesorjem je prišel iz Compaqa, ne iz IBM), merilo za združljivost pa sta postala procesorska arhitektura in operacijski sistem, ne več združljivost z računalniki IBM. Družino procesorjev 386 si lahko zapomnimo še po prvem opaznejšem prihodu AMD na trg procesorjev, združljivih z Intelovimi. AMD se je s svojimi procesorji Am386, predstavljenimi leta 1991, prvič postavil pred odtlej večnega tekmeca, saj so 386-ke podjetja AMD delovale s taktom največ 40MHz. Resda pa je takrat Intel že predstavil naslednji rod svojih izdelkov.

Do leta 1989 so »znali« procesorji za široko rabo neposredno obdelovati samo cela števila, za števila s plavajočo vejico pa so se uporabljali namenski procesorji (koprocesorji, na primer Intel 80387), ki so delovali ob glavnem ali pa je bilo računanje z njimi časovno potratnejše od tistega s celimi. Procesor Intel 80486 je bil prvi procesor s koprocesorjem za računanje s števili s plavajočo vejico. Takt delovanja je pri procesorjih 486 prvič presegel 100 MHz, pri njih pa se je prvič pojavil tudi faktor pomnoževanja – razmerje med taktom procesorja in vodila. Leta 1993 mu je sledil tudi AMD z Am486. Sledili so še procesorji Pentium (leta 1993), Pentium Pro (leta 1995), Pentium II (1997), Pentium III (1999) in Pentium 4, ki je bil predstavljen leta 2000.

AMD je do pred nekaj leti Intelu le sledil, saj njegovi procesorji K5 in K6 niso dosegali zmogljivosti konkurenčnih Intelovih izdelkov. Leta 1999 pa je predstavil procesor Athlon (oziroma K7), ki je bil takrat najhitrejši procesor, združljiv z arhitekturo x86, njegova izpeljanka, Athlon XP, pa je še danes poglavitno orožje AMD v boju z Intelovim Pentiumom 4.

Medtem se je na trgu znašlo še podjetje Cyrix, ki je tudi predstavilo procesorje, združljive z Intelom. Z njimi je po zmogljivostih sicer vedno zaostajalo za Intelom in AMD, vendar je z agresivnimi cenami odščipnilo del trga večjima konkurentoma. Cyrix je pred nekaj leti postal del tajvanskega velikana VIA, ki njihove procesorje razvija naprej in danes na trgu nastopa z njihovimi nasledniki pod imenom VIA C3.

Drugi izdelovalci v tem času seveda niso sedeli križem rok. Motorola je s svojimi procesorji 680x0 do srede devetdesetih opremljala računalnike podjetja Apple, nato pa skupaj z Applom in IBM predstavila nov rod procesorjev z imenom PowerPC, ki je prav tako kakor Pentium in poznejši Intelovi procesorji 32-biten s 64-bitnim vodilom. V svojih računalnikih njegove izpeljanke uporabljata Apple in IBM. Med izdelovalce procesorjev, ki si zaslužijo vsaj omembo, moramo prišteti še Sun s procesorji SPARC in DEC s prvim 64-bitnim procesorjem Alpha, namenjenim strežnikom, ki pa s svojimi izdelki nista dosegla večjega tržnega deleža. Sunovi procesorji se uporabljajo le v njihovih delovnih postajah, medtem ko je DEC zašel v finančno krizo in postal del Compaqa. Ta je DECove procesorje počasi opustil in namesto procesorjev Alpha v svojih strežnikih danes uporablja Intelove procesorje.

Sodobni procesorji imajo vgrajenih več jeder v procesorju. Take procesorje so razvili zato, da lahko opravljajo več opravil hkrati in to brez težav (npr. zmrzovanja, zakasnitve, ponovni zagoni …). Leta 2009 so bili najbolj prodajani dvojedrni procesorji, sedaj pa so množično uporabljani tudi štiri in več jedrni. Procesorski sistemi z več jedri so se najprej začeli pojavljati na področjih, ki so zahtevala zmogljivost; npr. pri strežnikih.