От электронных ламп к транзисторам

Современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей, кото­рые используются как для представления информации в двоичном коде (в виде двоичных единиц — битов), так и для управления ее обработкой. Эти электронные переключатели могут находиться в двух состояниях — "включено" и "выключено", — что позволяет использовать их для хранения двоичной информации.

В первых компьютерах использовались так называемые триоды — вакуумные лампы, изобретенные Ли Де Форестом в 1906 году (рис. 2.1). Триод состоит из трех основных эле­ментов, расположенных в стеклянной вакуумной лампе: катода, анода и разделяющей их сет­ки. При нагревании внешним источником питания катод испускает электроны, которые со­бираются на аноде. Сетка, расположенная в середине лампы, позволяет управлять потоком электронов. Когда на сетку подается ток отрицательного потенциала, электроны отталкива­ются от нее и собираются вокруг катода; при подаче тока положительного потенциала элек­троны проходят через сетку и улавливаются анодом. Таким образом, изменяя значение по­тенциала сетки, можно моделировать состояние анода "включено/выключено".

К сожалению, вакуумная лампа в качестве переключателя оказалась малоэффективной. Она потребляла много электроэнергии и выделяла большое количество тепла — весьма суще­ственная проблема для вычислительных систем того времени. Вакуумные лампы оказались ненадежными, главным образом из-за постоянного перегрева: в больших системах лампы приходилось менять каждые два часа или даже чаще.

Изобретение транзистора явилось одним из наиболее революционных событий эпохи ПК. В 1947 году инженеры Bell Laboratory Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзи­стор, который был представлен широкой общественности в 1948 году. Несколько месяцев спустя Уильям Шокли, один из сотрудников компании Bell, разработал модель биполярного транзистора. В 1956 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики

Интегральные схемы

В 1959 году сотрудники компании Texas Instruments изобрели интегральную схему — по­лупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов. В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что четырехъядерный процессор содержит в себе два двухъядерных, каж­дый из которых состоит из 291 млн. транзисторов. Таким образом, в корпусе одной микро­схемы процессора сосредоточена сила 582 млн. транзисторов.

Первый микропроцессор

Компания Intel была основана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом, Гордоном Муром и Эндрю Гроувом. Ученые поставили перед собой вполне определенную цель: создать практич­ную и доступную полупроводниковую память. Ничего подобного ранее не создавалось, учи­тывая тот факт, что запоминающее устройство на кремниевых микросхемах стоило, по край ней мере, в сто раз дороже обычной для того времени памяти на магнитных сердечниках. Стоимость полупроводниковой памяти достигала одного доллара за бит, в то время как запо­минающее устройство на магнитных сердечниках стоило всего лишь около цента за бит. Вот что сказал Роберт Нойс: "Нам было необходимо сделать лишь одно — уменьшить стоимость в сто раз и тем самым завоевать рынок. Именно этим мы в основном и занимались".

В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, намного превысив ем­кость существующих в то время микросхем. (1 Кбит равен 1024 бит, один байт состоит из 8 бит, т.е. эта микросхема могла хранить всего 128 байт информации, что по современным меркам ничтожно мало.) Созданная микросхема, известная как динамическое оперативное запоминающее устройство 1103 (DRAM), стала к концу следующего года наиболее продавае­мым полупроводниковым устройством в мире. К этому времени Intel выросла из горстки эн­тузиастов в компанию, насчитывающую более ста служащих.

Японская компания Busicom обратилась к Intel с просьбой разработать набор микросхем для семейства высокоэффективных программируемых калькуляторов. В то далекое время логиче­ские микросхемы разрабатывались непосредственно для конкретного приложения или про­граммы. Большинство заказанных микросхем было предназначено для выполнения строго оп­ределенного круга задач, поэтому ни одна из них не могла получить широкого распространения.

Первоначальная конструкция калькулятора компании Busicom предусматривала минимум 12 микросхем различных типов. Инженер компании Intel Тед Хофф отклонил данную концеп­цию и вместо этого разработал однокристальное логическое устройство, получающее команды приложения из полупроводниковой памяти. Этот центральный процессор работал под управле­нием программы, которая позволяла адаптировать функции микросхемы для выполнения по­ступающих задач. Микросхема была универсальной по своей природе, т.е. ее применение не ог­раничивалось калькулятором. Логические же модули других конструкций имели только одно назначение и строго определенный набор встроенных команд. Новая микросхема могла считы­вать из памяти набор команд, которые и использовались для управления ее функциями. Тед Хофф стремился разработать вычислительное устройство, размещенное в одной микросхеме и выполняющее самые разные функции в зависимости от получаемых команд.

С этой микросхемой была связана одна проблема: все права на нее принадлежали исклю­чительно компании Busicom. Тед Хофф и другие разработчики понимали, что данная конст­рукция имеет практически неограниченное применение, позволяя преобразовывать "несураз­ные" машины в настоящие интеллектуальные системы. Они настояли на том, чтобы Intel вы­купила права на созданную микросхему. Основатели Intel Гордон Мур и Роберт Нойс всяче­ски поддерживали создание новой микросхемы, в то время как другие сотрудники компании были обеспокоены тем, что это нанесет удар по основной деятельности Intel — продаже опе­ративной памяти. Каждый микрокомпьютер Intel, состоящий из четырех микросхем, содер­жал в те времена по два модуля памяти. Вот что сказал бывший коммерческий директор Intel: "Вначале я относился к этой архитектуре, как к способу выгодной реализации большого ко­личества микросхем памяти, и именно в это направление мы собирались вкладывать допол­нительные средства".

Компания Intel предложила Busicom вернуть заплаченные ею за лицензию 60 тыс. долла­ров в обмен на право распоряжаться разработанной микросхемой. Японская компания, нахо­дящаяся в тяжелом финансовом положении, согласилась. В это время ни один из производи­телей, равно как и сама Intel, не смог в полной мере оценить важность этого события. Как ока­залось впоследствии, именно эта сделка определила будущее Intel. В 1971 году появился первый 4-разрядный микрокомпьютерный набор 4004 (термин микропроцессор появился зна­чительно позже). Микросхема размером с ноготь большого пальца содержала 2300 транзисто­ров, стоила 200 долларов и по своим параметрам была сопоставима с первой электронно-вычислительной машиной ENIAC. Как уже отмечалось, в системе ENIAC, созданной в 1946 году, было около 18 тыс. вакуумных электронных ламп, и она занимала примерно 85 м³. Мик ропроцессор 4004 выполнял 60 тыс. операций в секунду, что являлось на то время невероят­ным достижением.

В 1972 году был выпущен преемник 4004 — 8-разрядный микропроцессор 8008. А в 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью 8086 и 8-разряд­ной 8088. Эти процессоры получили в течение всего лишь одного года около 2500 наград за технологические новшества и достижения в сфере вычислительных систем. В число призеров вошла и одна из разработок IBM, ставшая впоследствии первым персональным компьютером.

Примечание

Под термином PC понимается тип персонального компьютера, в котором используется процессор архи­тектуры Intel и который базируется на архитектуре систем PC, XT и AT компании IBM. До появления PC су­ществовали и другие типы персональных компьютеров, однако архитектура PC получила наибольшее рас­пространение с момента появления на рынке в 1981 году.

В 1982 году Intel представила микропроцессор 286, содержащий 134 тыс. транзисторов. По эффективности он превосходил другие 16-разрядные процессоры того времени примерно в три раза. Благодаря концепции внутрикристальной памяти он стал первым микропроцессо­ром, совместимым со своими предшественниками. Этот качественно новый микропроцессор был затем использован в эпохальном компьютере PC-AT компании IBM.

В 1985 году появился 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисто­ров и выполнял более 5 млн. операций в секунду (Million Instruction Per Second — MIPS). Компьютер DESKPRO 386 компании Compaq был первым ПК, созданным на базе нового микропроцессора.

Следующим из семейства Intel стал процессор 486, появившийся в 1989 году. Он содер­жал уже 1,2 млн. транзисторов и первый встроенный сопроцессор, а также работал в 50 раз быстрее процессора 4004; его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов.

В 1993 году Intel представила первый процессор Pentium, производительность которого выросла в пять раз по сравнению с производительностью семейства Intel 486. Этот процессор содержал 3,1 млн. транзисторов и выполнял до 90 млн. операций в секунду, что примерно в 1500 раз выше быстродействия процессора 4004.

Примечание

Основанием для перехода Intel от нумерации процессоров (386/486) к использованию различных названий (Pentium/Pentium Pro) послужило то, что числовое значение не позволяло должным образом обеспечить безопасность зарегистрированной торговой марки и избежать использования того же номера для нумера­ции идентичной микросхемы, разработанной конкурентами

.

Процессор семейства P6, называемый Pentium Pro, появился на свет в 1995 году. Он со­держал 5,5 млн. транзисторов и являлся первым процессором, кэш-память второго уровня ко­торого была размещена непосредственно на кристалле, что позволяло значительно повысить его быстродействие. Даже в наше время процессор Pentium Pro, выполняющий до 300 млн. команд в секунду, все еще используется в многопроцессорных серверах и высокоэффектив­ных рабочих станциях.

Компания Intel пересмотрела архитектуру P6 (Pentium Pro) и в мае 1997 года представила процессор Pentium II. Он содержит 7,5 млн. транзисторов, упакованных, в отличие от тради­ционного процессора, в картридж, что позволило разместить кэш-память L2 непосредственно в модуле процессора. В апреле 1998 года семейство Pentium II пополнилось дешевым процес­сором Celeron, используемым в домашних ПК, и профессиональным процессором Pentium II Xeon, предназначенным для серверов и рабочих станций. В 1999 году Intel выпустила процес­сор Pentium III, который представлял собой, по сути, Pentium II, содержащий инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions).

В то время как процессор Pentium стремительно завоевывал доминирующее положение на рынке, AMD приобрела компанию NexGen, работавшую над процессором Nx686. В результа­те слияния компаний появился процессор AMD К6. Этот процессор как в аппаратном, так и в программном отношении был совместим с процессором Pentium, т.е. устанавливался в гнездо Socket 7 и выполнял те же программы. AMD продолжила разработку более быстрых версий процессора K6 и завоевала значительную часть рынка ПК среднего класса.

В 1998 году Intel впервые интегрировала кэш-память второго уровня (которая работала на полной тактовой частоте ядра процессора) непосредственно в кристалл процессора, что по­зволило существенно повысить его быстродействие. Для этого вначале был использован про­цессор второго поколения Celeron (созданный на основе ядра Pentium II), а также кристалл Pentium IIPE (с расширенными вычислительными возможностями), применяемый только в портативных системах. Первым процессором для настольных вычислительных машин стар­шей модели, содержащим встроенную кэш-память второго уровня и работающим с полной частотой ядра, стал процессор второго поколения Pentium III (созданный на основе ядра Coppermine), представленный в конце 1999 года. После этого практически все основные про­изводители процессоров также начали встраивать кэш-память второго уровня в кристалл процессора, и эта тенденция сохраняется по сей день.

В 1999 году компания AMD представила процессор Athlon, который позволил ей конкури­ровать с Intel на рынке высокоскоростных настольных ПК практически на равных. Этот процес­сор оказался весьма удачным, и компания Intel получила в его лице достойного соперника в об­ласти высокопроизводительных систем. Сегодня успех процессора Athlon не вызывает сомне­ний, однако во время выхода его на рынок на этот счет были опасения. Дело в том, что, в отличие от своего предшественника K6, который был совместим как на программном, так и на аппарат­ном уровне с процессором Intel, Athlon был совместим только на уровне программного обеспе­чения — он требовал специфичного набора микросхем системной логики и специального гнезда.

2000 год ознаменовался появлением на рынке новых разработок обеих компаний. Так, AMD впервые представила процессоры Athlon Thunderbird и Duron. Процессор Duron, по существу, идентичен процессору Athlon и отличается от него только меньшим объемом кэш-памяти второ­го уровня; Thunderbird, в свою очередь, использовал интегрированную кэш-память, что позво­лило значительно повысить его быстродействие. Duron представляет собой более дешевую вер­сию процессора Athlon, которая была разработана в первую очередь для того, чтобы составить достойную конкуренцию недорогим процессорам Celeron, созданным в Intel.

Компания Intel в конце 2000 года представила Pentium 4, новейший процессор из семей­ства IA-32.

В 2000 году произошло еще одно знаменательное событие, имеющее историческое значе­ние: компании Intel и AMD преодолели барьер в 1 ГГц, который до того времени многим ка­зался недостижимым.

В 2001 году Intel представила новую версию процессора Pentium 4 с рабочей частотой 2 ГГц, который стал первым процессором ПК, достигшим подобного быстродействия. Кроме того, компанией AMD был представлен процессор Athlon XP, созданный на основе нового ядра Palomino, а также Athlon МР, разработанный специально для многопроцессорных сер­верных систем. В течение 2001 года AMD и Intel продолжили работу над повышением быст­родействия разрабатываемых микросхем и улучшением параметров существующих процес­соров Pentium III/Celeron, Pentium 4 и Athlon/Duron.

В 2002 году Intel представила процессор Pentium 4, впервые достигший рабочей частоты 3,06 ГГц. Последующие за ним процессоры будут также поддерживать технологию Hyper-Threading (HT), благодаря которой компьютер с одним процессором превращается в вирту­альную двухпроцессорную систему. Одновременное выполнение двух потоков приложений дает для процессоров с технологией HT прирост производительности 25-40% по сравнению с обычными процессорами Pentium 4. Это вдохновило программистов заняться разработкой многопотоковых программ, и подготовило почву для появления в скором будущем настоящих многоядерных процессоров.

В 2003 году AMD выпустила первый 64-разрядный процессор Athlon 64 (кодовое наиме­нование ClawHammer, или K8). В отличие от серверных 64-разрядных процессоров Itanium и Itanium 2, оптимизированных для новой 64-разрядной архитектуры программных систем и довольно медленно работающих с традиционными 32-разрядными программами, Athlon 64 воплощает в себе 64-разрядное расширение семейства x86, представителями которого явля­ются более ранние процессоры Athlon, Pentium 4 и др. В этом же году компания Intel выпус­тила первый процессор, в котором была реализована кэш-память третьего уровня — Pentium 4 Extreme Edition. В него было встроено 2 Мбайт кэш-памяти, существенно увеличено количе­ство транзисторов, также выросла и производительность.

В 2004 году примеру Intel последовала и компания AMD, выпустив процессор EM64T, использовавший тот же набор 64-разрядных расширений, который ранее был определен ком­панией AMD как AMD64.

В 2005 году компании Intel и AMD представили миру свои первые двухъядерные процес­соры; по большому счету это два процессорных ядра, интегрированных на одной подложке. Хотя системные платы, поддерживающие установку двух и более процессоров, на протяже­нии многих лет использовались в серверах, в сегменте настольных ПК многоядерные архи­тектуры появились впервые. Вместо того чтобы постоянно наращивать тактовые частоты процессоров, как это делалось до настоящего времени, производители решили увеличивать быстродействие, объединяя два и более ядер в одном процессоре. Это позволило устранить ряд узких мест, а также снизить уровень энергопотребления.

В 2006 году компания Intel выпустила новый процессор под названием Core 2, взяв за ос­нову архитектуру двухъядерных мобильных процессоров Pentium M/Core Duo. Этот процес­сор изначально имел два ядра, а год спустя за ним последовала четырехъядерная версия, со­держащая связку из двух двухъядерных процессоров в одной микросхеме.