Историческая ретроспектива от А до Я, или эволюция «каменного» века

Отправной точкой в истории процессора, опорного каркаса всего гигантского здания современной компьютерной технологии, принято считать середину 40-х годов прошлого столетия, когда американский математик Джон фон Нейман (1903-1957) высказал несколько теоретических положений, обеспечивших его имени широкую известность. Фон Нейман впервые предложил хранить последовательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные, и это была поистине новаторская идея. Опубликована она была в "First Draft of a Report on the EDVAC" в 1945 году. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четырех основных частей: центрального арифметического устройства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода-вывода. В теории фон Неймана постулировался ряд положений, каждое из которых сводилось к одному ключевому и чрезвычайно важному следствию: аппаратура является неизменной частью вычислительной машины, а любая программа — переменной.

 

Сегодня, более полувека спустя, почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру.

 

Как известно, все процессоры персональных компьютеров основаны на оригинальном дизайне Intel. Первым применяемым в ПК процессором был интеловский чип 8088. В то время Intel располагал выпущенным ранее более мощным процессором 8086. 8088 был выбран по соображениям экономии: его 8-битная шина данных допускала более дешевые системные платы, чем 16-битная у 8086. Также во время проектирования первых персональных компьютеров большинство доступных интерфейсных микросхем использовали 8-битный дизайн. Те первые процессоры даже близко не стоят к мощностям, необходимым для запуска современных приложений.

 

В таблице ниже приведена хронология основных групп интеловских процессоров от первой генерации 4004:

 

 

Третье поколение процессоров, основанных на Intel 80386SX и 80386DX, были первыми применяемыми в PC 32-битными процессорами. Основным отличием между ними было то, что 386SX был 32-разрядным только внутри, поскольку он общался с внешним миром по 16-разрядной шине. Это значит, что данные между процессором и остальным компьютером перемещались на вполовину меньшей скорости, чем у 486DX.

 

Четвертая генерация процессоров была также 32-разрядной. Однако все они предлагали ряд усовершенствований. Во-первых, был полностью пересмотрен весь дизайн 486 поколения, что само по себе удвоило скорость. Во-вторых, все они имели 8kb внутреннего кэша, прямо у процессорной логики. Такое кэширование передачи данных от основной памяти значило, что среднее ожидание процессора запросов к памяти на системной плате сократилось до 4%, поскольку, как правило, необходимая информация уже находилась в кэше.

 

Модель 486DX отличалась от 486SX только поставляемым внутри математическим сопроцессором. Этот отдельный процессор спроектирован для проведения операций над числами с плавающей точкой. Он мало применяется в каждодневных приложениях, но кардинально меняет производительность числовых таблиц, статистического анализа, систем проектирования и так далее.

 

Важной инновацией было удвоение частоты, введенное в 486DX2. Это значит что внутри процессор работает на удвоенной по отношению ко внешней электронике скоростью. Данные между процессором, внутренним кэшем и сопроцессором передаются на удвоенной скорости, приводя к сравнимой прибавке в производительности. 486DX4 развил эту технологию дальше, утраивая частоту до внутренних 75 или 100MHz, а также удвоив объем первичного кэша до 16kb.

 

Pentium, определив пятое поколение процессоров, значительно превзошел в производительности предшествующие 486 чипы благодаря нескольким архитектурным изменениям, включая удвоение ширины шины до 64 бит. P55C MMX сделал дальнейшие значительные усовершенствования, удвоив размер первичного кэша и расширив набор инструкций оптимизированными для мультимедиа приложений операциями.

 

Pentium Pro, появившись в 1995 году как наследник Pentium, был первым в шестом поколении процессоров и ввел несколько архитектурных особенностей, не встречавшихся ранее в мире PC. Pentium Pro стал первым массовым процессором, радикально изменившим способ выполнения инструкций переводом их в RISC-подобные микроинструкции и выполнением их в высокоразвитом внутреннем ядре. Он также замечателен значительно более производительным вторичным кэшем относительно всех прежних процессоров. Вместо использования базирующегося на системной плате кэша, работающего на скорости шины памяти, он использует интегрированный кэш второго уровня на своей собственной шине, работающей на полной частоте процессора, обычно в три раза быстрее кэша на Pentium-системах.

 

Следующий новый чип после Pentium Pro Intel представил спустя почти полтора года - появился Pentium II, давший очень большой эволюционный шаг от Pentium Pro. Это распалило спекуляции, что одна из основных целей Intel в производстве Pentium II был уход от трудностей в изготовлении дорогого интегрированного кэша второго уровня в Pentium Pro. Архитектурно Pentium II не очень отличается от Pentium Pro с подобным эмулирующим x86 ядром и большинством схожих особенностей.

 

Pentium II улучшил архитектуру Pentium Pro удвоением размера первичного кэша до 32kb, использованием специального кэша для увеличения эффективности 16-битной обработки, (Pentium Pro был оптимизирован для 32-битных приложений, а с 16-битным кодом не обращался столь же хорошо) и увеличением размеров буферов записи. Однако основной темой разговоров вокруг новых Pentium II была его компоновка. Интегрированный в Pentium Pro вторичный кэш, работающий на полной частоте процессора, был заменен в Pentium II на малую схему, содержащую процессор и 512kb вторичного кэша, работающего на половине частоты процессора. Собранные вместе, они заключены в специальный одностороний картридж (single-edge cartridge - SEC), предназначенный для вставления в 242-пиновый разъем (Socket 8) на нового стиля системных платах Pentium II.

 

Первый вариант процессора из линейки Celeron, построенный на ядре Deschutes был представлен 15 апреля 1998 года. Для уменьшения себестоимости процессоры выпускались без кэш-памяти второго уровня и защитного картриджа. Отсутствие кэш-памяти второго уровня обуславливало их сравнительно низкую производительность, но и высокую способность к разгону. Дальнейшее развитие линейки Celeron с кодовым названием Mendocino имело кэш-память L2 объемом 128 Кб, интегрированную в кристалл процессора и работающую на частоте ядра, благодаря чему обеспечивалась максимально высокая производительность.

 

На смену процессору Pentium II пришёл Pentium III на новом ядре Katmai. Был добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширен набор команд MMX и усовершенствован механизм потокового доступа к памяти. Этот процессор изготавливался по 0.18 мкм технологии и имел невиданную доселе тактовую частоту до 1200 МГц. Хотя первые попытки выпустить процессор на этом ядре с частотой 1113 Мгц закончились неудачей, т. к. он в предельных режимах работал очень нестабильно, и все процессоры с этой частотой были отозваны - этот инцидент сильно подмочил репутацию Intel. Дальнейшее повышение тактовой частоты Pentium III потребовало перевода на 0.13 мкм технологический процесс. Кэш второго уровня вновь вернулся к своему изначальному размеру 512 Кб и добавилась технология Data Prefetch Logic, которая повысила производительность предварительно загружая данные, необходимые приложению в кэш.

 

Pentium Willamette стал принципиально новым процессором с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) - с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel, процессоры, основанные на данной технологии, позволяли добиться увеличения частоты примерно на 40 процентов относительно семейства P6 при одинаковом технологическом процессе. Была применена 400 МГц системная шина (Quad-pumped), обеспечивающая пропускную способность в 3,2 ГБайта в секунду против 133 МГц шины с пропускной способностью 1,06 ГБайт у Pentium III. Pentium IV с ядром Northwood отличается от Willamette большим кэшем второго уровня (512 Кб у Northwood против 256 Кб у Willamette) и применением нового технологического процесса 0,13 мкм. Начиная с частоты 3,06 ГГц была добавлена поддержка технологии Hyper Threading - эмуляции двух процессоров в одном.

 

Во 2-м квартале 2005 г. Intel объявил модельный ряд процессоров Pentium D, которому, по замыслу компании, предстояло стать массовой платформой для настольных двухъядерных ПК в течение последующих двух лет. В начале 2006 г. Intel анонсировала серию процессоров средней ценовой категории, основанных на архитектуре Presler, выпускаемых по 65-нм технологическому процессу в корпусе LGA775 и состоящих из продуктов серии Pentium D с процессорными номерами 920, 930, 940, 950 и частотами от 2,8 до 3,4 ГГц.

 

В июле 2006 года корпорация Intel представила семейство процессоров Intel Core 2 Duo, разработанных на базе революционной микроархитектуры Intel Core. Новое семейство процессоров установило рекорд по темпам роста продаж в истории компании. Спустя всего лишь два месяца после анонса новинки в мире уже было продано более 5 миллионов экземпляров данных процессоров. Производство по передовой 65-нанометровой технологии Intel, обновленная микроархитектура Intel Core, два независимых ядра с динамическим доступом к общей памяти, 291 миллион транзисторов на кристалле площадью 143 мм2, увеличенный до 4 МБ объем кэш-памяти второго уровня, более десятка передовых технологий, обеспечивающих слаженную работу всех компонентов, снижение энергопотребления процессора на 28% – вот далеко не полный перечень усовершенствований, реализованных в процессорах Intel Core 2 Duo. Именно они определили привлекательность самой современной продуктовой линейки Intel для разработчиков компьютеров, которые, фактически, сделали ставку на новые процессоры Intel.

 

В январе 2007 года семейство процессоров Intel пополнилось двухъядерным процессором, предназначенном для недорогих домашних систем и основанных на микроархитектуре Intel Core. Был представлен Pentium Dual Core на ядре Allendale. Новая модель была призвана снизить энергопотребление и улучшить возможности многозадачности при повседневной работе. Процессоры выпускались с тактовыми частотами от 1,6 до 2,4 ГГц. Все модификации имеют одинаковую частоту шины 800 МГц и 1 Мбайт кэша 2-го уровня.

 

2 апреля 2008 года в Шанхае Intel представил первую пятерку процессоров из семейства Intel Atom. Представленные чипы стали работать на тактовой частоте 800 МГц — 1,86 ГГц, и все были изготовлены на базе архитектуры Silverthorne, с использованием 45-нм технологии и новой формулы транзисторов Hi-k. Все процессоры имеют поддержку инструкций SSE 3, однако только три последних с шиной 533 МГц поддерживают технологию Hyper Threading, введенную в чипах Pentium 4. Максимальное энергопотребление Atom составляет 0,65–2,4 Вт, в зависимости от модели, что стало колоссальным скачком вперед (для сравнения, мобильные процессоры семейства Core 2 Duo потребляют в пределах 35 Вт). Размеры всех чипов Intel Atom составили 13 x 14 мм.

 

В октябре 2008 года корпорация Intel объявила о выпуске новейшего четырехъядерного процессора Intel Core i7, предназначенного для использования в настольных ПК. По мнению компании, Core i7 на данный момент является самым сложным процессором из всей производимой продукции. Процессор на 4-х ядрах позволяет выполнять 8 потоков инструкций. Как заявили в компании, применение Intel Core i7 в настольных ПК обеспечивает увеличение скорости работы более чем на 30% при обработке видео, в игровых и многих других популярных приложениях. Немаловажный факт: прирост производительности не привел к увеличению энергопотребления процессора. Пропускная способность шины памяти компьютеров с процессорами Intel Core i7 выросла более чем в два раза по сравнению со своими предками благодаря новому интерфейсу Intel Quickpath, заменившему привычную системную шину FSB (Front-Side Bus). Энергопотребление этих процессоров заметно снизилась при отключении неиспользуемых ядер. Новая архитектура поддерживает и усовершенствованные технологии энергосбережения, ранее характерные лишь для ноутбуков. Новинки Core i7 для настольных ПК имеют 8 МБ кэш-памяти и поддерживают работу с самой современной технологией ОЗУ — DDR3-1066.

 

Выпущенные процессоры Intel Core i7 — стали "первыми ласточками" новой микроархитектуры с кодовым наименованием Nehalem, которая предусматривает дальнейший выпуск процессоров для серверов и мобильных устройств.