The evolution of CPU: The future of processors in the next 10 years – words Al Woods
Picture source
One thing is clear — the CPU won’t be the way it used to be. It isn’t going to be just better, it’s going to be different. When it comes to modern technology, time flies really fast. If you think about the central processing unit, you’ll probably imagine one of AMD or Intel’s creations.
The CPU has undergone many transformations to become what it looks like today. The first major challenge it faced dates back to the early 2000s when the battle for performance was in full swing.
Back then, the main rivals were AMD and Intel. At first, the two struggled to increase clock speed. This lasted for quite a while and didn’t require much effort. However, due to the laws of physics, this rapid growth was doomed to come to an end.
According to Moore’s Law, the number of transistors on a chip was to double every 24 months. Processors had to become smaller to accommodate more transistors. It would definitely mean better performance. However, the resultant increase in temperature would require massive cooling. Therefore, the race for speed ended up being the fight against the laws of physics.
It didn’t take long for the solution to appear. Instead of increasing clock speeds, producers introduced multiple-core chips in which each core had the same clock speed. Thanks to that, computers could be more effective in performing multiple tasks at the same time.
The strategy ultimately prevailed but it had its drawbacks, too. Introduction of multiple cores required developers to come up with different algorithms so the improvements could be noticeable. This wasn’t always easy in the gaming industry where the CPU’s performance had always been one of the most important characteristics.
Another problem is that the more cores you have, the harder it is to operate them. It is also difficult to come up with a proper code that would work well with all the cores. In fact, if it was possible to develop a 150 GHz single-core unit, it would be a perfect machine. However, silicon chips can’t be clocked up that fast due to the laws of physics.
The problem became so widely discussed that even the education sector joined in. If you have to come up with a paper related to this or a similar issue, you can turn to a custom essay service to ensure the best quality. Anyway, we will try to figure out the future of the chips ourselves.
H2: Quantum Computing
Quantum computing is based on quantum physics and the power of subatomic particles. Machines based on this technology are a lot different from the ones we have in our homes. For example, conventional computers use bits and bytes, whilst quantum machines are all about the use of qubits. Two bytes can have only one of these: 0-0, 0-1, 1-0, or 1-1. Qubits can store all of them at the same time, which allows quantum computers to process an immense amount of data simultaneously.
There is one more thing you should know about quantum electronics, namely quantum entanglement. The thing is that quantum particles exist in pairs. If one particle reacts in a particular way, the other one does the same. This property has been used by the military for some time in their attempts to replace the standard radar. One of the two particles is sent into the sky, and if it interacts with an object, its ‘ground-based’ counterpart reacts as well.
Quantum technology can also be used to process an immense amount of information. Unlike conventional computers, qubit-based ones process data thousands of times faster. Apart from that, forecasting and modeling complex scenarios are where quantum computers excel as well. They are capable of modeling various environments and outcomes, and as such can be extensively used in physics, chemistry, pharmaceutics, weather forecasting, etc.
However, there are some drawbacks, too. Such computers aren’t of much use these days and can serve only for certain purposes. This is mainly because they require special lab equipment and are too expensive to operate.
There is another issue connected with the development of the quantum computer. The top speed at which silicon chips can operate today is much lower than the one needed to test quantum technologies.
H2: Graphene Computers
Discovered in 2004, graphene gave rise to a new wave of research in electronics. This super-effective material possesses a couple of features which will allow it to become the future of computing.
Firstly, it is capable of conducting heat faster than any other conductor used in electronics, including copper. It can also carry electricity two hundred times faster than silicon.
The top clock speed silicon-based chips can work at reaches 3-4 GHz. This figure hasn’t changed since 2005 when the race for speed challenged physical properties of silicon and brought them to the limit. Since then, scientists have been looking for a solution that could allow us to overcome the maximum clock speed that silicon chips can provide. And that’s when the discovery of graphene was made.
Thanks to graphene, scientists managed to achieve a speed which was a thousand times higher than that of silicon chips. Graphene-based CPUs turned out to consume a hundred times less energy than their silicon counterparts. On top of that, they also allow for smaller size and greater functionality of the devices having them.
Today, there is no actual prototype of this computing system. It still exists only on paper. But the scientists are struggling to come up with a real model that will revolutionize the world of computing.
However, there is one drawback. Silicon serves as a good semiconductor that is able not only to carry electricity but also to retain it. Graphene, on the other hand, is a ‘superconductor’ that carries electricity at a super-high speed but cannot retain the charge.
As we all know well, the binary system requires transistors to turn on and off when we need them to. It lets the system retain a signal in order to save some data for later use. For example, it is vital for RAM chips to keep the signal. Otherwise, our programs would shut down the moment they opened.
Graphene fails to retain signals because it carries electricity so fast that there is almost no time between the ‘on’ and ‘off’ signals. It doesn’t mean that there is no place for graphene-based technologies in computing. They still can be used to deliver data at the top speed and could probably be used in chips if they are combined with another technology.
Apart from the quantum and graphene technologies, there are some other ways for the CPU to develop in the future. Nevertheless, none of them seems to be more realistic than these two.
The Center of Excellence: The staggering pace at which the main component of your favorite gadgets has progressed through the decades.
From the advent of the computing age, the central processing unit (CPU) has always been the star attraction of any new device unveiled to the masses. The description of that new laptop you purchased from Price-Smart or Amazon more than likely contained the words ‘Intel’ or ‘AMD’ in the very first line. From the Altair 8800, widely considered to be the spark of modern home computing, which boasted an Intel 8080 running at 2MHz, to the latest and greatest iPhone 7 and Samsung S8, the CPU has always been the most powerful and most essential component. When building any new system, the general rule of thumb is to choose the CPU first, and then model the rest of the system to take advantage of every last bit of its available power. This blog post seeks to give some insight into how the mighty processor has evolved over the decades.
How it’s made
The modern processor is built using the same material as its ancestors from the 1970’s – Silicon. Silicon can be considered as the main component which makes up a transistor, and the transistor is the fundamental building block of any processor. Transistors can best be described as ‘switches’ which are turned on and off by an electric current. This ‘on’ and ‘off’ function essentially represents the 1’s and 0’s that make up the language which computers speak (binary). Transistors can be switched on and off many times per second, millions (MHz), even billions (GHz) of times per second. The speed at which the transistors in a circuit can be switched on and off reliably would ultimately determine the final clock speed (frequency) of the chip. Transistors can be arranged in different ways to form logic gates. These logic gates can then be arranged to perform specific functions within a processor.
Image Credit: kitguru.net
The Exponential Increase in Power
Ever heard of Moore’s law? Moore’s law states that “the number of transistors in a dense integrated circuit doubles approximately every two years”. This basically means that engineers are able to cram more and more of the building blocks (transistors) into the same amount of space as time goes on. More transistors mean more units available to execute instructions, which equates to a faster processor with more features. Another factor which greatly affects how quickly a processor can decode that HD video stream, or brute-force crack your neighbor’s WiFi password (we recommend asking them nicely first), is the clock speed. Early processors had a clock speed of just a few KHz (thousands of on-off cycles per second), while the most modern processors operate at GHz speeds (Billions of cycles per second).
Processor speed has historically been measured in terms of ‘Instructions Per Second’. New processors are so fast that they can be measured in orders of Millions or Billions of instructions per second. The following graphs show how mainstream processor speeds have climbed over the decades.
The ascension of processor speed has been steady for the first 3.5 decades since silicon became the main ingredient in its construction. In the mid 80’s there was a huge spike from 6 MIPS to 25 MIPS within a year. This was owed to the Texas Instruments TMS320C25 chip, which has many variants still under development and in use today, some 30 years later.
The 1990’s started off with a bang, almost doubling the MIPS rating of the 80’s, and then increasing more than 40 times over before the decade had passed. The legendary Pentium III cartridge-type processor was responsible for this huge performance leap.
Intel Pentium III (Katmai) – 500 MHz, 512 KB L2 Cache, FSB 100 MHz
Image Credit: Wikipedia.org
At the turn of the 21st century, processor speeds again rose sharply. With the introduction of multi-core processing in 2005 by AMD, it could have only gone uphill from there. The decade closed off with great fanfare with the introduction of Intel’s ‘core’ series. The quad-core first generation Intel Core i7 920 takes the top spot.
The current decade has also seen leaps and bounds in terms of raw processing power, along with a greater feature set of modern CPUs. As of 2011, no longer is a discrete graphics card needed for everyday computing. Processors are now so powerful at this point that all functions of the northbridge now reside on the CPU die. The northbridge has historically formed the interconnect between graphics, RAM and the processor as well connecting to the southbridge which provides access to slower components such as PCI x1 lanes, hard drive ports, Ethernet and legacy interconnects.
Today’s CPU Architecture
While traditional advancements in CPU architecture have been to cram more and more transistors onto a finite space, eventually that method would have to be laid to rest as the maximum density for silicon is achieved. At the early part of the decade (2011-2012), Intel introduced its 2nd generation of core series processors, code named Sandy Bridge. These processors featured a 22nm (nano-meter) manufacturing process. This process created transistors so thin that it was possible for electrons to pass through a fully closed transistor gate. This is a huge problem as it would mean that 22nm was the wall for transistor miniaturization. Intel however would not be beaten, and instead designed a new type of 3-dimensional transistor gate that can withstand even more miniaturization. Today we’ve got production processors down to a 14nm process and looking forward to moving towards 10nm.
To combat the issue of being close to the maximum achievable density of silicon, manufacturers are now adding more and more cores to their processors. The Intel Core i7-6950X comes with 10 processor cores, while the AMD RYZEN has a rumored 16-core beast in the making. Advancements in multi-threaded applications and games have made high core counts a viable alternative to miniaturization of a single core.
Clock speeds have also suffered due to extreme miniaturization. For the past 5 years, clock speeds on mainstream processors have been stuck at around 3.7 GHz – 4 GHz. Higher clock speeds mean more energy use and therefore more heat buildup. A higher core count also helps with the problem of stagnated clock speeds. Manufacturers are also writing enhanced instruction sets which greatly boost the performance of CPUs without having to modify their physical structure.
A rise in demand for mobile gadgets have also played a part in shaping the path of today’s processor. Power consumption and heat production are two major factors in a mobile landscape. Raw power isn’t so much desired as longer battery life. Mobile devices are getting thinner and lighter, which means the processor has to adapt to a smaller battery while still having the ability to open 30+ Facebook tabs on Google Chrome and not choke. Manufacturers are now making fully-featured processors with a power consumption of only 7W.
Intel and AMD may be the kings of the desktop and laptop world, but when it comes to tablets and smartphones, they’re sorely beat by manufacturers like Qualcomm and ARM. These manufacturers power handheld gaming consoles, and even the latest generation of fancy self-driving cars, making them the current true kings of the mobile world.
Who knows where processor technology would head to next? I suspect that silicon may continue being the build material of choice for the next 10-20 years, until a new material is able to rise to the table that allows transistors to be miniaturized to only a few atoms wide. Maybe ARM and Qualcomm would become the new Intel and AMD, while the desktop computer ultimately fades out of everyday use and is replaced by always-on VR and other fully mobile devices.
Many consider computer processors as the brain of a computing device, but in reality, these tiny little chips are glorified calculators which manipulate the data flow from the software.
The better these chips are at handling the instructions from the software, better will be the performance of a computing device, both in terms of speed and additional functionalities.
The switch from vacuum tubes to transistors and then to integrated circuits which contained millions and billions of tiny transistors changed the computing landscape for better, giving rise to affordable, high-performance processors which we currently use in high-performance gaming laptops and desktop computers.
In this article, we are taking a look back at where did it all started, right from the beginning.
We are sure you’ll find the story interesting and will make you wonder how far did we came forward from those large warehouse sized mainframe systems to today’s powerful palm-sized pocket computers.
Enough with the intro, let’s cut the chase and start with the subject right away!
Contents
- 1.1 Computer Processors
- 2.1 Basic Segements of a Modern Processor
- 3.1 Evolution Timeline of Microprocessors
- 4.1 Graphical Processing Units
- 5.1 Size of Transistors in the processor over years
- 6.1 Final Thoughts
A computer processor, generally known as a microprocessor is an electronic circuit which receives the input data from the software and outputs the processed information to various units of a computing system.
The Central Processing Unit (CPU), as we might have studied in our computer textbooks back in school as the brain of a computer, isn’t the only processor on board a computing system.
There can be multiple processors on a computer system, additional to the main processor such a graphics processor (GPU) which assists the processor in graphics related tasks for better performance in functions such as gaming and video rendering.
These processors and other components which drives the system are termed collectively as a SoC (System on a Chip).
Modern computer processors feature multiple cores, which are independent units within the processor handling the input and processing the instructions.
[the_ad id=”1613″]
Also, read: Major Components of CPU
Gadgets that will disappear in future
There are two basic elements comprising a modern processor namely – Arithmetic Logic Unit (ALU) and a Control Unit (CU).
The Arithmetic Logic Unit (ALU) performs the basic mathematical and logical operations while the control unit (CU) fetches the instructions from the memory and executes them.
There are additional sections such as the registers and cache memories in the processor architecture. The registers stores the results of the operations done by the arithmetic logic unit.
The cache memory is a tiny amount of memory reserved for the processor to save frequent operations, thereby minimizing the time taken by the processor to fetch the data all the way from the system RAM.
Now that we have discussed what a computer processor is and the basic structure of the same, it’s time for us to get down the memory lane to know about the predecessors of these performance beasts.
The first ever commercially available microprocessor was the Intel 4004 developed by Intel and the Japanese calculator manufacturer Busicom, back in 1971.
Intel 4004 was primarily designed for use in low-performance devices such as calculators, automated teller machines etc.
It consisted of 2300 transistors and was capable of carrying out 92600 operations per second.
The Intel 8008 released in 1972 was the world’s first 8-bit microprocessor.
This processor came with 3500 transistors and found its use in computers, automated factory machines, and robots.
The Intel 8080 was released as a successor to the Intel 8008 in 1974 was one of the most popular microprocessors back in the glory days of computing history.
This 8-bit microprocessor came with 6000 transistors and was widely used in many microcomputers released during that time.
The next major leap in computing performance came with the 16-bit Intel 8086 processor and the slightly improved Intel 8088 which was released in 1979.
The Intel 8088 came with 29,000 transistors on board for faster-operating speeds. This processor was selected for use in IBM PCs, partly due to the economic and logistics reasons.
The Motorola 68000 was one of the high-performance microprocessors debuted in 1979.
This 16/32 bit processor was jokingly referred to as a mainframe on a chip by some, owing to its complexity and performance.
As the name suggests, the Motorola 68000 had 68000 transistors inside.
This processor was used in Apple Macintosh computers and certain Amiga models.
In 1987, Sun Microsystems introduced the first SPARC (Scalable Processor Architecture) based microprocessors.
These were used in high-performance computing environments such as mainframes.
Intel released the first Intel Pentium series processors in 1993. These processors had a whopping 3.1 million transistors on board and ran at a clock speed of 60Hz.
The first completely home-brewed AMD K5 microprocessor was introduced in 1996.
Foreseeing the future of mobile computing, Intel released the Celeron series microprocessors in 2000, primarily for use in laptop computers.
IBM was the first company to introduce multi-core processors, but it was Intel and AMD with their Pentium D and Athlon 64 x2 respectively released in 2005 made it popular with the personal computers.
In 2008 Intel released the first Atom series single-core microprocessors to be used in low-cost notebook PCs.
These Atom series processors came with an integrated GPU to assist the processor in graphics-intensive tasks.
AMD released their first mobile-centric processors in 2011 and came with the term Accelerated Processing Units (APU).
The first Ryzen series processors were unveiled by AMD back in 2017. These processors competed for neck and neck with similarly priced Intel processors.
Ryzen series processors perform better in laptops priced under Rs.40,000 than competing Intel chips and is priced considerably cheaper.
In 2017, Intel also developed a 12-core desktop CPU for high-performance mobile computing purposes. Later Intel also released an 18-core processor.
The first Core i9 processor for laptops was released in 2018. These processors have unlocked versions, giving the users an option to overclock them for more aggressive performance.
When we say the term processors, we generally refer to the main computing unit inside the CPU.
But there are a lot of custom purpose processors for specific use cases used within a computing system, which results in enhanced performance.
In this section, let’s briefly discuss the graphical processing units.
Earlier, there were no separate graphical processing units for manipulating image data on computers.
This was primarily because of two reasons – most of the computers ran text-based operating systems, or the available GUI was in 2D and sufficient enough to be manipulated by the existing processor.
As time passed by, the use of graphical user interface (GUI) became standard for operating systems and the number of graphical elements used across the UI increased significantly.
Also, the newer video codecs and games needed much more share of the computing resources which the processor was not able to allot, leading to bottlenecked performance.
This is where integrated GPUs and later dedicated graphics processors came to the scene.
These graphics processors take the load of manipulating pixels away from the mainstream processor and improves the performance of the machine significantly.
Processor statistics in numbers – A glimpse of Past and Present
| Year of Release | Processor | No. of Transistors | Clock Speed |
| 1971 | Intel 4004 | 2300 | 740 KHz |
| 1972 | Intel 8008 | 6000 | 800 KHz |
| 1978 | Intel 8086 | 29000 | 5 MHz |
| 1993 | Intel Pentium | 3.1 million | 50 MHz |
| 2000 | Intel Pentium 4 | 42 million | 1.5 GHz |
| 2017 | AMD Ryzen | 4.2 billion | 4.4 GHz |
Graph 1 Year wise increment in Processor clock frequencies
Graph 2 Year wise increment in the number of transistors in the Processor
| Year | Size of Transistors in µm |
| 1971 | 10 |
| 1972 | 10 |
| 1978 | 3 |
| 1993 | 0.8 |
| 2000 | 0.13 |
| 2017 | 0.014 |
Graph 3 Year wise decrease in transistor sizes inside the Processor
Microprocessors have come along way from its recent past, both in terms of design and performance perspectives.
The Apollo Guidance Computer ran off a 2.048 MHz processor which took the first man on to the surface of the Moon, back in 1969. Compare that with the power of your smartphone in which you’re probably reading this article.
The size of the transistors is yet to come down and the number of these tiny little things that are being crammed inside the chips are going to increase, resulting in much more faster and better performing computing machines.
We hope this article helped you to know at least a little about how far we have come across in terms of processor technology since the dawn of the computer revolution.
Thanks for your time on our website and we wish you a fantastic day ahead!
Эволюция процессоров
- Авторы
- Руководители
- Файлы работы
- Наградные документы
Верхозин Н.Е. 1
1МБОУ г. Иркутска СОШ № 16
Помазкина Н.В. 1
1МБОУ г. Иркутска СОШ № 16
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Цель нашей работы будет заключаться в том, чтобы узнать, как эволюционировали центральные процессоры, которые есть в каждом персональном компьютере дома, на работе, почти у каждой вычислительной техники есть свой подобный “мозг”.
Процессор — “мозг” компьютера, отвечающий за обработку всех данных, проходящих в компьютере.
УСТРОЙСТВО ПРОЦЕССОРА
Давайте сначала разберемся, а как вообще устроен процессор в теории, и для чего используются его ресурсы. Мы знаем, что в цифровом коде всё строится на двоичном коде, состоящем из положительного значения 1, и отрицательного значения 0. У процессора присутствуют транзисторы, грубо говоря это мелкие медные “иголки”, которые выполняют задачу обозначения заряда. Если по транзистору проходит ток, он становится заряженным и соответственно имеет положительное значение, без заряда транзистор всегда имеет нулевое значение. Также стоит разъяснить три характеристики процессора для дальнейшего понимания. Разрядность процессора обозначает количество битов, который процессор может обработать за раз. Тех. процесс обозначает размер транзисторов в процессоре, и со временем их размер уменьшался, что позволяло помещаться большему количеству транзисторов, и соответственно повышалась производительность.
Ну а частота обозначает частоту операций процессора за определённое время. Это можно считать основа основ работы процессора, теперь можно переходить к тому, как используется процессор.
ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ПРОЦЕССОРА
Любая операция на компьютере начинается с обращения к процессору, чтобы тот как своеобразный “координатор” распределял данные. Открытие программы начинается с отправления запроса к процессору, тот в свою очередь обрабатывает запрос, выполняет указанные запросом действия, и затем сохраняет нужные данные в оперативной памяти, для сохранения открытого процесса программы, и совершения дальнейший действий в программе. Или вот еще пример, вы запустили игру на компьютере с трёхмерной графикой, сам процессор не предназначен для отрисовки какой либо графики, а тем более трехмерных текстур с большим количеством полигонов. Но даже здесь используется процессор, который получает запросы от игрового движка на отрисовку текстур, и затем процессор обращается к видеокарте с измененным запросом на языке самой видеокарты, чтобы та в свою очередь обработала и выдала нужную картинку. Думаю теперь мы смогли понять основы работы процессора, теперь мы можем переходить к изучению эволюции центральных процессоров. Как думаете, каким мог быть первый процессор? Сейчас мы узнаем.
ЭВОЛЮЦИЯ И ИСТОРИЯ ПЕРВЫХ ПРОЦЕССОРОВ
Самым первым и массовым микропроцессором с транзисторами признано считать Intel 4004, сделанный по заказу Японской компании связанной с производством калькуляторов, специально для их калькулятора Nippon Calculating Machine. Его возможности и характеристики являлись крайне простыми, но для того времени это уже был технический прогресс и дебют компании Intel в отрасли процессоров. Данный процессор имел 4-битную архитектуру, 10 микрометровый тех. процесс и 2300 транзисторов способных выдавать частоту от 500 до 740 кГц.
Через некоторое время компания Intel выпустила модификацию первого процессора с улучшенными характеристиками — Intel 4040.
Функционал процессора остался почти таким же, и также дальше калькуляторов мало куда уходил, но зато в таком небольшом круге задач процессор стал более производителен. Изменения произошли только в количестве транзисторов, компании удалось уже вместить 3000 транзисторов вместо 2300 как в прошлом процессоре, такое изменение как раз и повлияло на повышение производительности.
Следующий процессор Intel стал очередным прогрессом в сфере процессоров. Новый процессор Intel 8008 стал первым, который получил 8-битную архитектуру, также увеличилось количество транзисторов до 3500 штук на одном процессоре, диапазон частот стал больше как и частота в пике улучшилась, теперь процессор работал на частотах от 200 до 800 кГц. Такое расширение диапазона повлияло на то, что в мало требовательных задачах процессор смог потреблять меньше энергоресурсов чтобы в свою очередь электро затрат было меньше. (Хотя для того времени они всё равно были малы, чтобы использовать подобного рода процессоры =) )
Некоторое время спустя, Intel также сделали усовершенствованную версию прошлого процессора — Intel 8080, в этот раз они впервые уменьшили тех. процесс с 10 мкм до 6 мкм, и соответственно увеличилось количество транзисторов до 6000 штук. Процессор получил более обширный функционал нежели чем просто считать цифры в калькуляторе, как пример на нём уже был компьютер Altair 8800, который как раз имел в качестве основы процессор Intel 8080.
В то время на рынке стали появляться первые конкурентоспособные для Intel процессоры. Одним из таких стал Zilog Z80, разработанный физиком Федерико Фаджин, который прежде работал над созданием Intel 4004. Федерико смог опередить последний на то время процессор Intel во всех характеристиках, тех. процесс уменьшился до 3 мкм, количество транзисторов увеличилось до 8500, а пиковая частота повысилась до 2 мГц, перебив отметку в 1000 кГц и начав исчисляться в мГц. Функционал данного процессора позволял ему находиться в большом количестве техники, начиная от компьютеров, принтеров, и заканчивая игровыми приставками.
В ответ на появление такого конкурента, Intel вновь пробила отметку разрядности процессоров, сделав 16-ти битный процессор Intel 8086. Разница с Zilog Z80 была колоссальной: количество транзисторов увеличилось до 29 тыс. а частота увеличилась в 4 раза до 8 мГц. Также данный процессор использовался в первом компьютере компании IBM — IBM 5150.
В догонку за таким улучшенным процессором Intel спустя несколько лет выпускает очередной процессор с улучшенной разрядностью — Intel i386, первый 32-битный процессор. Количество транзисторов вновь получило весомое увеличение до 275 тыс. за счет уменьшения тех. процесса до 1 мкм, частота таким образом также выросла до диапазона 16-20 мГц.
В то время на рынке стали появляться первые процессоры компании Advanced Micro Devices (сокращённо — AMD), которые по сути являлись улучшенными клонами процессоров Intel.
Одним из таких стал AMD AM386, являвшимся клоном Intel i386. В плане характеристик он ничем не отличался от процессора Intel (за что кстати компания Intel также пыталась судиться с AMD, но суд они проиграли), но отличие заключалось в немного иной архитектуре работы процессора, делающая его работу более производительной чем оригинальный Intel i386.
В то же время, на фоне увеличения разнообразия компаний на рынке процессоров, IBM сделали свой первый процессор, но предназначавшийся только для работы на серверах.
Начало 90-х ознаменовалось для Intel выходом легендарной линейки процессоров, продолжающейся по сей день — Intel Pentium. Тех. процесс процессора стал меньше микрометра, получив размер 800 нм (кстати на данное время, техпроцесс современных процессоров продолжает измеряться в нм), транзисторы продолжали колоссально расти в количестве, на этот раз в процессоре было 3.1 млн транзисторов, а частота была равна диапазону 60-66 мГц.
Судебные дела между AMD и Intel, дали AMD лишь больше поводов начать создание процессоров на своих собственных архитектурах. Первым из таких стал AMD K5, который был получше нынешнего “флагмана” Intel Pentium. При цене меньше чем у Pentium, AMD K5 имел характеристики лучше чем сам Pentium. В будущем это станет фишкий AMD — иметь конкурентов равных или сильнее по мощности, имея при этом более выгодную цену на рынке.
Основной прогресс процессорных мощностей можно сказать закончился в начале 21-го века с выходом первого процессора, имеющего частоту 1 гГц — AMD Athlon Thunderbird. Также нужно упомянуть созданную тогда Intel технологию многопоточности, позволяющую делить ядро процессора на два потока, для разделения нагрузки и повышения многозадачности.
Впервые Intel использовала данную технологию в своём процессоре Pentium 4, но затем ещё и вышел процессор, который вместо два виртуальных потока имел два реальных физических ядра — Pentium D.
В свою очередь AMD выпустила свой первый процессор на 64-битной архитектуре — Athlon 64, к сожалению на то время AMD ещё не реализовала тех же технологий многопоточности и многоядерности как у Intel.
Вот так процессоры дошли до того, какими мы видим их сейчас, с того времени прогресс стал упираться в совершенствование архитектур, поскольку постоянно повышать частоты не является эффективной идеей, да и при таком малом профите, энергопотребление колоссально возрастает, из за чего идея с постоянным повышением частот не является верной.
АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ
С того момента Intel стала выпускать линейку процессоров Intel Core, которая стала их основной, и все какие либо прогрессы мощностей, происходят по сей день именно в этой линейке первым делом. Тут уже можно перейти к разбору пары интересных архитектур процессоров.
К примеру в одном из последних поколении — Intel Alder Lake, процессоры получили новую технологию двух видов ядер. Процессор поделен на энергоэффективные и производительные ядра, сделано это для того, чтобы мало требовательные задачи не заставляли процессор брать много ресурсов для обработки. Запуская условный браузер, процессор будет использовать только энергоэффективные ядра, энергии потребляется мало, а программе много ресурсов процессора и не надо. В случае же с требовательными программами, процессор понимает что ресурсов требуется гораздо больше, потому обращается уже к производительным ядрам, чтобы те в свою очередь обрабатывали запрос.
Также из интересных архитектур, сделанных за последнее время, можно вспомнить архитектуру Bulldozer от AMD, которая используется в процессорах линейки FX. На время выхода она удивила всех своей возможностью, для помещения большого количества ядер в одном процессоре. Один из процессоров линейки имел колоссальные для того времени 8 ядер, хотя ядра эти можно назвать условными. А всё потому, что целых ядер в процессоре всего 4, просто каждое из них поделено на две части, делая из этого группы. И минусом этой архитектуры была нестабильная производительность, в задачах где было достаточно одного-двух потоков из ресурсов процессора могла быть использована всего одна группа половинок ядра, и в таком случае производительность как раз таки была высокой. Но стоило использовать гораздо больше, группам половинок приходилось общаться между собой, передавая данные через внутреннюю шину памяти, которая была крайне слабая, соответственно все операции проходящие через неё падали в производительности. Хотя даже так, люди не знающие про такие подробности, покупали эти процессоры для своего компьютера из за факта многоядерности. После выпуска линейки FX, AMD на некоторое время утихла на рынке процессоров, вернувшись в 2017 со своей новой архитектурой Zen. Эта архитектура была по сути модификацией Bulldozer, но с одним нюансом. Как таковой своей шины памяти у процессора уже не было, обработка данных проходящие через шину памяти перенаправлялись в оперативную память, откуда уже отправлялись обратно в процессор. Из за чего можно сделать вывод, что данная архитектура крайне требовательна к производительности оперативной памяти, поскольку она гораздо сильнее влияет на производительность процессора, чем те же процессоры Intel.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На данном этапе я бы хотел закончить работу. Мы узнали основы работы процессора, увидели как прогрессировали эти процессоры, и какие для них делали архитектуры с целью как либо повысить производительность. На этом у меня всё. Спасибо за внимание!
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Информатика. Босова Л.Л.Босова А.Ю. Босова.-М.: Бином. Лаборатория знаний, 2021-184с.:ил.
Электроника и микропроцессорная техника, ГусевВ.Г., Гусев Ю.М.
Просмотров работы: 134
Время на прочтение
9 мин
Количество просмотров 78K
Центральный процессор представляет из себя сложную интегральную схему, которая является одним из ключевых составляющих элементов современного ПК. Первые компьютеры появились примерно в 40-х годах прошлого века, работая на электромеханических реле и вакуумных лампах. Они обеспечивали функционирование первых вычислительных машин. В 60-х годах появились первые интегральные микросхемы которые на долгое время стали неотъемлемой частью любого вычислительного устройства. Началом эпохи современных CPU можно смело назвать 1971-й год.
Intel 4004
Первым однокристальным микропроцессором считается 4-битный Intel 4004, вышедший 15 ноября 1971 года. Компания Intel только начинала свой путь становления и ее создатели, Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув, потратили немало сил на процесс развития. Благодаря вкладу итальянского физика Федерико Фаджина, инженерам компании удалось разместить ключевые компоненты на один чип и создать микропроцессор 4004.
Intel 4004 производился по 10-мкм техпроцессу, насчитывал 2250 транзисторов и работал на частоте 108 кГц (проводил 92 600 операций в секунду). Частота синхронизации была 740 кГц. Объем памяти доходил до 4 Кб, разрядность шины — 4 бита. Площадь кристалла составляла 12 мм2.
Intel 8008
В начале 70-х компания выпустила первый 8-битный центральный процессор Intel 8008. Он разрабатывался одновременно с 4004 под заказ для Computer Terminal Corporation (в последствии Datapoint). Но компания отказалась от CPU (как и от сотрудничества с Intel) из-за того, что процесс создания микросхемы вышел за пределы установленных сроков, а его характеристики не соответствовали ожиданиям.
По технических характеристикам микропроцессор 8008 во многом соответствовал предыдущей версии. Он производился по тому же 10-мкм техпроцессу и содержал 3500 транзисторов. Внутренний стек поддерживал 8 уровней, а объем памяти был 16 Кб. Тактовая частота оказалась ниже, чем у 4004, она составляла 500 кГц. По скорости 8-битный процессор Intel отставал от 4-битного. Разрядность шины была 8-бит. Процессор мог обратиться к 8 портам ввода и 24 портам вывода.
Одной из первых компьютерных систем на основе микропроцессора стал проект Sac State 8008 (1972 год). Это был полноценный микрокомпьютер с дисковой ОС, цветным дисплеем, ОЗУ 8 Кб и диском 3+2 Мб, клавиатурой, модемом, принтером. Он предназначался для обработки и хранения медицинских записей.
Intel 8080
Весной 1974 года компания Intel выпустила усовершенствованную версию — 8-битный микропроцессор Intel 8080. Он производился по новому 6-мкм техпроцессу с использованием технологии NMOS, позволяющей разместить на кристалле 4758 транзисторов. Тактовая частота составляла 2 МГц (со временем 2,5 МГц, 3,1 МГц и 4 МГц), объем памяти — 64 Кб. Разрядность шины данных составляла 8-бит, а шины адреса — 16-бит. У 8080 была весьма развита система команд: 16 команд передачи данных, 31 команда для их обработки, 28 команд для перехода (с прямой адресацией), 5 команд управления.
За счет высокой производительности процессора пользовался успехом. На базе Intel 8080 компания MITS выпустила микрокомпьютер Altair-8800. Несмотря на скромные характеристики (256 байт оперативной памяти, отсутствие монитора и клавиатуры) он обрел небывалую популярность и раскупался очень быстро.
Существовало немало клонов Intel 8080 от других компаний, таких, как National Semiconductor, NEC, Siemens и AMD. Был и советский аналог от Киевского НИИ микроприборов — микропроцессор КР580ВМ80А (1977 год).
Motorola 6800
В 1974 году компания Motorola выпустила свой процессор — 6800. Кристалл производился по 6-мкм техпроцессу, с тактовой частотой 2 МГц и памятью 64 Кб. Использовалась технология N-МОП. Процессор имел 16-битную адресную шину и систему команд из 78 операций. Присутствовал индексный регистр.
Motorola 6800 был весьма популярным, он применялся во многих ПК. На базе его архитектуры были созданы микроконтроллеры Motorola 6801 и 6803.
MOS Technology 6502
В 1975 году компания MOS Technology представила 8-разрядный микропроцессор 6502. По сути, этот процессор был обновленной версией 6501, потерпевшей неудачу из-за совместимости по выводам с Motorola 6800. По характеристикам CPU уступал конкурентам 8080 и 6800. У него была 16-битная адресная шина, 64 Кб оперативной памяти. Тактовая частота составляла всего 1 МГц. Процессор имел CISC-архитектуру.
Преимуществом данной модели была цена — всего $25 (в разы дешевле чем у Intel и Motorola). Это поспособствовало стремительному росту продаж процессора.
6502 использовался в таких ПК, как Apple I, Apple II, Commodore PET и т.д. Также процессоры данной серии нашел применение в видеоиграх, начиная с приставки Atari 2600, использующую модель 6507 с меньшим количеством выводов и возможностью адресации только 8 Кб памяти.
MOS Technology предоставили лицензии компаниями Rockwell, Synertek на производство процессоров и применение 6502. Существовал советский аналог 4К602ВМ1.
Zilog Z80
Во второй половине 70-х из Intel ушел один из создателей микропроцессора, итальянец Федерико Фаджин. Объединившись с инженером Ральфом Уингерманном и японским инженером Масатоси Симой они основали компанию Zilog. И уже в начале лета 1976 года на рынок вышел процессор Zilog Z80, который по своей архитектуре напоминал улучшенный 8080. У микропроцессора был расширен набор команд, появились новые регистры, режимы прерываний, два отдельных блока регистров.
Z80 производился по 3-мкм техпроцессу с использованием технологии КМОП, содержал 8500 транзисторов. Тактовая частота варьировалась в пределах 2,5 МГц — 8 МГц для основной версии и 1 МГц — 20 МГц для КМОП-версии. Объем памяти доходил до 64 Кб, с 16-битной адресной шиной. Размеры кристалла составляли 4,6 мм х 4,9 мм, с площадью 22,54 мм2. Помимо технических преимуществ, Z80 стоил к тому же дешевле интеловского процессора.
CPU выходил в разных вариантах: Z80 (2,5 МГц), Z80A (4 МГц), Z80B (6 МГц) и Z80H (8 МГц). Применялся в компьютерах Sharp, NEC и других.
Intel 8086 и 8088
В 1978 году компания Intel выпустила первый 16-битный микропроцессор 8086. Его разработка велась более двух лет. Процессор производился по 3-мкм техпроцессу, содержал 29 000 транзисторов. Объем памяти достигал 1 Мб. Тактовая частота составляла 4 МГц — 10 МГц, разрядность регистров и шины данных была 16 бит, а разрядность шины адреса — 20 бит. Intel 8086 отличался скоростью работы.
В процессоре 8086 насчитывалось четырнадцать 16-разрядных регистров: 4 общего назначения (AX, BX, CX, DX), 2 индексных регистра (SI, DI), 2 указательных (BP, SP), 4 сегментных регистра (CS, SS, DS, ES), программный счётчик или указатель команды (IP) и регистр флагов (FLAGS, включает в себя 9 флагов).
Для увеличения продаж 8086 Intel выпустила процессор 8088, который во многом соответствовал предшественнику. Только уменьшилась ширина шины, с 16 бит до 8 бит. Подобное изменение позволило процессору работать с 8-разрядными микросхемами поддержки. Также несколько изменилась архитектура. В микропроцессоре Intel 8088 использовалась очередь упреждающей выборки длиной 4-байта, а не 6-байт.
Процессор использовался в первой модели линейки IBM РС 5150 (1981 год). Многие крупные компании, вроде AMD, Siemens, NEC и других, клонировали 8088.
Zilog Z8000
В 1979 году компания Zilog выпустила свой 16 битный микропроцессор Z8000. Он производился по 6-мкм — 3-мкм техпроцессу с количеством транзисторов 17500. Тактовая частота варьировалась от 4 МГц до 10 МГц для основной версии и от 4 МГц до 20 МГц для КМОП. Объем памяти достигал 8 Мб для Z8001 и 64 Кб для Z8002. Разрядность шины данных была 16 бит, а шины адреса — 23 бит (в версии Z8002 — 16 бит).
Изначально были выпущены две версии процессора: Z8001 и Z8002. Их различия заключались лишь в том, что первый работал с адресацией до 8 Мб памяти, а второй — лишь до 64 Кб. Несколько позже появились модели Z8003 и Z8004, которые умели работать с виртуальной памятью.
Процессоры Z8000 применялись в настольных Unix-компьютерах, позволяющих создавать настоящие многопользовательские системы.
Motorola 68000
Серия CISC-микропроцессоров Motorola 68000 (68к) была представлена в 1979 году. Кристалл имел 32-битное ядро, но работал посредством 16-битных шин данных и 24-разрядной шиной адресов. Его частота составляла 8 МГц — 20 МГц, а количество транзисторов насчитывало 68 000 штук. CPU производился в форм-факторе DIP с 64 контактами. Но также существовали модели с разъемами LCC и PGA.
Процессор приобрел популярность у многих компаний и применялся в различных ПК. Но конечно, наиболее известными являются компьютеры Apple: Lisa и Macintosh.
Intel 80186
Следующим процессором Intel стал 80186, в основе которого лежала архитектура 8086. Он производился по 3-мкм техпроцессу и содержал 134 000 транзисторов. Объем памяти составлял 1 Мб, разрядность шины данных была 16-бит, а шины адреса — 20-бит. Тактовая частота достигала 6 МГц — 25 МГц.
В 80186 добавились новые команды:
— два контроллера прямого доступа к памяти со схемами прерываний (DMA);
— дешифраторы адреса;
— трех-канальный программируемый таймер-счетчик;
— генератор синхронизации;
— программируемый контроллер прерываний.
Процессоры мало применялись в компьютерах, только в некоторых моделях ПК, вроде Compis (Швеция), RM Nimbus (Великобритания), Unisys ICON (Канада), HP 200lx (США), и Tandy 2000 (США).
Intel 80286
Следующая модель компании вышла в феврале 1982 года. Это был 16-битный x86-совместимый микропроцессор второго поколения 80286. Имелась поддержка реального режима. В защищенном режиме емкость адресного пространства могла составлять до 1 Гб за счет изменения механизма адресации памяти.
По техническим характеристикам процессор превосходил предыдущую модель. Он выпускался по 1,5-мкм техпроцессу с количеством транзисторов в 134 000 штук. Объем оперативной памяти составлял 16 Мб, а в защищенном режиме можно было использовать до 1 Гб виртуальной памяти. Разрядность регистров и шины данных составляла 16-бит. В зависимости от модели, тактовая частота могла быть 6 МГц, 8 МГц, 10 МГц или 12,5 МГц (при 12,5 МГц процессор выполнял не менее 2,66 млн операций в секунду).
WDC W65C816S
В 1984 году компания Western Design Center (WDC) выпустила 16-битный микропроцессор W65C816S. В модели была 24-битная адресация памяти и поддерживалось до 16 Мб памяти с произвольным доступом, а также присутствовал расширенный набор инструкций.
Процессор применялся в компьютере Apple IIGS, а также системах Acorn Communicator и C-One.
Intel i386
В 1985 году вышел 32-битный процессор с архитектурой x86 третьего поколения Intel 80386 (или i386). Процессор сохранил обратную совместимость с 8086 и 80286. Производился по 1,5-мкм — 1,0-мкм техпроцессу. Через страничное преобразование процессор мог адресовать до 4 Гб физической памяти и до 64 Гб виртуальной памяти. Тактовая частота составляла 12 МГц — 40 МГц.
Процессор Intel i386 представлялся в разных модификациях, отличающихся между собой производительностью, потребляемой мощностью, разъемами, корпусами и другими характеристиками. Модели: 386DX (DX — Double-word eXternal), 386SX, 386SL и 386EX (модификация процессора 386SX).
Первым компьютером, использующим процессор, стал Compaq Deskpro 386. Также модель была первым 32-разрядным процессором для настольных и портативных IBM PC.
У i386 было довольно много клонов, которые производились компаниями AMD, Cyrix и IBM. Топовая модель компании AMD была Am386DX, которая не уступала в производительности, стоила дешевле и имела тактовую частоту 40 МГц. Клоны компании Cyrix 86SLC и 486DLC также хорошо воспринялись пользователями. Наиболее известные клоны компании IBM были процессоры 386SLC и 386DLC, которые использовались в настольных компьютерах IBM PS/2 и PS/ValuePoint.
Intel i486
Следующие 32-битные процессоры компании, i486 (1989 год), были более производительны благодаря модернизации. CPU содержал почти 1,2 млн транзисторов (около половины отводилось для кэш-памяти). Чипы производились по 1-мкм техпроцессу, позже по 0,8-мкм и 0,6-мкм техпроцессам. Объем памяти составлял 4 Гб. Тактовая частота была 25 МГц — 50 МГц.
Процессор дополнился:
— кэш-памятью (8 Кб);
— вычислительным конвейером, который занимался разделением обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой из них. Конвейер включал в себя выборку, декодирование, декодирование адресов операндов, выполнение команды и запись результата выполнения инструкции;
— встроенным сопроцессором (модулем операций с плавающей запятой), помогающим выполнять математические операции над вещественными числами;
— коэффициентом умножения (множителем).
Разные компании также копировали Intel i486, как и предыдущие модели. Производством клонов занимались AMD, Cyrix, IBM, Texas Instruments и другие.
Motorola 68020, 68030, 68040
С 1984 по 1990 годы компания Motorola выпустила линейку своих 32-битных процессоров: 68020, 68030, 68040. «Пионер» i386 (68020) производился по 2-мкм техпроцессу и насчитывал 190 000 транзисторов. Его тактовая частота составляла 12 МГц — 33 МГц. 68020 стал первым процессором в линейке Motorola 68k со встроенной кэш-памятью первого уровня (объем 256 байт).
Процессор применялся в компьютерах Apple: Macintosh II и Macintosh LC.
В 1987 году в продаже появился 68030. В процессоре была динамическая шина данных, которая функционировала в 8-битных, 16-битных и 32-битных режимах. Появилось дополнительно 256 байт кэш-памяти первого уровня. Тактовая частота варьировалась от 16 МГц до 50 МГц.
Motorola 68030 также применялся в компьютерах Apple Macintosh II и Commodore Amiga, в системах Next Cube, Sun 3/80, Atari TT и Atari Falcon.
В 1990 году на рынок вышел процессор 68040. В нем появился встроенный сопроцессор. Объем кэша-памяти инструкций и кэш-памяти данных увеличился до 4 Кб. Принцип работы процессора основывался на вычислительных конвейерах, которые состояли из шести стадий. Тактовая частота достигала 40 МГц.
Процессор 68040 стал основой High-End-системы Macintosh Quadra. Macintosh Centris и Performa также использовали процессоры семейства 68040.
DEC VAX
В период с 80-х по 90-е компания DEC выпустила целую серию 32-битных процессоров, которые базировались на собственной архитектуре VAX (32-битная компьютерная архитектура, была разработана Digital Equipment Corporation в рамках проекта Star).
Первым в серии был MicroVAX 78032. Он изготавливался по 3-мкм техпроцессу и содержащий 125 000 транзисторов, работал на частоте 5 МГц.
В 1987 году был представлен чипсет CVAX, тактовая частота которого составляла 11,11 МГц или 12,5 МГц. Производился процессор с помощью технологии CMOS первого поколения, общий объем кэш-памяти инструкций и данных составлял 1 Кб и поддерживалось 64 Кб внешней кэш-памяти.
NEC V60, V70, V80
Отдельного упоминания достойны процессоры внутреннего рынка Японии.
Первый 32-битный процессор V60 был выпущен компанией NEC в 1986 году. Производился этот CPU по 1,5-мкм техпроцессу и насчитывал 375 000 транзисторов. Он использовал вычислительные конвейеры с шестью стадиями, а также имел встроенный сопроцессор и блок управления памятью. Тактовая частота достигала 16 МГц.
В 1987 году вышел V70, который со временем начал производиться по 1,2-мкм техпроцессу. Тактовая частота составляла 20 МГц. При такой скорости работы производительность чипа доходила до 6,6 млн инструкций в секунду.
И в 1989 году компания выпустила процессор V80. Эта модель уже имела кэш-память инструкций и кэш-память данных (объемом по 1 Кб). Производился кристалл по 0,8-мкм техпроцессу и содержал 980 000 транзисторов. V80 работал на частоте 25/33 МГц.