История микропроцессора, часть 1. Деянья дней минувших...
Преданья старины глубокой... Обычно считают, что история компьютеров началась с "Паскалины" — механического арифмометра, сконструированного в 1642 году Блезом Паскалем. Думаю, это в корне неверно. Сия штуковина если и была предком компьютеров, то весьма далеким, более родственным деревянным счетам, нежели современным цифровым микропроцессорам. Основанное на колесиках и валиках металлическое чудо язык не поворачивается назвать процессором. Тем не менее, это была полноценная считающая "железяка", достойная упоминания как прототип возможного развития вычислительной техники в отсутствие транзистора.
"Паскалина" и ее изобретатель Теперь перейдем к первому агрегату, который действительно можно назвать компьютером, хоть опять же с большой натяжкой. Речь идет об "Аналитической машине" Чарльза Бэбиджа — прадедушки современных компьютеров. По образованию Бэбидж был математиком и всю свою жизнь посвятил созданию первой в мире программируемой вычислительной машины. Он так и не довел свое изобретение до логического конца, но многие его открытия и наработки были использованы в более жизнеспособных моделях. По проекту устройство должно было приводиться в действие силой пара. При этом оно могло воспринимать внешние команды, выполнять вычисления и выдавать готовые результаты в отпечатанном виде. Программы должны были кодироваться дырочками на перфокартах или перфоленте. Кстати, в идее использования перфокарт Бэбидж был отнюдь не оригинален. Впервые идея применять перфокарты для выполнения каких-то запланированных операций пришла в замечательную голову Жозефа Жаккара. Этот незаурядный во всех отношениях человек изобрел первый в мире программируемый (!) ткацкий станок. По отверстиям на перфокарте его изобретение умело вышивать различные сложные и разноцветные узоры на ткани. И все это в начале XVIII века!
Разностная машина Бэбиджа Если говорить о теоретических
Леди Ада Августа Лаврейс изысканиях на ниве создания компьютера, то первой леди, которая внесла в эту отрасль ощутимый даже сейчас вклад, была Ада Августа Лаврейс — дочь лорда Байрона (да-да, того самого Байрона — великого английского поэта). Именно она первой поняла, что десятичная система исчисления похоронит саму возможность создания умных машин. Благодаря своим дамским чарам и математическим познаниям леди Ада Августа смогла убедить Бэбиджа в исключительной перспективности двоичной системы. Кто знает, как бы повернулась история компьютеров,
Машина Холерита не приди в хорошенькую головку леди Ады Августы такая судьбоносная мысль? Сидели бы мы сейчас за огромными цистернами, по которым в жиклерах циркулировала бы разноцветная вода (это не бред сумасшедшего — в советские времена идея создания микросхем на воде всерьез занимала умы ученых). За великую роль, которую леди Ада Августа сыграла в истории компьютеров, в ее честь был назван один из языков программирования — Ада. Идею использования перфокарт перенял (в электронике не используется "украл") и развил американец Герман Холлерит. По заказу правительства США он изготовил машину для обработки результатов государственной переписи. По проекту Холлерита каждый переписываемый вместо того, чтобы ставить галочку на бланке-опроснике, должен был просто проколоть отверстие в нужном месте. Потом бланки закладывались в машину и как бы "прощупывались" специальными иголками. То есть, если в каком-то месте бланка было отверстие, то иголка проскакивала через него и касалась металлической подкладки. Проходил электрический ток — и к какой-то там механической переменной прибавлялась единица. После успеха этой машины код, пробиваемый на перфокартах,
Mark I стали называть кодом Холлерита. Одним из самых известных компьютеров стал легендарный "Марк I". Это был первый в мире цифровой компьютер (все предыдущие работали на аналоговых принципах). Он был предназначен для автоматизации баллистических артиллерийских расчетов. Военным требовалась точная и надежная машина, которая могла бы быстро рассчитывать параметры полета снаряда (на дворе стоял 1944 год, и исход Второй мировой был еще не решен). Так как при ведении артиллерийской стрельбы приходится учитывать десятки факторов (начиная от типа снаряда и кончая влажностью грунта, на котором установлено орудие), то стандартно артиллеристы пользовались специальными таблицами коэффициентов. Вычисления были достаточно трудоемкими и отнимали уйму времени, за счет чего данные о цели устаревали раньше, чем производился выстрел. "Марк I" смог решить эту проблему. Изготовил его профессор Гарвардского университета Айкен. Машинка была не из крошек — более 15 метров в длину и примерно 3 метра в высоту. За один день она выполняла расчеты, которые вручную артиллеристы могли бы сделать только за полгода. Сразу за "Марком I" была создана целая плеяда "сверхбольших" ЭВМ. "Эниак", который делался для тех же целей, что и "Марк I", выполнял 300 операций умножения в секунду и весил целых 30 тонн. Прогресс стремительно развивался, появлялись "Эдзаки", "Юниваки" и еще какие-то их модификации с труднопроизносимым названиями. Процессор перестал быть одиноким. Сначала он обзавелся оперативной памятью (благодаря Джону фон Нейману простейшее ОЗУ было уже в "Эдзаке"), постоянной памятью на магнитных лентах (пращур современного стримера), более привлекательными средствами ввода и вывода информации.
"Эдзаки" и "Эниаки" Песнь силиконовой долины Во всех вышеперечисленных цифровых компьютерах в качестве основных деталей использовались электронные лампы. Лампы часто перегорали, потребляли много электроэнергии, а простейший современный калькулятор в ламповом исполнении занимал не одну комнату и весил не одну тонну. Нужно было срочно искать альтернативу. И такая альтернатива нашлась, благодаря открытию полупроводников. Собственно, об особых свойствах полупроводников знали еще очень давно — с середины XVIII века. Но применение им нашли только в середине XX века — в полупроводниковых диодах и транзисторах (первый транзистор появился в 1948 году). С этого момента начинается второе поколение компьютеров. Они стали немного более быстрыми, менее громоздкими (калькулятор занимал всего несколько шкафов) и намного более стабильными. Появились магнитные диски, а потом и винчестеры.
Электронная лампа Транзисторы Вот тут-то в дело включилась
Одна из первых микросхем известная всем и каждому компания IBM со своими "голубыми" амбициями. Первыми ее компьютерами, основанными на транзисторах, стали 701, 704 и 709. Эти модели быстро завоевали популярность среди военных и крупных бизнесменов благодаря своему быстродействию, а также относительно низкой цене. На широкую арену IBM вышла в 1953 году и сразу же проявила удивительную инициативность и настойчивость. Новые модели компьютеров следовали одна за другой — компания богатела на глазах. С самого начала своей деятельности руководство IBM собрало под свое крылышко многих талантливых инженеров и программистов, а также отстроило и оборудовало самые современные лаборатории. Благодаря этому IBM всегда была на один шаг впереди конкурентов. Кстати, накопитель типа "винчестер" тоже изобрели в IBM. Правда, тот винчестер сильно отличался от современных аналогов. Представьте себе "дуру" диаметром 24 дюйма с 50 блинами, плотность записи составляла 100 килобайт на блин, а полная емкость винчестера тянула на 5 Мб. Возвращаясь немного назад, отметим, что одним из существенных технологических прорывов IBM можно считать уже упомянутый IBM 704, в процессоре которого был впервые задействован блок для операций над числами с плавающей точкой (так называемый сопроцессорилиFPU (Floating Point Unit). Компьютеры на транзисторах просуществовали недолго. Новый виток научно-технической революции — и в 1964 году на смену им пришли интегральные схемы, или попросту микросхемы. Идея была проста: раньше на одном кремниевом кристалле размещался один транзистор с собственными выводами и собственным корпусом. Так почему бы не разместить на одном кристалле несколько транзисторов, объединив их в один функциональный блок? И почему бы еще вдобавок к этому, кроме транзисторов, не вытравливать на поверхности кристалла и остальные радиодетали — резисторы, конденсаторы и диоды? Сказано — сделано. Блоки, которые раньше занимали несколько полок в металлическом шкафу, сморщились до размера человеческого ногтя. Компьютеры стали еще меньше, еще быстрее и еще дешевле. Примерно в это же время наступило размежевание в компьютерных рядах, появилось много новых платформ и клонов. Линейка System/360 от IBM, PDP от DEC, Altair от MITS, Apple от, как ни странно, Apple, Osborne от OsborneComputerCorporation, VIC-20 от Commodore, царствующая ныне платформа x86 (синоним IBM PC), TRS-80, Acorn, Amiga, Amstrad, Odyssey, Atari, великий ZX Spectrum. Многие из перечисленных все еще существуют, а некоторые даже процветают и продолжают успешно конкурировать с PC (Apple, например).
Эра x86 Уже в начале девяностых
Электронная клавишная вычислительная машина (промышленный образец) было ясно, что пальма первенства на массовом пользовательском рынке принадлежит IBM PC платформе. Мудрые маркетологи компании вместо того, чтобы строго законспирировать производство, стали раздавать лицензии сторонним фирмам, за счет чего не самая, скажем так, "продвинутая" архитектура стала быстро завоевывать популярность. Термин "IBM PC-совместимый компьютер" стал своеобразным штампом для функциональных и доступных конечному пользователю персоналок (термин "домашний пользователь" тогда еще просто не существовал, громоздкие XT-шки покупали для научных учреждений и банков). Далее прогресс понесся скачками. Как гром средь ясного неба, прогремели интеловские x86 процессоры — i286, i386 и i486. Последний продержался более чем пять лет и лишь в середине девяностых был
Первая электронная счетная машина в континентальной Европе с хранимой в памяти программой вытеснен новым поколением IntelPentium. До конца 1997 года были произведены "Пентиумы" с частотами 60, 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166 и 200 МГц. В их активе значился кэш первого уровня размером 16 кб и полное отсутствие даже намека на кэш второго уровня, который размещался непосредственно на материнской плате (на закате эры "первого пентиума" в некоторых экземплярах материнок его размер достигал 1 Мб). Технология производства дошла до 0,6 микрон. Pentium состоял из 3,3 миллионов транзисторов. Но не IBM с Intel единым жив человек. На сладкий процессорный пирог потянулись первые более-менее серьезные конкуренты, из которых можно выделить двух действительно достойных товарищей — Cyrix и AMD. Про первого мы сейчас редко вспоминаем, а вот второй жив, здоров и часто поминаем в компьютерной прессе как главный, единственный и самый опасный конкурент Intel. Вот один любопытный фактик истории. В свое время для обозначения производительности "не-Intel" процессоров было решено применять не реальную их частоту, а некий сравнительный коэффициент, демонстрирующий отношение к эталону. Эталоном, разумеется, взяли самый шустрый и популярный на то время Pentium. Так появился Performance Rating, или PR. Например, AMD маркировала свои камни примерно так: "AMD-K5-PR133", то есть "процессор AMDK5, чья производительность равна производительности Intel Pentium133 МГц". При этом реальная частота процессора нигде не указывалась, скорее всего потому, что была гораздо меньше (разности тогда были не те, и 20 МГц делали погоду) указанной PR-ной. Позже от PR-рейтингов отказались. Как оказалось, лишь на время, ибо совсем недавно AMD вновь откопала эту фишку на свалке истории и с независимым видом присобачила ее к Athlon XP. В 1997 году произошло еще одно знаменательное событие на рынке x86-совместимых ПК. Компания Cyrix задумала
БЭСМ-6 - шедевр творчества коллектива Института точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР процессор класса "все в одном", у которого на одном чипе должны были поселиться аудиоконтроллер, графический ускоритель, контроллеры PCI и много чего еще. Таинственный MediaGX будоражил умы масс, но релиз расставил все по своим местам. В первых же тестах мультикомбайн потерпел фиаско. Его производительность оказалась достаточно дохлой и не смогла составить конкуренцию Intel Pentium. Тем не менее, главное достоинство MediaGX — дешевизна — было оценено и востребовано некоторыми крупными компаниями-сборщиками ПК (Compaq, например), что несколько отодвинуло его кончину. В конце 1995 года Intel выпустила Pentium Pro. Фактически, это был первый x86 процессор, рекомендованный для применения в серверных компах (это не значит, что его не ставили в обычные ПК). Долгое время оставался самым дорогим процессором для IBM PC. Содержал в себе какую-то странную архитектурную ошибку, из-за которой все 16-битные приложения работали на нем намного медленнее, нежели чем на обычном Pentium. И, так как в те суровые времена таких приложений было большинство, особого благоволения публики не сыскал. Его технические данные звучат следующим образом: кэш L1 объемом 16 кб, встроенный кэш L2 объемом 256 или 512 кб, количество транзисторов 5,5 млн., разрядность внутренней шины — 300 бит (!). Игрушка, прямо скажем, недетская. Но прижилась исключительно в серверах на основе первой 32-разрядной Windows NT 3.51. В 1998 году Pentium обзавелся приставкой MMX (MultiMediaExtensions).
Государственные испытания системы "Бирюза" По сути, в процессор было добавлено 57 новых инструкций, предназначенных для обработки аудио, 2D и 3D графики, речи, коммуникационных систем и прочих мультимедийных возможностей. В специально написанных под эту технологию программах и играх наблюдался существенный прирост производительности — на 20-30%. AMD не могла остаться в долгу и сделала ответный ход, снабдив свои K6 аналогичной технологией 3DNow!. Вскорости и Cyrix снабдила свои новые 6x86Mx аналогичными возможностями. В мае 1997 года на свет появился Pentium II. У нового камушка обнаружилось абсолютно новое производительное ядро, ранее невиданное "картриджное" исполнение вкупе с идеологией Slot 1, кэш первого уровня объемом 32 кб (при этом 16 кб выделялось под команды, а остальные 16 кб — под данные). В отличие от Pentium Pro кэш второго уровня был вынесен за пределы кристалла. Естественно, производительность от этого несколько пострадала, так как L2 стал работать на частоте меньшей, чем частота процессора, однако итоговая цена Pentium II получилась существенно ниже. По сравнению с предыдущими моделями ЦПУ, увеличилось число внутренних буферов, что несколько сгладило потери от внешнего кэша. Примерно тогда же Intel выпустила разновидность Pentium II Xeon, специально ориентированную на рынок производительных серверов. Его
Управляющий комплекс СМ-1 системы СМ ЭВМ основное отличие от обычного Pentium II — гигантский объем кэш-памяти второго уровня (в зависимости от модели — 512/1024/2048 кб). Кроме того, Xeon идеально работал в многопроцессорных конфигурациях (до 8 процессоров на сервере). За что можно поблагодарить Intel от чистого сердца — так это за то, что именно она в свое время основала традицию выпускать помимо базовых моделей процессоров бюджетные "облегченные" варианты. Первой ласточкой стал Celeron, после которого примерно через год AMD представила Duron (облегченный Athlon). Что собой представляет Celeron? Это тот же Pentium II, у которого удалили внешний конвейер и дорогостоящий кэш второго уровня. Это позволило коренным образом снизить стоимость процессора, чтобы он пришелся малобюджетным пользователям не только по душе, но и по кошельку. "Целероны" быстро обрели популярность, а отсутствие кэша второго уровня дало старт целой эпохе доморощенных оверклокеров (отсутствие кэша снимает целый ряд проблем при разгоне). Впоследствии, дабы компенсировать медленную производительность, Intel выпустила целую линейку "Целеронов" с кэшем L2 объемом 128 кб (он имел в маркировке букву "A"). Данная модель получила условное наименование Mendocino и благодаря встроенному кэшу, работающему на частоте ядра, в свое время смогла показать отличную производительность плюс замечательный потенциал разгона. На данной мажорной ноте хотелось бы приостановить повествование и напомнить потенциальным читателям, что славная история процессоростроения на этом не оканчивается. В следующей части материала вы сможете узнать о будущем, ожидающем компьютерную индустрию, а также выяснить несколько спорных моментов, о которых среди специалистов принято говорить шепотом. Надеюсь, что заинтриговал, и до встречи.
1263 Прочтений • [История микропроцессора, часть 1. Деянья дней минувших...] [19.05.2012] [Комментариев: 0]
Vova
