`

Schneider Electric - Узнайте все про энергоэффективность ЦОД


СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

За 25 лет до...и 25 лет после

+33
голоса

Это маленькое чудо, и я думаю, что микропроцессор окажет огромное влияние на развитие вычислительной техники. По существу, мы теперь начинаем на все смотреть другими глазами.
Д. Слотник, создатель сети ARPA и супервычислителя ILLIAC-4

Примерно за 25 лет до того, как корпорация Intel выпустила первый в мире функционально завершенный одиокристалльный микропроцессор 4004, положив тем самым начало микропроцессорному буму, произошло событие, радикально изменившее наш мир, - был создан транзистор. Это изобретение можно с полным правом считать фундаментальным для другого события, происшедшего спустя 25 лет, - презентации микропроцессора Pentium Pro 200 MHz.
Первый транзистор

Наверное, ни одно из открытий физики XX столетия не повлияло столь непосредственно на жизнь людей, как транзистор. Благодаря своим преимуществам перед электронной лампой, он совершил революцию во многих, если не во всех областях человеческой деятельности. И не удивительно, что изобретатели транзистора - Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Браттейн (Walter Brattain) и Уильям Шокли (William Shockley) - были удостоены Нобелевской премии по физике за 1956 г.

 

За 25 лет до...и 25 лет после

Создание транзистора не было результатом какого-либо одного тщательно поставленного эксперимента, а оказалось лишь одним из этапов весьма обширной программы по исследованию квантовых свойств полупроводников, проводимой совместно группой ученых. Среди них были не только физики, но и специалисты по электронике, физической химии и металловедению. В 1946 г. была создана исследовательская группа при лаборатории Bell Telephon во главе с Уильямом Шокли.

В своей Нобелевской лекции Джон Бардин говорил, что «общая цель программы состояла в том, чтобы как можно глубже разобраться в явлениях, наблюдаемых в полупроводниках, причем не эмпирически, а объяснить их па основе атомной теории», но далее отметил, что «в течение длительного времени существовала надежда создать триод, или усилитель, на полупроводниках».

Успех был достигнут 23 декабря 1947 г., когда Бардин и Браттейн установили на поверхности кристалла германия достаточно близко друг к другу (на расстоянии 0,002 см - тогда это была сложная экспериментальная задача) два золотых контакта и получили усилитель с коэффициентом усиления почти 100 во всем звуковом диапазоне частот. Это был первый в мире экспериментальный транзистор (рис. 1). С тех пор началось триумфальное шествие полупроводниковой электроники. В основе ее развития лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой.

На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми методами, на основе старой элементной базы, например, с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Если потребуется построить «компактное» электронное устройство, содержащее 10* компонентов (сейчас это примерно 20 кристаллов Pentium Pro) на дискретных элементах, характеризуемых средней мощностью

За 25 лет до...и 25 лет после

15 мВт, средним размером 1 см3, массой 1 г, ценой 50 центов и вероятностью выхода из строя 10"в час, то результат будет обескураживающий: мощность, рассеиваемая устройством, 1,5 МВт, габариты 100 м', масса 100 тонн, а стоимость только транзисторов будет исчисляться 50 млн. долл. Для его сборки потребуется не менее 10 человеко-лет, а частота выхода из строя составит, в среднем, один отказ за три секунды. Работать такой прибор, в принципе, ие будет.

Интегральная электроника

Дискретная электроника уже в конце 50-х годов стала тормозом технического прогресса, что привело к появлению интегральных схем на основе планарной технологии. Идея интеграции состояла в том, что на исходной пластине кремния вместо отдельных транзисторов одновременно изготавливалось множество комплектов, каждый из которых содержал все компоненты, необходимые для построения функционального узла (транзисторы, диоды, резисторы). Эти компоненты соединялись между собой напыляемыми металлическими полосками (рис. 2). Далее пластина разрезалась на отдельные кристаллы, которые помещались в корпус. В результате получался готовый функциональный узел в виде конструктивно единого электронного прибора. Первые микросхемы содержали от единиц до нескольких десятков элементов. Это были малые интегральные схемы - MHC(SSl), состоящие из 1-100 элементов. Очень скоро появились приборы средней степени интеграции CHC(MSl) 100-1 000 элементов.

За 25 лет до...и 25 лет после

В течение 80-х годов сменилось два поколения микросхем: большие BHC(LSI) - до 10 тысяч элементов на кристалл и сверхбольшие CBHC(VLSI) - до 100 тысяч элементов. В начале 90-х ультрабольшие yBHC(ULSI) чипы содержали уже до 1 млн транзисторов, а недавно анонсированный Pentium Pro 200 MH - z5,5 млн. Повидимому, к концу столетия количество элементов на одном кристалле может достичь 10 млн.

История больших интегральных схем вызывает в памяти легенду о человеке, которому король за оказанную услугу легкомысленно согласился платить в течение года пшеничными зернами, начиная с одного и ежедневно удваивая ставку. Королю пришлось нарушить свое обещание, чтобы не потерять королевство. «Несомненно, экономические факторы в один прекрасный день изменят наблюдаемую уже в течение ряда лет закономерность ежегодного удвоения масштаба интеграции БИС», отмечалось еще в 1973 г. в редакционной статье журнала «Electronics».

В том же году вопрос о том, когда и по каким причинам будут достигнуты пределы увеличения интеграции БИС, был задан (редакцией «Electronics») Г. Е. Муру (G. Е. Moore), вице-президенту Intel, который с 1968 г. руководил разработкой БИС. Еще три года назад, в начале 1965 г., Мур построил график (рис. 3), показавший, что степень интеграции ИС увеличивается вдвое практически ежегодно, причем, начавшись в 1959 г. с однотранзисторного кристалла, этот процесс, по данным экстраполяции, должен был привести в 1975 г. к БИС, содержащей 65 тысяч транзисторов. «Хотя уже сейчас есть признаки замедления в ближайшие несколько лет скорости роста интеграции, - говорил Мур, - по существу, в настоящее время наблюдается прежнее линейное увеличение этого показателя». Он считал особенно характерным этот рост для запоминающих схем. Действительно, в 1969 г. стали применяться 256-битовые RAM, за ними в 1971 г. появились 1 024-битовые запоминающие устройства, за которыми в 1973 г. последовали уже 4 096-битовые приборы. Мур полагал, что следующий скачок, который приведет к увеличению емкости монолитных запоминающих устройств до 16 384 бит, должен произойти в 1975 или в 1976 гг., после чего еще через несколько лет начнется массовый выпуск запоминающих матриц емкостью 65 536 бит. Мур был убежден, что «не видно предела для роста степени интеграции полупроводниковых запоминающих схем, который бы определялся спросом». По его мнению, с логическими БИС ситуация была иная: «Дело в том, что гораздо труднее предсказать полезность дальнейшего увеличения количества логических элементов, размещаемых в одном кристалле. Мы ожидаем. что технология БИС позволит получать весьма крупные арифметико-логические компоненты, например высокопроизводительные процессоры. Как только будет достигнут этот уровень, мы сможем начать строить автономные системы. Однако я полагаю, что подобные системы будут достаточно экономичными лишь в специфических массовых приложениях».

За 25 лет до...и 25 лет после

«Рост степени интеграции БИС,продолжает Мур, - объясняется тем, что он способствует сокращению стоимости устройств, разрабатываемых на их основе. Действительная ценность БИС состоит в том, что сегодня вы можете приобрести 12 ООО транзисторов за цену, меньшую прежней цены одного транзистора, причем за межсоединения платить не нужно».

Хотя количественно прогноз Мура относительно степени интеграции БИС на 1975 г. не оправдался, качественно экспоненциальный характер зависимости количества элементов на одном кристалле, замеченный им, сохраняется последние 26 лет. Автор этой статьи из чистого любопытства выполнил аппроксимацию данных по изменению со временем количества транзисторов на кристаллах итегральных схем, которые были опубликованы Муром в журнале «Electronics» в 1965 г. Период удвоения с точностью до пятого знака (!) действительно оказался равным одному году. Как видно на рис. 3, этот показатель со временем несколько увеличился. Последние 10-15 лет период удвоения количества транзисторов также в целом сохраняется и составляет примерно 1,7 года.

Успешное развитие квантовой физики твердого тела, химии полупроводников, многих других наук и постоянное усовершенствование производственных технологий в микроэлектронике привели к тому, что мы стали свидетелями уникального экономического чуда: за 20 лет стоимость одного транзистора снизилась в миллион раз. Сегодня один транзистор на кристалле Pentium

100 MHz стоит менее $0,0001. Подсчитано, что если бы авиационная промышленность развивалась столь же стремительно, то самолет класса «Боинг-767» продавался бы за $500, облетал Земной шар за 20 мин и тратил при этом всего 19 л горючего!

Впервые в истории

Итак, четверть века назад компания Intel начала выпуск семейства интегральных микросхем 4004 (комплект Intel MCS-4), предназначенных для построения программируемых калькуляторов (рис. 4). Это были первые вычислительные при
боры, которые обеспечивали параллельную обработку под микропрограммным управлением. В состав семейства входил 4-разрядный микропроцессор со всеми присущими ему достоинствами: универсальность, гибкость, миниатюрность, микромощность, низкая стоимость. Такой прибор выполнял 18 команд, имел период машинного цикла 10,8 мке при работе по стандартной двухфазной системе синхроимпульсов. Адресное пространство ограничивалось4KBROM,1KBRAMи128 каналами I/O.

За 25 лет до...и 25 лет после

Микропроцессор возник не на пустом месте, его появлению предшествовало десятилетие развития микроэлектроники, которая к началу 70-х годов добилась существенных успехов в создании интегральных микросхем. И все же выход 4004-го стал революционным событием, приведшим к коренной ломке представлений о возможностях микроэлектронной и вычислительной техники. Вычислительная техника вступила в бурную микропроцессорную эру, которая характеризуется гонкой технологий и высокой скоростью совершенствования технического уровня изделий. Преимущества микропроцессоров были мгновенно оценены, и буквально в считанные месяцы к выпуску аналогичных БИС приступили другие компании.

Вопрос о приоритете создания первого в мире микропроцессора уже к 1974 г. полностью прояснился. Вот как писал об этом журнал «Electronics» в 1974 г.: «Intel определенно принадлежит честь использования идеи микропроцессора, и она была первой, кто выпустил их на рынок, хотя большие заслуги принадлежат также другим фирмам и отдельным лицам, которые тем или иным путем содействовали развитию техники больших интегральных схем. Следует вспомнить компанию Viatron, которая в 1968 г. удивила мир. объявив о своем намерении создать систему обработки данных на основе собственного 8-разрядного микропроцессора, управляемого примитивной программой, записанной в ПЗУ. Однако эта компания встретилась с серьезными финансовыми трудностями и спустя два года обанкротилась. Между тем, General Elcctric разработала 8-кристалльный базовый логический блок и вплотную подошла к созданию микропроцессора».

Уже в 1971 г. Intel не скрывала своих достижений. Она существовала всего четыре года и была известна микросхемами памяти, когда в шумной рекламной кампании провозгласила «новую эру в микроэлектронике», выпустив на рынок первый коммерческий микропроцессор. На сей раз реклама оказалась пророчеством, а не беззастенчивым обманом покупателей, как это иногда случается. Один кристалл 4004 обладал почти такими же вычислительными возможностями, как и ENIAC выпуска 1946 г. с его 18 ООО электронных ламп. Микропроцессор был дешевым (около $200) и имел крошечные размеры, что позволяло разработчикам создавать принципиально новые системы. Скептики предсказывали, что рынок однокристалльного процессора будет такой же крошечный, как и он сам, но действительность превзошла все ожидания.

Идея 4004-го возникла у одного из основателей компании Intel Роберта Нойса (Robert Noyce). Он предложил использовать технологический процесс изготовления кристаллов памяти для создания логических чипов. Но какими именно должны быть эти логические устройства? Этот вопрос решил счастливый случай. В 1969 г. японская компания Busicom заказала Intel разработку комплекта из 12 специализированных чипов для настольных калькуляторов. Вместо этого Intel предложила строить калькуляторы на основе однокристалльного микропроцессора, который впоследствии приобрел известность как Intel 4004. Конструкторскую разработку выполнили Тэд Хофф (Ted Hoff), Стэн Мэйзор (Stan Mazor) и Федерико Фэджин (Federico Faggin). Они позаимствовали многие решения из архитектуры больших ЭВМ. Однако чтобы разместить процессор на одном кристалле, им пришлось снизить его разрядность до четырех. Это позволило уменьшить количество транзисторов и упаковать процессор в 16-контактный корпус (рис. 5) - самый большой в то время (для сравнения, современный Pentium имеет 64-разрядную внешнюю шину и помещается в 296-контактном корпусе). Процессор мог выполнять 45 инструкций, и для программируемого калькулятора компании Busicom к комплекту MCS-4 достаточно было добавить четыре кристалла памяти по 256 байт.

За 25 лет до...и 25 лет после

Чип 4004 открыл дорогу более мощным и быстродействующим микропроцессорам. Как только разработка поступила в серийное производство, Тэд Хофф и Стэн Мэйзор приступили к созданию его 8-разрядной версии - 8008. Это был первый микропроцессор, имевший систему прерываний и мультиплексированную шину адрес-данные, но функционировал он неудовлетворительно. И уже в 1974 г. появился, также 8-разрядный, кристалл 8080. Он содержал 6 000 транзисторов, выполнял более 250 команд, причем некоторые из них работали с парами регистров - с 16-разрядными данными. Его адресное пространство 64 KB по тем временам было огромным (современный Pentium Pro может адресоваться к 64 ТВ виртуальной памяти).

За 25 лет до...и 25 лет после

С выходом 8-разрядных чипов Intel открылись широчайшие перспективы для разработки дешевого программируемого оборудования. И события не заставили себя ждать. Вскоре Гари Килдэлл (Gary Kildall) из Digital Research создал для процессора 8080 операционную систему СР/М. Этот software значительно упростил процесс разработки и отладки прикладного программного обеспечения и, вместе с чипом 8080, фактически открыл невиданные ранее возможности создания доступных массовому потребителю компьютеров.

Первым персональным компьютером принято считать микроЭВМ Altair 8800 компании MITS, которая поступила в продажу в 1975 г. и уже была оснащена операционной системой СР/М. Машина выпускалась в виде набора «Сделай сам» или как законченное изделие и предназначалась для любителей сложной технической игрушки. В дальнейшем появился расширенный вариант устройства для бухгалтерских и инженерных расчетов.

За 25 лет до...и 25 лет после

Многие компании с середины 70-х годов приступили к производству личных, домашних, любительских микроЭВМ, но главный успех достался компании Apple, выпустившей в 1977 г. одноименную ПЭВМ, которая отличалась совершенным программным обеспечением, рассчитанным на самого неподготовленного пользователя. Дружественное программное обеспечение (friendly software) расширило круг потенциальных покупателей, ограниченный ранее любителями электропики и профессионалами.

Микропроцессорная гонка набирала все большее ускорение. Уже упоминавшийся Федерико Фэджин и Масатоши Шима (Masatoshi Shima) основали компанию Zilog, которая молниеносно наладила выпуск чипа Z80 - несколько усовершенствованного аналога 8080, совместимого и с ним, и с операционной системой СР/М. Микропроцессор Z80 имел встроенную программу регенерации динамического ОЗУ и вместе с СР/М составил «идеальную пару» для массового производства дешевых ПК.

Вскоре дебютировала Motorola со своим 6800-м, стартовали Texas Instruments, National Semiconductor и Fairchild, разработав свои собственные микропроцессоры; большинство из них использовалось для встраивания в «интеллектуальные» приборы.

За 25 лет до...и 25 лет после

Наконец, на новый и чрезвычайно динамичный сектор компьютерного рынка обратила внимание корпорация IBM - гигант вычислительной индустрии. Выпустив в 1981 г. свой первый IBM PC, она сразу стала законодателем мод для производителей персоналок и поныне занимает лидирующее место на всемирном компьютерном рынке.

У совершенствованный 16-разрядный чип появился в 1978 г. одновременно енно в «двух лицах» - 8086 и 8088. Первый чип содержал 29 ООО транзисторов, более развитую систему команд, а также имел в десять раз большую производительность, чем его 8-разрядный предшественник. Строго придерживаясь принципа программной совместимости, Intel сохранила 16-разрядный адресный регистр, присущий чипу 8080, но для расширения адресного пространства до I MB добавила сегментный регистр, тем самым создав новую идеологию адресации, которая применяется и сегодня.

Эти близнецы обрели мировую известность благодаря вычислительным системам класса Extended Technology - знаменитым PC XT компании IBM с прекрасным DOS'ом и незабываемой оболочкой Norton Commander.

На заре 80-х возникла новая и многообещающая RISC-архитектура, однако даже после 15 лет развития продукция на ее основе занимает не более 6% компьютерного рынка, подавляющую часть которого прочно захватили системы Intel-Windows, достойно представляемые IBM и ее бесчисленными подражателями.

Парад 80x86

Тогда же начинается триумфальное шествие чипов Intel 80x86 (рис. 6), наглядно демонстрируя восхищенному миру закон экспоненциального развития Мура: 186, 286, 386, 486 и, наконец, блистательное семейство 586 -Pentium, увенчанное (вероятно, на очень короткий срок) кристаллом 686, -Pentium Pro с тактовой частотой 200 MHz.

Анонсированный в июне 1996 г., этот процессор стал первым в семействе, превысившим показатель 5,0 по тесту SPECint95. Для достижения максимальной производительности в нем использована новейшая технология динамического выполнения (Dynamic Execution) программ. Она предсказывает ветвления (multiple branch prediction), анализирует поток команд (data flow analysis), оптимизируя их последовательность выполнения независимо от исходного порядка в программе, а также производит так называемое спекулятивное выполнение В приведенной сравнительной таблице параметров чипов 4004 и Pentium Pro 200 - красноречивый итог 25-летней деятельности корпорации Intel.

Несмотря на жесточайшую конкуренцию, Intel за эти годы ни разу не отступила с передовых позиций. Номенклатура ее изделий весьма обширна. Кроме микропроцессоров, которых сменилось уже пять поколений (рис. 6), выпускались многочисленные интерфейсные схемы и схемы обрамления. Даже первый набор MCS-4, кроме центрального процессора, содержал ROM - кристалл 4001, RAM - 4002, а также расширитель ввода-вывода - 4003. Далее последовали семейства MCS-8, MCS-80, MCS-86. Сейчас корпорацией производятся современные наборы системной PCI-логики Intel 430FX (Triton), 430НХ, 430VX и многое другое.

За 25 лет до...и 25 лет после


Вы можете подписаться на наш Telegram-канал для получения наиболее интересной информации

+33
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT