Микропроцессор

Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, возможности которой определяются размером кристалла кремния и количеством реализованных в нем транзисторов. Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора. Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода и вывода).

Микропроцессор представляет собой одно из самых сложных электронных устройств, процесс изготовления которого состоит из сотен технологических операций. В производстве микропроцессоров используется метод фотолитографии. При помощи масок (шаблонов) в микропроцессоре слой за слоем создаются структуры с определенными характеристиками. Такие структуры создаются из фоторезиста — вещества, растворяющегося под воздействием ультрафиолетовых лучей. Фоторезист наносится на поверхность кремниевой подложки и облучается ультрафиолетом через маску. В раствор фоторезиста вводят примеси, обеспечивающие после затвердения необходимую электрическую проводимость. Если нужно сформировать непроводящий электричество участок, то на его поверхность наращивается слой оксида кремния.

Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту, которая измеряется в мегагерцах. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера. Тактовая частота указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора.

Первым микропроцессором, объявленным как «компьютер-на-чипе», был 4-битный Intel 4004 (ноябрь 1971). Компания Intel хотела подчеркнуть, что в одном микропроцессоре реализуются все возможности компьютеров того времени. Это было не совсем верно, поскольку фактически он был реализован на четырех микросхемах. Процессор был изготовлен Intel по заказу японской компании Busicom и использовался для управления настольными калькуляторами этой фирмы. Он был однопрограммным и не универсальным, мог начать исполнение следующей программы только после завершения предыдущей, и был предназначен исключительно для вычислительных работ, то есть не мог применяться, например, для обработки текстов.

Развитием микропроцессоров стало появление универсальных многопрограммных 8-битных Intel 8080 (апрель 1974) и MOS Technology 6502 (сентябрь 1975). Они оба использовались в производстве настольных компьютеров и игровых консолей: первый — Altair 8800, второй — Nintendo NES, Atari 2600, Apple I, Apple II, Commodore 64, Агат и др. В отличие от 4004, эти микропроцессоры использовали раздельные шины адреса и данных, а инструкции и данные хранились в одних и тех же областях памяти. Таким образом, это были первые CPU, работающие на основе архитектуры фон Неймана и выполняющие функции арифметико-логического устройства и устройства управления.

Следующим этапом в эволюции центральных процессоров стал выпуск 16-битных Intel 8086/88 (июнь 1978), которые положили начало архитектуре x86 и массовому распространению персональных компьютеров. В 1980 был представлен первый процессор с RISC-архитектурой — IBM 801. По сравнению с CISC-процессорами того времени он имел меньшие размеры и число инструкций, был проще и дешевле в изготовлении. В 1984 начали изготовляться первые процессоры VLIW-архитектуры, однако они не получили большого распространения.
Дальнейшее развитие процессоров привело к переходу на 32-разрядные модели, позволявшие эффективнее работать с большими числами и адресовать ранее недоступные объемы памяти. В октябре 1985 вышел первый 32-битный x86-процессор, Intel 80386, а в 1986 появились три новые 32-битные RISC-архитектуры — MIPS, SPARC и PA-RISC, представленные компаниями MIPS Technologies, Sun и HP соответственно. Следующим шагом было появление 64-битных процессоров MIPS R4000 (февраль 1991) и DEC Alpha 21064 (ноябрь 1992). Alpha был также первым CPU, поддерживающим суперскалярность, то есть возможность исполнять более одной инструкции за такт. Первыми суперскалярными процессорами других архитектур стали Intel Pentium (март 1993), MIPS R8000 (июнь 1994), PA-RISC 7100 (июнь 1994) и 64-битный UltraSPARC (сентябрь 1994).

Следующей вехой в истории центральных процессоров стало динамическое исполнение команд. Заключалась оно в том, что процессор исполнял команды не в том порядке, в котором он их считывал из памяти, а в том, который был более эффективен по времени выполнения, и при этом, конечно же, не нарушал семантики программы. Эта технология была реализована во всех процессорах соответствующих архитектур, начиная с MIPS R10000 (октябрь 1994), PA-RISC 8000 (март 1995), Intel Pentium Pro (ноябрь 1995), Alpha 21264 (декабрь 1998).

После этого появились первые популярные и коммерчески успешные процессоры с архитектурой VLIW — Intel Itanium (октябрь 1999) и Transmeta Crusoe (январь 2000). Затем, с некоторым опозданием от других платформ вышли 64-битные расширения для x86, реализованные в процессорах AMD Opteron (технология AMD64, апрель 2003) и Pentium 4 (EM64T, август 2004).

В начале нового тысячелетия развитие центральных процессоров пошло в сторону увеличения количества ядер в одном процессорном корпусе. Практически одновременно вышли двухъядерные CPU всех популярных архитектур: PA-RISC 8800 (февраль 2004), UltraSPARC-IV (февраль 2004), IBM PowerPC G4 (август 2004), MIPS BCM1255 (октябрь 2004), AMD Athlon X2 (апрель 2005), Pentium D (май 2005), Itanium 2 (октябрь 2005), Intel Core 2 Duo (июль 2006). В ноябре 2005 вышел первый трехъядерный процессор Xenon/Waternoose для игровой консоли X-Box 360, а в ноябре 2006 ожидается появление семиядерного Cell в составе Sony PlayStation 3.