История процессоров общего назначения

История общего назначения процессоров является продолжением более ранней истории вычислительного оборудования .

1950-е: Ранние разработки

Модуль электронной лампы от компьютеров IBM ранней серии 700.

В начале 1950-х годов каждая конструкция компьютера была уникальной. Не существовало машин с обратной совместимостью или компьютерных архитектур с множеством различных реализаций. Программы, написанные для одной машины, не будут работать ни на какой другой машине, даже на машинах той же компании. Тогда это не было серьезным недостатком, поскольку для работы на компьютерах не было разработано большого количества программного обеспечения, поэтому начало программирования с нуля не рассматривалось как серьезное препятствие.

Свобода дизайна в то время была очень важна, поскольку дизайнеры были очень ограничены стоимостью электроники и только начинали изучать, как лучше всего организовать компьютер. Некоторые из основных функций, представленных в этот период, включали индексные регистры (на Ferranti Mark 1 ), обратного адреса инструкцию сохранения ( UNIVAC I ), немедленные операнды ( IBM 704 ) и обнаружение недопустимых операций ( IBM 650 ).

К концу 1950-х годов коммерческие строители разработали компьютеры заводской сборки, которые можно доставлять на грузовиках. Наиболее широко распространенным компьютером был IBM 650 , в котором использовалась барабанная память , на которую программы загружались с помощью бумажной перфоленты или перфокарт . Некоторые машины очень высокого класса также включали базовую память , которая обеспечивала более высокую скорость. Жесткие диски также начали становиться популярными.

Компьютер — это автоматические счеты . Тип системы счисления влияет на ее работу. В начале 1950-х годов большинство компьютеров были созданы для конкретных задач числовой обработки, и многие машины использовали десятичные числа в качестве основной системы счисления; то есть математические функции машин работали в системе счисления по основанию 10, а не по основанию 2, как это принято сегодня. Это были не просто двоично-десятичные числа (BCD). Большинство машин имели по десять электронных ламп на разряд в каждом регистре процессора . Некоторые первые советские разработчики компьютеров реализовали системы, основанные на троичной логике ; то есть бит может иметь три состояния: +1, 0 или -1, что соответствует положительному, нулевому или отрицательному напряжению.

, ранний проект ВВС США , BINAC пытался создать легкий и простой компьютер, используя двоичную арифметику. Это глубоко впечатлило индустрию.

Еще в 1970 году основные компьютерные языки не смогли стандартизировать свое числовое поведение, поскольку у десятичных компьютеров были слишком большие группы пользователей, чтобы их можно было оттолкнуть.

Даже когда дизайнеры использовали двоичную систему, у них все равно возникало много странных идей. Некоторые использовали арифметику знака и величины (-1 = 10001) или дополнение до единиц (-1 = 11110), а не современную арифметику с дополнением до двух (-1 = 11111). Большинство компьютеров использовали шестибитные наборы символов, поскольку они адекватно кодировали перфокарты Холлерита . Для дизайнеров того периода стало большим открытием осознание того, что слово данных должно быть кратно размеру символа. Они начали проектировать компьютеры с 12-, 24- и 36-битными словами данных (см., например, TX-2 ).

В ту эпоху в компьютерном проектировании доминировал закон Гроша : стоимость компьютера увеличивалась пропорционально квадрату его скорости.

1960-е: Компьютерная революция и CISC

Одной из основных проблем ранних компьютеров было то, что программа для одного не работала ни на одном другом. Компьютерные компании обнаружили, что у их клиентов мало причин сохранять лояльность к определенной марке, поскольку следующий компьютер, который они купят, все равно будет несовместимым. На тот момент единственными проблемами, как правило, были цена и производительность.

В 1962 году IBM попробовала новый подход к проектированию компьютеров. План состоял в том, чтобы создать семейство компьютеров, на которых можно было бы использовать одно и то же программное обеспечение, но с разной производительностью и по разным ценам. По мере роста потребностей пользователей они могли перейти на более крупные компьютеры, сохранив при этом все свои инвестиции в программы, данные и носители информации.

Для этого они разработали один эталонный компьютер под названием System/360 (S/360). Это был виртуальный компьютер, эталонный набор команд и возможности, которые поддерживали все машины семейства. Чтобы обеспечить разные классы машин, каждый компьютер в семействе будет использовать более или менее эмуляцию аппаратного обеспечения и более или менее эмуляцию микропрограмм , чтобы создать машину, способную выполнять полный набор команд S/360 .

Например, машина низкого уровня может включать в себя очень простой процессор по низкой цене. Однако для обеспечения остального набора инструкций потребуется использование более крупного эмулятора микрокода, что замедлит его работу. Высокопроизводительная машина будет использовать гораздо более сложный процессор, который сможет напрямую обрабатывать большую часть конструкции S/360, таким образом запуская гораздо более простой и быстрый эмулятор.

IBM сознательно решила сделать эталонный набор команд достаточно сложным и очень функциональным. Несмотря на то, что компьютер был сложным, его хранилище управления , содержащее микропрограмму, оставалось относительно небольшим и могло быть выполнено с очень быстрой памятью. Еще одним важным эффектом было то, что одна инструкция могла описывать довольно сложную последовательность операций. Таким образом, компьютерам, как правило, придется получать меньше инструкций из основной памяти, которую можно было бы сделать медленнее, меньше и дешевле при заданном сочетании скорости и цены.

Поскольку S/360 должен был стать преемником как научных машин, таких как 7090 , так и машин для обработки данных, таких как 1401 , ему требовалась конструкция, которая могла бы разумно поддерживать все формы обработки. Следовательно, набор команд был разработан для управления простыми двоичными числами и текстом, научными числами с плавающей запятой (аналогично числам, используемым в калькуляторе) и двоично-десятичной арифметикой, необходимой системам бухгалтерского учета.

Почти все последующие компьютеры в той или иной форме включали эти нововведения. Этот базовый набор функций теперь называется вычислением сложного набора команд. (CISC, произносится как «сиск»), этот термин был изобретен много лет спустя, когда вычисления с сокращенным набором команд (RISC) начали завоевывать долю рынка.

Во многих CISC инструкция может обращаться либо к регистрам, либо к памяти, обычно несколькими разными способами. Это облегчило программирование CISC, поскольку программист мог запомнить только от тридцати до ста инструкций и набор от трех до десяти режимов адресации, а не тысячи отдельных инструкций. Это называлось ортогональным набором команд . Архитектура PDP-11 и Motorola 68000 являются примерами почти ортогональных наборов команд.

Существовала также группа BUNCH ( Burroughs , UNIVAC , NCR , Control Data Corporation и Honeywell ), которая в то время конкурировала с IBM; однако IBM доминировала в ту эпоху с S/360.

Корпорация Burroughs (которая позже объединилась со Sperry/Univac и образовала Unisys ) предложила альтернативу S/360 своими большими системами Burroughs серии B5000. В 1961 году B5000 имел виртуальную память, симметричную многопроцессорную обработку, мультипрограммную операционную систему (Master Control Program (MCP)), написанную на ALGOL 60 , и первые в отрасли компиляторы рекурсивного спуска еще в 1964 году.

1970-е: Микропроцессорная революция

Intel 4004 Микропроцессор

Первый коммерческий микропроцессор на базе двоично -десятичного кода (BCD) Intel 4004 был выпущен компанией Intel в 1971 году. В марте 1972 года Intel представила микропроцессор с 8-битной архитектурой 8008 , интегрированную логику pMOS, повторную реализацию на базе транзисторно-транзисторной логики (TTL) процессора Datapoint 2200 .

Дизайнеры 4004 Федерико Фаггин и Масатоши Шима продолжили разработку преемника 8008, Intel 8080 , микропроцессора, немного более похожего на миникомпьютер , во многом основываясь на отзывах клиентов об ограниченном 8008. Как и 8008, он использовался для таких приложений, как терминалы. , принтеры, кассовые аппараты и промышленные роботы. Однако более мощный 8080 также стал исходным целевым процессором для ранней де-факто стандартной персонального компьютера операционной системы под названием CP/M и использовался для таких сложных задач управления, как крылатые ракеты и многих других целей. Выпущенный в 1974 году процессор 8080 стал одним из первых по-настоящему распространенных микропроцессоров.

К середине 1970-х годов использование интегральных схем в компьютерах стало обычным явлением. Десятилетие было отмечено рыночными потрясениями, вызванными снижением цен на транзисторы.

Стало возможным разместить целый процессор на одной печатной плате. В результате стали обычным явлением миникомпьютеры, обычно с 16-битными словами и памятью от 4 до 64 КБ.

CISC считались самыми мощными типами компьютеров, поскольку их микрокод был небольшим и мог храниться в очень высокоскоростной памяти. Архитектура CISC также устраняла семантический разрыв , как он тогда воспринимался. Это было определенное расстояние между машинным языком и языками программирования более высокого уровня, используемыми для программирования машины. Считалось, что компиляторы смогут лучше работать с более богатым набором команд.

Пользовательские CISC обычно создавались с использованием битовой компьютерной логики, такой как чипы AMD 2900, со специальным микрокодом. Компонент битового среза — это часть арифметико-логического устройства (АЛУ), регистрового файла или микросеквенсора. Большинство побитовых интегральных схем имели ширину 4 бита.

К началу 1970-х годов был разработан 16-битный PDP-11 миникомпьютер , возможно, самый совершенный небольшой компьютер своего времени. В конце 1970-х годов были представлены более широкие суперминикомпьютеры , такие как 32-битный VAX .

IBM продолжала производить большие и быстрые компьютеры. Однако определение «большой и быстрый» теперь означало более мегабайта оперативной памяти, тактовую частоту около одного мегагерца, и десятки мегабайт дисковых накопителей.

IBM System 370 представляла собой версию 360, адаптированную для работы в виртуальных вычислительных средах. Виртуальный компьютер был разработан, чтобы снизить вероятность неисправимого сбоя программного обеспечения.

Серия больших систем Burroughs (B5000, B6000, B7000) достигла наибольшей доли рынка. Это был стековый компьютер, операционная система которого была запрограммирована на диалекте Алгола.

Все эти различные разработки боролись за долю рынка.

Первый однокристальный 16-битный микропроцессор был представлен в 1975 году. Panafacom , конгломерат, образованный японскими компаниями Fujitsu , Fuji Electric и Matsushita , представил MN1610, коммерческий 16-битный микропроцессор. По словам Fujitsu, это был «первый в мире 16-битный микрокомпьютер на одном кристалле».

Intel 8080 стал основой для 16-битного процессора Intel 8086 , который является прямым предком сегодняшнего повсеместного семейства x86 (включая Pentium и Intel Core ). Каждая инструкция 8080 имеет прямой эквивалент в большом наборе инструкций x86, хотя значения кода операции в последнем различны.

Начало 1980–1990-х годов: уроки RISC

В начале 1980-х годов исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и IBM обнаружили, что большинство компиляторов и интерпретаторов компьютерных языков используют лишь небольшое подмножество инструкций вычислений со сложным набором команд (CISC). Большая часть мощности ЦП игнорировалась в реальных условиях. Они поняли, что, сделав компьютер более простым и менее ортогональным, они смогут сделать его быстрее и в то же время менее затратным.

В то же время вычисления ЦП стали быстрее по сравнению со временем необходимого доступа к памяти. Разработчики также экспериментировали с использованием больших наборов внутренних регистров. Целью было кэширование промежуточных результатов в регистрах под управлением компилятора. Это также уменьшило количество режимов адресации и ортогональность.

Компьютерные конструкции, основанные на этой теории, получили название вычислений с сокращенным набором команд (RISC). RISC обычно имели большее количество регистров, доступ к которым осуществлялся с помощью более простых инструкций, а также несколько инструкций, специально предназначенных для загрузки и сохранения данных в памяти. В результате получился очень простой основной процессор, работающий на очень высокой скорости и поддерживающий те операции, которые в любом случае использовали компиляторы.

Распространенный вариант конструкции RISC использует гарвардскую архитектуру , а не архитектуру фон Неймана или архитектуру хранимых программ, общую для большинства других конструкций. В машине Гарвардской архитектуры программа и данные занимают отдельные устройства памяти и доступны одновременно. В машинах фон Неймана данные и программы смешаны в одном устройстве памяти, что требует последовательного доступа, что создает так называемое узкое место фон Неймана .

Недостатком конструкции RISC было то, что программы, работающие на них, обычно были больше по размеру. Это связано с тем, что компиляторы должны генерировать более длинные последовательности более простых инструкций для достижения тех же результатов. Поскольку эти инструкции в любом случае должны быть загружены из памяти, более крупный код частично компенсирует быструю обработку памяти в конструкции RISC.

В начале 1990-х годов инженеры японской компании Hitachi нашли способы сжать сокращенные наборы команд, чтобы они помещались в системы памяти даже меньшего размера, чем CISC. Такие схемы сжатия использовались для набора команд SuperH , представленных в 1992 году. микропроцессоров серии Набор инструкций SuperH позже был адаптирован для ARM . архитектуры Thumb набора команд В приложениях, которым не требуется использовать старое двоичное программное обеспечение, сжатые RISC-файлы все чаще доминируют в продажах.

Другим подходом к RISC был компьютер с минимальным набором команд (MISC), niladic или набор команд с нулевым операндом . Этот подход позволил понять, что большая часть пространства в инструкции используется для идентификации операндов инструкции. Эти машины помещали операнды в стек с выталкиванием вниз (последним вошел — первым вышел) . Набор инструкций был дополнен несколькими инструкциями по выборке и сохранению памяти. Большинство из них использовали простое кэширование для обеспечения чрезвычайно быстрых RISC-машин с очень компактным кодом. Еще одним преимуществом было то, что задержки прерываний были очень малы, меньше, чем у большинства машин CISC (редкая черта для машин RISC). . больших систем Берроуза Этот подход использовался в архитектуре термина RISC B5000 был разработан в 1961 году, задолго до изобретения . Эта архитектура помещает шесть 8-битных инструкций в 48-битное слово и является предшественником конструкции очень длинного командного слова (VLIW) (см. ниже: с 1990 года по настоящее время ).

Архитектура Берроуза послужила одним из источников вдохновения для Чарльза Х. Мура языка программирования Forth , который, в свою очередь, вдохновил его более поздние разработки микросхем MISC. Например, его ядра f20 имели 31 5-битную инструкцию, что соответствует четырем 20-битному слову.

Чипы RISC сейчас доминируют на рынке 32-битных встраиваемых систем. Меньшие по размеру RISC-чипы становятся все более распространенными на чувствительном к цене рынке 8-битных встраиваемых систем. Основным рынком для RISC-процессоров были системы, которым требуется малое энергопотребление или небольшой размер.

Даже некоторые процессоры CISC (основанные на архитектурах, созданных до того, как RISC стал доминировать), например, новые процессоры x86 , внутренне преобразуют инструкции в набор инструкций, подобный RISC.

Эти цифры могут многих удивить, поскольку рынок воспринимается как настольные компьютеры. Модели x86 доминируют в продажах настольных компьютеров и ноутбуков, но такие компьютеры составляют лишь небольшую часть продаваемых сейчас компьютеров. Большинство людей в промышленно развитых странах имеют больше компьютеров во встроенных системах в своих машинах и домах, чем на своих рабочих столах.

Середина-конец 1980-х: использование параллелизма на уровне инструкций.

В середине-конце 1980-х годов дизайнеры начали использовать метод, называемый конвейерной обработкой инструкций , при котором процессор обрабатывает несколько инструкций на разных стадиях выполнения. Например, процессор может получить операнды для следующей инструкции, одновременно вычисляя результат текущей. Современные процессоры могут использовать более дюжины таких этапов. (Конвейерная обработка была первоначально разработана в конце 1950-х годов компанией International Business Machines (IBM) на их 7030 мейнфрейме (Stretch). Компьютеры с минимальным набором команд (MISC) могут выполнять инструкции за один цикл без необходимости конвейерной обработки.

Похожая идея, представленная всего несколько лет спустя, заключалась в параллельном выполнении нескольких инструкций на отдельных арифметико-логических устройствах (АЛУ). Вместо того, чтобы одновременно работать только с одной инструкцией, ЦП будет искать несколько похожих инструкций, которые не зависят друг от друга, и выполнять их параллельно. Этот подход называется проектированием суперскалярного процессора.

Такие методы ограничены степенью параллелизма уровня команд (ILP), количеством независимых инструкций в программном коде. Некоторые программы могут очень хорошо работать на суперскалярных процессорах благодаря присущем им высокому ILP, особенно на графике. Однако более общие проблемы требуют гораздо меньше ILP, что снижает возможное ускорение от этих методов.

Ветвление является одним из главных виновников. Например, программа может добавить два числа и перейти к другому сегменту кода, если число больше третьего числа. В этом случае, даже если операция ветвления будет отправлена ​​на обработку второму АЛУ, оно все равно должно дождаться результатов от сложения. Таким образом, он работает не быстрее, чем если бы был только один ALU. Наиболее распространенным решением проблемы такого типа является использование прогнозирования ветвей .

Было обнаружено , что для повышения эффективности нескольких функциональных блоков, доступных в суперскалярных конструкциях, зависимости регистров операндов являются еще одним ограничивающим фактором. Чтобы минимизировать эти зависимости, было введено внеочередное выполнение инструкций. В такой схеме результаты команд, завершенные вне очереди, должны быть переупорядочены процессором в порядке программы, чтобы программу можно было перезапустить после исключения. Исполнение вне очереди стало главным достижением компьютерной индустрии в 1990-е годы.

Аналогичная концепция — спекулятивное выполнение , когда инструкции одного направления ветвления (прогнозируемого направления) выполняются до того, как направление ветвления станет известно. Когда направление ветвления известно, прогнозируемое направление и фактическое направление сравниваются. Если предсказанное направление было правильным, спекулятивно выполненные инструкции и их результаты сохраняются; если оно было неправильным, эти инструкции и их результаты удаляются. Спекулятивное выполнение в сочетании с точным предсказателем ветвей дает большой прирост производительности.

Эти достижения, которые изначально были разработаны в результате исследований конструкций в стиле RISC, позволяют современным процессорам CISC выполнять двенадцать или более инструкций за такт, тогда как традиционным конструкциям CISC для выполнения одной инструкции может потребоваться двенадцать или более циклов.

Получающаяся в результате логика планирования команд этих процессоров велика, сложна и ее трудно проверить. Кроме того, более высокая сложность требует большего количества транзисторов, что увеличивает энергопотребление и тепловыделение. В этом отношении RISC превосходит, поскольку инструкции проще, имеют меньшую взаимозависимость и упрощают суперскалярные реализации. Однако, как продемонстрировала Intel, эти концепции можно применить к проекту вычислений со сложным набором команд (CISC), если при наличии достаточного количества времени и денег.

С 1990 года по сегодняшний день: в предвкушении

ВЛИВ и ЭПИК

Логика планирования инструкций, которая создает суперскалярный процессор, представляет собой булевую логику. В начале 1990-х годов важным нововведением стало осознание того, что координацию работы компьютера с несколькими АЛУ можно перенести в компилятор — программное обеспечение, которое преобразует инструкции программиста в инструкции машинного уровня.

Этот тип компьютера называется компьютером со сверхдлинным командным словом (VLIW).

Статическое планирование инструкций в компиляторе (в отличие от динамического планирования в процессоре) может снизить сложность ЦП. Это может улучшить производительность, а также снизить тепловыделение и затраты.

К сожалению, компилятору не хватает точных знаний о проблемах планирования времени выполнения. Простое изменение множителя частоты ядра ЦП повлияет на планирование. Работа программы, определяемая входными данными, будет иметь большое влияние на планирование. Чтобы преодолеть эти серьезные проблемы, систему VLIW можно усовершенствовать, добавив обычное динамическое планирование, потеряв при этом некоторые преимущества VLIW.

Статическое планирование в компиляторе также предполагает, что динамически генерируемый код будет редкостью. До создания Java и виртуальной машины Java это было правдой. Было разумно предположить, что медленная компиляция повлияет только на разработчиков программного обеспечения. Теперь, когда виртуальные машины JIT- компиляции используются для многих языков, медленная генерация кода также влияет на пользователей.

Было несколько безуспешных попыток коммерциализации VLIW. Основная проблема заключается в том, что компьютер VLIW не масштабируется до различных значений цены и производительности, как это может сделать компьютер с динамическим планированием. Другая проблема заключается в том, что разработка компилятора для компьютеров VLIW очень сложна, и по состоянию на 2005 год компиляторы часто выдают неоптимальный код для этих платформ.

Кроме того, компьютеры VLIW оптимизируются по пропускной способности, а не по низкой задержке, поэтому они были непривлекательны для инженеров, разрабатывающих контроллеры и другие компьютеры, встроенные в оборудование. Рынки встраиваемых систем часто были пионерами других компьютерных усовершенствований, предоставляя большой рынок, не заботящийся о совместимости со старым программным обеспечением.

В январе 2000 года корпорация Transmeta предприняла новый шаг, разместив компилятор в центральном процессоре и заставив компилятор транслировать эталонный байт-код (в их случае инструкции x86 ) во внутренний набор инструкций VLIW. Этот метод сочетает в себе простоту аппаратного обеспечения, низкое энергопотребление и скорость VLIW RISC с компактной системой основной памяти и обратной совместимостью программного обеспечения, обеспечиваемой популярным CISC.

Чип Intel Itanium схемой основан на том, что они называют вычислений с явными параллельными командами (EPIC). Эта конструкция предположительно обеспечивает преимущество VLIW в увеличении пропускной способности команд. Однако он позволяет избежать некоторых проблем масштабирования и сложности, явно предоставляя в каждом пакете инструкций информацию, касающуюся их зависимостей. Эта информация рассчитывается компилятором, как и в проекте VLIW. Ранние версии также обратно совместимы с новым программным обеспечением x86 посредством режима встроенного эмулятора . Показатели Integer разочаровали, и, несмотря на улучшения, продажи на оптовых рынках продолжают оставаться низкими.

Многопоточность

Текущий проекты работают лучше всего, когда на компьютере запущена только одна программа. Однако почти все современные операционные системы позволяют запускать несколько программ вместе. Чтобы процессор мог переключиться и выполнить работу над другой программой, необходимо дорогостоящее переключение контекста . Напротив, многопоточные процессоры могут обрабатывать инструкции из нескольких программ одновременно.

Для этого такие ЦП включают в себя несколько наборов регистров. Когда происходит переключение контекста, содержимое рабочих регистров для этой цели просто копируется в один из набора регистров.

Такие конструкции часто включают тысячи регистров вместо сотен, как в типичной конструкции. С другой стороны, регистры, как правило, требуют довольно дорогого пространства на кристалле, необходимого для их реализации. Это пространство чипа может быть использовано для каких-либо других целей.

Intel называет эту технологию «гиперпоточностью» и предлагает два потока на ядро ​​в своих нынешних линейках Core i3, Core i5, Core i7 и Core i9 для настольных ПК (а также в линейках Core i3, Core i5 и Core i7 Mobile), а также предлагая до четырех потоков на ядро ​​в высокопроизводительных процессорах Xeon Phi.

Многоядерный

Многоядерные ЦП обычно представляют собой несколько ядер ЦП на одном кристалле, соединенных друг с другом через общий кэш L2 или L3, встроенную шину или встроенный перекрестный переключатель . Все ядра ЦП на кристалле имеют общие компоненты межсоединения, с помощью которых они взаимодействуют с другими процессорами и остальной частью системы. Эти компоненты могут включать интерфейс внешней шины , контроллер памяти для взаимодействия с динамической оперативной памятью (DRAM), с кэшем когерентную связь других процессоров и некогерентную связь с южным мостом и устройствами ввода-вывода. Термины «многоядерный» и «микропроцессорный модуль » (MPU) стали широко использоваться для обозначения одного кристалла, имеющего несколько ядер ЦП.

Интеллектуальная оперативная память

Один из способов обойти узкое место фон Неймана — объединить процессор и DRAM на одном кристалле.

• Проект IRAM в Беркли
• eDRAM
• Вычислительная оперативная память
• Мемристор

Реконфигурируемая логика

Основная статья: Реконфигурируемые вычисления

Еще одним направлением развития является объединение реконфигурируемой логики с процессором общего назначения. В этой схеме специальный компьютерный язык компилирует быстровыполняющиеся подпрограммы в битовую маску для настройки логики. Более медленные или менее критичные части программы можно запускать, разделяя их время с процессором. Этот процесс позволяет создавать такие устройства, как программные радиоприемники , используя цифровую обработку сигналов для выполнения функций, обычно выполняемых аналоговой электроникой .

Процессоры с открытым исходным кодом

Поскольку границы между аппаратным и программным обеспечением все больше размываются из-за прогресса в методологии проектирования и доступности микросхем, таких как программируемые вентильные матрицы (FPGA), и удешевления производственных процессов, даже оборудование с открытым исходным кодом начало появляться . Свободно сплоченные сообщества, такие как OpenCores и RISC-V, недавно объявили о полностью открытых архитектурах ЦП, таких как OpenRISC , которые могут быть легко реализованы на FPGA или в микросхемах, производимых по индивидуальному заказу, кем угодно, без каких-либо лицензионных сборов, и даже признанные производители процессоров, такие как Sun Microsystems, сделали это. выпустила процессоры (например, OpenSPARC ) по лицензиям с открытым исходным кодом.

Асинхронные процессоры

Основная статья: Асинхронная схема

Еще один вариант — безтактовый или асинхронный процессор . В отличие от обычных процессоров, безтактовые процессоры не имеют центральных часов для координации прохождения данных по конвейеру. Вместо этого этапы ЦП координируются с помощью логических устройств, называемых контроллерами конвейерной линии или секвенсорами FIFO . По сути, контроллер конвейера синхронизирует следующий этап логики, когда существующий этап завершен. Таким образом, центральные часы не нужны.

По сравнению с тактовой логикой, возможно, будет проще реализовать высокопроизводительные устройства с асинхронной логикой:

• В процессоре с тактовой частотой ни один компонент не может работать быстрее, чем тактовая частота. В безтактовом процессоре компоненты могут работать с разной скоростью.
• В тактируемом процессоре тактовая частота не может идти быстрее, чем производительность самого медленного этапа в худшем случае. В процессоре без тактовой частоты, когда этап завершается быстрее, чем обычно, следующий этап может немедленно принять результаты, а не ждать следующего такта. Этап может завершиться быстрее, чем обычно, из-за типа входных данных (например, умножение может быть очень быстрым, если оно происходит на 0 или 1) или потому, что он работает при более высоком напряжении или более низкой температуре, чем обычно.

Сторонники асинхронной логики полагают, что эти способности будут иметь следующие преимущества:

• более низкая рассеиваемая мощность для заданной производительности
• максимально возможная скорость выполнения

Самым большим недостатком безтактового ЦП является то, что большинство инструментов проектирования ЦП предполагают наличие тактового ЦП ( синхронная схема ), поэтому создание ЦП без тактовой частоты (проектирование асинхронной схемы ) включает в себя модификацию инструментов проектирования для обработки безтактовой логики и проведение дополнительного тестирования, чтобы гарантировать конструкция позволяет избежать проблем с метастабильностью .

Несмотря на это, было построено несколько асинхронных процессоров, в том числе

• ORDVAC ) и идентичный ILLIAC I (1951
• ILLIAC II (1962), тогда самый быстрый компьютер на Земле
• Асинхронный микропроцессор Калифорнийского технологического института, первый в мире асинхронный микропроцессор (1988 г.)
• АМУЛЕТ ARM реализующий , (1993 и 2000 годы)
• асинхронная реализация MIPS Technologies R3000 , названная MiniMIPS (1998 г.)
• процессор SEAforth многоядерный от Чарльза Х. Мура

Оптическая связь

Теоретически компоненты оптического компьютера могут напрямую соединяться через голографическую или фазированную систему переключения под открытым небом. Это обеспечит значительное увеличение эффективной скорости и гибкости конструкции, а также значительное снижение затрат. Поскольку разъемы компьютера также являются наиболее вероятными точками отказа, бесшиновая система может быть более надежной.

Кроме того, по состоянию на 2010 год современные процессоры используют 64- или 128-битную логику. Оптическая суперпозиция длин волн может позволить использовать каналы передачи данных и логику на много порядков выше, чем в электронике, без дополнительного пространства и медных проводов.

Оптические процессоры

Основная статья: Оптические вычисления

Другой долгосрочный вариант — использовать свет вместо электричества для цифровой логики. Теоретически это может работать примерно на 30% быстрее, потреблять меньше энергии и обеспечивать прямой интерфейс с устройствами квантовых вычислений.

Основные проблемы этого подхода заключаются в том, что в обозримом будущем элементы электронных вычислений станут быстрее, меньше, дешевле и надежнее. Такие элементы уже меньше некоторых длин волн света. Таким образом, даже оптическая логика на основе волноводов может оказаться неэкономичной по сравнению с электронной логикой. По состоянию на 2016 год большая часть усилий по разработке приходится на электронные схемы.

Ионные процессоры

Ранние экспериментальные работы были проведены по использованию ионных химических реакций вместо электронных или фотонных действий для реализации элементов логического процессора.

Архитектура ленточной машины

Относительно архитектуры обычной регистровой машины или стековой машины , но аналогичен архитектуре Intel Itanium . Схема адресации временных регистров была предложена Иваном Годаром и компанией, которая призвана значительно снизить сложность аппаратного обеспечения ЦП (в частности, количества внутренних регистров и получаемых в результате огромных деревьев мультиплексора ). Хотя чтение и отладку несколько сложнее, чем имена регистров общего назначения, представление о ленте как о движущемся конвейере , на котором самые старые значения сбрасываются с ленты и исчезают, помогает понять. Он реализован в архитектуре Mill.

Хронология событий

• 1964. IBM выпускает 32-битную систему IBM System/360 с защитой памяти.
• 1969. Intel 4004 Первоначальный проект Busicom из был разработан Тедом Хоффом из Intel и Масатоши Шимой .
• 1970. Разработка Intel 4004 завершена Федерико Фаггином из Intel и Масатоши Симой из Busicom.
• 1971. IBM выпускает IBM System/370, преемника System/360.
• 1971. Intel выпускает 4-битный Intel 4004 , первый коммерческий микропроцессор .
• 1971. NEC выпускает μPD707 и μPD708, двухчиповый 4-битный процессор.
• 1972. IBM объявляет о «Расширенной функции System/370», добавляя поддержку виртуальной памяти с подкачкой по требованию.
• 1972. Компания NEC выпускает однокристальный 4-битный микропроцессор μPD700.
• 1973. NEC выпускает 4-битный микропроцессор μCOM-4 (μPD751), объединение μPD707 и μPD708 в один микропроцессор.
• 1974. Intel выпускает Intel 8080 , 8-битный микропроцессор, разработанный Федерико Фаггином и Масатоши Симой .
• 1975. MOS Technology выпускает 8-битный MOS Technology 6502 , первый интегрированный процессор, который имел доступную цену в 25 долларов, тогда как конкурент 6800 стоил 175 долларов.
• 1976. Zilog представляет 8-битный процессор Zilog Z80 , разработанный Федерико Фаггином и Масатоши Симой .
• 1977. Корпорация Digital Equipment представила свой первый 32-битный VAX суперминикомпьютер — VAX-11 /780.
• 1978. Intel представляет Intel 8086 и Intel 8088 , первые чипы x86.
• 1978. Fujitsu выпускает микропроцессор MB8843.
• 1979. Zilog выпускает Zilog Z8000 , 16-битный микропроцессор, разработанный Федерико Фаггином и Масатоши Симой .
• 1979. Motorola представляет Motorola 68000 , 16/32-битный микропроцессор.
• 1981. Стэнфордский MIPS представил одну из первых конструкций вычислений с сокращенным набором команд (RISC).
• 1982. Intel представляет Intel 80286 , который был первым процессором Intel, который мог выполнять все программное обеспечение, написанное для его предшественников, 8086 и 8088.
• 1984. Motorola представляет Motorola 68020 с полной 32-битной адресацией и 68851 блок управления памятью с поддержкой подкачки по требованию.
• 1985. Intel представляет процессор Intel 80386 , который добавляет 32-битный набор инструкций к микроархитектуре x86 и поддерживает пейджинг по требованию.
• 1985. Представлена ​​архитектура ARM .
• 1989. Intel представляет процессор Intel 80486 .
• 1992. Hitachi представляет SuperH . архитектуру который обеспечивает основу для набора инструкций Thumb в ARM .
• 1993. Intel выпускает оригинальный микропроцессор Pentium , первый процессор с суперскалярной микроархитектурой x86.
• 1994. IBM представляет первые модели мэйнфреймов IBM, в которых в качестве ЦП используются однокристальные микропроцессоры, серия IBM System/390 9672.
• от ARM . Thumb 1994. Представлен набор команд основан на инструкций Hitachi SuperH наборе .
• 1995. Intel представляет процессор Pentium Pro , который становится основой для архитектур Pentium II , Pentium III , Pentium M и Intel Core .
• 2000. IBM представляет z/Architecture , 64-битную версию своей архитектуры мэйнфреймов.
• 2000. AMD анонсировала 64-битное расширение x86-64 для микроархитектуры x86.
• 2000. AMD достигает частоты 1 ГГц со своим микропроцессором Athlon .
• 2000. Analog Devices представляет архитектуру Blackfin .
• 2002. Intel выпустила Pentium 4 с технологией Hyper-Threading , первый современный процессор для настольных ПК, реализующий одновременную многопоточность (SMT).
• 2003. AMD выпустила Athlon 64 , первый 64-битный потребительский процессор.
• 2003. Intel представила Pentium M , мобильную версию архитектуры Pentium Pro с низким энергопотреблением.
• 2005. AMD анонсировала Athlon 64 X2 , свой первый двухъядерный процессор x86.
• 2006. Intel представляет линейку процессоров Core на основе модифицированной конструкции Pentium M.
• 2008. Отгружено более 10 миллиардов процессоров на базе Arm.
• 2010. Intel представила Core i3 , i5 и i7 с 2, 4 и 4 ядрами соответственно.
• 2011. ARM выпускает ARMv8-A с поддержкой 64-битной архитектуры AAarch64.
• 2011. AMD анонсировала первый в мире 8-ядерный процессор для настольных ПК .
• 2017. AMD анонсировала процессоры Ryzen на базе архитектуры Zen с числом ядер до 16.
• 2017. Intel Core i3, Core i5, Core i7 и Core i9 8-го поколения, количество ядер увеличено примерно до 4, 6, 8 и 8 соответственно.
• 2017. Поставлено более 100 миллиардов процессоров на базе Arm.
• 2020. Apple выпустила собственную M1 ARMv8 базе однокристальную систему (SoC) на , примечательную тем, что они переключили свои устройства с процессоров Intel.
• 2021. ARM выпускает ARMv9 — первое крупное обновление за десятилетие после Armv8 в 2011 году.
• 2021. Отгружено более 200 миллиардов процессоров на базе Arm.
• 2022. AMD EPYC 64C третьего поколения Процессоры используются в Frontier , самом мощном суперкомпьютере в мире.
• 2024. Apple выпустила M4 , свою первую SoC, использующую архитектуру процессора ARMv9.

См. также

• Хронология микропроцессора
• Вычисления общего назначения на графических процессорах (GPGPU)

Внешние ссылки

• Великие моменты в истории микропроцессоров, У. Уорнер, 2004 г.
• Великие микропроцессоры прошлого и настоящего (V 13.4.0), автор: Джон Байко, 2003 г.
• По крупицам: иллюстрированная история компьютеров , Стэн Аугартен, 1984. OCR с разрешения автора.
• Галерея процессоров и связанных с ними печатных плат (на итальянском языке) [1]