Téma týdne: Uvnitř procesoru – pohled do historie a prehistorie

Začněme od Adama… od Z1

Procesor je součástí každého počítače. Historie procesorů tedy úzce souvisí s historií počítačů. Jejich dějiny začínají ještě před druhou světovou válkou, koncem 30. let. Konrad Zuse přerušil roku 1936 konstrukci letadel, aby roku 1938 dokončil svůj první počítač pod názvem Z1.

Šlo o mechanický stroj s hmotností přibližně 500 kg a spotřebou zhruba 1000 W. Pracoval na frekvenci 1 Hz (slovy jeden cyklus za vteřinu). Zajímavostí stroje byla podpora výpočtů s desetinnými čísly. Používala se 24bitová mantisa a 8bitový exponent.

Jediný vyrobený exemplář byl zničen při náletu roku 1943, a tak byl sám konstruktér v roce 1986 požádán o postavení druhého kusu, což se o tři roky podařilo. Počítač je vystaven v Německém technickém muzeu v Berlíně.

Dne 12. května 1941 byl slavnostně představen první skutečně plně programovatelný počítač Z3, postavený z relé. Počítač Z3 pracoval na frekvenci 5 až 10 Hz a dokonce měl prvky matematického koprocesoru. Násobení či dělení trvalo 3 sekundy, sčítání jen 0,7 s. Mezi technické zajímavosti patří fakt, že je to zřejmě také první použití zřetězení; autor Conrad Zuse na to 30. června 1949 obdržel patent pod názvem „Rechenmaschine zur Durchführung arithmetischer Rechenoperationen“.

V porovnání se strojem Z1 je model Z3 poněkud objemnější, hmotnost je 1000 kg a příkon 4 kW. Také tento stroj neexistuje (kvůli bombardování Berlína roku 1944), a tak byl rekonstruován svým autorem počátkem 60. let. Dnes je vystaven v Německém muzeu v Mnichově.

Do stejné kategorie patřil například IBM ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator) zvaný též Harvard Mark I. S trochou vůle sem lze zařadit i stroj Colossus Mark I, protože byl specializovaný jen na jednu úlohu (viz dešifrování kódu Enigma).

Uvedené stroje byly příkladem počítačů s procesory, kde základním stavebním kamenem je elektromagnetické relé. Frekvence byla řádově v jednotkách až desítkách Hz (tedy nic moc pro renderování…). Pro vyšší výkon bylo zapotřebí vyměnit relé za něco rychlejšího, pokud možno bez mechanických částí. Takovou součástkou se stala elektronka.

Elektronkový počítač ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) byl prvním elektronkovým počítačem na světě. Tak zvaný projekt PX byl zahájen 17. května 1943. Stroj byl sice dokončen již roku 1945, ale slavnostně byl představen až 14. února 1946. Byl určen pro armádní účely.

Úctu vzbuzovaly technické parametry – přece jen 17 468 elektronek, 7200 krystalových diod, 1500 relé, 70 tisíc rezistorů a 10 tisíc kondenzátorů, celková hmotnost 27 tun a spotřeba 174 000 W (neboli 174 kW). Slavnostní vyřazení z provozu proběhlo 2. října 1955 (ve 23:45 hodin). Procesor ENIACu pracoval na frekvenci 5 kHz. Násobení dvou 10ciferných čísel trvalo jen 14 taktů. Prvním úkolem ENIACu bylo provést výpočty, nutné pro konstrukci vodíkové bomby.

UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer) má prvenství hlavně z jiného důvodu, než jsou konstrukční odchylky. Je označován jako první komerční počítač na světě. Prvním zákazníkem byl Americký úřad pro sčítání lidu, který stroj obdržel 14. června 1951. Bylo vyrobeno celkem 46 strojů, jeden kus stál jeden milion dolarů (tedy tehdejších dolarů).

Zajímavostí bylo použití pátého vyrobeného kusu; byl totiž použit televizní stanicí CBS pro předvídání prezidentských voleb na podzim roku 1952. Správně bylo předpovězeno vítězství republikána – generála Dwighta Davida Eisenhowera.

Počítač byl složen z 5200 elektronek, vážil 13 tun a měl spotřebu 125 kW. Procesor pracoval na frekvenci 2,25 MHz. Společně s pamětí měl rozměry 4,3 × 2,4 × 2,6 m. Procesor byl stále pevnou součástí počítače a samostatně se o něm nehovořilo.

Tranzistor

„Představte si to, japonský tranzistorový rádio…“ První pokusy s tranzistorovým počítačem pocházejí již z roku 1953. TRADIC (TRAnsistorized DIgital Computer) je dílo AT&T Bell Laboratories pro armádní účely. To už se psal leden roku 1954.

TRADIC obsahoval 700 tranzistorů a 10 tisíc germaniových diod, a tak byla spotřeba do 100 wattů. Procesor pracoval na frekvenci 1 MHz. Počítač byl natolik malý, že jej bylo možné umístit do strategického bombardéru B-52 Stratofortress.

Použití tranzistoru však mělo tehdy nečekaný problém. Zatímco elektronka stála dolar, tranzistor stál 20x tolik. Proto se použilo malé množství tranzistorů.

Výkon procesoru byl již natolik velký, že umožňoval i větší softwarové projekty. Umožnil programátorům odpoutat se od strojového kódu a přemýšlet na vyšší úrovni. Vznikly tak vyšší programovací jazyky. Právě v lednu 1954 se s TRADICem objevil Fortran, roku 1957 B-0 (o rok později Flow-Matic, o další rok později COBOL). Roku 1958 vznikl IAL (resp. Algol), ve stejném roce se „narodil“ také LISP.

Krátce se zmíním o Algolu. Roku 1963 se na motivy Algolu zrodil jazyk CPL. Jeho další verze v létě 1967 dostala název B CPL, ale roku 1969 se přejmenoval na „B“. V roce 1971 se jazyk „B“ posunul do další verze. Ano, hádáte správně. Tak vznikl jazyk „C“.

Odpoutaný Prométheus

Předzvěstí se staly integrované obvody, vyráběné na křemíkových plátech zvaných wafery. První se objevil roku 1965 a měl průměr 18 milimetrů. Od té doby se křemíkový plát zvětšoval, až dosáhl dnešního průměru 300 milimetrů. Čím větší wafer je, tím bývá výroba procesorů efektivnější a levnější. Příštím krokem je neuvěřitelný průměr 450 milimetrů.

První samostatný běžně dostupný procesor v podobě integrovaného obvodu se objevil roku 1971. Za jeho vznik může zakázka společnosti Busicom nováčkovi, který chtěl změnit svět svými RAM a ROM obvody (Intel Corp.).

Kalkulátor firmy Busicom s procesorem Intel 4004

Půl roku poté se čtyřbitový procesor jednoduše rozšířil na 8bitovou verzi i8008. Inovací původního modelu na Intel 4040 skončila 4bitová epizoda. Síly se napnuly směrem do osmibitového mikroprocesoru 8080. Jeho klon vyráběl kdekdo, například v Československu produkovala Tesla model MHB 8080A. Mírným zlepšením se z 8080 stal 8085. A tam skončila klasická 8bitová éra procesorů Intel.

Na 16 bitů se přešlo modelem i8086 roku 1978. Aby se mohlo využít i 8bitové okolí (určené pro i8080/8085), vytvořil se model Intel 8088. Právě ten se použil pro počítač IBM PC, model 5150 (neboli první pécéčko). Pro průmysl byly roku 1982 navrženy modely 80188 a 80186, ve stejnou dobu byl uveden procesor pro stolní počítače 80286 (neboli Intel286).

32bitový svět byl v této řadě započat roku 1985 procesorem Intel386. Pro využití levného 16bitového okolí se později vytvořila „ořezaná“ verze s názvem 386sx. Od té doby se původní Intel386 označuje jako 386DX. Když se k tomu přidal matematický koprocesor 387 a 8 KB cache, vznikl Intel486. To je první procesor, který si později vyžádal chlazení.

První náznak 64bitového světa přišel v této rodině s procesorem Intel Pentium. Ten totiž komunikuje s okolím pomocí 64bitové sběrnice. Skutečná 64bitová výpočetní část se do těchto procesorů dostala jako jednotka MMX. První procesor vysloveně odladěný na 32bitové aplikace byl Intel Pentium Pro. Ten se ale v běžných počítačích neobjevil.

Vlastnosti obou světů se sloučily od procesoru Intel Pentium II. Jeho zjednodušenou a levnější obdobou byl Intel Celeron. Následoval model Pentium III, kterému například pro aplikace s 3D grafikou přibyla jednotka SSE.

Intel se rozhodl nevylepšovat staré jádro Intel Pentium Pro, ale vytvořit pro další dekádu něco zcela nového. Výsledek byl pojmenován Pentium 4 a pomáhal některým aplikacím k vysokému výkonu.

Postupem času se Intel pokusil ne zcela vytížený procesor zaměstnat více. Slouží k tomu technologie HyperThreading. Když se tyto dva procesory ukryjí do jednoho pouzdra, vznikne dvoujádrové Pentium D. Verze pro víceprocesorové stroje získala název Intel Xeon.

Odskokem od Pentia III byl vytvořen model Pentium M, určený pro mobilní použití. Mohutnou inovací se oba tyto procesory dnes nazývají Intel Core Duo.

Tento zjednodušený pohled dokládá cestu od roku 1971 po rok 2006 v rámci jedné linie. Vedle té existují neméně slavné rodiny od této skupiny odvozené. Jen namátkou musím jmenovat Zilog Z80, procesory AMD od K5, přes NexGen 586 a 686 nebo Élan až po AMD Athlon 64 X2 / Dual-Core Opteron / Turion 64 X2. Dále propletenec Cyrix / IDT / VIA / AMD / SGS Thomson / National Semiconductor s procesory SLC / DLC jako obdoba 386 / 486 až MII, MediaGX / Geode či C3 / C7 (resp. Eden / CoreFusion).

Někde tam uvnitř je vhodné zmínit i chladné procesory Transmeta, epizodu procesorů 486 od UMC, IBM Blue Lightning. Možná překvapí procesor ALi / ULi / DM&P M6117C / M6117D, což je 386sx s čipsetem dohromady pro průmyslové účely. Mimochodem – procesory vyráběl i producent čipsetů SiS. Model SiS SC550 se však rychle posunul pod křídla DM&P jako Vortex86 (M6127D). Do toho ještě můžeme zaplést Rise mP6, protože právě z něj SC550 pochází.

To bychom měli snad největší procesorové příbuzenstvo na světě. Vedle toho existuje mnoho dalších (a co rodina, to legenda):

• DEC Alpha
• HP PA-RISC
• IBM POWER
• (Apple / IBM / Motorola) PowerPC
• (SGI) MIPS
• (Sun) SPARC

Raději už dost, že…

Zapomenuté procesory

Existuje až příliš mnoho procesorů, na které se v průběhu času zapomnělo. Za jejich „nezdarem“ stálo mnoho možných příčin:

• výrobce nevydržel krok s konkurencí
• výrobce již neexistuje
• řada procesorů byla ukončena
• přišli jako „druzí“
• výrobce byl příliš „měkký“ při prosazování sama sebe
• neměl prostě štěstí
• nebyl použit v žádném úspěšném počítači
• technické problémy (návrh, výroba, prodej…)
• rodina nebyla dlouhodobě perspektivní
• licenční politika
• patentové spory
• finanční politika
• výrobce se prostě rozhodl rodinu ukončit

Takhle bychom mohli pokračovat hodně dlouhou dobu, ale tím opomíjíme už jednou zapomenuté procesory. Jsou to hlavně:

• Intel 432
• Intel 860
• řada AMD Am29000
• Motorola MC680x0
• Motorola 88100

Některé z nich prožívají reinkarnaci, ale kromě několika nadšenců o tom laická veřejnost neví. Třeba to, že procesor Am29050 vyráběný firmou Honeywell je použit ve všech modelech letadel Boeing 777, Boeing 737-600/700/800 nebo Boeing 717.