Komputery otaczają nas i ułatwiają oraz uprzyjemniają życie na każdym kroku. To nie tylko laptopy, tablety czy smartfony, ale także współczesne telewizory, zegarki, komputery samochodowe czy nawet inteligentne sprzęty AGD. Wszystkie te urządzenia posiadają procesor i inne odpowiednio dostosowane podzespoły znane z klasycznego PCta. Czym tak właściwie jest procesor i jaka jest jego historia?
Czym jest procesor?
Procesor komputera to nic innego jak jego „mózg”, odpowiedzialny za pracę wszystkich podzespołów i przetwarzanie informacji. Z angielskiego CPU, czyli Centralna Jednostka Przetwarzająca odpowiada za wykonanie poleceń użytkownika i współpracę z peryferiami komputera.
Procesory są monokryształami krzemu, na który nadrukowuje się warstwy tworzące tranzystory półprzewodnikowe, połączone za pomocą wielowarstwowych ścieżek miedzianych czy aluminium. Najnowsze konstrukcje składają się z miliardów tranzystorów ułożonych we współpracujące ze sobą rdzenie. Inaczej mówiąc, procesor składa się z kilku lub w przypadku telefonów komórkowych i konsol do gier nawet kilkunastu samodzielnych wież, które realizują równocześnie dwa lub więcej zadań.
Kiedy powstał pierwszy procesor?
Pierwszy układ scalony, który można uznać za pełnoprawny procesor, został stworzony przez Steve’a Gellera i Raya Holta w końcówce lat 60. XX wieku. Wykonano go na potrzeby centrali areometrycznej w amerykańskim myśliwcu ponaddźwiękowym F14 Tomcat. Był to 20-bitowy procesor z technologią potokową, jednak do roku 1998 jego powstanie było tajne. Pierwszy komercyjny CPU Intela o nazwie 4004 był 4-bitowym procesorem o taktowaniu 740 kHz — wyprodukowanym w 1971 roku na potrzeby zaawansowanego programowalnego kalkulatora Busicom 141-PF.
Jak wyglądała historia procesorów?
Od modelu procesora Intel i4004 mamy do czynienia z ciągłym rozwojem ery cyfrowej. Przełomowy okazał się rok 1974, w którym to intel pokazał bardzo udany pierwszy komercyjny 8-bitowy procesor i8008, który w różnych klonach był produkowany do wczesnych lat 80. XX wieku. Dotarł on nawet do Polski za pośrednictwem komputerów ZX-Spectrum i ZX-81, czyli komputera z możliwością rozbudowy pamięci RAM do 1 MB i przebudowanym procesorem pracującym na liczbach zmiennoprzecinkowych. Cechą charakterystyczną dla możliwości obliczeniowych tego procesora było stworzenie języka programowania Basic i prostego systemu operacyjnego. Z jego rozwiązań korzystał system MS-DOS, a po części jego echa rozbrzmiewają we współczesnych komputerach PC wyposażonych w systemy z rodziny Microsoft Windows.
Kolejnym ważnym krokiem było wprowadzenie komputerów do rodzinnej rozrywki — już nie były to urządzenia przewidziane dla hobbystów, matematyków i inżynierów, którym wystarczył monochromatyczny zielony obrazy na ekranie telewizora, ale pełna rozdzielczość telewizyjna i jakże przyjemny dla ucha elektroniczny dźwięk. Komputery wchodziły pod strzechy za pomocą takich marek jak Atari, Commodore i Amiga. W latach świetności korzystały z 8-bitowych procesorów MOS Technology 6502 i jej rozwinięcia 6510 – w tym procesorze dodano port wejścia/wyjścia – I/O, którego 6-bitów wychodziło poza sam procesor. Natomiast kolejny procesor MOS o zmienionym sposobie wytwarzania i symbolu 8500 stał za sukcesem rynkowym Commodore C64. Ogólna charakterystyka tego procesora to:
- 8-bitowa szyna danych,
- 16-bitowa przestrzeń adresowa o wielkości 64 KiB = 65536 B,
- Taktowany zegarem o częstotliwości 1 MHz, a odmiany A i B – od 2 do 3 MHz,
- 56 rozkazów, 13 trybów adresowania,
Nieco wcześniej ten sam procesor został wykorzystany przez Steva Woźniaka i Steva Jobsa w komputerach Apple II i Apple III. Te komputery prawdopodobnie ze względu na cenę nie odniosły aż tak spektakularnego sukcesu.
Zgodnie z prawem Moore’a zakładającego, że z ekonomicznego punktu widzenia podwojenie liczby użytych tranzystorów w CPU przypada co 18-24 miesięcy, rozpoczęła się ekspansja firmy Intel. Pierwszym potwierdzeniem tej tezy było stworzenie przez nią procesora 32-bitowego o symbolu 80386. Powstał on w końcu lat 70. XX wieku, wcześniej niż model 16-bitowy 80286, wprowadzony do produkcji w 1982. Procesor 80286 rozwijano nieprzerwanie do początku lat 90. Na jego przykładzie pokazano, że użytkownik komputera może go modernizować i dostosowywać do własnych potrzeb. Firma IBM stworzyła płyty główne kompatybilne z tymi procesorami, do tego wymienne kości pamięci RAM, karty rozszerzeń video i dźwięku montowane na złączach ISA. Była to prawdziwa ewolucja komputerów. Można było używać dwóch lub jednej stacji dyskietek, zaczęto produkować wymienne dyski twarde o różnych pojemnościach.
Intel 80286 był dostępny w taktowaniu od 6 MHz do 25 MHz. Dla tego procesora stworzono koprocesor o innym taktowaniu niż procesor główny. Właściwie oprogramowany układ dawał kilkudziesięciokrotny przyrost prędkości przy obliczeniach. 80386 miał okres świetności pomiędzy 1985 rokiem a 1990. Firma Intel rozwijała koncepcję 32-bitowych procesorów i w 1989 na targach Comdex w Las Vegas został pokazany procesor i486 i jego odmiana iDX4. Były to jednostki sterujące o taktowaniu zegara od 16 MHz do 50 MHz. Ta architektura pozwoliła na stworzenie samodzielnych systemów operacyjnych a w konsekwencji rezygnację z systemu operacyjnego MS-DOS, który świetnie się sprawdzał na architekturze 8-bitowej i 16-bitowej.
Procesor i486 był kopiowany zarówno przez Cyrixa, jak i AMD, ale dopiero dużo późniejsze procesory AMD — z serii K-5 i K-6 trochę osłabiły pozycję Intela. Lawinowy wzrost taktowań zegarów od modelu Intel Pentium czy AMD Athlon spowodował, że i procesory kart graficznych zaczęły wprowadzać nowy wymiar w świat cyfrowej rozrywki, który trwa do dzisiaj. Wieloprocesorowość płyt głównych, do których podpinało się dwa lub więcej takich samych CPU, ale wciąż jednowątkowych dała podwaliny do zupełnie nowego podejścia. Stworzono architekturę 64-bitową,j można budować procesory wielordzeniowe dwu wątkowe.
Szybkość nowych procesorów polega na tym, że nie cały procesor ma 2-3 GHz taktowania, ale procesor składa się z dwóch identycznych rdzeni o jednakowym taktowaniu np. 1,4 GHz. Jednym z pierwszych takich procesorów był Intel Core 2 Duo, który używany był od roku 2000 zarówno do komputerów stacjonarnych, jak i laptopów. Jest to już procesor 64-bitowy, w nomenklaturze Intela oznacza się go jako x86-64. Powstanie architektury 64-bitowej pozwoliło na zastosowanie o wiele większej ilości pamięci operacyjnej, powyżej 4 GB RAM oraz na zwiększenie przestrzeni dyskowej. Obecne komercyjne dyski mają pojemności liczone w terabajtach danych.
Rozwój technologii produkcji procesorów sprawił, że obecne procesory można wyposażyć w wydajne układy graficzne i połączyć je z pamięcią operacyjną. Dążą do minimalizacji wymiarów i maksymalizacji osiągów. Co prawda dla zaawansowanych graczy i ludzi związanych z e-sportem układy zintegrowane nie mają szczególnego zastosowania, jednak dla osób ceniących sobie małe wymiary komputerów i potrzebujących wydajnych maszyn do pracy oraz oszczędzających energię elektryczną są one absolutnie wystarczające. Trudno przewidzieć jakie rozwiązania technologiczne zobaczymy za kilkanaście lat. Prawdopodobnie okaże się, że elektronika oparta o krzem przejdzie do historii. Już teraz przy zaawansowanych produkcjach video trzeba używać szybkich wielordzeniowych procesorów, a ta technologia ma swoje ograniczenia.
