تاريخ وحدات المعالجة المركزية Intel: كيف تطورت حتى اليوم؟

تشتهر Intel بمعالجاتها المزودة بـ ISA x86 ، والتي شهدت العديد من التطورات بمرور الوقت وأصبحت اللغة العالمية لجميع التطبيقات التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا ، وعلى الرغم من ظهور مجموعات أخرى من السجلات والتعليمات إلى ISA التي اخترعها اليوم ISA الشركة التي يديرها بات غيلسنجر الآن في أواخر السبعينيات لا تزال قوية مثل اليوم الأول إن لم تكن أقوى.

تاريخ إنتل المبكر ، قبل 8086

في القسم الأول من هذه القصة ، سنناقش وحدات المعالجة المركزية التي صنعتها Intel قبل وصول كمبيوتر IBM الشخصي والتي من شأنها أن تقودهم إلى النجاح وأن تكون أكبر منتج للمعالجات لأجهزة الكمبيوتر الشخصية في التاريخ.

Intel 4004 ، أول وحدة معالجة مركزية على شريحة

إذا ألقيت نظرة على أي كتاب تاريخ سيخبرك أنه الأول وحدة المعالجة المركزية‏: أن Gordon Moore و Robert Noyce الذي صممه تحت العلامة التجارية Intel كان i4004 ، والذي يعتبر أول وحدة معالجة مركزية كاملة مدمجة في قطعة واحدة ، لأنه قبل استخدام وحدة المعالجة المركزية كان يتم تقسيم جميع مكوناتها إلى عدة شرائح مختلفة.

ومع ذلك ، لم يكن المنتج الرئيسي للشركة في ذلك الوقت ، حيث جاء رأس مالها من بيع ذاكرة DRAM و SRAM لأجهزة الكمبيوتر الصغيرة في ذلك الوقت. في ذلك الوقت لم تكن هناك أجهزة كمبيوتر شخصية وكانت ذاكرة الوصول العشوائي من أحدث طراز. على الرغم من أن Noyce and Moore لم يأتيا إلى طاولة التصميم لإنشاء 4004 ، فقد كان عمل ثلاثة مهندسين: Federico Faggin و Ted Hoff و Stanley Mazor الذين صمموا وحدة معالجة مركزية كاملة 4 بت لشركة Busicom ، وهي شركة إلكترونية الآلات الحاسبة من اليابان التي كلفت إنتل بتنفيذ المشروع.

وبالتالي ، فإن الشركة التي كانت في ذلك الوقت شركة ناشئة مقارنة بعمالقة أخرى في ذلك الوقت مثل Fairchild Semiconductor أو Texas Instruments كانت مسؤولة عن إنشاء أول وحدة معالجة مركزية كاملة على شريحة.

Intel 8008 ومحطة Datapoint الطرفية

خدمت تجربة i4004 Intel للتحقق من صحة نفسها لبقية الصناعة ، لكنها لم تكن العملاق الذي ستصبح بعد سنوات. لم يكن عصر أجهزة الكمبيوتر قد وصل بعد ، واستمر عدد قليل من مستخدمي الكمبيوتر في استخدام محطات مشاركة الوقت المتصلة بجهاز كمبيوتر صغير ، والتي ، للمفارقة ، يمكن أن تكون بحجم الثلاجة.

كانت إحدى هذه الشركات شركة Datapoint Corporation وكان طرازها الطرفي 2200 يتمتع بخصوصية وهي أن داراتها لم تكن تعمل فقط كمحطة تحكم عن بعد ، ولكن كان لديها أيضًا جهاز كمبيوتر كامل ، حيث يمكنها تنفيذ البرامج بفضل حقيقة وجود الدوائر المتكاملة من وحدة المعالجة المركزية في الداخل. مرة أخرى ، تم تكليف المهندسين المعماريين الثلاثة المسؤولين عن i4004 بتقليل كل الدوائر 8008 المعقدة التي تراها فوق هذه الصور على i8008.

لسوء الحظ ، لم يثمر المشروع مع Datapoint وفي النهاية توقفت العلاقات بين الشركتين تمامًا. هذا لم يمنعهم من الانتهاء من أول وحدة معالجة مركزية 8 بت ، لكن Intel لم تكن سعيدة جدًا بالنتيجة.

انتل 8080 و S-100 ازدهار

وُلد معالج Intel الثالث على أساس الحقيقة: كان 8008 محدودًا جدًا لاستخدام وتشغيل البرامج المعقدة. هذا هو السبب في أن Intel تعتبر معالجًا آخر 8 بت يمكن أن يكون لديه القدرة على تشغيل أي برنامج كمبيوتر ومن هناك ولد i8080.

مرة أخرى ، عاد Federico Faggin و Stan Mazor إلى العمل ، هذه المرة بمساعدة Masatoshi Shima الذي تعاون بالفعل معهم في تصميم 4004. كفضول ، ترك Faggin شركة Intel في عام 1974 لتأسيس Zilog وإنشاء نسخة محسنة في شكل Z80 الشهير الذي كان وحدة المعالجة المركزية المركزية لأنظمة مثل Spectrum و MSX و Amstrad CPC وغيرها الكثير.

لم يكن 8080 وحدة معالجة مركزية مبنية من الصفر ، فقد تم بناؤه من تصميم 8008. لقد حافظوا على نظام المقاطعة ، لكنهم قاموا بتحسين العنوان من 16 كيلوبايت كحد أقصى رامات إلى 64 كيلوبايت ، تمت إضافة المزيد من المنافذ الطرفية وإرشادات جديدة. أما بالنسبة لسرعة الساعة ، فقد ارتفعت من 0.5 ميجا هرتز إلى 2 ميجا هرتز ، مما يجعلها أسرع بأربع مرات من سابقتها.

تميزت وحدة المعالجة المركزية هذه بكونها المعالج الرئيسي لـ Altair 8800 الذي أنشأه معهد ماساتشوستس التقني الذي جلب معه الجيل الأول من أجهزة الكمبيوتر الشخصية المسمى S-100 نظرًا لحقيقة أن المكونات المختلفة للكمبيوتر كانت متصلة بلوحة مشتركة التي تستخدم واجهة تحمل نفس الاسم. كان نظام التشغيل لجهاز MITS هو CP / M الذي أنشأه Gary Kildall ، رائد MS-DOS.

بفضل استخدام ناقل S-100 كمعيار ، سرعان ما ظهرت نسخ من Altair 8800 في كل مكان ، وللأسف فإن وجود Z80 المحسّن ترك شركة Intel خارج قيادة هؤلاء الرواد من أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

الطريق إلى إنتل 8086

هناك اعتقاد بأن Intel 8086 كان معالجًا من إنتاج شركة Intel بناءً على طلب IBM لأول جهاز كمبيوتر خاص بها ، وهو أمر خاطئ ، لأنه كان موجودًا بالفعل قبل عامين وتاريخه لا علاقة له بأول جهاز كمبيوتر شخصي من ثم العملاق الأزرق. علاوة على ذلك ، كان في البداية مشروعًا صغيرًا داخل شركة Gordon Moore ، حيث كان 8800 ، الذي تم إصداره باسم iAPX 432 ، أفضل بكثير على الورق مع 32 بت ALU ، و MMU متكامل ، وكل ما تحتاجه للقيام بذلك. تعدد المهام.

ومما زاد الطين بلة ، ترك الفرسان الثلاثة الذين أنشأوا وحدات المعالجة المركزية الثلاثة الأولى من Intel ، كان ستيفن مورس الوحيد الذي تم اختياره لتصميم 8086 لسببين: كان مهندسًا كهربائيًا وبرمجيات. لذلك كان يعرف كلا العالمين تمامًا. ومع ذلك ، واجه 8086 مشكلة وهي أنه بدأ من ISA جديد تمامًا ولم يكن الثنائي متوافقًا. إذا كانت برامج CP / M مناسبة جيدًا ، فستكون أسرع بكثير من Z80 ، لكن لم يكن أحد على استعداد للقيام بذلك.

ترك مورس الشركة بعد فترة وجيزة ، أصبح 8086 أكبر فشل لشركة Intel حتى الآن ، أم لا.

تاريخ إنتل في الثمانينيات: بدايات الكمبيوتر

في عام 1981 كان هناك بالفعل أجهزة كمبيوتر شخصية في المتاجر ، لذلك لم تخترع شركة IBM الكمبيوتر الشخصي ، لكنها كانت شيئًا فشيئًا تشكل تهديدًا للعملاق الأزرق ولهذا السبب قرروا إنشاء مشروع منخفض الميزانية يسمى Project Chess ، بناءً على استخدام الأجهزة الموجودة ولهذا قد يأخذون كمثال أجهزة الكمبيوتر S-100 المشتقة من Altair 8800.

في ذلك الوقت ، كانت وحدة المعالجة المركزية الأكثر تقدمًا لأجهزة الكمبيوتر هذه هي 68000 ، لكن وحدة المعالجة المركزية هذه لم تكن جاهزة للإنتاج الضخم. الحل؟ لقد جاء من Intel ، التي كان لديها Intel 8086 ونسخته 8 بت ، 8088. من أجل الحصول على عقد لوحدة المعالجة المركزية لجهاز الكمبيوتر الشخصي الأول من IBM ، كان عليهم قبول أنه سيكون هناك مورد ثانٍ للمعالج ، شركة معينة تسمى AMD . بين عشية وضحاها ، أصبح المشروع الذي كان أكبر فشل في تاريخه أكبر نجاح له.

كان كل من 8088 و 8086 أول معالجات مع x86 ISA ، كما أنهما كانا أول معالجات في نظام منزلي تمتلك وحدة ALU 16 بت. الفرق بين النموذجين؟ يحتوي جهاز 8088 على ناقل بيانات 8 بت وليس ناقل بيانات 16 بت. على الرغم من أن أكثر ما يميزه هو معالجة الذاكرة ذات 20 بت ، والتي سمحت للنظام بامتلاك ما يصل إلى 1 ميجابايت من الذاكرة ، أي 16 مرة أكثر مما يدعمه 8080.

80286 ، أكبر قفزة IPC من وحدة المعالجة المركزية x86

كان نجاح كمبيوتر IBM الشخصي ساحقًا ، فقد أصبح بالفعل في عام 1984 النظام الأساسي بامتياز كجهاز كمبيوتر شخصي للشركات في جميع أنحاء العالم ، ولكن كان من الضروري إنشاء إصدار أسرع جاء مع إنشاء AT PC وهذا الوقت نعم أن IBM في ثقة تامة مع Intel طلبت منه جعل وحدة المعالجة المركزية الجديدة متوافقة تمامًا مع الإصدارات السابقة على المستوى الثنائي ، ولكن بشكل أسرع.

كانت 80286 أكبر قفزة في IPC تم إجراؤها في تاريخ وحدات المعالجة المركزية Intel ، حيث كان أدائها لكل دورة على مدار الساعة أكثر من ضعف أداء 8086. لتحقيق ذلك ، تم تحسين الحافلات الداخلية الخاصة بها والتي أوقفت هذه العملية متعددة الإرسال تم تحسين تعليمات الالتقاط وتحسين وظائف تعليمات القفز. بالإضافة إلى ذلك ، تضمنت Intel لأول مرة وحدة MMU ، والتي تعمل بواسطة قطاعات.

من باب الفضول ، إنها وحدة المعالجة المركزية الأطول عمراً للكمبيوتر الشخصي في التاريخ ، لأنه حتى في عام 1990 يمكنك العثور على أجهزة كمبيوتر معروضة للبيع باستخدام وحدة المعالجة المركزية هذه.

أخيرًا 32 بت ، 80386

لم يكن 80386 أول وحدة معالجة مركزية 32 بت في تاريخ إنتل ، ولكن iAPX 432 له شرف التواجد ، ومع ذلك ، عندما حان الوقت لإنشاء إصدار 32 بت من 8086 Intel أخذت العديد من المفاهيم من هذا المشروع ، على الرغم من أن كان التحدي الأكبر هو نقل الشفرة. الحل؟ استخدم نفس السجلات ، ولكن مع زيادة حجمها حتى 32 بت. بالإضافة إلى ذلك ، كان 80386 أول وحدة معالجة مركزية في تاريخ إنتل بخط أنابيب مجزأ ، والذي كان من ثلاث مراحل.

على الرغم من أن التحدي الكبير كان يتعلق بتعدد المهام ، إلا أن فكرة امتلاك معالج يمكنه تشغيل نظام تشغيل قادر على تشغيل عدة برامج في نفس الوقت على جهاز كمبيوتر شخصي أو محطة عمل. لهذا قاموا بتصميم MMU جديد ، وهذه المرة تدعم الذاكرة الظاهرية لكل صفحة ، وهي طريقة مستخدمة اليوم.

بفضل وحدة المعالجة المركزية هذه ، حقق الكمبيوتر الشخصي قفزة في الجودة كمنصة ، لأنه جلب الأخبار التي سمحت بذلك Windows من نسختها الثالثة لتتوقف عن كونها مزحة ، كذلك لينكس وفوق كل ذلك ، فقد تميزت بهيمنة الكمبيوتر الشخصي على الأنظمة الأساسية الأخرى.

80486 ، تحديث ثانوي ولكنه مهم

جلب لنا الجيل الرابع من معالجات x86 في تاريخ Intel اثنين من المستجدات المهمة ، أولهما المستوى الأول من مخابئ البيانات والتعليمات. والثاني هو تكامل وحدة النقطة العائمة ، والتي لم تعد وحدة معالجة مشتركة منفصلة لتصبح جزءًا لا يتجزأ من وحدة المعالجة المركزية. سمح خط الأنابيب أو التجزئة المطولة في 5 دورات لها بالوصول إلى 100 ميجا هرتز مع نموذج DX4.

كان أيضا المسمار في نعش المنافس Motorola، الذي انتهى بالعمل كفريق مع IBM و تفاح لإنشاء وحدات PowerPCs. السبب؟ لم تكن إنتل راضية عن نسخة محسّنة قليلاً من 386 وكررت حركة 286 مع زيادة لا تصدق في IPC ، والتي تصدق على القوة الأكبر للحاسوب مقارنة بمنافسيها ، لكنها أعطت إنتل على وجه الخصوص الفوز النهائي على موتورولا.

من باب الفضول ، كان كبير مهندسيها هو بات جيلسنجر ، الرئيس التنفيذي الحالي لشركة إنتل.

Intel Pentium ، أول وحدة معالجة مركزية للوسائط المتعددة في التاريخ

كانت Intel Pentium أول وحدة معالجة مركزية فائقة السعة بموجب ISA x86 ، والتي جلبت معها القدرة على تنفيذ تعليمات 2 بشكل متوازٍ وفي نفس الوقت. بفضل هذا ، تحسن مؤشر أسعار المستهلك مقارنة بـ 80486 بنسبة 40٪ في هذه العملية.

بعد سنوات ، أطلقت إنتل Pentium MMX ، والذي أحدث تغييرًا في وحدة النقطة العائمة ، حيث نفذت SIMD عبر التسجيل فيها لتسريع برامج الوسائط المتعددة الأولية في ذلك الوقت. لكن العمر التجاري لـ Pentium MMX كان قصيرًا ، لأنه في عام 1997 عندما تم إطلاقه تزامن في السوق مع Pentium II ، بعد عام واحد فقط من الإصدار المحسن من الجيل الخامس من وحدة المعالجة المركزية x86 من Intel.

على المستوى المعماري ، كانت التغييرات طفيفة مقارنة بـ 80486 ، لكن التصميم عاد مرة أخرى إلى أيدي أولئك الذين ابتكروا 80386 الأصلي الذين أنهوا التصميم في عام 1992. خارج تصميمه الفائق ، كان متحفظًا للغاية ، بعد كل شيء. ، توقفت الشركة عن المنافسة ، ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني أنها وقفت مكتوفة الأيدي.

اغتيال RISC ، عصر P6

يُقال أنه في كل عقد من التاريخ ، تُحدث Intel تغييرًا كبيرًا في وحدات المعالجة المركزية الخاصة بها ، ففي الثمانينيات كان 80 هو الذي حدَّث ISA إلى 80386 بت وفي التسعينيات كان Pentium Pro ، وهو المعالج الذي كان يُعتقد أنه رأس الحربة من x32 إلى سوق محطات العمل ، التي كانت تهيمن عليها بنيات RISC في ذلك الوقت.

من Intel كانوا يعلمون جيدًا أن مجموعة تعليمات x86 بها قيود ، ولهذا السبب أنشأت Intel تنفيذًا خارج الترتيب والتنفيذ المضارب لهذا المعالج. بالإضافة إلى ذلك ، قام بزيادة عدد المراحل من 5 إلى 14 وإضافة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني لأول مرة.

في ظل بنية Pentium Pro أو P6 ، ظهرت العديد من وحدات المعالجة المركزية ، التي تم إصدارها على شكل أجيال من المنتجات التجارية المختلفة.

• كان Pentium Pro أول وحدة معالجة مركزية تحتوي على ذاكرة تخزين مؤقت L2 مضمنة في المعالج ، حتى ذلك الحين كانت مدرجة على اللوحة بالقرب من المعالج.
• أما بالنسبة إلى Pentium II ، فقد كان يعتمد على Pentium Pro ، لكنه نقل ذاكرة التخزين المؤقت L2 ، على الرغم من تركه في نفس الحزمة ، على عكس سابقه ، فقد تم إطلاقه لسوق أجهزة الكمبيوتر المنزلية ، مما جلب قوة العمل المحطات.
• من ناحية أخرى ، تضمن Pentium III تعليمات SSE وانتهى به الأمر في النهاية بدمج ذاكرة التخزين المؤقت L2 مرة أخرى في المعالج.

نجحت إستراتيجية إنتل ، وفي أواخر التسعينيات ، تراجعت معظم أبنية RISC في انتظار موتها النهائي. نجا فقط ARMs و PowerPCs المستخدمة في Macintosh إلى حد بعيد ، والبقية كانت تحمل سيف Damocles وستستسلم قريبًا.

بنتيوم 4 ، نهاية عصر

بالنسبة إلى Pentium 4 ، أنشأت Intel بنية جديدة تسمى Netburst ، والتي اتبعت اتجاه اليوم لإضافة عدد كبير من المراحل لتحقيق سرعة ساعة عالية. مع هذا المعالج وصلت إنتل إلى سقف السرعة وتم اكتشاف أن السباق القائم على هذا المقياس ليس له مستقبل ، بسبب الاستهلاك العالي للمعالجات ودرجة الحرارة التي تولدها.

من تجربة بنتيوم 4 ، أصبحت "الطاقة لكل واط" المتري لها أهمية وبدأت في تصميم وحدات المعالجة المركزية القائمة بالفعل على مفهوم متعدد النواة. كان السبب على وجه الخصوص هو أنه لم يكن من الممكن تركيبها على أجهزة الكمبيوتر المحمولة واضطررت إلى إطالة عمر P6 لتتمكن من تشغيل وحدات المعالجة المركزية لهذا النوع من الكمبيوتر الذي كان في طور الإعداد في ذلك الوقت.

تقول الثرثرة إنها كانت شركة آبل مهووسة بتصميماتها الصناعية التي أعطت إنتل نبضًا حول ما إذا كان بإمكانها إنشاء نواة بأداء كافٍ لكل واط وبقوة أكبر من PowerPC ، عندها فقط ستقفز إلى x86. وهكذا كان الأمر كذلك ، لكنهم أيضًا تخلوا عن اسم بنتيوم لتبني اسمًا آخر.

عصر متعدد النواة لتاريخ إنتل

كان أول معالج Intel Core يعتمد على بنية P6 ، ولكن بتكوين ثنائي النواة. ومع ذلك ، فقد طوروا جيلًا ثانيًا كان ثوريًا ويعتبر أفضل وحدة معالجة مركزية في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.

من أجل تطويرها ، قامت Intel بنسخ العديد من الأفكار إلى Opteron of AMD ؛ كما يتم تنفيذ Northbridge داخل المعالج واعتماد امتداد x86 64 بت. من حيث الأداء ، فقد ضاعفوا تقريبًا IPC وهي ثالث أكبر قفزة في الأداء بعد التي تم تحقيقها مع 80286 و 80486. للقيام بذلك ، قاموا بتحسين التنفيذ خارج الترتيب ، وجعل وحدة المعالجة المركزية قادرة على التعامل مع المزيد من التعليمات في بالتوازي وقاموا أولاً بإضافة Smart Cache على معالجات Intel.

ومع ذلك ، يمكن اعتبار Core 2 الجيل الصفري ، حيث بدأت Intel في استخدام العلامات التجارية Intel Core i3 و i5 و i7 من بنية Nehalem ، والتي تعتبر الجيل الأول من Intel Core. منذ ذلك الحين وحتى الآن لدينا عدة أجيال مع تحسينات تدريجية.

• جسر ساندي / آيفي: قامت Intel مرة أخرى بتحسين وحدة التنبؤ بالقفز ، بصرف النظر عن ذلك ، فقد حسنت عناصر مثل ذاكرة التخزين المؤقت للعمليات الدقيقة والوحدات الصحيحة والوحدات العائمة وأداء تعليمات معينة لجلب البيانات من الذاكرة.
• هاسويل / برودويل: قامت Intel مرة أخرى بتوسيع عدد التعليمات التي يمكن أن تنفذها وحدة المعالجة المركزية في كل دورة ، بالإضافة إلى زيادة عرض النطاق الترددي لذاكرة التخزين المؤقت للمعالج الداخلي وتحسين وحدة التحكم في الذاكرة. كما تضمنت أيضًا وحدة التحكم في الجهد داخل وحدة المعالجة المركزية (FIVR).
• جيل SkyLake: قامت Intel بتحسين عدد التعليمات التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية فك تشفيرها ، لكنها لم تزيد من عدد التعليمات التي يمكنها تنفيذها بشكل متوازٍ. التغييرات مقارنة بالأجيال السابقة صغيرة جدًا (لقد أزالوا FIVR).
• روكت ليك- S / بحيرة النمر: إنها Rocket Lake-S الحالية و Tiger Lake ، بعد سنوات من التحسينات الطفيفة في IPC ، قررت Intel أن تتبع مسار AMD حتى لا تتخلف عن الركب.

أحدث إصدار له هو Intel Core 12 مع هندسة Alder Lake-S ، وهو الإصدار الذي يضيف المزيد من المستجدات منذ إطلاق Intel Core 2 مثل التنفيذ باستخدام نوى غير متجانسة ، وإضافة Thread Director وغيرها من المستجدات ، نحن لا نفعل ذلك. اعرف ما إذا كانت ستكون القفزة الكبيرة التي حققتها الشركة في الأجيال في كل عقد أم أن هناك شيئًا آخر تحت الغطاء ، فالواضح أن تاريخ إنتل مثير على الأقل.