Procesoriaus evoliucija: nuo 4004 nuo Intel iki dabartinių lustų vos per 50 metų

Revoliucija, prasidėjusi nuo Intel 4004

1971 metų lapkričio 10 dieną Intel išleido 4004 procesorių - lustą, kuris amžiams pakeis skaičiavimo istoriją.Turėdamas tik 2300 tranzistorių ir 108 kilohercų greitį, šis 10 mikrometrų procesorius buvo primityvus, lyginant su dabartiniais standartais, tačiau reprezentavo monumentalų pasiekimą: pirmąjį pasaulyje komercinį mikroprocesorių.

4004 buvo sukurtas skaičiuotuvams ir staliniams kompiuteriams, užimantis nemažą vietą ir sunaudojantis daug energijos.4 jo apdorojimo bitai atrodė riboti, tačiau atvėrė duris technologinei revoliucijai, kuri truks dešimtmečius. mašina, kuri naudojo šį lustą, kainavo tūkstančius dolerių ir buvo prieinama tik didelėms įmonėms ir įstaigoms.

Poveikis buvo iš karto: pirmą kartą skaičiavimo intelektas nebebuvo išskirtinis milžiniškuose ir brangiuose pagrindiniuose kompiuteriuose.4004 įrodė, kad skaičiavimas gali būti decentralizuotas, miniatiūrinis ir demokratizuotas. Ši filosofija išlieka iki šiol ir vadovauja nuolatinei procesorių rinkos raidai.

1970-ųjų ir 1980-ųjų pažanga: galios sprogimas

Po 4004 sėkmės Intel nenustojo diegti naujovių 1978 metais atkeliavo 8086, 16 bitų procesorius, kuris taps x86 architektūros pagrindu, iki šiol naudotas asmeniniuose kompiuteriuose ir serveriuose.8086 turėjo 29 tūkstančius tranzistorių ir veikė 5 MHz dažniu 46 kartus greičiau nei jo pirmtakas.

1980-ieji dar labiau paspartino šias lenktynes.1985 metais pristatytas Intel 386 atnešė 32 bitus apdorojimo ir daugiau nei 275 tūkstančius tranzistorių, įgalinančių daugiafunkcines operacines sistemas, tokias kaip Windows ir OS/2.486, išleistas 1989 m., luste integravo matematinį koprocesorių, todėl nebereikėjo papildomų komponentų ir padaugėjo mokslinių bei grafinių programų našumo.

Šis laikotarpis įtvirtino svarbų pramonės standartą: arši konkurencija.AMD, Motorola ir kiti gamintojai ieškojo rinkos erdvės, spausdami Intel nuolat diegti naujoves. Ši konkurencija buvo labai svarbi siekiant paspartinti technologijų evoliuciją ir sumažinti išlaidas.

Pentium procesoriai ir interneto amžius

1993 m. Pentium pažymėjo naujos eros pradžią. Su 3,1 milijono tranzistorių ir iki 66 MHz greičiu Pentium buvo pirmasis procesorius, masiškai parduodamas vartotojų visuomenei pasauliniu mastu. Pentium kompiuteriai tapo prieinami viduriniosioms klasėms, skatinant komercinį internetą ir mums žinomo žiniatinklio atsiradimą.

Pentium II (1997) ir Pentium III (1999) išplėtė šį dominavimą, pristatydami didesnę L2 talpyklą ir daugialypės terpės apdorojimo instrukcijas (MMX). Tuo metu laikrodžio greitis padvigubėjo kas 18-24 mėnesius, patvirtindamas Moore'o dėsnį: tranzistorių skaičius luste padvigubėjo maždaug kas dvejus metus.

Perėjimas nuo Pentium III prie Pentium 4 (2000) buvo agresyvesnis: laikrodis iki 2 GHz, Netburst architektūra ir 42 milijonai tranzistorių Šie procesoriai paskatino asmeninio skaičiavimo, pažangių vaizdo žaidimų ir žiniatinklio serverių bumą, kurio kiekis sprogo 2000-ųjų pradžioje.

Kelių branduolių ir paradigmų poslinkis (2005 m. priekyje)

Iki 2005 m. pramonė susidūrė su problema: didėjantis laikrodžio greitis tapo neefektyvus energijos suvartojimo ir šilumos išsklaidymo požiūriu. Sprendimas buvo revoliucinis: į vieną lustą įtraukite kelis branduolius (spalvas). Pentium D ir Core Duo pažymėjo šį perėjimą.

Programos, kurios anksčiau buvo vykdomos nuosekliai greitu branduoliu, dabar galėtų lygiagrečiai vykdyti skirtingas užduotis. metų metus rinkoje dominavo Intel Core 2 Duo (2006), turintis 291 mln. Tranzistorių ir optimizuotas energijos sąnaudas. jo architektūra įrodė, kad daugiau branduolių gali pasiūlyti geresnį našumą vienam galios vatui.

Nuo 2008 m. Core i serija (i3, i5, i7) standartizavo šį metodą. Procesoriai įtraukė išmanųjį talpyklą, automatinį šilumos valdymą ir dinaminius dažnius (turbo). Mobiliųjų įrenginių rinkai reikėjo šių naujovių: besikuriantiems išmaniesiems telefonams ir planšetiniams kompiuteriams reikėjo galingų, bet baterijas taupančių procesorių.

Mobilieji procesoriai ir ARM iškilimas

Nors Intel dominavo stalinių kompiuterių ir serverių rinkoje, ARM (Advanced RISC Machine) architektūra, licencijuota keliems gamintojams, užkariavo mobiliųjų įrenginių rinką. ARM nuo pat pradžių buvo sukurta taip, kad būtų efektyvi energija ir labai svarbi nešiojamiesiems įrenginiams.Qualcomm, Samsung ir Apple sukūrė savo ARM pagrindu veikiančius lustus.

ARM Cortex A9 dviejų branduolių procesorius jau konkuravo su to meto įrenginiais 2010 m. Tačiau tikrasis žaidimo keitiklis buvo Apple A4 (2010 m.) ir, svarbiausia, A7 (2013 m.), pirmasis mobilusis procesorius su 64 bitų architektūra.Apple įrodė, kad pritaikyti lustai gali pranokti bendruosius procesorius su didesne vartojimo galia.

Šiandien išmanieji telefonai turi procesorius su 8 ar daugiau branduolių, milijardus tranzistorių ir greičių, kurie konkuruoja su nešiojamaisiais kompiuteriais prieš kelerius metus. Qualcomm Snapdragon 8 Gen 3 (2024) turi 13 milijardų tranzistorių. Apple M4, kilęs iš mobiliųjų procesorių linijos, jau konkuruoja tiesiogiai su tradiciniais nešiojamųjų kompiuterių ir planšetinių kompiuterių staliniais procesoriais.

Naujausios naujovės: dirbtinis intelektas ir ypatingas efektyvumas

Per pastaruosius penkerius metus du pagrindiniai vairuotojai suformavo evoliuciją: dirbtinis intelektas ir energijos vartojimo efektyvumas Dabar procesoriai apima specializuotus branduolius, skirtus mašininiam mokymuisi ir AI operacijoms Apple Neural Engine, Google TPU ir Snapdragon AI branduoliai atspindi šią tendenciją.

Intel, TSMC ir Samsung konkuruoja 3 nanometrų lustų gamyboje (mažais atstumais, kad atominis užterštumas gali pakenkti gamybai Dabartiniai procesoriai turi dešimtis milijardų tranzistorių Apple M4 Pro (2024) turi 14 milijardų tranzistorių; jo pirmtakas M3 Max turėjo 16 milijardų mažesniame silicio plote.

Heterogeninis skaičiavimas taip pat konsolidavosi: didelio našumo branduolių (P spalvų) maišymas su efektyviais branduoliais (E spalvos) leidžia sistemoms subalansuoti apdorojimo galią su akumuliatoriaus suvartojimu.Intel, ARM ir Apple naudoja šį metodą praktiškai visuose savo šiuolaikiniuose lustuose.

Nuo 2300 tranzistorių iki milijardų: artima ateitis

Per 50 metų pramonė išaugo eksponentiškai: nuo 2300 tranzistorių 4004 metais iki daugiau nei 100 milijardų dabartiniuose pavyzdiniuose procesoriuose Tai reiškia maždaug 40 milijonų kartų padidėjimą.Jei automobiliai būtų vystęsi proporcingai, Ferrari kainuotų centus.

Ateities iššūkiai apima fizines gamybos ribas (atomai turi ribotą dydį), šilumos išsklaidymą itin tankiuose lustuose ir specializacijos poreikį (bendrieji procesoriai užleidžia vietą AI optimizuotiems lustams, imituojamiems kvantiniams skaičiavimams ir specifiniams darbo krūviams).

Procesorių evoliucija atspindi ne tik inžinerijos pažangą, bet ir visuomenės poreikių pokyčius Nuo asmeninio kompiuterio iki visur esančio išmaniojo telefono, nuo interneto iki dirbtinio intelekto duomenų centrų, kiekviena era pareikalavo specifinių naujovių. Kiti 50 metų tikrai bus dar žavesni, procesoriai tyrinės kvantinius, fotoninius ir už ribų.