Historie procesorů x86

Historie procesorů je zajímavá rychlým vývojem a rozšířením této technologie během několika let. Začátek této historie je svázán s processorem 8086 na frekvenci 5 MHz, v současné době se týká procesorů taktovaných na frekvencích přes 3 GHz a vývoj směřuje dále. Jaký byl průběh tohoto vývoje za posledních 30 let? Začneme tedy procesorem 8086…

Intel 8086 (1978) První čip použitý v PC (personal computer). 16-bit processor, obsahuje 29000 transistorů a 20 adresových linek s možností adresace až do 1 MB operační paměti RAM. Verze čipu byly s taktovací frekvencích 5, 6,, 8, a 10 MHz.

Intel 8088 (1979) Prakticky identický čip s verzí 8086. Rozdíly byly pouze v adresních linkách a spolupráci s matematickým koprocesorem 8087. Tento čip byl použit v prvních IBM PC. NEC V20 and V30 (1981) Klony procesorů 8088 a 8086. Byly o 30% rychlejší než čipy Intel.

Intel 80186 (1980) Ve své době velmi rozšířený a populární čip. Vyráběl se technologií CHMOS nebo HMOS, v 8-bit nebo 16-bit verzi.

Intel 80286 (1982) 16-bitový procesor se 134000 transistory s možností adresace až 16 MB RAM. Přidáním podpory fyzické paměti, byl čip schopný pracovat s virtuální pamětí čímž získal velkou rozšiřitelnost, 286 byl první „real“ procesor s konceptem protected modu a schopností multitskingu, což umožnilo různým programům bežet separátně v jednom čase. Tato vlatnost nebyla využita v operačním systému DOS, ale v dalších operačních systémech, např. ve Windows. Tento chip byl použit IBM v PC/AT a měl velký podíl na kompatibilite dalších PC. Běžel na taktovacích frekvencích 8, 10, a 12.5 MHz, pozdější edice na 20 MHz.

Intel 386 (1985 – 1990) 386 je označení dalšího produktu v řadě technologií od Intelu. 386 byl 32-bit procesor, obsahoval 275000 tranzistorů, 80386DX procesor přišel s verzemi taktovanými na 16, 20, 25, a 33 MHz. 32-bitová adresní sběrnice dovolovala čipu adresovat až 4 GB RAM a 64 TB virtuální paměti. V čipu byl poprvé užit instruction pipelining, umožňující procesoru práci s následující instrukcí před tím než byla předchozí instrukce kompletní. Ačkoliv čip běžel v obou, realném i protected modu (jako 286), mohl také běžet ve virtual real modu, umožnujících několik realných mode realací v jednom čase nezbytným pro multi-tasking operační systémy např. Windows V roce 1988, Intel intel přichází s procesorem 386SX, což byla low-end verze 386. Narozdíl od procesoru DX používal 16-bit datovou sběrnici, byl pomalejší, ale byl méně náročný na napájení a takto se povedlo Intelu použít tyto procesory v přenosných počítačích (laptop). v roce 1990, Intel uvádí procesor 80386SL, jako základní verzi 386SX processoru s 85500 transistory s ISA compatibilitou a obvody pro řízení napájení.

Intel 486 (1989 – 1994) Procesor 80486DX byl uveden v roce 1989. Byl to 32-bit procesor obsahující 1.2 milionů tranzistorů. Měl tu samou paměťovou kapacitu jako procesory 386 (obě 32-bit), ale nabízel dvojnásobnou rychlost 26.9 milion instrukcí za sekundu (MIPS) na frekvenci 33 MHz. Novinkou nebyla jen rychlost. 486 byl první procesor s integrovanou jednotkou pohyblivé čárky (FPU) a 8KB cache. Provedení v 5 voltové a 3 voltové verzi, umožňovalo použití v desktopech i přenosných počítačích.486 byl prvním chip od Intelu který se dak upgradovat. Předchozí procesory nebyly navrženy tak aby se daly na základní desce vyměňovat. S 486 přichází procesorová patice. První 486 přišli s upgrade používající technologii „OverDrive“. To znamenalo ze lze vložit čip s rychlejším interním taktováním do existujícího systému. První procesory z rodiny 486 byly i486DX, ale v roce 1991 byly uvedeny 486SX a 486DX/50. Oba čipy byla v základu stejné, ale verze 486SX měla zakázaný matematický koprocesor.486SX byly samozřejmě pomalejsí než typy DX, ale výsledná redukce ceny a napájení dopomohly SX procesoru k rychlejsímu obchodu s laptopy. The 486DX/50 byla 50MHz verze originálního 486 procesoru, ale na rozdíl od SX nepodporovala OverDrive. Až v roce 1992, Intel přichází s verzemi 486 procesprů s podporou OverDrive technologie. První modely byly i486DX2/50 a i486DX2/66. Označení „2“ v názvu procesoru znamená že normální taktovací frekvence procesoru je násobena užitím OverDrive, takže 486DX2/50 je a 25MHz čip s násobenou frekvencí na 50MHz. Pomalá záklaní frekvence umožňuje pracovat procesoru s existujícíma základníma deskama, ale dovoluje čipu interně pracovat s násobky frekvence. V roce 1992 přichází Intel také s verzí 486SL. Jde o výběr 486 procesorsů, obsahující 1.4 milion transiztorů, s interními obvody pro řízení napájení, optomalizovaný pro mobilní použití. Následuje několi verzí 486 procesorů v provedení SL, SX a DX s různými variantami taktovacích frekvencí. V roce 1994, přihází poslední z rodiny 486 DX4 Overdrive, taktovaný na 33 MHz, násobený 3x, takže interní frekvence procesoru byla 100 MHz.

AM486DX Series (1994 – 1995) V těchto letech Intel již není jediný výrobce procesosů. AMD vyrábí AM486 serii procesorů jako odpověd na produkty Intelu. AMD uvádí čipy AM486DX4/75, AM486DX4/100, and AM486DX4/120. Obsahují on-board cache, management 3 voltového napájení a SMM mod. Čipy jsou vhodné jak do desktopů, tak do mobilních zařízení a jdou cestou kompaktibility s 486.

AMD AM5x86 (1995) Tento čip byl produktem konkurence AMD s Intelem. Odpovědí Intelu na tento procesor bylo Pentium. AM5x86 byl navržen jako nabídka procesorů třídy Pentium pracujícím na 486 základních deskách.5×86 běžel na taktovací frekvenci 133MHz násobené 4xz 33 MHz a obsahoval 16 KB cache. S 33 MHz sběrnicí bylo možno pracovat již na 486 základních deskách. Tato rychlost je podporována také 33 MHz PCI sběrnicí. 5×86 byl výkonstně lepší než Pentium/75. Dal se použít v podstatě jako upgrade 486.

Pentium (1993) Intel přichází s novou generací procesorů, opouští jmenné schéma 80586 a nové procesory nazývá Pentium. Orignální Pentium bylo v provedení 60 MHz a 100 MIPS. Název byl „P5“ nebo „P54“. Čip obsahoval 3.21 milionů tranzistorů a pracoval s 32-bitovou adresní sběrnici (stejně jako 486). Rodina procesorů Pentium byla vyráběna s taktovacími frekvencemi 60/66/75/90/100/120/133/150/166/200 MHz. První verze procesoru 60/66 MHz měly patici na základní desky Socket 4, další procesory Socket 7, některé čipy (75MHz – 133MHz) patici Socket 5. Pentium je kompatibilní se všemi staršími operačními systémy včetně DOS, Windows 3.1, Unix, a OS/2. Superscalární design umožňuje spouštět dvě instrukce v jednom cyklu. Dvě oddělené 8K cache (code cache a data cache) a pipelined FPU zvyšují výkon x86 čipů. Lepším způsobem je implementován i486SL management napájení. CPU má 273 pinů pro připojení k základní desce. První Pentium čipy byly s napájením 5 voltů, od verzí taktovaných na 100MHz je napájení redukováno na 3.3 voltu. Od verzí taktovaných na frekvenci 75MHz je podporován Symmetric Dual Processing umožňující použití dvou Pentium procesorů v jednom systému.

Pentium Pro (1995-1999) Pentium Pro (nazývaný „P6“ nebo „PPro“) byl RISC čip s 486 hardwarovou emulací, běžel na taktovací frekvenci 200 MHz. Původně měl úplně nahradit stávající procesor Pentium, ale později byl jeho cílový segment zúžen na serverové použití. Oproti předchůdcům tohoto procesoru bylo použito několik technik pro zvýšení výkonu procesoru, např. jsou dekodovány 3 instrukce v jednom cyklu. Měl dvě oddělené 8k L1 cache (jedna pro data a druhá pro instrukce) a do 1MB L2 cache na základní desce. Zasazoval se do velkých obdélníkových patic Socket 8. Pentium Pro mohl být osazen do dvou a čtyř procesorových systémů, byl plně optimalizovaný pro 32-bitové aplikace, v nich byl o 25-35% rychlejší než Pentium na stejné frekvenci, v 16-bitových aplikacích byl rychlejší průměrně o 20%.

Cyrix 6×86 Series (1995) Cyrix, je dalším alternativním výrobcem procesorů. Na trh vstoupil v roce 1992, s verzí procesoru 486SLC. V roce 1995, přichází s procesorem nazvaným „M1“, obsahuje dvě super-pipelined integrované jednotky, on-die FPU a 16 KB write-back cache. V době kdy AMD přichází s procesorem K5, Cyrix vyrábí procesory PR-120, 133, 150, 166 a 200. Jejich výkon je vyšší než shodné procesory Pentium. MediaGX (1996) MediaGX by Cyrix levný procesor pro low-cost PC. Užíval standardní x86 procesorové jádro, čip měl v sobě integrované základní komponenty PC jako audio a video obvody, komunikoval přímo s PCI sběrnicí, DRAM pamětí, a videem s rozlišením 1280x1024x8 nebo 1024x768x16. Mohl adresovat až 128 MB EDO RAM v 4 oddělených pamětových bankách. Procesor byl kompaktibilní se Socket 7 paticí, ale potřeboval speciální základní desku.

AMD K5 (1996) Čip AMD 5×86 nebyl v soutěži s Intelem pravou alternativou k Pentiu, proto AMD přichází v roce 1996 s řadou procesorů K5. Byl navržen pro desky s paticí Socket 7, jako plně kompatibilní s x86 software. Vyráběl se s taktovacími frekvencemi 75 MHz až 166 MHz. Obsahoval 24KB L1 cache a 4.3 milionů tranzistorů.

Pentium MMX (1997) Intel příchází s Pentium MMX, obsahuje rozšírení instrukční sady o 57 instrukcí pro podporu multimedií. Je o 10-20% rychlejší se standardním software, a více se software optimalizovaném pro MMX instrukční sadu. Obsahuje duální 16KB cache, pipelined FPU na taktovací frekvenci do 233 MHz.

AMD K6 (1997) AMD uvedením procesoru K6 poprvé předstihla Intel v soutěži o výkon. K6 se tehdy stal nejrychlejším procesorem na trhu, kvůli způsobu zpracování x86 instrukcí pomocí jádra na základě RISC byl procesor o něco výkonnější než Pentium a Pentium Pro na stejné frekvenci. Tento náskok však Intel zrušil Pentiem II. Jádro procesoru vyvinula společnost NexGen, kterou AMD koupila. Měl 57 instrukcí MMX, 64 KB L1 cache a byl vyráběn technologií 0,35–0,25 mikronů, obsahoval 8,8 milionů tranzistorů. Pracoval s taktovacími frekvencemi od 166MHz do 300 MHz.

Cyrix 6x86MX (1997) Cyrix přicházís procesorem 6x86MX označovaným jako „M2“. Tento procesor obsahuje MMX instrukční sadu, 64KB cache a je rychlejší. První M2 procesory byly taktovány na 150 MHz nebo 166MHz (PR166). Nejrychlejší běželi na 333 MHz, nebo PR-466. M2 byl poslední procesor s dílny Cyrixu. V roce 1999 Cyrix koupila Via Technologies a ukončila výrobu CPU.

Pentium II (1997) V čipu Pentium II vzal Intel to nejlepší z předchozích procesorů PentiumMMX and Pentium Pro. Pentium II byl procesor architektury x86, byl založen na modifikované verzi jádra P6 použité v procesorech Pentium Pro. Byl vylepšen výkon v 16-bitových aplikacích, optimalizován pro 32-bitové aplikace, obsahuje MMX instukční sadu, 32KB L1 cache (16KB pro data a 16KB pro instrukce) a 512KB L2 cache na čipu. Původní Pentium II – Klamath běžel na 233 až 300 MHz se 66 MHz sběrnicí, byl vytvořen 0.35 µm technologií a připojoval se k základní desce paticí „Slot 1“. V roce 1998 Intel přichází 0.25 µm technologií a systémovou sběrnicí taktovanou na 100MHz. Tyto procesory byly označeny kodovým jménem „Deschutes“ a běžely na taktovacích frekvencích od 333MHz do 450 MHz.

Celeron (1998) Celeron je obchodní název Intelu pro další řadu x86 mikroprocesorů. První Celeron pod označením Covington byl směřován jako levnější varianta procesoru Pentium II, byl založen na stejném jádře, neobsahoval žádnou L2 cache a používal patici „Slot 1“. Pracoval na frekvenci 266 MHz se 66MHz systemovou sběrnicí. Další typ procesoru Celeron A s kódovým názvem Mendocino, již disponoval 128 KB L2 cache na jádře čipu, čímž se výrazně zvýšil jeho výpočetní výkon téměř na výkon Pentia II. Byl ve dvou provedeních pro patici „Slot 1“ nebo v PPGA formátu pro připojení do patice Socket 370. Pro Slot 1 byly Celerony taktovány od 233MHz do 433 MHz, pro Socket 370 od 300MHz výše.

AMD K6-2 , K6-3 (1998) V době kdy Intel prodává procesory Pentium II a Celerony příchází AMD s procesorem K6-2 jako jejich přímou konkurencí. Byl založen na vylepšeném jádře K6, běží na vyšších rychlostech a pracuje s rychlejšími systémovými sbernicemi. Obsahuje 3DNow technologii, která je rozšířením MMX instrukční sady o 21 instrukcí. Byl taktovaný na frekvencích 233 – 550 MHz. Obsahoval relativně velkou L1 cache 64 KB (32 KB Data a 32 KB Instrukce), jádro běželo na napájecím napětí 2,2 V, byl vyráběn 0,25-mikronovou technologií a obsahoval 9,3 milionu tranzistorů. Používal patici pro základní desky Super Socket 7. AMD K6-3 byl procesor architektury x86, jednalo se o upravený procesor K6-2 s přidanou L2 cache na jádře procesoru. Používal Super Socket 7, obsahoval 21,4 milionu tranzistorů a taktován byl na frekvencích 400 a 450 MHz.

Pentium III (1999) Intel uvádí na trh procesor Pentium III s označením „Katmai“, běží na 450 MHz s 100MHz sběrnicí. Katmai uvádít SSE instrukční sadu, obsahující 70 nových instrukcí pro 3D aplikace, a zavádí seriová čísla zabudovány do procesoru během výrobního procesu. Stejně jako u Pentia II existovala také low-endová verze Celeron a high-endová verze Xeon určená především pro servery. V roce 2000 Intel uvádí Pentium III Coppermine. Narozdíl od Katmai který měl 512 KB L2 cache jako externí čipy na modulu CPU taktované na 50 % rychlosti CPU, Coppermine má cache jen 256 KB, ale umístené v CPU jádře s plnou rychlostí CPU. Vyráběn je 0.18 micronovou technologií. Podporuje 133 MHz FSB. Pentium III bylo nakonec nahrazeno Pentiem 4. Vylepšený design Pentia III obsahují procesory Pentium M.

AMD Athlon (1999 – dodnes) Uvedením Athlonu v roce 1999 AMD získal na významnou dobu náskok před konkurenčními procesory od Intelu. Původní Athlon Classic, byl první ze 7. generace x86 procesorů (786), vyroben 0.25 micronovou technologií. Byl taktován na 500MHz. Zavádí nové rozhraní Slot A, podobné Slot 1 Intelu, ale nejsou kompatibilní. Novinkou je systémová sběnice taktovaná na 200MHz. V roce 2000, AMD uvádí Athlon Thunderbird. Čip vyroben 0.18 micronovou technologií, nově obsahuje L2 cache, podporu DDR RAM. Vyrabí se v provedení Socket A nebo Socket 462. V roce 2001, AMD přichází s Athlonem „Palomino“, označovaným jako Athlon 4. Palomino je rozšířením jádra Thunderbird o redukci tepla a napájení pro použití v notebocích, ale uplatnění nachází v desktopech i serverech. V témže roce je čip přejmenována na Athlon XP. Athlon XP 1800+ je výkonější než Intelové Pentium 4 na 2 GHz. Poslední Palomino byl Athlon XP 2100+ vyrobený 0.13 mikronovou technologií, 133MHz FSB (266MHz s DDR). V roce 2002 přichází AMD s 0.13 mikronovým 2200+ procesorem na jádře Thoroughbred. Procesor Athlon 64 (známý také pod jmény „ClawHammer“, „Newcastle“, „Winchester“, „Venice“, „San Diego“ a „Orleans“), který reprezentuje vstup 64-bitových mikroprocesorů firmy AMD na běžný spotřebitelský trh, byl vypuštěn v září 2003. Tento procesor plně realizuje novou architekturu AMD64. Je to první AMD procesor s jádrem osmé generace (K8) pro desktopové a mobilní počítače. Nyní jsou k dispozici tři jeho varianty – Athlon 64, Athlon 64 FX, a dvoujádrový Athlon 64 X2. Novější procesory jsou vyráběny 0.09 mikronovou technologií a podporují patice Socket 754, Socket 939, Socket 940, Socket AM2 a Socket AM3.

AMD Opteron (2003 – dodnes) Procesor osmé generace s kodový označení SledgeHammer, Venus, Troy, Athens, Denmark, Italy, Egypt, založený na architektuře K8 (Hammer core) x86-64. Podporuje patice Soket 939, Soket AM2, Soket 940 a Soket F, nativní podpora 32bitových instrukcí x86 a 64bitových instrukcí x86-64. Obsahuje integrovaný řadič DDR SDRAM(Socket 939)/DDR2 SDRAM(Socket F) pamětí, technologii HyperTransport. Vyrábí se v proveden jednojádrové i vícejádrové.

Celeron II (2000 – dodnes) Nástupce low-end procesoru Celeron od Intelu s kodovým označením Coppermine-128, na jádře Pentium III, obsahoval 128 kB L2 cache a běžel na sběrnici 66 MHz. Dalším Celeronem na jádru Pentiu III byl procesor označením Tualatin, vyráběn 0.13-mikronovou technologií s taktovacími frekvencemi 1000 – 1400 MHz a FSB na 100 MHz. Velikost L2 cache byla 256 kB. Další generace Celeronů Willamete-128 (0,18µm) a Northwood (0,13µm) byla již postavena na jádrech P4 s 128 KB cache. Taktovány byly na frekvencích 1.7 až 2.8 GHz. Posledním procesorem z této rodiny je Celeron D na 90nm jádře Prescott s 256kB cache. Byly vyráběny od frekvencí 2,13 GHz.

Duron (2000 – 2004) AMD Duron byl Socket A procesor architektury x86, byl uvolněn v roce 2000 jako levnější varianta k procesoru Athlon, stejně jako Celeron coby levnější varianta Pentia III od Intelu. Duron je pinově plně a technologicky téměř shodný s Athlonem. První Duron s 180nm jádrem Spitfire (založen na jádru Athlon) běžel na 100MHz FSB (efektivne 200MHz) a byl taktován na 600-950 MHz. Další Duron s 180nm jádrem Morgan (založen na jádru Athlon XP Palomino) byl taktován na frekvencích 900-1300 MHz. Poslední Duron s 130nm jádrem Applebred (založen na jádru Athlon XP Thoroughbred) používal FSB 133 MHz a taktován byl na frekvencích 1.4 GHz, 1.6 GHz a 1.8 GHz. Na rozdíl od Athlonu měl Duron rozdílné velikosti cache. Duron L2 cache měl velikost pouze 64 KB, u Athlonu 256KB nebo 512KB. Duron obsahoval ale jednu z největších L1 cache, a to 128 KB (instrukce a data po 64 KB). Výroba Duronu byla ukončena roku 2004 a byl nahrazen procesorem Sempron.

Sempron (2004 – dodnes) AMD Sempron je low-end řada procesorů a je náhradou procesoru Duron. Má být přímou konkurencí pro procesor Intelu Celeron D. První procesory Sempron na architektuře jádřa Athlonu XP Thoroughbred/Thorton používal patic Socket A, měl 256/512 KB L2 cache a 166 MHz (efektivně 333 MHz) FSB. Další Semprony byly na jádře Barton s 512 KB L2 cache. Druhá generace s jádrem Paris/Palermo používá patice Socket 754, je téměř shodná s Athlonem 64. V roce 2005 AMD přidal do Sempronů podporu AMD64. Novější procesory používají Socket 939 a Socket AM2.

Pentium IV (2000 – 2006) V roce 2000 uvádí Intel procesor sedmé generace x86 s 90 nm technologií Pentium 4 s kodovým označením Willamette. Jde o kompletní redesign CPU nazvaný NetBurst. Proti předchozím Pentiím se liší architektu, novou instrukční sadou SSE2, pozdější modely podporou Hyper-Threading. P4 Willamette bylo taktováno na frekvencích 1.5 až 2 GHz, FSB 100MHz (efektivě 400MHz) s paticí Socket 423 nebo Socketu 478. Existoval také v low-end provedení Celeron 4 a high-end provedení Xeon pro multiprocesorové systémy. Procesory Pentium 4 byly nahrazeny v roce 2006 procesory Intel Core 2 a Core 2 Duo s jádrem Conroe, vyráběnými 65nm technologií a podporou nové instrukční sady SSE4.