Пятнадцать процессоров Intel x86, вошедших в историю – THG.RU

8086: первый процессор для ПК

8086 стал первым процессором x86 – Intel к тому времени уже выпустила модели 4004, 8008, 8080 и 8085. Этот 16-битный процессор мог работать с 1 Мбайт памяти по внешней 20-битной адресной шине. Тактовая частота, выбранная IBM (4,77 МГц) была довольно низкой, и к концу своей карьеры процессор работал на 10 МГц.

Первые ПК использовали производную процессора 8088, которая имела всего 8-битную внешнюю шину данных. Что интересно, системы управления в американских шаттлах используют процессоры 8086, и NASA пришлось в 2002 году покупать процессоры через eBay, поскольку Intel их больше не производила.

80286: 16 Мбайт памяти, но всё ещё 16 битов

Выпущенный в 1982 году, процессор 80286 был в 3,6 раза быстрее 8086 на той же тактовой частоте. Он мог работать с памятью объёмом до 16 Мбайт, но 286 всё ещё оставался 16-битным процессором. Он стал первым процессором x86, оснащённым диспетчером памяти (memory management unit, MMU), который позволял работать с виртуальной памятью. Подобно 8086, процессор не содержал блока работы с плавающей запятой (floating-point unit, FPU), но мог использовать чип-сопроцессор x87 (80287). Intel выпускала 80286 на максимальной тактовой частоте 12,5 МГц, хотя конкурентам удалось добиться 25 МГц.

386: 32-битный и с кэш-памятью

Нажмите на картинку для увеличения.

Intel 80836 стал первым процессором x86 с 32-битной архитектурой. Вышло несколько версий этого процессора. Две наиболее известные: 386 SX (Single-word eXternal), который использовал 16-битную шину данных, и 386 DX (Double-word eXternal) с 32-битной шиной данных. Можно отметить ещё две версии: SL, первый процессор x86 с поддержкой кэша (внешнего) и 386EX, который использовался в космической программе (например, телескоп “Хаббл” использует этот процессор).

486: FPU и множители

Процессор 486 для многих стал знаковым, поскольку с него началось знакомство с компьютером целого поколения. На самом деле, знаменитый 486 DX2/66 долгое время считался минимальной конфигурацией для геймеров. Этот процессор, выпущенный в 1989 году, обладал рядом новых интересных функций, подобно встроенному на кристалл сопроцессору FPU, кэшу данных и впервые представил множитель. Сопроцессор x87 был встроен в линейку 486 DX (не SX). В процессор был интегрирован кэш первого уровня объёмом 8 кбайт (сначала со сквозной записью/write-through, затем с обратной записью/write-back с чуть более высокой производительностью). Существовала возможность добавления кэша L2 на материнскую плату (работал на частоте шины).

Второе поколение 486 процессоров обзавелось множителем CPU, поскольку процессор работал быстрее, чем FSB, появились версии DX2 (множитель 2x) и DX4 (множитель 3x). Ещё один анекдот: “487SX”, продаваемый как FPU для 486SX, представлял собой, по сути, полноценный процессор 486DX, который отключал и заменял оригинальный CPU.

У DX4 было 16 кбайт кэша и больше транзисторов – 1,6 млн. Этот процессор, изготавливаемый по 600-нм техпроцессу с площадью кристалла 76 мм², потреблял меньше энергии, чем оригинальный 486 (при напряжении 3,3 В).

Intel Pentium: досадная ошибка

Pentium, представленный в 1993 году, был интересен по многим причинам. Он стал первым процессором x86, с которым было решено отказаться от традиционных модельных номеров в пользу звучного названия, поскольку Intel не могла создать торговую марку только на одних числах. Кроме того, процессор прославился своей ошибкой. На Pentium первого поколения некоторые операции деления приводили к выдаче неверного результата. Intel заменила процессор, но ущерб компании был нанесён немалый. Ошибка, которая проявляла себя очень редко, вызвала настоящую шумиху в ИТ-прессе.

Pentium продавался в трёх разных линейках, первая была без множителя CPU, вторая – с множителем (включая знаменитый Pentium 166), а последняя обзавелась набором инструкций SIMD для x86 под названием MMX. У Pentium MMX был увеличен размер кэша L1, а также сделаны другие мелкие улучшения. Процессор Pentium стал первым x86 от Intel, способным выполнять две инструкции параллельно. У этих процессоров кэш L2 располагался на материнской плате (он работал на частоте FSB).

Позвольте дать небольшое пояснение по поводу ошибки Pentium: некоторые вычисления на FPU приводили к ошибочному результату. Ошибка появлялась редко – хотя разные источники дают разные оценки по поводу того, насколько редко – и Intel заменила дефектные процессоры бесплатно. Ниже приведён пример ошибки Pentium.

4195835,0/3145727,0 = 1,333 820 449 136 241 002 (правильный результат)

4195835,0/3145727,0 = 1,333 739 068 902 037 589 (неправильный результат на дефектном Pentium)

Pentium Pro: первый, способный работать с памятью объёмом больше 4 Гбайт

Pentium Pro, выпущенный в 1995 году, стал первым процессором x86, способным работать с объёмом памяти более 4 Гбайт благодаря расширению Physical Address Extension (PAE), то есть переходу на 36-битное адресное пространство, позволявшее адресовать 64 Гбайт ОЗУ. Что интересно, этот процессор оказался первым с архитектурой P6 (в принципе, в какой-то мере архитектура Core 2 наследована от неё) и также стал первым CPU x86, который содержал кэш L2 на процессоре, а не на материнской плате. По сути, кэш-память от 256 кбайт до 1 Мбайт располагалась рядом с CPU, в той же упаковке, но не на одном кристалле, и работала на той же частоте, что и CPU.

У процессора были некоторые проблемы с производительностью. Он прекрасно работал с 32-битными приложениями, но оказался намного медленнее с программным обеспечением, которое было написано в 16-битном коде (как некоторые части Windows 95). Причина была простая: доступ к 16-битным регистрам вызывал проблемы с управлением 32-битными регистрами, что отменяло преимущества внеочередной архитектуры Pentium Pro

Площадь кристалла с кэшем составляла 202 мм² (256 кбайт на 500 нм), 242 мм² (512 кбайт на 350 нм) или 484 мм² (1 Мбайт на 350 нм). Число транзисторов в кэше составляло 15,5 млн. (256 кбайт), 31 млн. (512 кбайт) или 62 млн. (1 Мбайт).

Pentium II и III: близнецы-браться

Выпущенный в 1997, процессор Pentium II являлся адаптацией Pentium Pro для массового рынка. Он был очень похож на Pentium Pro, но кэш-память различалась. Вместо использования кэша на той же частоте, что и процессор (это было дорого), 512 кбайт кэша L2 работали на половинной частоте. Кроме того, Pentium II оставил классический сокет в пользу картриджа, содержащего процессор и кэш второго уровня, который теперь размещался в картридже, а не на материнской плате или упаковке процессора.

Среди новых функций по сравнению с Pentium Pro можно отметить поддержку MMX (SIMD) и удвоенный размер кэша L1. Первый Pentium III (Katmai) был очень похож на Pentium II. Выпущенный в 1999 году, он добавил поддержку инструкций SSE (SIMD), но в остальном остался идентичен.

Pentium II и III оснащались 512 кбайт кэша L2 (31 млн. транзисторов). Но одна разновидность процессора Pentium II оснащалась кэшем L2 объёмом 256 кбайт на кристалле – Pentium II Mobile Dixon. Он использовал 180-нм техпроцесс и был существенно быстрее, чем настольные версии.

Celeron и Xeon: Intel нацеливается на low-end и high-end

В конце 90-х годов Intel выпустила две широко известных марки процессоров: Celeron и Xeon. Первый был нацелен на “бюджетный” рынок, а последней – на серверы и рабочие станции. Первый Celeron (Covington) представлял собой Pentium II без кэша второго уровня и давал слишком низкую производительность, а Pentium II Xeon, напротив, оснащался кэшем большого объёма. Обе марки до сих пор существуют: Celeron для рынка начального уровня (как правило, со сниженным размером кэша и менее скоростной FSB) и Xeon для серверов (с быстрой FSB, иногда с большим кэшем и более высокими тактовыми частотами).

Intel быстро добавила к Celeron 128 кбайт кэша второго уровня в модели Mendocino. Celeron 300A славился своими прекрасными возможностями разгона, позволяя достигать прирост частоты 50% или больше по сравнению со штатной частотой – весьма немало в то время.

Подобно Pentium II, процессор Xeon обладал внешним кэшем L2 внутри картриджа процессора. Его ёмкость составляла от 512 кбайт до 2 Мбайт, а число транзисторов – от 31 до 124 млн.

Pentium III достигает 1 ГГц

Нажмите на картинку для увеличения.

Pentium III Coppermine стал первым серийным процессором x86, который смог достичь частоты 1 ГГц; была выпущена даже версия на 1,13 ГГц, но она быстро покинула рынок из-за проблем со стабильностью. Новая версия Pentium III отличалась улучшенным кэшем второго уровня – теперь он “поселился” на кристалл. Он был быстрее, чем 512 кбайт внешнего кэша на первой модели, и в то время рекламировался как функция, увеличивающая скорость работы в Интернете. Процессор был выпущен ещё в трёх версиях: серверной (Xeon), начального уровня (Celeron) и мобильной (с первым вариантом технологии SpeedStep).

В 2002 году появилась чуть более улучшенная версия Tualatin с большим кэшем L2 (512 кбайт) и 130-нм техпроцессом. Она позиционировалась на серверы (PIII-S) и мобильные устройства, и в компьютерах потребительского уровня встречалась нечасто.

Pentium 4: много шума, мало толку

Нажмите на картинку для увеличения.

В ноябре 2000 года Intel анонсировала новый процессор Pentium 4. Он обладал более высокой тактовой частотой (1400 МГц, как минимум), однако существенно уступал конкурирующим CPU, если сравнивать производительность на такт. AMD Athlon (и даже Pentium III) оказывались на равных частотах быстрее. Что ещё усложняло ситуацию, Intel попыталась перейти на память Rambus RDRAM (единственный стандарт памяти в то время, который удовлетворял требованиям FSB CPU), но успеха не добилась. Очень дорогой и горячий, Pentium 4 всё равно смог, после многих модификаций и доработок, выйти на конкурентоспособный уровень через несколько лет (в немалой степени благодаря добавлению кэша L3 и таких технологий, как Hyper-Threading).

У Pentium 4 вышли мобильные версии (с изменяемым множителем), версии Celeron (с меньшим кэшем L2) и версии Xeon (с кэшем L3). Hyper-Threading и кэш L3 стали двумя технологиями, которые сначала появились на серверах, а затем были адаптированы для обычных процессоров (хотя кэш L3 был доступен только в дорогой линейке EE).

Нам следует также упомянуть и частоту FSB, эффективная частота которой в четыре раза превосходит номинальную (физическую) благодаря использованию технологии Quad Data Rate (QDR): 400-МГц шина на самом деле работает на частоте 100 МГц, 533-МГц – на 133 МГц и т.д. Наконец, в 2005 году появились 64-битные версии Pentium 4, но мы поговорим о них позже.

Pentium M: ноутбуки стали мощнее

Нажмите на картинку для увеличения.

В 2003 году рынок ноутбуков стал расти огромными темпами, но Intel могла предложить только два процессора: стареющий Pentium III Tualatin и Pentium 4, чьё энергопотребление делало его малопригодным для мобильной сферы. Но спасение пришло от израильской команды разработчиков: Banias (или Pentium M). Этот процессор, основанный на архитектуре P6 (та же самая, что и в Pentium Pro), обеспечивал высокую производительность при низком энергопотреблении. Он даже обгонял Pentium 4, потребляя при этом меньше энергии. Этот процессор был использован в 2003 году для платформы Centrino, и за ним в 2004 году последовала ещё более быстрая модель Dothan. Pentium M прекрасно зарекомендовал себя с мобильном мире, и процессор Stealey (A100) по-прежнему использует архитектуру Dothan (с меньшими частотами и TDP).

Как и в случае Pentium 4, шина FSB работает с эффективной частотой, в четыре раза превышающей физическую (QDR). Сокет процессора Socket 479 использует 478 ножек, но они были расположены по-другому, чтобы отличаться от Pentium 4 Socket 478 (хотя существуют переходники).

Pentium 4 получает 64 бита и ещё одно ядро

Нажмите на картинку для увеличения.

В 2005 году Intel дважды улучшила Pentium 4. Сначала появился Prescott-2M, а затем Smithfield. Первый стал 64-битным процессором на основе дизайна Prescott, а последний – первым процессором с двумя ядрами. По сути они очень похожи и обладают схожими проблемами с другими CPU Pentium 4: низким числом исполняемых инструкций за такт (IPC) и сложностью повышения тактовых частот из-за высокого тепловыделения. Два этих процессора, призванных как-то компенсировать нелёгкое положение компании на рынке в ожидании Core 2 Duo, хвалили редко. И хотя процессор Pentium D (коммерческое название для Smithfield) действительно обладал двумя ядрами, они представляли собой два кристалла Prescott в одной упаковке.

Интересно отметить, что хотя процессоры Pentium 4, предназначенные для массового рынка, не поддерживали технологию PAE (которая обеспечивает 36-битную работу с памятью против 32-битной) и были ограничены 4 Гбайт ОЗУ, эти модели могли превышать этот порог. На практике шина адреса всё равно была ограничена 36 битами (40 битами у Xeon), но технология PAE (управления 4-Гбайт страницами) осталась в прошлом – 64-битные программы могут использовать всю доступную память.

Hyper-Threading, технология виртуальной многопроцессорности Intel (SMT), тоже была доступна на некоторых моделях (Xeon и Extreme Edition). Наконец, позднее появилась 65-нм линейка (модельный ряд 9×0) Pentium 4, но она не содержала каких-либо важных улучшений.

Первый мобильный двуядерный процессор

Нажмите на картинку для увеличения.

В 2006 году Intel объявила процессор Core Duo. Этот первый двуядерный процессор для ноутбуков обеспечивал великолепную производительность – намного лучшую, чем у Pentium 4. Он также оказался первым “настоящим” двуядерным процессором x86. Кэш, например, был общий (в то время как Pentium D был больше похож на сборку двух кристаллов в одной упаковке). Процессор стал частью новой платформы Centrino Duo и оказался весьма успешен. Единственный недостаток – он оставался 32-битным процессором, подобно Pentium 4.

Была доступна и версия Core Solo с одним ядром, а также и варианты со сниженным энергопотреблением, которые использовали 533-МГц шину QDR (133 МГц) против 667-МГц. Этот процессор стал использоваться и в серверах (кодовое название Sossaman), что было впервые для процессора, разрабатывавшегося для мобильной сферы. Обратите внимание, что процессор на самом деле не использует архитектуру Core, которая была введена вместе с Core 2 Duo, и он был быстро заменён в ноутбуках вариантом Core 2 Duo (Merom). Кроме того, Socket 479 у Yonah отличается от гнезда Socket 479 других процессоров Pentium M.

Современный лидер: Core 2 Duo

Нажмите на картинку для увеличения.

В 2006 году Intel представила процессор, который быстро стал хитом продаж: Core 2 Duo. При его разработке был в немалой степени почерпнут опыт Pentium M, но процессор использует новую архитектуру Core. До него Intel выпускала две линейки процессоров: Pentium 4 для настольных ПК, Pentium M для ноутбуков и обе линейки для серверов. Но теперь, напротив, у Intel есть единая микроархитектура для всех линеек. 64-битный Core 2 Duo представлен на всех сегментах, от нижнего до верхнего, для настольных ПК, ноутбуков и серверов.

Существует много версий архитектуры, что привело к конфигурациям с разным числом ядер (от одного до четырёх, то есть от Solo до Quad), кэш-памяти (от 512 кбайт до 12 Мбайт) и частотой FSB (от 400 до 1600 МГц QDR). На иллюстрации показана оригинальна модель Core 2 Duo, но существуют и более скоростные версии (45 нм).

Мобильные версии (Merom), по сути, идентичные (но не такие быстрые, с менее скоростной FSB), а варианты Extreme Edition более скоростные. Core 2 Duo существует и в четырёхъядерном варианте, где используются два двуядерных кристалла Conroe в одной упаковке. У 45-нм версии Core 2 Duo (Penryn) объём кэша больше, а тепла выделяется меньше, но основа осталась такой же, как у первой модели.

Будущее: Nehalem, Atom и т.д.

Нажмите на картинку для увеличения.

Как вы могли догадаться, это только первая статья в серии. За ней последует вторая статья, посвящённая процессорам AMD (включая часть по поводу видеокарт AMD ATI). Но история процессоров Intel x86 не заканчивается на Core 2 Duo, в будущем нас ждут новые модели. Nehalem и Atom тоже являются процессорами x86. И что-то нам подсказывает, что грядущий выход Intel на графический рынок под названием Larrabee тоже построен на нескольких ядрах x86.