تاریخ ریزپردازنده

اولین استفاده از اصطلاح «ریزپردازنده» به شرکت Viatron Computer Systems نسبت داده می‌شود که مدار مجتمع سفارشی مورد استفاده در سیستم رایانه‌ای کوچک System 21 خود را که در سال ۱۹۶۸ معرفی شد، توصیف می‌کرد.

در سال ۱۹۶۸، شرکت Garrett AiResearch (که طراحانی چون ری هولت و استیو گلر را در استخدام داشت) دعوت شد تا یک رایانه دیجیتال برای رقابت با سیستم‌های الکترومکانیکی که در آن زمان برای رایانه اصلی کنترل پرواز در جنگنده جدید F-14 Tomcat نیروی دریایی ایالات متحده در حال توسعه بودند، تولید کند.

U.S. Navy F-14D Tomcat

ادامه در داستان‌گو

در سال ۱۹۶۹، شرکت CTC با دو شرکت اینتل و تگزاس اینسترومنتس قرارداد بست تا یک پیاده‌سازی تک‌تراشه‌ای به نام CTC 1201 بسازند.

در سال ۱۹۶۹، لی بویسل بر اساس واحدهای منطق حسابی ۸ بیتی (۳۸۰۰/۳۸۰۴) که پیش‌تر در فیرچایلد طراحی کرده بود، AL-1 شرکت Four-Phase Systems را ایجاد کرد؛ یک قطعه CPU ۸ بیتی که تا ۳۲ بیت قابل گسترش بود.

پروژه‌ای که منجر به تولید 4004 شد در سال 1969 آغاز گردید، زمانی که شرکت ژاپنی تولیدکننده ماشین‌حساب، Busicom، از اینتل خواست تا یک چیپ‌ست برای ماشین‌حساب‌های رومیزی با کارایی بالا بسازد.

در سال 1970، با توجه به اینکه اینتل هنوز قطعه مورد نظر را تحویل نداده بود، CTC تصمیم گرفت از پیاده‌سازی اختصاصی خود در Datapoint 2200 استفاده کند و به جای آن از منطق سنتی TTL بهره ببرد (بنابراین اولین ماشینی که «کد 8008» را اجرا کرد، در واقع اصلاً یک ریزپردازنده نبود و یک سال زودتر تحویل داده شد).

Datapoint2200-image

ادامه در داستان‌گو

در سال 1970، استیو گلر و ری هولت از شرکت Garrett AiResearch، چیپ‌ست MP944 را برای پیاده‌سازی کامپیوتر مرکزی داده‌های هوایی F-14A بر روی شش تراشه گیت فلزی که توسط AMI ساخته شده بود، طراحی کردند.

طراحی CADC (کامپیوتر مرکزی داده‌های هوایی) تا سال 1970 تکمیل شد و از یک چیپ‌ست مبتنی بر MOS به عنوان CPU اصلی استفاده کرد. این طراحی به طور قابل توجهی (تقریباً 20 برابر) کوچکتر و بسیار قابل‌اعتمادتر از سیستم‌های مکانیکی بود که با آن‌ها رقابت می‌کرد و در تمام مدل‌های اولیه تام‌کت استفاده شد. این سیستم شامل «یک ریزپردازنده چندگانه موازی، خط‌لوله‌ای و 20 بیتی» بود.

در کنار اینتل (که پردازنده 8008 را توسعه داد)، تگزاس اینسترومنتس در سال‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۷۱ یک جایگزین CPU تک‌تراشه برای پایانه Datapoint 2200 با نام TMX 1795 (که بعداً به TMC 1795 تغییر نام یافت) توسعه داد. مانند 8008، این تراشه نیز توسط مشتری یعنی Datapoint رد شد. به گفته گری بون، TMX 1795 هرگز به مرحله تولید نرسید. از آنجایی که این تراشه طبق همان مشخصات ساخته شده بود، مجموعه دستورات آن بسیار شبیه به اینتل 8008 بود.

Datapoint2200-image

ادامه در داستان‌گو

در اواخر سال ۱۹۷۰ یا اوایل ۱۹۷۱، شرکت TI (تگزاس اینسترومنتس) به دلیل ناتوانی در ساخت یک قطعه قابل اعتماد، از پروژه کنار کشید.

TI signboard Dallas

ادامه در داستان‌گو

در آوریل ۱۹۷۰، اینتل مهندس ایتالیایی فدریکو فاجین را به عنوان مدیر پروژه اینتل 4004 استخدام کرد؛ اقدامی که در نهایت طراحی نهایی CPU تک‌تراشه را به واقعیت تبدیل کرد (در همین حال، شیما میان‌افزار ماشین‌حساب Busicom را طراحی کرد و در شش ماه اول پیاده‌سازی به فاجین کمک کرد).

Federico Faggin

ادامه در داستان‌گو

در سال ۱۹۷۱، پیکو الکترونیکس و جنرال اینسترومنت (GI) اولین همکاری خود را در زمینه مدارهای مجتمع معرفی کردند که یک IC ماشین‌حساب تک‌تراشه کامل برای ماشین‌حساب Monroe/Litton Royal Digital III بود. این تراشه همچنین می‌تواند ادعا کند که یکی از اولین ریزپردازنده‌ها یا میکروکنترلرهایی است که دارای ROM، RAM و مجموعه دستورات RISC روی تراشه بوده است. طرح‌بندی چهار لایه فرآیند PMOS با دست و در مقیاس ۵۰۰ برابر روی فیلم مایلار ترسیم شد که با توجه به پیچیدگی تراشه در آن زمان، کار قابل توجهی بود.

Pico Electronics chip

ادامه در داستان‌گو

نسخه اینتل از ریزپردازنده 1201 در اواخر سال 1971 از راه رسید، اما بسیار دیر و کند بود و به تعدادی تراشه پشتیبان اضافی نیاز داشت. شرکت CTC هیچ علاقه‌ای به استفاده از آن نداشت.

واحدهای تولیدی 4004 برای اولین بار در مارس 1971 به Busicom تحویل داده شدند و در اواخر سال 1971 برای سایر مشتریان ارسال گردیدند.

تراشه TMS1802NC در 17 سپتامبر 1971 معرفی شد و یک ماشین‌حساب چهار عملیاتی را پیاده‌سازی کرد. TMS1802NC، علی‌رغم نام‌گذاری‌اش، بخشی از سری TMS 1000 نبود؛ بلکه بعداً به عنوان بخشی از سری TMS 0100 بازتعریف شد که در ماشین‌حساب TI Datamath استفاده می‌شد. اگرچه TMS1802NC به عنوان یک ماشین‌حساب روی تراشه به بازار عرضه شد، اما کاملاً قابل برنامه‌ریزی بود و شامل یک CPU با کلمه دستورالعمل 11 بیتی، 3520 بیت (320 دستورالعمل) حافظه ROM و 182 بیت حافظه RAM روی تراشه بود.

اینتل 4004 عموماً به عنوان اولین ریزپردازنده تجاری موجود شناخته می‌شود و قیمت آن 60 دلار آمریکا (معادل 371.19 دلار در سال 2018) بود. اولین تبلیغ شناخته‌شده برای 4004 مربوط به 15 نوامبر 1971 است که در Electronic News منتشر شد. این ریزپردازنده توسط تیمی متشکل از مهندس ایتالیایی فدریکو فاجین، مهندسان آمریکایی مارسیان هاف و استنلی مازور، و مهندس ژاپنی ماساتوشی شیما طراحی شده است.

Intel C4004 Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

اینتل ۴۰۰۴ در سال ۱۹۷۲ با اینتل ۸۰۰۸، اولین ریزپردازنده ۸ بیتی جهان، دنبال شد. با این حال، ۸۰۰۸ توسعه‌ای از طراحی ۴۰۰۴ نبود، بلکه نتیجه یک پروژه طراحی جداگانه در اینتل بود که از قراردادی با شرکت Computer Terminals Corporation در سن آنتونیو تگزاس برای ساخت تراشه‌ای برای پایانه‌ای که آن‌ها در حال طراحی آن بودند، یعنی Datapoint 2200، ناشی می‌شد—جنبه‌های بنیادی این طراحی نه از اینتل، بلکه از CTC نشأت می‌گرفت.

Intel C8008 Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

اولین ریزپردازنده ۱۶ بیتی چندتراشه‌ای، National Semiconductor IMP-16 بود که در اوایل سال ۱۹۷۳ معرفی شد. نسخه ۸ بیتی این چیپ‌ست در سال ۱۹۷۴ با نام IMP-8 معرفی گردید.

پردازنده ۸۰۰۸ پیش‌درآمدی بر اینتل ۸۰۸۰ موفق (۱۹۷۴) بود که عملکرد بهتری نسبت به ۸۰۰۸ ارائه می‌داد و به تراشه‌های پشتیبان کمتری نیاز داشت. فدریکو فاجین آن را با استفاده از فناوری MOS کانال N ولتاژ بالا طراحی و ابداع کرد.

Intel i8080 Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

موتورولا در اوت ۱۹۷۴ مدل رقیب ۶۸۰۰ را عرضه کرد و ماس تکنولوژی ۶۵۰۲ مشابه آن در سال ۱۹۷۵ معرفی شد (هر دو عمدتاً توسط افراد یکسانی طراحی شده بودند). خانواده ۶۵۰۲ در طول دهه ۱۹۸۰ از نظر محبوبیت با Z80 رقابت می‌کرد.

MOS 6502AD-image

ادامه در داستان‌گو

در سال ۱۹۷۵، نشنال سمی‌کنداکتور اولین ریزپردازنده ۱۶ بیتی تک‌تراشه‌ای یعنی National Semiconductor PACE را معرفی کرد که بعداً با یک نسخه NMOS به نام INS8900 دنبال شد.

خانواده اینترسیل ۶۱۰۰ شامل یک ریزپردازنده ۱۲ بیتی (۶۱۰۰) و مجموعه‌ای از آی‌سی‌های پشتیبان جانبی و حافظه بود. این ریزپردازنده مجموعه دستورالعمل‌های مینی‌کامپیوتر DEC PDP-8 را تشخیص می‌داد. به همین دلیل، گاهی اوقات به آن CMOS-PDP8 گفته می‌شد. از آنجایی که توسط شرکت هریس نیز تولید می‌شد، با نام Harris HM-6100 نیز شناخته می‌شد. به دلیل فناوری CMOS و مزایای مرتبط با آن، ۶۱۰۰ تا اوایل دهه ۱۹۸۰ در برخی طراحی‌های نظامی گنجانده می‌شد.

Intersil IM6100CCDL Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

یک ریزپردازنده تأثیرگذار در دنیای سفرهای فضایی، RCA 1802 (معروف به CDP1802، RCA COSMAC) بود (معرفی شده در ۱۹۷۶) که در کاوشگر گالیله به مقصد مشتری (پرتاب ۱۹۸۹، رسیدن ۱۹۹۵) استفاده شد.

CPU RCA CDP1802

ادامه در داستان‌گو

زیلاگ زد۸۰ (۱۹۷۶) نیز طراحی فاجین بود که از کانال N ولتاژ پایین با بار تخلیه و پردازنده‌های ۸ بیتی مشتق‌شده اینتل استفاده می‌کرد: همه با روش‌شناسی که فاجین برای ۴۰۰۴ ایجاد کرده بود، طراحی شدند.

Zilog Z80 Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

موتورولا MC6809 را در سال ۱۹۷۸ معرفی کرد. این یک طراحی ۸ بیتی جاه‌طلبانه و سنجیده بود که با ۶۸۰۰ سازگاری منبع داشت و صرفاً با استفاده از منطق سخت‌افزاری پیاده‌سازی شده بود (ریزپردازنده‌های ۱۶ بیتی بعدی معمولاً تا حدی از میکروکد استفاده می‌کردند، زیرا الزامات طراحی CISC برای منطق سخت‌افزاری خالص بیش از حد پیچیده می‌شد).

اینتل طراحی ۸۰۸۰ خود را به اینتل ۸۰۸۶ ۱۶ بیتی «ارتقا داد» که اولین عضو خانواده x86 بود و اکثر کامپیوترهای مدرن امروزی را قدرت می‌بخشد. اینتل ۸۰۸۶ را به عنوان راهی مقرون‌به‌صرفه برای انتقال نرم‌افزار از خطوط ۸۰۸۰ معرفی کرد و با همین فرض موفق به کسب تجارت زیادی شد.

A processor Intel C8086, 5 MHz.

ادامه در داستان‌گو

مهم‌ترین طراحی ۳۲ بیتی، موتورولا MC68000 است که در سال ۱۹۷۹ معرفی شد. ۶۸k، که به طور گسترده با این نام شناخته می‌شد، دارای ثبات‌های ۳۲ بیتی در مدل برنامه‌نویسی خود بود اما از مسیرهای داده داخلی ۱۶ بیتی، سه واحد منطق حسابی ۱۶ بیتی و یک گذرگاه داده خارجی ۱۶ بیتی (برای کاهش تعداد پین‌ها) استفاده می‌کرد و به صورت خارجی فقط از آدرس‌های ۲۴ بیتی پشتیبانی می‌کرد (به صورت داخلی با آدرس‌های کامل ۳۲ بیتی کار می‌کرد). موتورولا معمولاً آن را به عنوان یک پردازنده ۱۶ بیتی توصیف می‌کرد. ترکیب عملکرد بالا، فضای حافظه بزرگ (۱۶ مگابایت یا ۲۲۴ بایت) و هزینه نسبتاً پایین، آن را به محبوب‌ترین طراحی CPU در کلاس خود تبدیل کرد.

Motorola 68000 Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

اولین ریزپردازنده کاملاً ۳۲ بیتی تک‌تراشه‌ای جهان، با مسیرهای داده ۳۲ بیتی، گذرگاه‌های ۳۲ بیتی و آدرس‌های ۳۲ بیتی، BELLMAC-32A آزمایشگاه‌های بل AT&T بود که اولین نمونه‌های آن در سال ۱۹۸۰ و تولید عمومی آن در سال ۱۹۸۲ عرضه شد. پس از تفکیک AT&T در سال ۱۹۸۴، به WE 32000 (WE مخفف Western Electric) تغییر نام یافت و دو نسل بعدی یعنی WE 32100 و WE 32200 را داشت.

تا اواسط دهه ۱۹۸۰، Sequent اولین کامپیوتر کلاس سرور SMP را با استفاده از NS 32032 معرفی کرد. این یکی از معدود موفقیت‌های این طراحی بود و در اواخر دهه ۱۹۸۰ ناپدید شد.

CPU National Semiconductor NS32032

ادامه در داستان‌گو

اولین ریزپردازنده ۳۲ بیتی اینتل، iAPX 432 بود که در سال ۱۹۸۱ معرفی شد، اما موفقیت تجاری نداشت. این پردازنده دارای معماری شیءگرای پیشرفته مبتنی بر قابلیت بود، اما عملکرد ضعیفی نسبت به معماری‌های معاصر مانند ۸۰۲۸۶ خود اینتل (معرفی شده در ۱۹۸۲) داشت که در تست‌های بنچمارک معمولی تقریباً چهار برابر سریع‌تر بود. با این حال، نتایج iAPX432 تا حدی به دلیل کامپایلر Ada عجولانه و در نتیجه غیراستاندارد بود.

شرکت Western Design Center (WDC) در سال ۱۹۸۲ مدل CMOS WDC 65C02 را معرفی کرد و مجوز طراحی آن را به چندین شرکت داد. این پردازنده به عنوان CPU در کامپیوترهای شخصی Apple IIe و IIc و همچنین در ضربان‌سازها و دفیبریلاتورهای پزشکی قابل کاشت، دستگاه‌های خودرویی، صنعتی و مصرفی استفاده شد.

WDC W65C02S8p-14 Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

اولین ریزپردازنده تجاری، تک‌تراشه‌ای و کاملاً ۳۲ بیتی موجود در بازار، HP FOCUS بود.

موفقیت موتورولا با ۶۸۰۰۰ منجر به تولید MC68010 شد که پشتیبانی از حافظه مجازی را اضافه کرد. MC68020 که در سال ۱۹۸۴ معرفی شد، گذرگاه‌های داده و آدرس کامل ۳۲ بیتی را اضافه کرد. ۶۸۰۲۰ در بازار سوپرکامپیوترهای یونیکس بسیار محبوب شد و بسیاری از شرکت‌های کوچک (مانند Altos، Charles River Data Systems، Cromemco) سیستم‌هایی در اندازه رومیزی تولید کردند.

Motorola XC68020 Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

مرکز طراحی وسترن (WDC) در سال ۱۹۸۴ ارتقای ۱۶ بیتی CMOS 65816 را برای WDC CMOS 65C02 معرفی کرد. ریزپردازنده ۱۶ بیتی ۶۵۸۱۶ هسته اصلی Apple IIgs و بعداً سیستم سرگرمی سوپر نینتندو بود که آن را به یکی از محبوب‌ترین طراحی‌های ۱۶ بیتی تمام دوران تبدیل کرد.

WDC W65C816S 16-bit Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

اولین طراحی ریزپردازنده RISC تجاری در سال ۱۹۸۴ توسط MIPS Computer Systems با مدل ۳۲ بیتی R2000 عرضه شد (R1000 عرضه نشد).

ARM برای اولین بار در سال ۱۹۸۵ ظاهر شد. این یک طراحی پردازنده RISC است که از آن زمان به دلیل بهره‌وری انرژی، مدل صدور مجوز و انتخاب گسترده ابزارهای توسعه سیستم، بر فضای پردازنده‌های سیستم‌های تعبیه شده ۳۲ بیتی تسلط یافته است.

ARM Holdings logo

ادامه در داستان‌گو

در سال ۱۹۸۶، اچ‌پی اولین سیستم خود را با پردازنده PA-RISC عرضه کرد.

HP PA-RISC 7300LC Microprocessor

ادامه در داستان‌گو

در سال ۱۹۸۷، رایانه‌های ۳۲ بیتی Acorn Archimedes که مبتنی بر ARM2 (بدون کش) بودند و از سیستم‌عامل غیر یونیکس استفاده می‌کردند، به اولین موفقیت تجاری با استفاده از معماری ARM تبدیل شدند که در آن زمان با نام Acorn RISC Machine (ARM) شناخته می‌شد؛ اولین سیلیکون ARM1 در سال ۱۹۸۵ تولید شده بود.

از سال ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۳، معماری‌های ۳۲ بیتی x86 به طور فزاینده‌ای در بازارهای دسکتاپ، لپ‌تاپ و سرور غالب شدند و این ریزپردازنده‌ها سریع‌تر و توانمندتر گشتند. اینتل نسخه‌های اولیه این معماری را به شرکت‌های دیگر مجوز داده بود، اما از اعطای مجوز برای پنتیوم خودداری کرد، بنابراین AMD و Cyrix نسخه‌های بعدی این معماری را بر اساس طراحی‌های خود ساختند.

در سال ۱۹۹۷، حدود ۵۵٪ از کل پردازنده‌های فروخته شده در جهان، میکروکنترلرهای ۸ بیتی بودند که بیش از ۲ میلیارد واحد از آن‌ها به فروش رسید.

در سال ۲۰۰۱، IBM اولین پردازنده چند هسته‌ای تجاری، یعنی POWER4 دو هسته‌ای یکپارچه را معرفی کرد.

The logic schema of the POWER4 processor

ادامه در داستان‌گو

در سال ۲۰۰۲، کمتر از ۱۰٪ از کل پردازنده‌های فروخته شده در جهان ۳۲ بیتی یا بیشتر بودند. از تمام پردازنده‌های ۳۲ بیتی فروخته شده، حدود ۲٪ در رایانه‌های شخصی دسکتاپ یا لپ‌تاپ استفاده شدند.

در سال ۲۰۰۳، حدود ۴۴ میلیارد دلار آمریکا (معادل ۵۹.۹۳ میلیارد دلار در سال ۲۰۱۸) ریزپردازنده تولید و فروخته شد.

با معرفی معماری ۶۴ بیتی سازگار با x86 توسط AMD، یعنی x86-64 (که با نام AMD64 نیز شناخته می‌شود) در سپتامبر ۲۰۰۳، و به دنبال آن افزونه‌های ۶۴ بیتی تقریباً کاملاً سازگار اینتل (که ابتدا IA-32e یا EM64T نامیده می‌شد و بعداً به Intel 64 تغییر نام یافت)، عصر دسکتاپ ۶۴ بیتی آغاز شد. هر دو نسخه می‌توانند برنامه‌های قدیمی ۳۲ بیتی را بدون هیچ افت عملکردی و همچنین نرم‌افزارهای جدید ۶۴ بیتی را اجرا کنند.

CPU AMD Opteron 146 Venus

ادامه در داستان‌گو

اولین پردازنده چند هسته‌ای یکپارچه در بازار رایانه‌های شخصی، AMD Athlon X2 بود که چند هفته پس از Pentium D معرفی شد.

AMD CPU Athlon 64 X2 Brisbane Core

ادامه در داستان‌گو

رایانه‌های شخصی تا زمان معرفی Pentium D دو هسته‌ای اینتل در سال ۲۰۰۵، پردازنده چند هسته‌ای دریافت نکردند. با این حال، Pentium D یک پردازنده چند هسته‌ای یکپارچه نبود. این پردازنده از دو دای (die) ساخته شده بود که هر کدام شامل یک هسته بود و روی یک ماژول چند تراشه‌ای بسته‌بندی شده بودند.

Pentium d 820

ادامه در داستان‌گو

حدود ۱۰ میلیارد پردازنده در سال ۲۰۰۸ تولید شد.

در اواخر دهه ۱۹۹۰، تنها دو معماری ۶۴ بیتی RISC همچنان در حجم بالا برای کاربردهای غیر تعبیه شده تولید می‌شدند: SPARC و Power ISA، اما با قدرتمندتر شدن ARM، در اوایل دهه ۲۰۱۰، این معماری به سومین معماری RISC در بخش محاسبات عمومی تبدیل شد.

در سال ۲۰۱۱، ARM یک معماری جدید ۶۴ بیتی ARM را معرفی کرد.