היסטוריה של מיקרו-מעבד

השימוש הראשון במונח "מיקרו-מעבד" מיוחס לחברת Viatron Computer Systems, שתיארה את המעגל המשולב המותאם ששימש במערכת המחשב הקטנה שלהם, System 21, שהוכרזה בשנת 1968.

בשנת 1968, חברת Garrett AiResearch (שהעסיקה את המתכננים ריי הולט וסטיב גלר) הוזמנה לייצר מחשב דיגיטלי שיתחרה במערכות אלקטרו-מכניות שהיו אז בפיתוח עבור מחשב בקרת הטיסה הראשי במטוס הקרב החדש של הצי האמריקאי, ה-F-14 Tomcat.

U.S. Navy F-14D Tomcat

להמשיך בסיפור

בשנת 1969, חברת CTC התקשרה עם שתי חברות, אינטל וטקסס אינסטרומנטס, כדי לייצר מימוש על שבב יחיד, הידוע בשם CTC 1201.

בשנת 1969, לי בויסל, בהתבסס על יחידות הלוגיקה האריתמטית (ALU) של 8 סיביות (3800/3804) שתכנן קודם לכן ב-Fairchild, יצר את ה-AL-1 של חברת Four-Phase Systems Inc., פרוסת מעבד (CPU slice) של 8 סיביות שהייתה ניתנת להרחבה ל-32 סיביות.

הפרויקט שהוביל ל-4004 החל בשנת 1969, כאשר Busicom, יצרנית מחשבונים יפנית, ביקשה מאינטל לבנות ערכת שבבים למחשבונים שולחניים בעלי ביצועים גבוהים.

בשנת 1970, כאשר אינטל טרם סיפקה את הרכיב, בחרה CTC להשתמש במימוש משלה ב-Datapoint 2200, תוך שימוש בלוגיקת TTL מסורתית (לפיכך, המכונה הראשונה שהריצה "קוד 8008" לא הייתה למעשה מיקרו-מעבד כלל, והיא סופקה שנה קודם לכן).

Datapoint2200-image

להמשיך בסיפור

בשנת 1970, סטיב גלר וריי הולט מ-Garrett AiResearch תכננו את ערכת השבבים MP944 כדי להטמיע את מחשב נתוני האוויר המרכזי של ה-F-14A על שישה שבבי שער-מתכת שיוצרו על ידי AMI.

התכנון של ה-CADC (מחשב נתוני האוויר המרכזי) הושלם עד 1970, והשתמש בערכת שבבים מבוססת MOS כמעבד המרכזי. התכנון היה קטן משמעותית (בערך פי 20) ואמין הרבה יותר מהמערכות המכניות מולן התחרה, והוא שימש בכל דגמי ה-Tomcat המוקדמים. מערכת זו הכילה "מיקרו-מעבד רב-ערוצי מקבילי, בעל צינור עיבוד (pipelined) של 20 סיביות".

יחד עם אינטל (שפיתחה את ה-8008), טקסס אינסטרומנטס פיתחה בשנים 1970–1971 תחליף מעבד על שבב יחיד עבור מסוף ה-Datapoint 2200, ה-TMX 1795 (מאוחר יותר TMC 1795). כמו ה-8008, הוא נדחה על ידי הלקוח Datapoint. לדברי גארי בון, ה-TMX 1795 מעולם לא הגיע לייצור. מכיוון שנבנה לפי אותם מפרטים, סט הפקודות שלו היה דומה מאוד לזה של אינטל 8008.

Datapoint2200-image

להמשיך בסיפור

בסוף 1970 או תחילת 1971, TI (טקסס אינסטרומנטס) פרשה לאחר שלא הצליחה לייצר רכיב אמין.

TI signboard Dallas

להמשיך בסיפור

באפריל 1970, אינטל שכרה את המהנדס האיטלקי פדריקו פאג'ין כמוביל פרויקט אינטל 4004, מהלך שהפך בסופו של דבר את התכנון הסופי של המעבד על שבב יחיד למציאות (שימה בינתיים תכנן את הקושחה של מחשבון Busicom וסייע לפאג'ין במהלך ששת החודשים הראשונים של המימוש).

Federico Faggin

להמשיך בסיפור

בשנת 1971, Pico Electronics ו-General Instrument (GI) הציגו את שיתוף הפעולה הראשון שלהן במעגלים משולבים, מעגל משולב שלם למחשבון על שבב יחיד עבור מחשבון Monroe/Litton Royal Digital III. ניתן לטעון ששבב זה היה אחד המיקרו-מעבדים או המיקרו-בקרים הראשונים שכללו ROM, RAM וסט פקודות RISC על השבב. הפריסה של ארבע שכבות תהליך ה-PMOS צוירה ביד בקנה מידה של x500 על סרט מיילר, משימה משמעותית באותה תקופה בהתחשב במורכבות השבב.

Pico Electronics chip

להמשיך בסיפור

הגרסה של אינטל למיקרו-מעבד 1201 הגיעה בסוף 1971, אך הייתה מאוחרת מדי, איטית, ודרשה מספר שבבי תמיכה נוספים. ל-CTC לא היה עניין להשתמש בה.

יחידות הייצור של ה-4004 סופקו לראשונה ל-Busicom במרץ 1971 ונשלחו ללקוחות אחרים בסוף 1971.

ה-TMS1802NC הוכרז ב-17 בספטמבר 1971 ומימש מחשבון בעל ארבע פעולות. ה-TMS1802NC, למרות ייעודו, לא היה חלק מסדרת TMS 1000; הוא סווג מחדש מאוחר יותר כחלק מסדרת TMS 0100, ששימשה במחשבון TI Datamath. למרות ששווק כמחשבון-על-שבב, ה-TMS1802NC היה ניתן לתכנות מלא, וכלל על השבב מעבד עם מילת פקודה של 11 סיביות, 3520 סיביות (320 פקודות) של ROM ו-182 סיביות של RAM.

אינטל 4004 נחשב בדרך כלל למיקרו-מעבד המסחרי הראשון הזמין, ומחירו היה 60 דולר ארה"ב (שווה ערך ל-371.19 דולר ב-2018). הפרסומת הידועה הראשונה עבור ה-4004 מתוארכת ל-15 בנובמבר 1971 והופיעה ב-Electronic News. המיקרו-מעבד תוכנן על ידי צוות שכלל את המהנדס האיטלקי פדריקו פאג'ין, המהנדסים האמריקאים מרסיאן הוף וסטנלי מאזור, והמהנדס היפני מסטושי שימה.

Intel C4004 Microprocessor

להמשיך בסיפור

בעקבות אינטל 4004 הגיע בשנת 1972 אינטל 8008, המיקרו-מעבד הראשון בעולם של 8 סיביות. ה-8008 לא היה, עם זאת, הרחבה של תכנון ה-4004, אלא שיאו של פרויקט תכנון נפרד באינטל, שנבע מחוזה עם Computer Terminals Corporation, מסן אנטוניו טקסס, עבור שבב למסוף שהם תכננו, ה-Datapoint 2200 — היבטים בסיסיים של התכנון לא הגיעו מאינטל אלא מ-CTC.

Intel C8008 Microprocessor

להמשיך בסיפור

המיקרו-מעבד הראשון בעל 16 סיביות מרובה-שבבים היה ה-IMP-16 של National Semiconductor, שהוצג בתחילת 1973. גרסת 8 סיביות של ערכת השבבים הוצגה ב-1974 כ-IMP-8.

ה-8008 היה המבשר של ה-Intel 8080 המוצלח (1974), שהציע ביצועים משופרים לעומת ה-8008 ודרש פחות שבבי תמיכה. פדריקו פאג'ין הגה ותכנן אותו תוך שימוש ב-N-channel MOS במתח גבוה.

Intel i8080 Microprocessor

להמשיך בסיפור

מוטורולה הוציאה את ה-6800 המתחרה באוגוסט 1974, ואת ה-MOS Technology 6502 הדומה ב-1975 (שניהם תוכננו במידה רבה על ידי אותם אנשים). משפחת ה-6502 התחרתה ב-Z80 בפופולריות שלה במהלך שנות ה-80.

MOS 6502AD-image

להמשיך בסיפור

בשנת 1975, National Semiconductor הציגה את המיקרו-מעבד הראשון בעל 16 סיביות על שבב יחיד, ה-National Semiconductor PACE, שאחריו הגיעה גרסת NMOS, ה-INS8900.

משפחת ה-Intersil 6100 כללה מיקרו-מעבד 12 סיביות (ה-6100) ומגוון של רכיבי תמיכה היקפיים וזיכרון. המיקרו-מעבד זיהה את סט הפקודות של המיני-מחשב DEC PDP-8. ככזה, הוא כונה לעיתים CMOS-PDP8. מכיוון שהוא יוצר גם על ידי תאגיד האריס, הוא היה ידוע גם בשם Harris HM-6100. בזכות טכנולוגיית ה-CMOS והיתרונות הנלווים שלה, ה-6100 שולב בכמה תכנונים צבאיים עד תחילת שנות ה-80.

Intersil IM6100CCDL Microprocessor

להמשיך בסיפור

מיקרו-מעבד משמעותי בעולם הטיסות לחלל היה ה-RCA 1802 של RCA (הידוע גם כ-CDP1802, RCA COSMAC) (שהוצג ב-1976), ששימש על סיפון הגשושית גלילאו לצדק (שוגרה ב-1989, הגיעה ב-1995).

CPU RCA CDP1802

להמשיך בסיפור

ה-Zilog Z80 (1976) היה גם הוא תכנון של פאג'ין, תוך שימוש ב-N-channel במתח נמוך עם עומס דלדול ומעבדי אינטל 8-סיביות נגזרים: כולם תוכננו עם המתודולוגיה שפאג'ין יצר עבור ה-4004.

Zilog Z80 Microprocessor

להמשיך בסיפור

מוטורולה הציגה את ה-MC6809 ב-1978. זה היה תכנון 8-סיביות שאפתני ומחושב היטב שהיה תואם מקור ל-6800, ויושם באמצעות לוגיקה קשיחה בלבד (מיקרו-מעבדים מאוחרים יותר של 16 סיביות השתמשו בדרך כלל במיקרו-קוד במידה מסוימת, שכן דרישות התכנון של CISC הפכו למורכבות מדי עבור לוגיקה קשיחה טהורה).

אינטל "הגדילה" את תכנון ה-8080 שלה ל-Intel 8086 בעל 16 הסיביות, החבר הראשון במשפחת x86, המניע את רוב מחשבי ה-PC המודרניים. אינטל הציגה את ה-8086 כדרך חסכונית להעברת תוכנה מקווי ה-8080, והצליחה לזכות בעסקים רבים על בסיס הנחה זו.

A processor Intel C8086, 5 MHz.

להמשיך בסיפור

המשמעותי ביותר מבין תכנוני ה-32 סיביות הוא ה-Motorola MC68000, שהוצג ב-1979. ל-68k, כפי שהוא היה ידוע באופן נרחב, היו אוגרי 32 סיביות במודל התכנות שלו אך הוא השתמש בנתיבי נתונים פנימיים של 16 סיביות, שלוש יחידות לוגיות אריתמטיות של 16 סיביות, ואפיק נתונים חיצוני של 16 סיביות (כדי להפחית את מספר הפינים), ותמך חיצונית בכתובות של 24 סיביות בלבד (פנימית הוא עבד עם כתובות מלאות של 32 סיביות). מוטורולה תיארה אותו בדרך כלל כמעבד 16 סיביות. השילוב של ביצועים גבוהים, מרחב זיכרון גדול (16 מגה-בייט או 224 בתים) ועלות נמוכה למדי הפך אותו לתכנון ה-CPU הפופולרי ביותר במחלקה שלו.

Motorola 68000 Microprocessor

להמשיך בסיפור

המיקרו-מעבד הראשון בעולם בעל 32 סיביות מלאות על שבב יחיד, עם נתיבי נתונים של 32 סיביות, אפיקים של 32 סיביות וכתובות של 32 סיביות, היה ה-BELLMAC-32A של AT&T Bell Labs, עם דגימות ראשונות ב-1980, וייצור כללי ב-1982. לאחר הפיצול של AT&T ב-1984, הוא שונה לשם WE 32000 (WE עבור Western Electric), והיו לו שני דורות המשך, ה-WE 32100 וה-WE 32200.

באמצע שנות ה-80, Sequent הציגה את מחשב ה-SMP הראשון ברמת שרת המשתמש ב-NS 32032. זה היה אחד הניצחונות הבודדים של התכנון, והוא נעלם בסוף שנות ה-80.

CPU National Semiconductor NS32032

להמשיך בסיפור

המיקרו-מעבד הראשון של אינטל בעל 32 סיביות היה ה-iAPX 432, שהוצג ב-1981, אך לא זכה להצלחה מסחרית. הייתה לו ארכיטקטורה מתקדמת מונחית עצמים מבוססת יכולות, אך ביצועים ירודים בהשוואה לארכיטקטורות עכשוויות כגון ה-80286 של אינטל עצמה (שהוצג ב-1982), שהיה מהיר כמעט פי ארבעה במבחני ביצועים טיפוסיים. עם זאת, התוצאות עבור ה-iAPX432 נבעו בחלקן ממהדר Ada מזורז ולכן לא אופטימלי.

ה-Western Design Center, Inc (WDC) הציגה את ה-CMOS WDC 65C02 ב-1982 ונתנה רישיון לתכנון למספר חברות. הוא שימש כ-CPU במחשבים האישיים Apple IIe ו-IIc וכן בקוצבי לב ודפיברילטורים רפואיים מושתלים, ובמכשירים לרכב, תעשייתיים וצרכניים.

WDC W65C02S8p-14 Microprocessor

להמשיך בסיפור

המיקרו-מעבד המסחרי הראשון, על שבב יחיד, בעל 32 סיביות מלאות שהיה זמין בשוק היה ה-HP FOCUS.

ההצלחה של מוטורולה עם ה-68000 הובילה ל-MC68010, שהוסיף תמיכה בזיכרון וירטואלי. ה-MC68020, שהוצג ב-1984, הוסיף אפיקי נתונים וכתובות מלאים של 32 סיביות. ה-68020 הפך לפופולרי מאוד בשוק ה-Unix supermicrocomputer, וחברות קטנות רבות (למשל, Altos, Charles River Data Systems, Cromemco) ייצרו מערכות בגודל שולחני.

Motorola XC68020 Microprocessor

להמשיך בסיפור

ה-Western Design Center (WDC) הציגה את שדרוג ה-16 סיביות CMOS 65816 של ה-WDC CMOS 65C02 ב-1984. המיקרו-מעבד 65816 בעל 16 הסיביות היה הליבה של ה-Apple IIgs ומאוחר יותר של ה-Super Nintendo Entertainment System, מה שהפך אותו לאחד מתכנוני ה-16 סיביות הפופולריים ביותר בכל הזמנים.

WDC W65C816S 16-bit Microprocessor

להמשיך בסיפור

תכנון המיקרו-מעבד RISC המסחרי הראשון שוחרר ב-1984, על ידי MIPS Computer Systems, ה-R2000 בעל 32 הסיביות (ה-R1000 לא שוחרר).

ה-ARM הופיע לראשונה ב-1985. זהו תכנון מעבד RISC, שמאז הגיע לשלוט במרחב מעבדי המערכות המשובצות בעלות 32 סיביות, במידה רבה בשל יעילות צריכת החשמל שלו, מודל הרישוי שלו והמבחר הרחב של כלי פיתוח מערכות שלו.

ARM Holdings logo

להמשיך בסיפור

בשנת 1986, HP שחררה את המערכת הראשונה שלה עם מעבד PA-RISC.

HP PA-RISC 7300LC Microprocessor

להמשיך בסיפור

בשנת 1987, מחשבי ה-Acorn Archimedes מבוססי ה-ARM2 בעלי ה-32 סיביות (ללא מטמון אז) שאינם מבוססי Unix, הפכו להצלחה המסחרית הראשונה שהשתמשה בארכיטקטורת ARM, שנודעה אז בשם Acorn RISC Machine (ARM); הסיליקון הראשון של ARM1 יוצר ב-1985.

בין השנים 1993 ל-2003, ארכיטקטורות ה-x86 בעלות 32 סיביות הפכו לדומיננטיות יותר ויותר בשווקי המחשבים השולחניים, הניידים והשרתים, ומעבדים אלו הפכו למהירים ובעלי יכולות רבות יותר. אינטל העניקה רישיונות לגרסאות מוקדמות של הארכיטקטורה לחברות אחרות, אך סירבה להעניק רישיון ל-Pentium, ולכן AMD ו-Cyrix בנו גרסאות מאוחרות יותר של הארכיטקטורה על בסיס תכנונים משלהן.

בשנת 1997, כ-55% מכלל המעבדים שנמכרו בעולם היו מיקרו-בקרים של 8 סיביות, מתוכם נמכרו מעל 2 מיליארד יחידות.

בשנת 2001, IBM הציגה את המעבד מרובה הליבות המסחרי הראשון, ה-POWER4 המונוליטי בעל שתי הליבות.

The logic schema of the POWER4 processor

להמשיך בסיפור

בשנת 2002, פחות מ-10% מכלל המעבדים שנמכרו בעולם היו בעלי 32 סיביות ומעלה. מכלל מעבדי ה-32 סיביות שנמכרו, כ-2% שימשו במחשבים אישיים שולחניים או ניידים.

בשנת 2003, יוצרו ונמכרו מעבדים בשווי של כ-44 מיליארד דולר ארה"ב (שווה ערך ל-59.93 מיליארד דולר ב-2018).

עם הצגתה של AMD של ארכיטקטורת 64 סיביות התואמת לאחור ל-x86, ה-x86-64 (הנקראת גם AMD64), בספטמבר 2003, ולאחריה הרחבות ה-64 סיביות הכמעט תואמות לחלוטין של אינטל (שנקראו בתחילה IA-32e או EM64T, ובהמשך שונו ל-Intel 64), החל עידן ה-64 סיביות במחשבים שולחניים. שתי הגרסאות יכולות להריץ יישומי 32 סיביות ישנים ללא פגיעה בביצועים, וכן תוכנות 64 סיביות חדשות.

CPU AMD Opteron 146 Venus

להמשיך בסיפור

המעבד המונוליטי מרובה הליבות הראשון בשוק המחשבים האישיים היה ה-AMD Athlon X2, שהוצג מספר שבועות לאחר ה-Pentium D.

AMD CPU Athlon 64 X2 Brisbane Core

להמשיך בסיפור

מחשבים אישיים לא קיבלו מעבדים מרובי ליבות עד להצגת ה-Intel Pentium D בעל שתי הליבות בשנת 2005. ה-Pentium D, לעומת זאת, לא היה מעבד מונוליטי מרובה ליבות. הוא נבנה משני שבבים (dies), שכל אחד מהם הכיל ליבה, וארוזים במודול רב-שבבי.

Pentium d 820

להמשיך בסיפור

כ-10 מיליארד מעבדים יוצרו בשנת 2008.

בסוף שנות ה-90, רק שתי ארכיטקטורות RISC של 64 סיביות עדיין יוצרו בכמויות עבור יישומים שאינם מוטמעים: SPARC ו-Power ISA, אך ככל ש-ARM הפכה לחזקה יותר, בתחילת שנות ה-2010, היא הפכה לארכיטקטורת ה-RISC השלישית במגזר המחשוב הכללי.

בשנת 2011, ARM הציגה ארכיטקטורת ARM חדשה של 64 סיביות.