7. Эволюция микроархитектуры Intel x86

Первый однокристальный четырехбитный микропроцессор 4004 фирма Intel разработала в 1971 году с целью использования в качестве универсального контроллера для калькуляторов. Он содержал 2300 транзисторов на кристалле кремния площадью 12 мм², был изготовлен по 10 мкм технологии и работал с тактовой частотой 750 кГц. Успех процессора 4004 вдохновил Intel на создание 8-битного микропроцессора 8008, а затем и 8080, который, в свою очередь, превратился в 16-битные процессоры 8086 (1978 год) и 80286 (1982 год). В 1985 году Intel представила процессор 80386, который расширил архитектуру 8086 и превратил ее в 32-битную, ознаменовав появление архитектуры Intel X86.

В таблице 3.5 показана эволюция микропроцессоров Intel X86. За 40 лет после создания 4004, линейные размеры транзисторов уменьшились в 160 раз, число транзисторов на кристалле увеличилось на пять порядков, а рабочая частота выросла почти на четыре порядка. Ни в одной другой области техники никогда не было такого удивительного прогресса в столь короткий промежуток времени.

Таблица 3.5Процессор

Процессор	Год	Технология (мкм)	Число транз-ов (млн)	Частота (Мгц)	Микроархитектура
80386	1985	1.5–1.0	0,275	16–25	Многотактная
80486	1989	1.0–0.6	1,2	25–100	Конвейерная
Pentium	1993	0.8–0.35	3,2–4,5	60–300	Суперскалярная
Pentium II	1997	0.35–0.25	7,5	233–450	Внеочередная версия
Pentium III	1999	0.25–0.18	9,5–28	450–1400	Внеочередная версия
Pentium 4	2001	0.18–0.09	42–178	1400–3730	Внеочередная версия
Pentium М	2003	0.13–0.09	77–140	900–2130	Внеочередная версия
Core Duo	2005	0.065	152	1500–2160	Двухядерная
Core 2 Duo	2006	0.065–0.045	167–410	1800–3300	Двухядерная
Core i3-i7	2009	0.045–0.032	382–731	2530–3460	Многоядерная

Intel 80386 был многотактный процессор. Программируемая логическая матрица (ПЛА), содержащая микрокод, использовалась устройством управления для того, чтобы определить порядок перехода между состояниями управляющего автомата. Блок управления памятью управлял доступом к внешней памяти.

У процессора Intel 80486 производительность значительно улучшилась благодаря использованию конвейерной обработки. По-прежнему выделяются тракт данных, устройство управления и ПЛА с микрокодом.

Процессор Pentium использовал суперскалярную архитектуру и мог запускать на выполнение две команды одновременно. Pentium использовал раздельные кэши команд и данных. Он также использовал предсказание переходов для уменьшения потерь производительности из-за команд условного перехода.

Процессоры Pentium Pro, Pentium II и Pentium III имели общую микроархитектуру под кодовым названием P6, обеспечивавшую внеочередное выполнение команд. Сложные команды IntelX86 разбивались на одну или несколько микроопераций (МОп), похожих на команды MIPS. Затем эти МОп выполнялись на быстром вычислительном ядре с 11-стадийным конвейером, обеспечивавшем внеочередное выполнение команд.

В Pentium III 32-битный тракт данных назван целочисленным функциональным блоком (ФБ). Тракт данных для операций над числами с плавающей запятой (ПЗ) назван блоком вычислений с ПЗ. В процессоре также имеется ФБ SIMD для пакетной арифметики с целыми числами и числами с ПЗ. Площадь кристалла для организации внеочередного запуска команд на выполнение, оказалась больше, чем площадь для самого выполнения команд. Кэши команд и данных были увеличены до 16 Кб каждый и на кристалл также была добавлена более большая, но и более медленная кэш-память второго уровня размером 256 Кб.

Процессор Pentium 4 был очередным процессором с внеочередным выполнением команд, но с конвейером очень большой длины (сначала конвейер имел 20 стадий, а в поздних версиях – 31 стадию), что позволило достичь частоты, превышающей 3 ГГц. Для дешифрации трех команд за один такт процессор проводил разбиение команд на простые микрооперации и сохранял их в кэш последовательностей микроопераций. Более поздние версии Pentium 4 также использовали многопоточность для увеличения пропускной способности процессора при выполнениее нескольких потоков. Процессор Pentium M был усовершенствован за счет увеличения размера кэш-памяти команд и данных до 32 Кбайт, а размера кэш-памяти второго уровня - до двух Мбайт.

Процессор Core Duo представлял собой многоядерный процессор, содержащий два ядра Pentium M, подключенных к общей кэш-памяти второго уровня размером 2 МБ. В 2009 году Intel представила новую микроархитектуру под названием Nehalem как модернизированную версию Core. Эти процессоры, включая Core i3, i5 и i7, реализуют поддержку 64-битных команд. Они имеют от двух до шести ядер, кэш-память 3 уровня размером 3–15 МБ и встроенный контроллер памяти. Некоторые модели поддерживают гиперпоточность (hyperthreading) – так Intel называет многопоточность с двумя активными потоками, которая, с точки зрения пользователя, удваивает количество ядер.