Die Geschichte der Intel-CPUs: Aktualisiert!

Intel beginnt mit dem 4004

Der erste von Intel verkaufte Mikroprozessor war der Vier-Bit-4004 im Jahr 1971. Er war für die Zusammenarbeit mit drei anderen Mikrochips konzipiert, dem 4001 ROM, 4002 RAM und dem 4003 Shift Register. Während der 4004 selbst Berechnungen durchführte, waren diese anderen Komponenten entscheidend für das Funktionieren des Prozessors. Der 4004 wurde hauptsächlich in Taschenrechnern und ähnlichen Geräten verwendet und war nicht für den Einsatz in Computern gedacht. Seine maximale Taktfrequenz betrug 740 kHz.

Dem 4004 folgte ein ähnlicher Prozessor, der 4040, der im Wesentlichen eine verbesserte Variante des 4004 mit einem erweiterten Befehlssatz und höherer Leistung war.

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8008 und 8080

Der 4004 machte Intel einen Namen im Mikroprozessor-Geschäft, und um daraus Kapital zu schlagen, führte Intel eine neue Reihe von Acht-Bit-Prozessoren ein. Der 8008 kam 1972 als erster auf den Markt, gefolgt vom 8080 im Jahr 1974 und dem 8085 im Jahr 1975. Obwohl der 8008 der erste von Intel produzierte Acht-Bit-Prozessor war, ist er nicht so bemerkenswert wie sein Vorgänger oder sein Nachfolger, der 8080. Er war zwar schneller als der 4004 dank seiner Fähigkeit, Daten in 8-Bit-Blöcken zu verarbeiten, aber er war eher konservativ zwischen 200 und 800 kHz getaktet, und die Leistung des 8008 zog einfach nicht viele Systementwickler an. Der 8008 verwendete 10-Mikrometer-Transistortechnologie.

Der 8080 von Intel war wesentlich erfolgreicher. Er erweiterte das Design des 8008, indem er neue Befehle hinzufügte und auf Sechs-Mikrometer-Transistoren umstieg. Dadurch konnte Intel die Taktraten mehr als verdoppeln, und die leistungsstärksten 8080-Chips liefen 1974 mit 2 MHz. Der 8080 wurde in zahllosen Geräten eingesetzt, was dazu führte, dass sich einige Softwareentwickler, wie z. B. das neu gegründete Microsoft, auf Software für Intels Prozessoren konzentrierten.

Als schließlich der 8086 herauskam, wurde er quellkompatibel zum 8080 gemacht, um die Abwärtskompatibilität mit dieser Software zu erhalten. Das Ergebnis war, dass die 8080er und wichtige Hardware-Elemente in allen x86-basierten Prozessoren, die jemals produziert wurden, vorhanden waren, und 8080-Software kann technisch immer noch auf jedem x86-Prozessor laufen.

Der 8085 war im Wesentlichen eine preiswertere und höher getaktete Variante des 8080, die ebenfalls sehr erfolgreich war, wenn auch weniger einflussreich.

8086: Der Beginn von x86

Intels erster 16-Bit-Prozessor war der 8086, der im Vergleich zu früheren Entwürfen eine deutliche Leistungssteigerung brachte. Er war nicht nur höher getaktet als der budgetorientierte 8088, sondern verfügte auch über einen externen 16-Bit-Datenbus und eine längere Prefetch-Warteschlange von sechs Byte. Er war auch in der Lage, 16-Bit-Tasks auszuführen (obwohl die meiste Software zu dieser Zeit für 8-Bit-Prozessoren ausgelegt war). Der Adressbus wurde auf 20 Bit erweitert, was dem 8086 ermöglichte, auf bis zu 1 MB Speicher zuzugreifen und damit die Leistung zu erhöhen.

Der 8086 war auch der erste x86-Prozessor und verwendete die erste Revision des x86 ISA, auf dem fast alle Prozessoren von AMD oder Intel seit der Einführung des 8086 basieren.

Intel produzierte etwa zur gleichen Zeit auch den 8088. Dieser Prozessor basierte auf dem 8086, hatte aber nur halb so viele Datenleitungen und eine vier Byte lange Prefetch-Warteschlange. Dies führte zu einem Verlust des Gleichgewichts, da der schmalere Bus die Befehlsabrufrate einschränkte und Intels Ausführungseinheit dazu zwang, die meiste Zeit im Leerlauf zu arbeiten. Er konnte immer noch auf bis zu 1 MB RAM zugreifen und lief mit höheren Frequenzen als frühere Prozessoren; allerdings war er ein ganzes Stück langsamer als der 8086.

80186 und 80188

Intel ließ dem 8086 mehrere andere Prozessoren folgen, die alle eine ähnliche 16-Bit-Architektur verwendeten. Der erste war der 80186, der auf eingebettete Anwendungen abzielte. Um dies zu ermöglichen, integrierte Intel mehrere Teile der Hardware, die typischerweise auf dem Motherboard zu finden sind, in die CPU, darunter den Taktgeber, den Interrupt-Controller und den Timer. Als Nebeneffekt liefen bestimmte Befehle auf dem 80186 deutlich schneller als auf dem 8086, selbst bei gleicher Taktrate. Aber natürlich hat Intel die Frequenz der CPU im Laufe der Zeit erhöht, um die Leistung weiter zu verbessern.

Der preisgünstige 80188 enthielt ebenfalls einige in den Prozessor integrierte Hardware. Aber wie der 8088 war sein Datenbus halbiert.

80286: Mehr Speicher, mehr Leistung

Der 80286 kam im gleichen Jahr wie der 80186 auf den Markt und hatte nahezu identische Eigenschaften, erweiterte aber den Adressbus auf 24 Bit, wodurch der Prozessor auf bis zu 16 MB Speicher zugreifen konnte.

iAPX 432

Der iAPX 432 war ein früher Versuch von Intel, von seinem x86-Portfolio zugunsten eines völlig anderen Designs abzuweichen. Intel erwartete, dass der iAPX 432 um ein Vielfaches schneller als seine anderen Angebote sein würde. Der Prozessor scheiterte jedoch letztlich an einigen großen Designfehlern. Obwohl x86-Prozessoren relativ komplex sind, brachte der iAPx 432 CISC auf eine ganz neue Ebene der Komplexität. Das Hardware-Design war ziemlich groß, was Intel dazu zwang, ihn aus zwei separaten Chips zu fertigen. Der Prozessor war außerdem recht datenhungrig und kam ohne extrem hohe Bandbreite nicht zurecht. Der iAPX 432 schaffte es, den 8080 und 8086 zu übertreffen, aber er wurde schnell von neueren x86-Produkten überholt und schließlich aufgegeben.

i960: Intels erster RISC

Intel entwickelte 1984 seinen ersten RISC-Prozessor. Er war nicht als direkter Konkurrent zu den x86-Prozessoren des Unternehmens konzipiert, da er als sichere Embedded-Lösung gedacht war. Intern handelte es sich um eine superskalare 32-Bit-Architektur, die Berkeley-RISC-Designkonzepte verwendete. Die ersten i960-Prozessoren waren relativ niedrig getaktet, wobei das langsamste Modell mit 10 MHz lief, aber im Laufe der Jahre wurde er verbessert und auf kleinere Fabriken umgestellt, die ihn auf bis zu 100 MHz brachten. Er unterstützte auch 4 GB geschützten Speicher.

Der i960 wurde sowohl in militärischen Systemen als auch in Business-Systemen eingesetzt.

80386: x86 wird 32-Bit

Der erste 32-Bit-x86-Prozessor von Intel war der 80386, der 1985 erschien. Ein wesentlicher Vorteil dieses Prozessors war sein 32-Bit-Adressbus, der es ihm ermöglichte, bis zu 4 GB Systemspeicher zu unterstützen. Obwohl dies weit mehr war, als zu dieser Zeit genutzt wurde, beeinträchtigten die RAM-Beschränkungen oft die Leistung früherer x86- und konkurrierender Prozessoren. Im Gegensatz zu modernen CPUs bedeutete zu der Zeit, als der 80386 veröffentlicht wurde, mehr RAM fast immer eine Leistungssteigerung. Intel implementierte auch einige architektonische Verbesserungen, die dazu beitrugen, die Leistung über die des 80286 zu steigern, selbst wenn beide Systeme die gleiche Menge an RAM nutzten. Außerdem unterstützte er die Virtual-Mode-Verarbeitung, was die Multitasking-Unterstützung erhöhte.

Um seine Produktpalette mit einem preisgünstigeren Angebot zu segmentieren, führte Intel auch den 80386SX ein. Dieser Prozessor war fast identisch mit dem 80386; er verwendete immer noch eine 32-Bit-Architektur, aber die Hälfte seines Datenbusses wurde aus Kostengründen auf 16 Bit gekürzt.

i860

Im Jahr 1989 unternahm Intel einen weiteren Versuch, von seinen x86-Prozessoren wegzukommen. Es entstand eine neue RISC-CPU, die als i860 bekannt wurde. Im Gegensatz zum früheren i960 war diese CPU als Hochleistungsmodell konzipiert, um auf dem Desktop-Markt zu konkurrieren, aber das Design erwies sich als problematisch. Die größte Schwachstelle war, dass die Leistung des Prozessors vollständig vom Compiler abhing, der die Befehle in der Reihenfolge platzierte, in der sie bei der Erstellung der Software ausgeführt werden sollten. Dies half Intel, die Größe des Chips und die Gesamtkomplexität des i860 gering zu halten, aber es war fast unmöglich, beim Kompilieren des Programms jeden Befehl von Anfang bis Ende korrekt aufzulisten. Dies führte dazu, dass die CPU ständig ins Stocken geriet, während sie versuchte, das Problem zu umgehen.

80486: Integration der FPU

Intel’s 80486 war ein weiterer signifikanter Schritt nach oben in Bezug auf die Leistung. Der Schlüssel zum Erfolg war die engere Integration der Komponenten in die CPU. Der 80486 war die erste x86-CPU, die L1-Cache enthielt. Frühe 80486-Modelle kamen mit 8KB on-die und wurden in einem 1000nm-Prozess geätzt. Als das Design auf 600nm umgestellt wurde, verdoppelte sich die L1-Cache-Größe auf 16KB.

Intel integrierte auch die FPU in die CPU, die bis zu diesem Zeitpunkt eine separate funktionale Verarbeitungseinheit war. Durch die Verlagerung dieser Hardware in den Host-Prozessor sank die Latenzzeit zwischen ihnen stark. Der 80486 verwendete auch eine schnellere FSB-Schnittstelle, um die Bandbreite zu erhöhen, und der Kern hatte verschiedene andere Optimierungen, um die IPC zu erhöhen. Diese Änderungen steigerten die Leistung des 80486 erheblich, und High-End-Modelle waren um ein Vielfaches schneller als der ältere 80386.

Die ersten 80486-Prozessoren erreichten 50 MHz, und spätere Modelle, die den verbesserten 600-nm-Prozess nutzten, erreichten sogar 100 MHz. Um budgetorientierte Anwender anzusprechen, brachte Intel auch eine Version des 80486 heraus, den 80486SX, bei dem die FPU deaktiviert war.

P5: Der erste Pentium

Der Pentium erschien 1993 als erster Intel x86-Prozessor, der nicht dem 80×86-Nummernsystem folgte. Intern verwendete der Pentium die P5-Architektur, die Intels erstes superskalares x86-Design darstellte. Obwohl der Pentium generell in jeder Hinsicht schneller war als der 80486, war sein herausragendstes Merkmal eine wesentlich verbesserte FPU. Die FPU des ursprünglichen Pentium war mehr als zehnmal schneller als die veraltete Einheit des 80486. Dies wurde in späteren Jahren zu einem noch bedeutenderen Merkmal, als Intel den Pentium MMX herausbrachte. Dieser Prozessor war architektonisch identisch mit dem ursprünglichen Pentium, unterstützte aber Intels neuen MMX-SIMD-Befehlssatz, der die Leistung drastisch steigern konnte.

Intel vergrößerte außerdem die L1-Cache-Größe seiner Pentium-Prozessoren im Vergleich zum 80486. Die ersten Pentiums enthielten 16 KB, während der Pentium MMX auf 32 KB anstieg. Natürlich liefen diese Prozessoren auch mit höheren Taktraten. Die ersten Pentium-Prozessoren verwendeten 800nm-Transistoren und erreichten nur 60 MHz, aber spätere Revisionen wechselten zu Intels 250nm-Prozess und steigerten die Frequenzen auf 300 MHz.