Тед Хофф - архитектор
первого микропроцессора
Компания Intel отметила 25 лет со времени создания первого микропроцессора. Его появление стало возможно благодаря удивительному сочетанию верной оценки перспектив технологии, а также высокой квалификации со стремлением к переменам... и чистому везению. Так или иначе, вследствие этого революционного изобретения компания Intel оказалась в самой гуще событий Информационного Века.
Жизнь до микропроцессора
Первые компьютеры занимали огромные залы. Их дорогостоящая вычислительная мощь была доступна лишь избранным - отдельным сотрудникам правительственных лабораторий, исследовательских организаций и крупных корпораций. Появление в середине 60-х годов интегральных схем (в их создании принял участие и один из основателей компании Intel - Боб Нойс) положило начало процессу миниатюризации. Однако крупномасштабная интеграция транзисторов в одном кристалле кремния тогда только лишь зарождалась.
Одной из целей компании Intel было создать полупроводниковые микросхемы памяти и сделать возможным их промышленное производство. Стоит отметить, что в то время "кремниевая" память была раз в сто дороже, чем созданная по ведущей на тот момент технологии памяти на магнитном сердечнике. Однако основатели Intel были уверены в том, что такие неоспоримые преимущества полупроводниковой памяти, как малые габариты, более высокая производительность и пониженное энергопотребление, убедят сотрудников отрасли хотя бы опробовать новую технологию.
Не было бы счастья...
Сконцентрировавшись на разработке первых коммерчески прибыльных продуктов, Intel едва не проглядела первые ростки микропроцессорной революции. Впрочем, и начиналась-то она более чем скромно. К работе над микропроцессором приступили в 1969 году, когда Intel получила от японской фирмы Busicom заказ на разработку набора микросхем для семейства программируемых калькуляторов. Первоначальная конструкция калькуляторов Busicom предполагала использование не менее двенадцати микросхем.
В то время все логические микросхемы (выполняющие вычисления, в отличие от микросхем памяти, хранящих команды и данные) разрабатывались специально под продукт заказчика. Такой подход, по определению, ставил барьер на пути широкого распространения любой логической микросхемы.
Но сотрудникам Intel Теду Хоффу, Федерико Феджину и Стэну Мэйзору удалось спроектировать единую универсальную микросхему - центральный процессор ЭВМ общего назначения. Процессор взял на себя разнообразные функции, для реализации которых ранее приходилось применять множество различных компонентов.
Концепцию процессора общего назначения предложил Хофф; он же разработал архитектуру универсальной микросхемы, которая пользовалась командами, записанными в ее полупроводниковой памяти. Это центральное процессорное устройство, входившее в качестве основного в набор из четырех микросхем, не только соответствовало техническому заданию Busicom, но и без каких-либо дополнительных переделок могло быть использовано в широком ассортименте других приборов.
Мэйзор разработал систему команд процессора, а Феджин спроектировал саму микросхему. Позднее все трое участвовали в создании процессоров Intel второго и третьего поколений - 8008 и 8080.
Создание микропроцессора признано одним из величайших достижений двадцатого века. Через четверть века после появления первого микропроцессора эти три бывших сотрудника корпорации Intel были внесены в списки Национального зала славы изобретателей США.
Intel могла бы называться Busicom...
В ноябре 1971 года Intel официально объявила о создании центрального процессора - микросхемы 4004. Правами на него владела компания Busicom. Хофф и его сотрудники понимали, что процессор имеет практически неограниченное применение. По их настоянию, компания Intel выкупила у Busicom права на микросхему. Она заплатила 60 тыс. долл., полученные на проведение работ, а кроме того, предложила готовую продукцию по более низкой цене. Попавшие к тому времени в трудное финансовое положение японцы согласились. Сделка не привлекла к себе особого внимания ни в Intel, ни в отрасли в целом. Тем не менее именно она проложила Intel путь к выработке концепции универсальных вычислительных средств на основе микропроцессора. Busicom давно уже не существует, однако, в отличие от других неудачников, память о ней осталась.
Основатели Intel - Гордон Мур и Боб Нойс - поддерживали работу над процессором, но ряд других сотрудников компании опасались, что это может отвлечь Intel от достижения главной цели - разработки микросхем памяти. Для скептиков удалось найти убедительный аргумент: из четырех микросхем, входивших в набор микрокомпьютера (термин "микропроцессор" появился позже), две приходились на память. Вспоминает бывший директор Intel по маркетингу: "Поначалу мы относились к этому чипу лишь как к средству увеличения продаж микросхем памяти и решили вложить в него деньги, исходя именно из этой предпосылки".
Микропроцессор выходит на рынок
Официально микрокомпьютер 4004 появился на рынке в конце 1971 года. Микросхема стоимостью двести долларов выполняла 60 тыс. операций в секунду, содержала 2300 транзисторов и была размером меньше ногтя большого пальца руки. Она обладала вычислительными возможностями первого электронного компьютера - ENIAC. Для сравнения: ENIAC, появившийся в 1946 году, имел тогда 18 тыс. ламп и занимал помещение объемом почти 1000 кубических метров.
Вскоре был выпущен имеющий вдвое большую производительность микропроцессор семейства 8008, способный обрабатывать одновременно восемь бит информации.
Микросхема нашла применение в тысячах разнообразных устройств. Однако до компьютера в современном понимании было еще очень далеко. О нем даже не думали. Иллюстраций может служить рассказ председателя совета директоров Intel Гордона Мура: "В середине 70-х годов один из сотрудников пришел ко мне с идеей создать нечто подобное персональному компьютеру, предложив оснастить процессор 8080 монитором и клавиатурой и затем продавать его в магазинах, специализирующихся на торговле приборами домашнего пользования. "И кому же такое понадобится?" - спросил я. Сотрудник ответил: "Домохозяйкам. Они могли бы таким образом хранить кулинарные рецепты". Я удивился: "И только-то?.." Поскольку сотрудник не нашел, что добавить, больше мы к этому вопросу не возвращались". К домохозяйкам компьютер все-таки пришел, хотя и намного позже.
Поворотный пункт: IBM PC
К 1981 году семейство микропроцессоров Intel пополнилось 16-разрядным процессором 8086 и 8-разрядным 8088. Впервые в истории эти два микропроцессора всего за один год были внедрены в 2500 продуктах. Один из них - IBM PC.
Не имея подробного описания компьютера, задуманного IBM, инженеры отдела продаж Intel тем не менее должны были во что бы то ни стало завоевать доверие заказчика. Ведь ранее IBM еще никогда не обращалась к сторонним поставщикам процессоров. Инженер отдела продаж Intel, работавший с IBM, по этому поводу вспоминал: "Компания держала свой новый проект в страшном секрете. Всякий раз, как мы приходили к ним по какому-либо делу, они сажали нас за плотным черным занавесом, чтобы мы не могли видеть специалистов IBM и их новую разработку. Мы задавали вопросы, они отвечали, и, таким образом, нам приходилось искать решение возникавших проблем в буквальном смысле слова вслепую. Точнее - наощупь: иногда нам позволяли просовывать сквозь занавес руку".
В конце концов, настойчивость и целеустремленность, проявленные Intel при разработке микропроцессоров, а также способность производить их в достаточном количестве, убедили IBM выбрать для своего ПК процессор 8088. Решение IBM было крайне важно для Intel. Один из сотрудников Intel, участвовавший в совместном проекте с IBM, впоследствие заметил: "В те времена объем производства считался большим, если он достигал 10 тыс. единиц продукции в год. Кто же мог тогда предположить, что масштаб производства ПК возрастет до десятков миллионов в год?"
В 1982 году компания Intel выпустила процессор 80286. Он состоял из 134 тыс. транзисторов и почти втрое превосходил по производительности прочие 16-разрядные процессоры того времени. При этом впервые наличие встроенных средств управления памятью обеспечило 286-му программную совместимость со своими предшественниками. Этот процессор стал основой эталонного ПК компании IBM, получившего название РС-АТ.
Процесс пошел
В 1985 году на рынок вышел процессор 80386. Он имел 32-разрядную архитектуру, фантастическое для той поры число транзисторов (275 тысяч) и мог исполнять свыше пяти миллионов инструкций в секунду. Первый ПК с этим микропроцессором - DeskPro 386 - был выпущен компанией Compaq.
Затем в 1989 году был выпущен процессор 80486. В нем были 1,2 млн. транзисторов и - впервые - встроенный математический сопроцессор.
В 1993 году компания Intel представила процессор Pentium, в пять раз более производительный, чем i486. В нем содержалось 3,1 млн. транзисторов, а производительность равнялась 90 MIPS, что превышало быстродействие 4004 в полторы тысячи раз.
В 1995 году на свет появился процессор Pentium Pro. Помимо 5,5 млн. транзисторов, этот (последний на настоящий момент) процессор Intel имеет и уникальный второй кристалл, который содержит кэш-память.
В 1991 году за миллион операций в секунду, производимых процессором 80486, приходилось "платить" примерно 225 долл. За пять лет стоимость вычислений резко упала у процессора Pentium Pro 1 MIPS обходится всего лишь в 7 долларов. В связи с этим председатель совета директоров Intel Гордон Мур заметил, что: "Если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня "Роллс-Ройс" мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку".
Рождение нового процессора
Увеличение производительности процессоров во многом связано с разработкой самой современной микроархитектуры в сочетании с передовой технологией обработки кристалла и способностью быстро выйти на крупномасштабный уровень производства. Это, в свою очередь, позволяет компании Intel размещать на кристалле все большее число транзисторов и тем самым постоянно повышать производительность настольных ПК при столь же постоянном сокращении стоимости вычислений.
Первый микропроцессор разрабатывался двумя инженерами Intel в течение девяти месяцев. Создание современного микропроцессора требует усилий сотен людей, сгрупированных в специализированные бригады, каждая из которых занимается разработкой тех или иных частей процессора на различных этапах его конструирования.
Как и раньше, современный разработчик микропроцессора обязан учитывать все, что имеет отношение к данному вопросу. Однако, в отличие от прежних времен, современные разработчики пользуются развитыми программными системами автоматизированного проектирования на мощных рабочих станциях, с помощью которых и создаются сложные компьютерные "карты". Применение САПР резко повысило производительность труда разработчиков. Тем не менее это лишь позволяет им удерживаться на уровне всевозрастающих требований к сложности и производительности конечного продукта. При создании микропроцессоров будущего проблема зависимости разработчика от развитых компьютерных средств конструирования будет постоянно обостряться.
Важной частью процесса конструирования стало тестирование. Существуют тысячи программ, миллиарды и триллионы строк кода, с которыми процессоры Intel должны быть в состоянии работать. Обязательна абсолютная совместимость с процессорами предыдущих поколений. Эта цель достигается за счет применения наборов программ интенсивного тестирования, использования развитого инструментария и технологий исчерпывающей проверки для диагностирования и устранения недоработок.
В 1971 году тестирование в Intel ограничивалось лишь применением осциллографа. Один из ветеранов заметил: "Раньше инженеры строили так называемый "бутерброд", т.е. физическую модель микросхемы, а для проверки ее работоспособности применяли простейшие тесты - вот и все".
Конвейер
Двадцать пять лет назад производственный процесс был довольно примитивным. Президент и главный исполнительный директор Intel Энди Гроув утверждал, что "производственная зона смотрелась, как мастерская кустаря-одиночки: кругом валялись шланги, провода, различные приспособления; все это напоминало компьютерный эквивалент авиамастерской братьев Райт..."
Большая часть технологических операций выполнялась вручную. Рабочие в цехе пинцетом загружали кремниевые пластины, из которых вырезались кристаллы, на " кораблики" и заталкивали их в раскаленные докрасна печи. Затем операторы вручную манипулировали кранами, подвергая пластины воздействию различных газов.
По мере увеличения габаритов пластин и резкого возрастания требований к точности управления технологическим процессом на смену людям пришли машины. Сегодня пластины перемещаются с одного технологического участка на другой с помощью роботов с микропроцессорным управлением, а в задачу операторов входит поддержание высокого уровня производительности систем.
Миниатюризация транзисторов кристалла делает все более актуальной проблему удаления мелких частиц, типа пыли и волосков, из зоны проявления пластин. На первых заводах стандарты были не очень-то жесткими: рабочие не покрывали голову и лишь надевали поверх уличной одежды легкий халат. Затем для снижения уровня загрязнений и повышения чистоты воздуха были внедрены особые комбинезоны. Сегодня сотрудники носят костюмы из безворсовой антистатической ткани, маски, защитные очки, перчатки, бахилы и используют специальные дыхательные аппараты. В результате в "чистом" помещении воздух в 100 раз чище, чем 25 лет назад. Неустанные усилия Intel по обеспечению контроля качества дали свои плоды. В середине 80-х годов к концу производственного процесса у Intel осталось менее половины пригодных процессоров. Сегодня процент выхода таких изделий значительно выше.
Вперед, в будущее
За первые 25 лет своего существования микропроцессор позволил создать и реализовать разработки, о которых четверть века назад нельзя было даже мечтать. Вполне вероятно, что в следующие 25 лет он преподнесет еще большие сюрпризы. Если сегодняшние тенденции в отрасли сохранятся, то микропроцессоры будущего станут в десятки раз быстрее и производительнее нынешних, способствуя бесконечному расширению сфер своего применения. В World Wide Web будут интегрированы возможности работы с аудио- и видеоинформацией, средства поддержки телеконференций. Рост вычислительной мощи будет использован также для упрощения управления компьютером. Распознавание голоса и почерка, локальное управление сложными приложениями на основе Internet и жизнеподобная анимация требуют значительной вычислительной мощи.
Главным элементом стратегии Intel была и остается совместимость. В результате даже Pentium Pro может работать с любым ПО, когда-либо написанным для его предшественников. Компания намерена придерживаться этого принципа и в дальнейшем, поддерживая у своих заказчиков уверенность в том, что огромная база ПО не окажется вдруг неработоспособной. Как отметил один из инженеров Intel, "на зрелом рынке лучший способ совершить революцию - это добиваться перемен путем эволюции".
Еще в 60-е годы, наблюдая за участниками студенческих демонстраций протеста, Гордон Мур заметил: "Истинные революционеры - это мы".