Hlavní stránka Hardware Procesory, paměti Jak moderní procesory obešly svoje výkonové limity
Jak moderní procesory obešly svoje výkonové limity
autor: Michal Rybka , publikováno 11.1.2020
Jak moderní procesory obešly svoje výkonové limity

Pro mnoho lidí je posledních dvacet pět let vývoje procesorů spíše fází stagnace. Navyšovaly se kmitočty, zvyšoval se počet jader – a to je tak všechno, říkají. Není to pravda, naopak: S tím, jak začaly procesory narážet na fyzikální limity, začali jejich architekti obcházet hranice chytrým designem. Často jsou to dost fascinující triky!


Zdálo by se, že základní principy počítačů byly vyvinuty mezi čtyřicátými a šedesátými lety a jejich uvádění do světa mikroprocesorů a spotřební elektroniky přicházelo tak nějak postupně. V sedmdesátých letech šlo hlavně o to, aby vůbec nějaké mikroprocesory byly a něco to dělalo, téhle fázi se obvykle říkalo „automatizace“. První procesory v podstatě zjednodušovaly vývoj inteligentních zařízení: Místo toho, aby se pokaždé navrhoval speciální hardware, tak se použil procesor a komplexita vývoje se přenesla do software. Ne nadarmo představovalo první nasazení Intelu 4004 (1971) použití v kalkulačce!

Dlouhou dobu se nic moc v zásadě neměnilo. Technologie nedovolovala ani vyvíjet, ani vyrábět procesory s velmi složitou litografií, takže se navrhovalo ručně, případně s počítačem asistovaným designem a šlo se na to hodně akademicky. Jedním z nejkrásnějších procesorů z hlediska návrhu je asi Motorola 6800 (1974), která byla opravdu minimalistická: Měla dva registry (A, B), indexový registr (IX), ukazatel zásobníku (SP), čítač instrukcí (PC) a stavový registr. To bylo všechno, mělo to 4100 tranzistorů, kmitočet 1 nebo 2 MHz a vzhledem k nízkému kmitočtu nepředstavovaly problém operace s pamětí. Přesto to stačilo na počátek osmibitové revoluce.

Fascinujícím projektem, který ukazuje to, co se odehrává v počítači, je funkční model s názvem Megaprocesor, který se nachází v britském Centre for Computing History v Cambridge. Jde o model počítače o velikosti místnosti, který dovoluje sledovat jednotlivé bity a stavy všech hradel v počítači. Dá se u něj regulovat rychlost, například můžete nataktovat celý stroj na 2 Hz a sledovat, jak se stavy stroje mění krok za krokem. Anebo ho můžete i jednotlivě krokovat.

Projekt má i svoje stránky, kde autor projektu, James Newman, udává parametry svého stroje: Jde o šestnáctibitový procesor se šestnáctibitovým adresováním, sedmi registry, rychlostí až 20 kHz, pamětí 256 bytů RAM a 256 bytů PROM a příkonem 500 W. Procesor samotný je tvořen 15 300 tranzistory, což jeho složitost dává někam mezi Zilog Z80 (8500) a Intel 8086 (29000).

U těchto jednoduchých designů (relativně jednoduchých, Megaprocesor zabírá řadu panelů) neexistuje většina problémů, které mají moderní procesory: Problémy se spotřebou. Problémy s teplotou. Nekonečné čekání na paměti. Problémy s vysokými kmitočty. Dřív se prostě mikroprocesor vrazil do čtyřicetipinového DIPu, někam se to naletovalo na desku a tím to skončilo.

Jak moderní procesory obešly svoje výkonové limity

By Otherunicorn - Own work, CC0, Link

Od poloviny 70. let do začátku 90. let se problémy s vývojem procesorů obvykle týkaly toho, že se z osmibitů přešlo na šestnáct a potom třicet dva bitů a adresová sběrnice se ze šestnácti dostala na dvacet a potom třicet dva. Více pinů, větší pouzdra. Více pinů znamenalo více spojů – a spolu s vyššími kmitočty se začaly objevovat problémy, například crosstalk (vzájemné rušení mezi spoji), útlum způsobený délkou drah anebo problémy s časováním způsobené nestejnou délkou drah. Čím vyšší kmitočty a čím vyšší počet spojů se používal, tím to bylo komplikovanější.

Do počátku 90. let rostly kmitočty bez vážnějších potíží, dokonce když se podíváte na počítače jako je Apple I anebo na desky určené pro arkády, vidíte, že díly jsou rozmístěny do šachovnice kvůli jednodušší identifikaci a montáži.

Jak moderní procesory obešly svoje výkonové limity

By ArnoldReinhold - Apple 1 Woz 1976 at CHM.agr.jpg, CC BY-SA 4.0, Link



 
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
219 čtenářů navrhlo autorovi prémii: 102.3Kč Prémie tohoto článku jsou již uzavřené, děkujeme za váš zájem.
Tento web používá k poskytování služeb soubory cookie.