Kamenček, ki je sprožil plaz

December 2011

Mikroprocesor, znan tudi po imenom centralna procesna enota (CPE), predstavlja možgane računalnikov in številnih drugih elektronskih naprav. Večje število mikroprocesorjev, ki delujejo za isti cilj, pa, denimo, najdemo v strežniških in superračunalniških okoljih.

Danes si pravzaprav zelo težko predstavljamo, da so bili pred vsega 60 leti računalniki zelo redka dobrina in sploh niso bili na voljo širši javnosti. Šele v 80. letih preteklega stoletja so začeli vstopati v naše domove, predvsem po zaslugi mikroprocesorja, ki je omogočil znatno zmanjšanje njihove velikosti. Od takrat so občutno spremenili naša življenja, saj si dela in zabave brez računalniško podprte naprave sploh ne predstavljamo več. Radijski sprejemnik, električna zobna ščetka, pametni hladilnik in avtomobil imajo enega ali več deset mikroprocesorjev, ki skrbijo, da pravilno delujejo.

Sodobni mikroprocesorji znajo opravljati tudi zelo zapletene naloge, in to znatno bolje in hitreje od človeka. Brez njih bi si področja letalstva, fizike malih delcev, napredne meteorologije in inženirstva nasploh težko predstavljali.

V zadnjih 40 letih smo priča oblikovanju nekaterih prepoznavnih trendov. Mikroprocesorji postajajo vedno hitrejši in zmogljivejši, obenem pa tudi manjši in cenovno dostopnejši. Izdelava sodobnega procesorja je hkrati postala prava znanost v malem, saj gre za visoko kompleksen in zahteven proces, ki obsega več sto korakov. Prav zato je po svetu zelo malo podjetij, ki izdelujejo procesorje. Proizvodnja namreč poteka v t. i. čistih sobah, kjer je čistoča res na najvišji možni ravni. Že sam zrak je večkrat filtriran in je, denimo, tisočkrat čistejši od tistega, ki ga lahko vdihavamo v čisti operacijski sobi. Taka vrhunska tehnologija seveda ni poceni, posamezna tovarna procesorjev od izdelovalca zahteva naložbo v višini okoli 5 milijard dolarjev. K sreči po svetu prodajo na milijarde procesorjev vsako leto, zato so tudi njihove cene razmeroma dostopne.

A vrnimo se na začetek, v leti 1969 in 1970. Podjetje Intel je tedaj že veljalo za eno izmed pomembnejših tehnoloških podjetij, zelo dobro je bilo zastopano predvsem na trgu pomnilniških čipov, seveda pa so v svojih laboratorijih že snovali različne dizajne uporabe pomnilniške tehnologije na različnih področjih. Pri tem so sodelovali z najrazličnejšimi podjetji z vsega sveta, eno izmed njih je bilo tudi podjetje Nippon Calculating Machine Corporation. Omenjeno podjetje je leta 1969 pri Intelu naročilo razvoj in izdelavo 12 namenskih čipov za svoj novi poslovni kalkulator Busicom 141-PF, opremljen s tiskalnikom. Intelovi inženirji so po temeljiti analizi zahteve predlagali drugačno rešitev, in sicer družino štirih čipov, med katerimi bo tudi čip, ki ga bo moč programirati za različne namene uporabe. Čip številka 4004 je postal mikroprocesor, najprej na risalni deski, nato pa še v laboratoriju.

O ustvarjalcu in njegovem delu

Prvi delujoč primerek mikroprocesorja Intel 4004 je nosil podpis F. F. Začetnici sta predstavljali ime in priimek njegovega načrtovalca in vodilnega inženirja s tega projekta, Federica Faggina. Prvi kos je imel podpis na sredini, kasneje pa ga je avtor premaknil v kot, podobno kot so svoja umetniška dela podpisovali veliki slikarji.

Sredica procesorja Intel 4004. V spodnjem desnem kotu je viden podpis "avtorja".

Ob nastanku Intel 4004 še ni veljal za pomemben mejnik v zgodovini podjetja, ki se je takrat ukvarjalo predvsem z oblikovanjem in izdelovanjem pomnilniških čipov. Šlo je za poskus širitve proizvodnega programa, ki je več kot le uspel.

Faggin je rojstvo čipa 4004 dočakal sam, sredi noči v prostorih lntelovih laboratorijev. Testne sredice mikroprocesorja 4004 je namreč prejel nekega januarskega večera, okoli 18. ure, ko je večina sodelavcev že odšla domov. Kot je kasneje sam priznal, so se mu roke pošteno tresle, srčni utrip pa pošteno zvišal, ko je v rokah držal preizkusne sredice procesorja in jih povezoval s testno napravo in inštrumenti. Brnenje inštrumentov je bilo dober znak, saj so kazali električno aktivnost naprave. Ure so hitro minevale, mikroprocesorska rezina pa kar ni želela narediti napake v preizkusih, vse kritične funkcije so namreč delovale brezhibno. Okoli 3. ure zjutraj je Faggin poln elana in navdušenja zapustil laboratorij in odšel domov. Prve novice o uspešnem delovanju mikroprocesorja je bila tako deležna njegova žena.

Federico Faggin se je pod mikroprocesor 4004 podpisal predvsem po zaslugi dela na dizajnu samega čipa, saj je zanj oblikoval tako logični del, vezje, postavitev elementov, obenem pa izdelal tudi testno napravo in programsko opremo, ki je preverila delovanje mikroprocesorja. V svoji vlogi Intelovega inženirja je tudi vodil razvojno ekipo, ki se je trudila s projektom MCS-4, katerega načrt je bil razviti štiri čipe, ki bodo poganjali kalkulator z možnostjo izpisa operacij na papir.

Dejanska velikost sredice prvega mikroprocesorja

Faggin je tesno sodeloval z razvijalcem Masatoshijem Shimo, ki je v podjetju Nippon Calculating Machine Corporation pripravljal programsko osnovo in logiko za uporabo mikroprocesorja 4004 v kalkulatorju. Prvi delujoči prototip kalkulatorja sta pognala skupaj. Kalkulator Busicom 141-PF je bil tudi prvi komercialni izdelek, ki je uporabljal mikroprocesor. Japonci so nato prodali več kot sto tisoč omenjenih kalkulatorjev.

Japonski izdelovalec kalkulatorjev Busicom je imel to čast, da je v svoj izdelek vgradil prvi mikroprocesor. Kot zanimivost naj povemo, da je podjetje Nippon Calculating Machine Corporation leta 1969 Intelu naročil izdelavo 12 logičnih čipov, ki bodo premogli funkcije programabilnega kalkulatorja. Intelova rešitev je vsebovala le štiri čipe, od tega 4004, ki je zmogel delo več različnih čipov.

Znanje Federica Faggina je bilo pravi inženirski zaklad, saj je ustvaril več tehnologij, ki so pomembno vplivale na razvoj računalništva. Med najbolj izrazitimi je tehnologija silicijevih pretikal, njegov podpis pa nosi tudi dizajn prvega komercialno dostopnega integriranega vezja na osnovi omenjene tehnologije - Fairchild 3708. To polprevodniško tehnologijo je Intel dobesedno posvojil in je kmalu postala osnova za njegove izdelke, tako visoko zmogljive pomnilniške čipe kot mikroprocesorje.

Odgovornim v Intelu je vedno znova dokazoval, da bi bilo moč mikroprocesor 4004 uporabiti tudi v druge namene, ne zgolj za poganjanje kalkulatorja. A zato je moral Intel od japonskega partnerja pridobiti dovoljenje za uporabo v "nekalkulatorske" namene. Busicomu je ponudil nižjo ceno čipov v zameno za pravice mikroprocesorskega dizajna in trženje. Sredi novembra 1971 je tako Intel mikroprocesor 4004 nazadnje le pokazal širši javnosti z objavo novice o izdelku v reviji Electronic News. Kasneje je ta mikroprocesor našel pot v številne naprave, tako v blagajne trgovin kot tudi v semaforje.

Faggin je podjetje Intel zapustil že leta 1974 in ustvaril lastno podjetje, Zilog, ki se je prav tako ukvarjalo z izdelavo mikroprocesorjev in je bilo neposreden konkurent Intelu. Intelovo vodstvo ga je kaznovalo s tem, da je večino njegovih patentov s področja mikroprocesorjev (razen tistih že vloženih) pripisalo drugim razvijalcem, denimo Tedu Hoffu, ki je sicer sodeloval predvsem pri oblikovanju arhitekturne zasnove procesorja.

Intel 4004 v številkah

Intel 4004 je bil ob svoji predstavitvi prava zverina, saj je bil zmogljivejši od prvega elektronskega računalnika ENIAC, le da je slednji leta 1946 zasedal 85 kubičnih metrov velik prostor (površinsko pa 167 m2) in je vseboval skoraj 17.500 elektronk. 4-bitna centralno-procesorska enota je namreč lahko pri najvišjem delovnem taktu 740 kHz opravila skoraj 60 tisoč operacij na sekundo (ENIAC le 5000).

Njegov nabor ukazov je poznal 46 ukazov (41 širine 8-bitov in pet širine 16-bitov), predvsem matematičnih operacij, pri čemer je odvisno od cikla ukazov (10,8 ali 21,6 mikrosekund) na sekundo obdelal 46.300 do 92.600 ukazov. Premogel je tudi ločeno glavno programsko kodo in pomnilnik, namenjen hrambi podatkov.

Primer tiskanega vezja s procesorjem Intel 4004

Naslednik modela 4004 je bil Intel 8008, izdelan leta 1972

Širina povezav v vezju mikroprocesorja je bila 10 mikronov oziroma 10.000 nanometrov, kar je približno toliko kot je desetina debeline človeškega lasu. Intel 4004, ki je premogel 2300 tranzistorjev, poseben pa je tudi v tem, da je eden najpreprostejših in najmanjših mikroprocesorskih dizajnov, ki so bili kdaj poslani v proizvodnjo.

Še prepričljivejši nasledniki

Naslednik modela 4004 je bil Intel 8008, izdelan leta 1972. Šlo je za prvi 8-bitni mikroprocesor in mnogi ga imajo zaradi močno spremenjene arhitekture glede na model 4004 še danes za prvi pravi procesor. Zanimivo je, da je bil mikroprocesor 8008 kljub 3500 tranzistorjem dejansko počasnejši kot 4004, vendar je imel druge prednosti. Podpiral je, denimo, 16 kb pomnilnika, in to je pripomoglo k širini izvajanih operacij.

Faggin je bil kasneje zadolžen za razvoj naslednika modela 8008. Leta 1974 je svet ugledal Intel 8080, spet poln izboljšav, količina pomnilnika se je povečala že na 64 kb. S tem modelom je Intel tudi praktično ustvaril trg mikroprocesorjev in omogočil začetke osebnega računalništva.

Sredi leta 1978 je svetu predstavil prvi 16-bitni mikroprocesor, Intel 8086, ki je pomenil začetek ere x86, ki traja še danes. 29 tisoč tranzistorjev je utripalo pri slabih petih megahertzih (4,77 MHz).

Premikanje mejnikov

Čeprav Intel 4004 nikoli ni poletel v vesolje, kot so sprva namigovali nekateri miti, je kljub temu premaknil meje mogočega. Predstavnik centra Ames Research Center je celo potrdil, da so strokovnjaki in astronavti za misijo Pioneer 10, ki naj bi kot prva popeljala vesoljsko plovilo zunaj solarnega sistema, dejansko preizkušali Intel 4004, a se niso odločili za njegovo uporabo - češ da gre za preveč novo in še ne dokazano tehnologijo.

Zabavna dejstva iz sveta mikroprocesorjev

Od 15. novembra 1971, ko je na svet privekal prvi mikroprocesor na svetu, Intel 4004, so se stvari spreminjale bliskovito hitro. Našli smo nekaj najzanimivejših primerjav zadnjih desetletij.

Začnimo s hitrostjo. Če hitrost prvega tranzistorja, vgrajenega v mikroprocesor, primerjamo z današnjimi razmerami, lahko ugotovimo, da je dejansko hiter kot polž (5 metrov na uro) v primerjavi s kenijskim maratoncem Patrickom Makaujem, ki je letošnji Berlinski maraton pretekel s povprečno hitrostjo 20,6 km/h (42.195 metrov v času 2 uri, tri minute in 38 sekund). Trenutno najhitrejši procesorji dosegajo delovne takte okoli 4 GHz - v primerjavi z Intelom 4004 so pravi sprinterji, šlo bi za dvoboj Usaina Bolta s polžem.

Prispevek ustvarjalcev prvega mikroprocesorja ni ostal spregledan. 17. novembra 2010 je predsednik ZDA, Barack Obama, trem najzaslužnejšim Intelovim inženirjem podelil posebno priznanje. Federico Faggin, Ted Hoff in Stanley Mazor (z leve na desno) so prejeli nacionalno nagrado za tehnologijo in inovacije.

Danes nas električna energija, ki jo povprečen prenosnik porabi v letu dni, stane okoli 25 evrov. Če bi ostala na isti ravni, kot so jo procesorji dosegali leta 1971, bi prenosniki porabili 4000-krat več energije.

Sredica procesorja Intel 4004 je bila sestavljena iz 2300 tranzistorjev, sodobni procesorji tega izdelovalca pa jih imajo skorajda milijardo. Kot bi primerjali število povprečnega prebivalcev slovenskega mesta s prebivalstvom Kitajske.

Sredica procesorjev Intel Core (druge generacije) meri 216 mm2. Če bi bila izdelana v zgodovinski tehnologiji, torej v 10?m izdelavnem postopku, bi sam procesor meril 7m x 3m, torej 21 kvadratnih metrov. Le kam bi ga dali?

K sreči se je velikost tranzistorjev v procesorjih precej zmanjšala in še vedno sledi Moorovemu zakonu, ki pravi, da se njihovo število podvoji vsaki dve leti.

Mikroprocesor Intel 4004 je dosegal hitrost 740 kilohertzev, današnji primerki pa že omenjene 4 GHz. Če bi se hitrost avtomobilov povečevala v enaki meri od leta 1971 do danes, bi lahko razdaljo med Portugalsko in Rusijo premagali v vsega eni sekundi.

Trenutna generacija najzmogljivejših procesorjev iz družine Intel Core premore 995 milijonov tranzistorjev. Če bi vsak izmed njih predstavljal riževo zrno, bi z njimi lahko pripravili dva obroka za vse prebivalce mestne občine Ljubljana.

V primerjavi s prvim mikroprocesorjem so njegovi sodobni bratranci okoli 5000-krat hitrejši in obenem porabijo 5000-krat manj energije. Hkrati se je cena tranzistorja zmanjšala za 50.000-krat.

Prvotni tranzistor, ki ga je leta 1947 izdelalo podjetje Bell Labs, je bil tolikšen, da so ga izdelovali ročno. Danes izdelavni proces z natančnostjo 22nm omogoča sestavo več kot 100 milijonov tranzistorjev v glavico bucike. Dodatnih okoli 6 milijonov tranzistorjev lahko postavi na površino pike na koncu tega stavka.

Evolucija mikroprocesorjev

Mikroprocesor je eden izmed nespornih herojev digitalne dobe. V štirih desetletjih je človeštvu omogočil neverjetne oblike uporabe, svojo pot pa je našel v milijone najrazličnejših naprav. Digitalnega sveta, kot ga poznamo danes, brez mikroprocesorja preprosto ne bi bilo.

Miran Varga

Ogledali smo si nekaj zgledov uporabe mikroprocesorjev v času.

1971

Kalkulator Busicom

Kalkulator Unicom 141P je bil sploh ena prvih naprav, ki so vsebovale mikroprocesor. Z njim se je začela doba računalništva ...

1977

Commodore PET

Commodore PET je bil prvi vsestranski domači računalnik, zasnovan po konceptu vse-v-enem.

1978

Pralni stroj

Na trg pride prvi pralni stroj, katerega delovanje krmili mikroprocesor. Še en dokaz več, kako široka je lahko uporaba nove procesorske tehnologije.

1980

Arkadne igre obnorijo svet

Družba Namco je predstavila igralni avtomat z igro Pac-Man. Svet je za več let podlegel maniji arkadnih in drugih iger, igralni avtomati pa so postali velikanska uspešnica.

1981

Prenosnik Osborne 1

5-palčni zaslon in teža 10,7 kilograma sta zaznamovala prvi prenosni računalnik. Glede na letnico nastanka je šlo še vedno za spoštljiv dosežek.

1986

Nintendo NES

Igričarska industrija doživi nov val navdušenja; na prizorišče namreč stopijo igralne konzole za priklop na televizor. Ena prvih je bila Nintendo Entertainment System.

1991

Demokratizacija računalništva

Uporaba računalnikov v zasebne in poslovne namene doživi razmah. Pojavijo se številni modeli namiznih in prenosnih računalnikov, ne manjkajo niti prvi primerki tabličnih računalnikov.

1997

Predvajalnik datotek MP3

Konec 90. let prejšnjega stoletja je prinesel velike spremembe v glasbeni industriji. Uporabniki smo začeli uporabljati prenosne predvajalnike s podporo stisnjeni glasbi.

1999

BlackBerry

Revolucija pametnih telefonov se je začela s predstavitvijo modela Blackberry 850. Kanadska družba RIM po pametnih mobilnikih slovi še danes.

2001

Apple iPod

Glasbeni predvajalnik, ki je dokončno uveljavil kompresirano glasbo in zapis MP3. Prodaja prenosnih predvajalnikov glasbe se meri v milijonih.

2002

Microsoft Windows Tablet

Skoraj desetletje pred pravo manijo rabe tabličnih računalnikov so skušali v programski hiši Microsoft z njihovo funkcionalnostjo navdušiti poslovne uporabnike.

2008

Netbooki

Uveljavitev majhnih in lahkih prenosnih računalnikov, namenjenih preprostejšim opravilom. Manj zahtevni uporabniki so jih sprejeli za večpredstavne strojčke in brskanje po spletu.

2010

Apple iPad

S predstavitvijo tabličnega računalnika Apple iPad tablice doživijo pravi preporod - tokrat med vsemi uporabniki.

2011

Digitalno oglaševanje

Naprave za digitalno oglaševanje predstavljajo novo obliko uporabe mikroprocesorjev. Inteligentne naprave z internetno povezljivostjo je moč najti v vseh porah sodobnega življenja - od vozil do kmetijskih pripomočkov.

2012

Ultrabooki

Evolucija računalnikov se nadaljuje. Stilski, predvsem pa tanki in lahki računalniki premikajo meje proizvodnih dosežkov in mobilnosti.