Twoja wyszukiwarka

BOGDAN MIŚ
REWOLUCJA PRZEZ PRZYPADEK
Wiedza i Życie nr 3/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 3/1997

MINĘŁO 25 LAT OD POWSTANIA MIKROPROCESORA. OPRACOWANIE TEGO REWOLUCYJNEGO URZĄDZENIA TO HISTORIA WIZJI, DĄŻENIA DO DOTRZYMANIA KROKU ZMIANOM I PO PROSTU SZCZĘŚCIA - HISTORIA, DZIĘKI KTÓREJ KOMPUTER STAŁ SIĘ SPRZĘTEM POWSZECHNEGO UŻYTKU.

Mikroprocesor zmienił nasze życie tak dalece, że trudno już teraz przypomnieć sobie, jak ono wyglądało przed tym wynalazkiem. W latach sześćdziesiątych komputery wypełniały całe sale, a ich kosztowna moc obliczeniowa dostępna była tylko w nielicznych laboratoriach rządowych, na uniwersytetach i w wielkich koncernach. Wynalezienie w połowie lat sześćdziesiątych układów scalonych (między innymi przez założyciela firmy Intel Boba Noyce'a) umożliwiło zminiaturyzowanie obwodów elektronicznych i umieszczenie ich w pojedynczym układzie krzemowym, lecz świat nadal pozostawał sceptyczny. Integracja tranzystorów w kryształach krzemu na wielką skalę nadal była w powijakach.

To firma Intel, która powstała w 1968 roku, podjęła ambitne wyzwanie: uczynienie z pamięci półprzewodnikowej wyrobu nadającego się do praktycznego zastosowania. Była to nie lada trudność, gdyż pamięci krzemowe kosztowały co najmniej 100 razy więcej niż dominujące wówczas pamięci magnetyczne.

SUKCES

Firma zajęta opracowywaniem pierwszych łatwo dostępnych pamięci półprzewodnikowych ledwo zauważyła początek mikroprocesorowej rewolucji. Rozpoczęła się ona skromnie, gdy japońska firma Busicom zamówiła projekt układów scalonych do rodziny szybkich programowalnych kalkulatorów. W tym czasie wszystkie układy logiczne (które wykonują obliczenia i programy, w odróżnieniu od układów pamięci, gdzie zapisywane są instrukcje i dane) były projektowane specjalnie do każdego zamawianego wyrobu. Oczywiście, takie podejście ograniczało szerokie zastosowanie konkretnych modeli układów logicznych.

Wszystko to jednak miało się zmienić. Pierwotny projekt Busicomu wymagał co najmniej dwunastu specjalnie zaprojektowanych układów. Jednak zatrudniony w Intelu inżynier Ted Hoff odrzucił taką propozycję i w zamian zaprojektował jednoukładowe urządzenie logiczne ogólnego przeznaczenia, które instrukcje do wykonania pobierało z pamięci półprzewodnikowej. Jako jądro czteroukładowego zestawu, ów centralny procesor nie tylko spełniał wymagania projektu kalkulatora firmy Busicom, lecz mógł być także zastosowany do wielu innych celów bez konieczności zmiany projektu.

ODKUPIĆ KURĘ ZNOSZĄCĄ ZŁOTE JAJKA

Z nowym układem był tylko jeden problem: prawa do niego miał Busicom. Hoff i inni wiedzieli, że zastosowania ich wyrobu są praktycznie nieograniczone, gdyż może on do "głupich" maszyn wprowadzić "inteligencję", i naglili kierownictwo Intela do odkupienia praw do swego wynalazku. Choć założycielom Intela, Gordonowi Moore i Bobowi Noyce, bardzo się nowy układ podobał, inni członkowie kierownictwa obawiali się, że utrudni on firmie realizację jej zasadniczej misji, polegającej na konstruowaniu pamięci półprzewodnikowych. Ostatecznie sceptyków przekonał fakt, że w każdym czteroukładowym zestawie znajdowały się dwa układy pamięci. Jak przypomina sobie ówczesny dyrektor do spraw marketingu, pierwotnie uznaliśmy to za sposób na sprzedanie większej ilości pamięci i chcieliśmy prowadzić inwestycje, opierając się na tym założeniu.

Intel zaoferował Busicomowi w zamian za prawa do nowego wyrobu 60 tys. dolarów. Borykająca się z kłopotami finansowymi japońska firma przyjęła tę propozycję. Porozumienie z Busicomem pozostało zarówno w branży, jak i w samym Intelu praktycznie bez echa, jednak utorowało firmie Intel drogę do rozpowszechnienia swej wizji elektronicznych urządzeń obliczeniowych, wykorzystujących mikroprocesory.

MIKROPROCESOR TRAFIA NA RYNEK

Zestaw mikrokomputerowy 4004 (termin "mikroprocesor" wymyślono później) został formalnie wprowadzony na rynek pod koniec roku 1971. Mniejszy od paznokcia i mieszczący w sobie 2300 tranzystorów, miał moc obliczeniową równą mocy ENIAC-a uważanego za pierwszy komputer elektroniczny. Dla porównania warto dodać, że zbudowany w 1946 roku ENIAC zawierał 18 000 lamp elektronowych i zajmował 85 m3. Układ 4004 wykonywał 60 000 operacji na sekundę, co dziś wydaje się wynikiem marnym, lecz wówczas było to rozwiązanie rewolucyjne.

Wkrótce po układzie 4004 Intel wprowadził mikroprocesor 8008, który przetwarzał osiem bitów informacji naraz, dwukrotnie więcej niż 4004. Oba układy otworzyły dla wyrobów Intela nowe rynki zbytu. Po raz pierwszy projektanci różnego typu produktów otrzymali po przystępnej cenie ogromną, jak na owe czasy, moc obliczeniową. Wywołało to istną eksplozję nowych idei i wynalazków:

IBM 709, jednostka centralna. Ten komputer, zbudowany w 1959 roku, był ostatnim modelem pierwszej generacji

Pierwsze wagi cyfrowe w sklepach - mikrokomputer zamieniał wagę na cenę i sterował drukarką paragonów, system sygnalizacji świetlnej na ulicach - mógł teraz wykrywać czekające pojazdy i dzięki temu lepiej sterować ruchem...

Nowy układ zrewolucjonizował wszystko - od instrumentów medycznych do restauracji fast
food, systemu rezerwacji biletów lotniczych oraz dystrybutorów na stacjach benzynowych, nie licząc gier elektronicznych i automatów do gry.

Jednak ani Intel, ani jego klienci nie przewidywali wszystkich potencjalnych zastosowań nowego wyrobu. Prezes Intela, Gordon Moore, pamięta jeden szczególnie zabawny przykład: W połowie lat siedemdziesiątych ktoś przyszedł do mnie z pomysłem, który sprowadzał się naprawdę do budowy komputera PC. Chodziło o wyposażenie układu 8080 w klawiaturę i monitor i sprzedawanie go nabywcom indywidualnym. - I na co to komu? - zapytałem. - Pani domu mogłaby trzymać w tym przepisy - brzmiało jedyne uzasadnienie. Osobiście nie dostrzegłem w tym nic przydatnego i nigdy więcej nie zwracaliśmy na to uwagi.

Do 1981 roku rodzina mikroprocesorów Intela rozrosła się i zawierała już
16-bitowy procesor 8086 i 8-bitowy 8088. Te dwa układy zostały w ciągu tylko jednego roku zastosowane aż w 2500 różnych wyrobach - rzecz bez precedensu. Jednym z tych wyrobów był produkt firmy IBM, który miał się stać pierwszym komputerem PC.

Inżynierowie Intela musieli zdobyć zaufanie IBM bez znajomości szczegółów na temat nowego wyrobu, gdyż "Big Blue" nigdy przedtem nie użył wyrobu z zewnątrz w roli tak ważnej. Jak wspomina jeden z inżynierów, który zaangażowany był w transakcję z IBM, wszystko było trzymane w wielkim sekrecie. Kiedy przyjeżdżaliśmy w celu udzielenia pomocy technicznej, wpuszczali naszych techników na jedną stronę czarnej zasłony, a swoich na drugą, razem z prototypem ich wyrobu. Myśmy zadawali pytania, oni mówili nam, co się dzieje, a my próbowaliśmy rozwiązać problem, dosłownie błądząc po omacku. Jeśli mieliśmy szczęście, pozwalali nam sięgnąć ręką za zasłonę i trochę pomacać, żebyśmy mogli się jakoś zorientować, na czym polega problem.

PUNKT ZWROTNY: IBM PC

Ostatecznie dłuterminowe zaangażowanie Intela w produkcję serii mikroprocesorów i zdolność podjęcia ich produkcji masowej przekonały IBM do wybrania 8088 jako "mózgu" pierwszego komputera PC. Decyzja IBM stanowiła wielkie wydarzenie dla firmy, ale znów był to fakt, którego znaczenia początkowo nie doceniano. Inżynier Intela, który współpracował z IBM w ramach jednego z projektów, wspomina: W tym czasie wielki kontrakt opiewał na 10 000 egzemplarzy rocznie. Nikt nie miał zielonego pojęcia, na jaką skalę rozwinie się rynek komputerów PC - dziesiątki milionów egzemplarzy rocznie.

IBM 7094, rozwinięcie modelu 709, konsola sterownicza - w głębi szafy z podzespołami. To już druga generacja wielkich komputerów

W 1982 roku Intel wprowadził na rynek układ 286. Miał on 134 000 tranzystorów i był mniej więcej trzykrotnie szybszy od ówczesnych innych procesorów 16-bitowych. Dysponował wewnętrznym systemem zarządzania pamięcią i wykazywał zgodność programową ze swoimi poprzednikami. Ten rewolucyjny układ został po raz pierwszy zastosowany w słynnym komputerze IBM PC-AT.

MASZYNKA DO MIKROPROCESORÓW

W 1985 roku Intel wprowadził na rynek procesor i386TM. Zbudowany w architekturze 32-bitowej i zawierający oszałamiającą liczbę 275 000 tranzystorów, układ wykonywał ponad pięć milionów operacji na sekundę (MIPS). Pierwszym komputerem PC, który został wyposażony w ten mikroprocesor, był Compaq DESKPRO 386.

Następnym z serii był procesor i486TM z 1989 roku. Przyspieszenie rozwoju nowych wyrobów było nieustanne i cechy nowego układu okazały się imponujące: 1.2 mln tranzystorów i pierwszy wbudowany koprocesor arytmetyczny. Nowy układ miał moc obliczeniową odpowiadającą mocy potężnych komputerów typu mainframe.

W 1993 roku Intel wprowadził na rynek procesor PentiumŽ, który określił nowy standard mocy obliczeniowej na poziomie pięciokrotnie przekraczającym wydajność procesora i486. Procesor Pentium zawiera 3.1 mln tranzystorów i osiąga szybkość do 90 MIPS - około 1500 razy więcej niż 4004.

W 1995 roku światło dzienne ujrzał kolejny sztandarowy produkt Intela, procesor PentiumŽ Pro. Wyposażony aż w 5.5 mln tranzystorów, najnowszy procesor ma jedyny w swoim rodzaju układ wewnętrzny, zawierający szybką pamięć podręczną, która jeszcze bardziej podnosi i tak już ogromną szybkość. Najnowsze dziecko Intela osiąga wydajność do 300 MIPS i zyskuje coraz większą popularność w serwerach i szybkich stacjach roboczych.

Układ scalony 4004, pierwszy mikroprocesor Intela

W 1991 roku koszt komputera PC z procesorem Intela wynosił około 225 dolarów na milion operacji na sekundę (MIPS). Obecnie procesor Pentium Pro oferuje ogromną moc obliczeniową przy koszcie zaledwie 7 dolarów na MIPS. Gdyby przemysł samochodowy rozwijał się tak szybko jak przemysł półprzewodników, Rolls Royce przejeżdżałby na litrze benzyny przeszło 200 tysięcy kilometrów i taniej byłoby go wyrzucić niż zaparkować.

Pierwszy komputer klasy PC wywołał komputerową rewolucję. Obecnie komputery takie są wszędzie. Pracuje ich na świecie ponad 200 mln. Dziecko siedzące przy maszynie z Pentium ma do dyspozycji większą moc obliczeniową niż operatorzy komputerów mainframe zaledwie dziesięć lat temu; inne porównanie: większą, niż Ameryka użyła do wysłania ludzi na Księżyc.

REWOLUCJA PC

Komputer osobisty zdemokratyzował zastosowanie tych maszyn na całym świecie. Wielu ludzi uważa dziś, że podstawy wiedzy technicznej stanowić będą o możliwościach kariery przyszłych pokoleń. Możliwości ludzkie opierać się będą na zdolnościach do zbierania, przetwarzania i dystrybucji informacji za pośrednictwem coraz potężniejszych komputerów osobistych. Jak zauważa Hoff, wynalazca mikroprocesora: Informacja to potęga. Bardzo mi się podoba, jak mikroprocesory rozprzestrzeniają tę moc po świecie.

Obecnie nasze życie codzienne ponownie podlega rewolucyjnym zmianom, tym razem za sprawą komputera osobistego występującego w roli działającego w sieci urządzenia do komunikacji. Organizowane za pośrednictwem takich komputerów wideokonferencje, sieci wewnętrzne i Internet stają się nowymi narzędziami porozumiewania się.

U podstaw rewolucji mikroprocesorowej leży inżynierska umiejętność nieprzerwanego zmniejszania kosztów mocy obliczeniowej. Co umożliwiło to ogromne tempo rozwoju?

Pierwszy mikroprocesor opracowało dwóch inżynierów w ciągu dziewięciu miesięcy. Projektowanie nowoczesnego mikroprocesora wymaga obecnie pracy setek ludzi, podzielonych na zespoły odpowiedzialne za określone fragmenty układu i pracujące nad różnymi stadiami projektowania. Jak wyjaśnia Randy Steck, kierownik zakładów w Oregonie podlegających Microprocessor Products Group, zarządzanie procesem projektowania stało się niesamowicie skomplikowanym zadaniem. Zespół się rozrastał i w końcu przestał się mieścić nawet w największej sali. Spowodowało to konieczność zwiększenia dyscypliny, kontroli i automatyzacji. Spotkania osobiste zostały zastąpione telekonferencjami, a kontrole projektu służą obecnie sprawdzeniu, czy postawione zadania zostały spełnione.

Od tego układu zaczęła się rewolucja: 8080, następca procesora 8008, wprowadzony na rynek w roku 1974. Miał 16-bitową szynę adresową i 8-bitową szynę danych, wymagał tylko 5V zasilania

Współczesny projektant mikroprocesorów nadal musi się zajmować wszystkim, co ma wpływ na układ. Jednak w odróżnieniu od stosowanego dawniej projektowania ręcznego, współcześni projektanci używają dziś wyrafinowanych programów do projektowania komputerowego (CAD), działających na bardzo szybkich stacjach roboczych, tworzących skomplikowane "mapy". Dzięki zastosowaniu programów CAD i innych narzędzi wydajność zespołów projektantów niezwykle wzrosła, lecz i tak jest w stanie zaledwie dotrzymać kroku rosnącej złożoności nowych układów. Podczas projektowania przyszłych mikroprocesorów zależność od wyrafinowanych metod komputerowego wspomagania pracy będzie jeszcze gwałtownie rosła.

Bardzo istotnym stadium budowania nowego mikroprocesora stało się też jego testowanie. Albert Yu, wiceprezes firmy, wyjaśnia: Układy Intela muszą być zgodne dosłownie z miliardami czy wręcz bilionami wierszy kodu. Musimy utrzymać pełną zgodność z poprzednimi generacjami - z całą rodziną procesorów Intela. Testy realizowane są za pomocą obszernych zestawów, wyrafinowanego oprzyrządowania i wyczerpującego procesu kontroli, służących do wykrywania i usuwania problemów.

W 1971 roku testy odbywały się po prostu przy użyciu oscyloskopu. Inżynierowie budowali sztancę - fizyczny model układu - i wykonywali proste testy sprawdzające obwody - mówi Yu. - To było wszystko.

CUDA W PRODUKCJI

Dwadzieścia pięć lat temu technologia produkcji była stosunkowo prosta. Jak wspomina prezes i dyrektor Intela Andy Groove, pomieszczenia produkcyjne przypominały manufakturę, z wiszącymi wszędzie wężami, drutami, przewodami i innymi urządzeniami - coś w rodzaju półprzewodnikowego odpowiednika samolotu braci Wright. W tym czasie była to nowoczesna produkcja na poziomie światowym, ale na dzisiejsze standardy był to niewiarygodny prymityw.

Większość prac wykonywana była ręcznie. Robotnicy szczypcami ładowali płytki krzemowe, z których wycinane są układy, na kwarcowe "łódki", potem wpychali łódki do rozgrzanego do czerwoności pieca. Wtedy operatorzy zaczynali ręcznie otwierać i zamykać różne zawory, aby poddać płytki działaniu różnych gazów przez określony czas. Według Gerry'ego Parkera, wiceprezesa i szefa Technology and Manufacturing Group, w procesie tym było ogromnie dużo możliwości popełnienia błędów. Wiele płytek po wyjęciu z pieca wyglądało jak przesmażone frytki.

W miarę wzrostu rozmiarów płytek rosła też konieczność zwiększenia dokładności procesu produkcyjnego. Manipulowanie płytkami przejęły od ludzi maszyny. Obecnie przesuwają je z jednego do drugiego stanowiska produkcyjnego sterowane mikroprocesorami roboty, a maksymalna wydajność pracy utrzymywana jest przez pracowników konserwujących i obsługujących maszyny. Oprócz zwiększenia dokładności automatyzacja przyniosła także dodatkową korzyść w postaci odsunięcia ludzi od wpływu szkodliwych czynników - fizycznych i chemicznych.

W miarę jak kurczyły się rozmiary tranzystorów krzemowych, coraz większego znaczenia nabierała ich ochrona przed zanieczyszczeniami w postaci pyłu i okruchów naskórka. W pierwszych fabrykach standardy czystości były dość luźne - robotnicy nie osłaniali włosów i nosili na zwykłych ubraniach proste fartuchy. Wkrótce jednak, aby zmniejszyć liczbę zanieczyszczeń i poprawić czystość powietrza, wprowadzono specjalne kombinezony robocze. Obecnie robotnicy noszą kombinezony ze specjalnego trwałego, antystatycznego płótna, oraz maski na twarzy, rękawice na rękach, specjalne okrycia na butach, a nawet specjalne wyposażenie do oddychania. Dzięki temu współczesne komory bezpyłowe są stukrotnie czystsze niż 25 lat temu.

Rygorystyczny system kontroli jakości przyniósł wyniki. W połowie lat osiemdziesiątych przy zejściu z linii produkcyjnej sprawnych było mniej niż 50% układów; obecnie wskaźnik ten jest o wiele wyższy.

SPOJRZENIE W PRZYSZŁOŚĆ

W ciągu pierwszych 25 lat swego istnienia mikroprocesor umożliwił rozwój techniki w stopniu absolutnie nie do wyobrażenia ćwierć wieku temu. Jeszcze ciekawsze rzeczy pojawią się z pewnością w ciągu następnych 25 lat.

Jeśli spełnią się obecne przewidywania, w ciągu najbliższych pięciu lat mikroprocesory staną się dziesięciokrotnie szybsze i mocniejsze niż dziś, umożliwiając powstanie nieskończenie wielu nowych zastosowań. Będziemy świadkami masowego przesyłania dźwięku i obrazów wideo oraz na skalę masową prowadzenia telekonferencji za pośrednictwem sieci World Wide Web. W domu użytkownicy komputerów będą mogli oglądać i drukować rodzinne fotografie ze swoich elektronicznych aparatów fotograficznych, wykorzystując zgodne z intuicją programy fotograficzne do usuwania efektów czerwonych źrenic, rozjaśniania ciemnego tła i wstawiania zdjęć do rodzinnych listów i stron Internetu. Ulepszenia sprzętu i oprogramowania podążają w kierunku zapewnienia użytkownikom wielu możliwości tego typu.

PentiumŽ MMX™ zapewnia możliwość wygodnego korzystania z bardzo skomplikowanych programów multimedialnych - takich jak ten symulator lotu

Fot. Intel

Zwiększenie mocy obliczeniowej użyte zostanie do ułatwienia obsługi komputerów. Rozpoznawanie głosu i pisma ręcznego, miejscowe sterowanie umieszczonymi w Internecie złożonymi aplikacjami i realistyczna animacja wymagają znacznej mocy obliczeniowej, która już teraz figuruje w planach Intela. Mówi Albert Yu: Wygenerowanie animacji jak w filmie Toy Story wymaga tysięcy godzin pracy komputera. Dziś nie da się odtworzyć takiego filmu za pomocą komputera klasy PC. Nasi klienci chcą więc, abyśmy zaprojektowali mikroprocesor z milionami tranzystorów, który będzie mógł wykonywać trójwymiarową animację w czasie rzeczywistym. To wspaniałe wyzwanie! Planujemy dalej pracować nad zwiększeniem mocy obliczeniowej przy zachowaniu rozsądnej ceny, także i w następnym wieku.

Kluczem strategii Intela pozostaje zachowanie zgodności; silny procesor PentiumŽ Pro nadal może wykonać każdy program napisany kiedykolwiek na układy Intela. Intel zamierza utrzymać tę zgodność w przyszłości, dając klientom pewność, że olbrzymia liczba programów napisanych dotychczas na komputery osobiste z procesorami Intela nadal będzie mogła na nich działać. Jak zauważył jeden z inżynierów, na dojrzałym rynku najlepszą metodą wprowadzenia rewolucji jest ewolucja.

Patrząc na rewoltę studencką z lat sześćdziesiątych Gordon Moore stwierdził kiedyś, że to my jesteśmy prawdziwymi rewolucjonistami. Dramatyczne wydarzenia z pierwszych 25 lat historii mikroprocesorów dowodzą, że miał rację. Na szybko ewoluującym rynku mikroprocesorów najlepsze jest wciąż jeszcze przed nami.

Zdjęcia: Internet