Výrobní technologie čipů: historie a současnost

Nyní se tedy podíváme na historii výrobních procesů v souvislosti s vývojem procesorů architektury x86. Nebudeme tedy mezi ně míchat ISA od Sun Microsystems či jiné.

Léta 70. a začátek Intelu

Historii výrobních procesů začneme na samotném začátku 70. let, kdy spatřily světlo světa procesory Intel 4004 a 8008 vyráběné 10 mikrometrovým procesem. Tyto procesory měly morální životnost, o jaké mohou dnešní modely Intelu jen snít. První z nich byl v produkci 10 a druhý dokonce 11 let, i když ani to není nic oproti životnosti procesoru 80186 nebo 80386.
Čip 4004 je prvním programovatelným mikroprocesorem pro všeobecné použití. Jedná se o čtyřbitový čip pracující na frekvenci pouhých 740 kHz, který se vzhledem ani nepodobá dnešním procesorům, jako spíše běžným integrovaným obvodům, tzv. švábům. Však má taky pouze 16 pinů, zatímco dnešní procesory jich mají přes tisíc. Vylepšený čip 8008 pracoval na frekvenci až 800 kHz a šlo již o 8bitový procesor s externí 14bitovou adresovou sběrnicí pro 16 kB paměti (2¹⁴). Tento čip byl vyráběn až do roku 1983, ovšem do té doby byly vyvinuty další výrobní procesy, a to 6µm a 3µm, čili výrobní proces se zmenšil třikrát.
Intel pochopitelně s vývojem dalších procesorů nečekal na to, až ty staré budou za zenitem. V roce 1974 přišel na svět slavný procesor 8080 vyráběný pomocí 6µm procesu. Jedná se o vylepšenou verzi modelu 8008 pracující na 2 MHz, jehož architekturu můžeme považovat za předka dnešních procesorů x86. Ještě v 70. letech vypustil tři nové 3,2mikrometrové procesory, a to 8085, 8086 a nakonec zjednodušený 8088. Procesor Intel 8085 je stále ještě 8bitový, ovšem procesor 8086 je již 16bitový a není už pouze předek architektury x86, ale její přímá součást.

Procesor 8086 již mohl pracovat na frekvenci až 10 MHz, využíval 40pinové DIP pouzdro a také veškeré interní registry stejně jaké interní a externí datové sběrnice byly 16bitové. Adresová sběrnice má již 20 bitů, což umožnilo připojit až 1 MB paměti. Procesor 8088 byl určen pro levnější systémy, a šlo tedy o jednodušší procesor. Hlavním rozdílem je to, že 8088 měl jen 8bitovou externí datovou sběrnici, ale jinak pracoval na stejné frekvenci a využíval stejnou instrukční sadu x86-16. Sluší se také uvést, že Intel nebyl jedinou firmou, která měla takovéto výrobní kapacity k dispozici. Jmenovat musíme především ještě IBM, Zilog, Motorolu a jsou tu i další, jako i AMD. Právě AMD byla jednou z firem, která s dovolením Intelu mohla vyrábět procesory jako 8086 nebo 8088. A jak dnes už dávno víme, nepřestala s tím.

80. léta: nastupuje IBM PC

Procesor Intel 8088 spatřil světlo světa již v roce 1979, ovšem jako součást IBM PC přišel na trh v roce 1981. IBM sice uvažovalo o využití lepšího 8086, ale ten byl dražší a Intel by nebyl schopen dodávat potřebný počet kusů. I tak byl ale Intel nucen firmou IBM najít dalšího výrobce, který pro něj bude vyrábět v licenci procesory a volba padla na AMD. Tato firma tak vstoupila do světa procesorů x86 počínaje modelem 8086 a od roku 1983 vyráběla také modely 8088 pro IBM PC.
Jenomže to už jsme v době 1,5µm procesu, jímž byly vyráběny procesory Intel 80186 a 80286, které už známe spíše pod zlidovělým označením 186 a 286. Jde o současníky, ovšem procesor 186 se mohl těšit z velmi dlouhého života, však Intel jej začal vyrábět v roce 1982 a přestal až v roce 2007. Však i když byl již dávno zastaralý pro použití v počítačích, mohl se uplatnit jinde, třeba v modemech. Tyto procesory mohly pracovat až na 25 MHz a 286 se nakonec stala základem pro další IBM PC s označením AT, další legendu, která přežila do 90. let.

Pomocí stejného procesu vyráběla své klony Am286 také společnost AMD. Ty končily na frekvenci 20 MHz a vyráběly se od roku 1984 do 1990. Své třisomšestky vyrábělo pak také IBM.
Následuje již 1µm až 800nm proces a další procesorová generace Intelu, notoricky známé procesory Intel 80386, čili již 32bitové procesory. Pamatovat si můžeme především 33MHz, ale i 40MHz modely, což platilo i v případě AMD. Procesory Am386SX a Am386DX byly v podstatě identické kopie svých protějšků od Intelu, což již vyvolalo značné právní spory mezi firmami AMD a Intel a z tohoto důvodu začaly být 386 firmou AMD vyráběny až v roce 1991, pět let po příchodu prvních modelů od Intelu. I tak si ale vydobyly značnou popularitu, především model Am386DX-40, který obstál i ve srovnání s Intel 486 především díky svému poměru výkonu a ceny. To byly také ještě zlaté časy, kdy nás vůbec nemusela trápit spotřeba těchto čipů. Však tento nejvýkonnější model 386 od AMD měl spotřebu jen mírně nad 3 W.

Procesory Intel 80486 začínaly na 1µm procesu, když přišly v roce 1989 na trh a vydržely na něm stejně jako 80186 až do roku 2007. Postupně se probojovaly až k 600nm a dle dnešního hodnocení jde o velmi bohatou generaci na typy, rozsah pracovní frekvence i výrobce. Však procesory 486 začínaly na 15 MHz a končily na 150 MHz, vyráběny byly v celkem 5 různých pouzdrech, a to sedmi firmami. Intelu se povedlo poprvé překonat hranici 1 milionu tranzistorů, zatímco dnes je počítáme na miliardy a ve verzi DX už tento procesor měl integrovanou jednotku pro výpočty v plovoucí řádové čárce (FPU).

90. léta: první Pentia, ale stále 800 nm

Procesory 80501 či P5 dnes známe pod značkou Pentium, která s námi vydržela velmi dlouho. Řada z vás si jistě pamatuje na první dvojici Pentií, která pracovala na 60 a 66 MHz a šlo o superskalární architekturu navazující na 80486, která byla schopna za jeden takt zpracovat více instrukcí tak, že je rozdělila do různých funkčních částí procesoru. Pentia tak mohla být rychlejší i při nižší pracovní frekvenci, ovšem tu časem dohnala a architektura P5 se nakonec dostala až na 300 MHz. To umožnil především pokrok ve výrobním procesu.
Intel začal tedy na 800 nm v roce 1993, v němž přišly první nízko taktované modely. Následně byl v následujícím roce využit 600nm proces pro výrobu až 120MHz Pentií (či 486DX4), o rok později už to byl 500nm proces pro první Pentia Pro, 350nm proces pro výrobu prvních Pentií s multimediálními instrukcemi MMX a taktem až 233 MHz. Generace P5 byla zakončena v roce 1997 procesory Pentium "Tillamook" s frekvencí až 300 MHz, které byly vyráběny 250nm procesem. Čili během čtyř let se Intelu podařil přechod z 800 nm na 250 nm, což je rapidní vývoj.

Co se týče společnosti AMD, ta se v době nástupu prvních Pentií snažila konkurovat stále procesory generace 486. Vzpoměňme si třeba na model Am5x86-P75 vyráběný 350nm technologií, jehož označením se AMD snažilo sdělit, že od něj můžeme očekávat výkon Pentia na 75 MHz. Tento procesor byl taktovaný na slušných 133 MHz a později se objevila i 150MHz verze. Později nastoupily již procesory generací K5 (1996) a K6 (1997) vyráběné 350nm procesem a pro firmu AMD jde tedy o milník, který značí nástup na jeho vlastní označování procesorů nezávisle na Intelu a jeho vlastní cestu vývoje architektury x86. Štafetu převzal ale někdo jiný - společnost Cyrix.
Cyrix 6x86 byly vyráběny společností SGS Thomson (dnes ST Microelectronics) od roku 1996 a později vznikaly v továrnách IBM. Tyto procesory byly také superskalární a kompatibilní se sockety pro Pentia P54C (75 - 100MHz modely pro 3,3 V), přičemž Cyrix využíval PR (ne tiskové oddělení, ale Performance Rating). Ten se vztahoval k první generaci Pentií P5 (60 a 66 MHz) a ukazoval, že Cyrix 6x86 na 133 MHz má svým výkonem překonat P5 na 166 MHz. Takový Cyrix byl tak označen jako PR 166+, a jeho výrobce tak ukázal, že Intel je se svými procesory výkonnostní "mustr" a že zákazníci se při nákupu procesoru orientují především podle počtu megahertz. Intel se snažil kontrovat, že číslo u jeho procesoru opravdu znamená reálnou pracovní frekvenci, ale toto dogma používal pouze do té doby, kdy to pro něj bylo stále výhodné. Čili do té doby, kdy se architektura Netburst procesorů Pentium 4 začala ukazovat jako slepá cesta a začaly se chystat níže taktované, ale výkonnější Core 2, avšak to už jsme někde jinde.

Nyní se již objevily i první problémy se zahříváním procesorů. Byly to právě především vysoko taktované modely Cyrix PR 166+ a PR 200+ nebo AMD K6. A považte, tyto procesory měly neslýchanou spotřebu 25 W, kdežto P5 se držely kolem 15 W. Cyrix reagoval představením procesorů 6x86L se sníženou spotřebou. Z toho je jasně patrné, v jakém stavu se nacházely technologie pro chlazení počítačových čipů, však dnes mají 25W spotřebu mobilní procesory, s jejichž chlazením není problém, ale v 90. letech byly chladiče velké zhruba jako samotný čip a šlo o malé žebrované pasivy z hliníku s malým a ukvičeným ventilátorkem.

Pro společnost Cyrix byly procesory 6x86 úspěšné, ovšem ještě před koncem tisíciletí bylo jasné, že Cyrix nedokáže firmám AMD a Intel konkurovat. Mohly za to finanční problémy a z nich vzešla i technologická zaostalost. Cyrix již nemohl oslňovat svým PR, čili vysokým výkonem při nižší frekvenci, a úspěch nepřinesly ani procesory MediaGX orientující se na levnější a slabší PC. MediaGX byly nakonec přejmenovány na Geode, které už známe jako nízkospotřebová CPU firmy AMD. Ta je totiž odkoupila v roce 2003, a podtrhla tak konec Cyrixu ve světě x86.