MIKROPROCESSORNS HISTORIA
Jerry Niva
Fredrik Modigh
DATAT2
2003-10-09
1
SAMMANFATTNING
Syftet med denna rapport var att undersöka mikroprocessorns historia. Informationen fanns
lättillgänglig på flera platser på Internet, dock håller inte alla källor samma kvalitet. För att få
en bättre förståelse börjar denna rapport med att studera föregångarna till vad som egentligen
menas med en dator.
Människan har alltid försökt bygga maskiner för att klara problem. Ända sedan första
matematiska tanken har matematiska problem uppkommit, vilket lett till att man har byggt
konstruktioner för att bemästra matematiska problem. Datorn är det hittills effektivaste
verktyget för att klara dessa. Och den uppfinning som har gjort mest för datorns utveckling till
det den är idag är mikroprocessorn.
Men innan mikroprocessorns tid har flera otroliga maskiner konstruerats och utvecklats. De
första var väldigt otympliga och svåra att hantera. De klarade inte heller några avancerade
uppgifter, men de fungerade i alla fall. Först skapades mekaniska maskiner, t.ex. med
kugghjulsmekanismer för att göra beräkningar. Sedan med elektriciteten utvecklades
relämaskiner, och snart därefter fick elektronrören betydelse.
Så upptäcktes äntligen tekniken om halvledare, och den utmärkta komponenten transistorn
utvecklades från denna. Transistorn var den överlägset bästa komponenten för datorer. Snart
kunde man tillämpa transistorteknik i form av Integrerade Kretsar. Från denna tidpunkt var det
inte långt till första mikroprocessorn. Så 1971 stod den första mikroprocessorn klar hos Intel.
Sedan dess har utvecklingen stormat fram med kraftfulla processorer, som snart utklassats av
ännu mer kraftfulla processorer. Idag är bara ett fåtal av aktörerna från förr med i kampen om
den bästa mikroprocessorn.
2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
INNEHÅLLSFÖRTECKNING ................................................................................................ 3
INLEDNING .............................................................................................................................. 4
MIKROPROCESSORNS HISTORIA.................................................................................... 4
Elektronröret ........................................................................................................................... 4
Transistorn .............................................................................................................................. 4
Transistorn bättre än elektronröret ..................................................................................... 6
Integrerade kretsen ................................................................................................................. 7
Moore’s lag......................................................................................................................... 8
Mikroprocessorn..................................................................................................................... 8
Utvecklingen fram till idag................................................................................................. 9
SLUTSATSER........................................................................................................................ 11
REFERENSER....................................................................................................................... 12
Figurreferenser ..................................................................................................................... 12
3
INLEDNING
Människan har alltid velat bygga maskiner för att underlätta vissa saker i livets vardag. Idag
har vi kraftfulla beräkningsmaskiner där mikroprocessorer gör det stora jobbet. Charles
Babbage var en man som började bygga på en mekanisk maskin, han kallade difference
engine. Det var meningen att den skulle kunna utföra matematiska beräkningar, men den blev
inte klar. Beräkningar i efterhand visade på att maskinen skulle ha blivit lika stor som en
fotbollsplan. Detta var ett generellt problem under den här tiden allting som byggdes blev
väldigt stort och otympligt. Dessa maskiner var långt ifrån vad man kunde kalla datorer.
I samband med byggandes av den första elektriska telegrafen behövdes det något som kunde
förstärka signaler. Detta problem löstes av s.k. reläer som upprepade signalerna. Utvecklingen
började ta fart under de första decennierna på 1900-talet. Maskinerna var primitiva och tog
enormt med plats. Men sedan kom elektronrören som komma att bli startskottet för
vidareutvecklingen mot de mikroprocessorer som idag finns i runt omkring oss.
MIKROPROCESSORNS HISTORIA
Elektronröret
Detta rör var vakuumförpackning och innehöll en upphettad metallelektrod som pumpades
runt i röret och på så vis bildades en strömkrets. Det intressanta med detta är om man kopplar
in elektriska poler kommer en ström flyta igenom vakuumet. Detta var redan känt 1883 då
Thomas Edison upptäckte fenomenet. Medan han fifflade med glödlampan såg han att han
kunde få en ström att gå mellan glödtråden till metallplattan i botten. Det han kommit på var
att elektricitet inte behövde någon ledare utan kunde färdas genom gaser eller i detta fall
vakuum. Det dröjde till 1904 innan någon kom på vilken nytta man kunde dra av detta. Det
var den brittiska vetenskapsmannen John A. Fleming som gjorde vakuumröret som i dag är
känd som en diod. Dioden i sin tur var känd som ett rör, för att den tvingade strömmen i röret
att färdas enbart åt ett håll. Fördelarna med elektronröret jämfört med dess föregångare var att
omslaget mellan ”på” och ”av” gick mycket fortare. Dock krävdes kylsystem eftersom rören
alstrade stora mängder värme, de gick även sönder ofta vilket krävdes passning och sökschema för att kunna lokalisera vilka rör som var trasiga. Den tidens datamaskiner behövde
upp emot 2000 rör, vilket gjorde att ett avstannande resulterade i en massa reparationstid.
Transistorn
Efter andra världskriget satte Kelly, som var Bells forsknings chef, ihop en grupp
vetenskapsmän för att kunna ersätta det problematiska elektronröret. Gruppen använde delar
av tidigare lyckad forskning inom halvledartekniken, som gjorde radarn möjlig innan kriget.
En ung och smart teoretiker vid namn William B. Shockley utsågs till gruppens ledare.
Shockley valde sedan ut Walter Brattain från Bells laboratorier. Han var en experimentell
fysiker som kunde bygga och fixa med det mesta. Från Universitetet i Minnesota hyrde
4
Shockley en teoretisk fysiker vid namn John Bardeen. Tillslut bestod forskningsgruppen av
fysiker, kemister och ingenjörer. Deras laboratorium kallades sedan ”Hell’s Bells Laboratory”.
1945 lade Shockley fram vad han hoppades bli den första halvledarförstärkaren, som skulle
bygga på något som kallades fälteffekt1. Shockley arbetade ensam och oftast i hemmet medan
Bardeen och Brattain tog plats i Bells lab. i Murray Hills lokaler. De påbörjade ett bra
samarbete där teoretikern Bardeen lade fram möjliga experiment och tolkade och förklarade
resultaten medan Brattain utförde experimenten. Alla trodde de visste hur elektroner betedde
sig i kristaller, men Bardeen upptäckte att de hade fel. Elektronerna formade en barriär på
ytan.
Hans genombrott var vad de behövde. Bardeen berättade inte för gruppens chef Shockley om
förändringarna de lyckats komma fram till. Bardeen och Brittain arbetade vidare och byggde i
december 1947 ”the point - contact transistor” 1. Den var gjord av guldfolie på en
plasttriangel, nedtryckt så den fick kontakt med en platta av germanium1. Nu när de var klara
berättade de för Shockley om deras uppfinning. Han blev förstås både belåten och arg. De
hade ju inte låtit honom få vara med. Shockley ville inte vara sämre han var ju trots allt
teamets ledare. Han hade själv utvecklat “the junction(sandwich)transistor” 1. Den utvecklade
Shockley av ilska och kreativitet. Den tog honom fyra veckors tänkande och skrivande men
inte förrän två år efteråt lyckades han byggda den. Hans uppfinning var mera robust och mera
praktisk än vad Bardeen och Brattain’s point-contact transistor var. Shockleys uppfinning blev
elektronikhistoriens heliga skatt. Bardeen och Brattain blev ”undanknuffade” och denna
incident splittrade gruppen. Från att ha varit en samarbetsmiljö hade nu situationen blivit rent
tävlingsinriktad. Problemen var vem eller vilka som skulle stå för patentet till anordningen
och inte mindre vem eller vilka som skulle stå som frontfigur inför massmedia.
Bell’s laboratorier bestämde sig 30 juni, 1948 för att avslöja uppfinningen. Bakom namnet
transistor låg kombinationen av att uppfinningen var trans - resistent och att den innehöll
termistorer. Uppfinningen fick lite uppmärksamhet bland massmedia och industrin men
Shockley såg vilken potential den ändå hade. Han valde att lämna Bell’s laboratorier för att
starta eget. Ingenjörer och fysiker hyrdes. Men enligt den fysiska kemisten Harry Sello,
irriterade sig alla på Shockleys personlighet och detta medföljde att de åtta bästa sökte sig bort
ifrån Shockley Semiconductor. ”De åtta förrädarna” startade ett nytt företag vid namn
Fairchild Semiconductors, men inte alla. Bob Noyce och Gordon E. Moore bildade istället
Intel Corporation. Shockleys företag var början till det nutid Silicon Valley. 1956 fick tillslut
Bardeen, Brattain och Shockley dela på nobelpriset i fysik.
5
1
Se förklaring under Referenser (PBS).
Figur 1: Bardeen, Brattain och Shockley
Transistorn bättre än elektronröret
Den fungerade som det gamla elektronröret och den lagrade minne. Den användes ungefär
som dagens internminne. Men framförallt var den mindre, drog mindre ström och med andra
ord alstrade den mindre värme. En transistor tar bara 1/50 av elektronrörets storlek och 1/100
av dess vikt. Till en början tillverkades de av germanium men runt 1960 började de även
tillverkas av kisel. Nu kunde man bygga mycket mindre datorer för att elektronröret gjorde
datorerna stora och klumpiga. Transistorn var gjord av en grupp grundämnen som kallades
halvledare, vilket innebär att de ledde el bara under vissa förhållanden. Nya problem uppstod i
och med att dåliga kopplingar uppstod när man lödde komplexa strömkretsar.
Transistorn jämfört med elektronröret:
kräver mindre ström
behöver inte värmas upp
enklare till sin konstruktion
billigare att massproducera
betydligt mer driftsäker
kan arbeta snabbare
kan göras mycket mindre
6
Integrerade kretsen
Transistorn blev en vanlig beståndsdel i radioapparater, telefoner och datorer. Trots att
transistorn var mindre än elektronröret behövde elektroniken bli ännu mindre. Men det fanns
en gräns hur liten man kunde göra en transistor.
En dag i slutet av juli 1958 satt Jack Kilby ensam på Texas Instruments. Han var anställd för
bara några månader sedan och hade ingen möjlighet att ta ledigt när alla andra hade semester.
Han hade mycket tid att tänka och tillslut kom han på att man kunde göra alla komponenter
till en krets, inte bara transistorer, på en och samma kiselplatta. Just då gjorde ingen
kondensatorer eller resistorer med hjälp av halvledare. Om detta gjordes skulle en hel krets
kunna byggas på en enda kristall och på så vis skulle den bli mycket mindre och lättare att
producera. Kilbys chef tyckte om idén och sa till honom att börja arbeta. Bara några månader
senare hade Kilby byggt en fungerande modell och den sjätte februari året därpå tog företaget
patent på deras första solida krets. Storleken var i stil med en pennspets och offentliggjordes
först i mars.
I januari 1959 i Kalifornien hade en annan man liknande idéer. Robert Noyce arbetade för det
lilla företaget Fairchild Semiconductors. Han insåg också hur en hel krets kunde göras på ett
enda chip. Medan Kilby hade arbetat fram detaljerna på hur man gjorde individuella
komponenter, tänkte Noyce ut ett bättre sätt att sätta ihop komponenter. Enhetliga kretsar hade
utformats vid Fairchild och de lade fram det som ett patent. De visste då redan att Texas
Instruments hade fyllt i ett patent på något liknande. Fairchild skrev ner en väldigt detaljerad
ansökan ihop om att det inte skulle inkräkta på Texas likvärda anordning.
Alla detaljerna gav resultat i och med att patentkontoret utfärdade det första patentet för en
integrerad krets 1961 till Robert Noyce medan Kilby’s ansökan fortfarande analyserades. I
idag är båda accepterade som uppfinnare till den integrerade kretsen. De dröjde dock enda till
år 2000 innan de båda forskarna fick ta emot nobelpriset i fysik. Kilby har som uppfinnare
lyckats skaffa sig ett 60-tal patent och är bl.a. meduppfinnare till fickräknaren, som är en av de
första tillämpningarna av den integrerade kretsen.
Datorerna blev nu tack vare dessa två uppfinnare ännu snabbare för nu behövde elektronerna
färdas ännu kortare sträckor. Det krävde att komponenterna packades ännu tätare på kiselytan.
De första integrerade kretsarna fanns till salu våren 1961. I början var tekniken för oprövad
och fick ingen direkt betydelse för industrin, men rymdkapplöpningen ledde på 1960-talet till
att NASA var i stort behov av diskret och pålitlig elektronik. NASA köpte stora mängder
komponenter till relativt höga priser. Nu fick halvledarindustrin stora intäkter som dom kunde
använda till att utveckla kretsarna ännu mera och sänka priserna.
Det konceptet som konstruktörerna använde benämndes LSI och stod för large scale
integration, som innebar upp till 10 000 komponenter per chip. Det följde naturligt att
komponenterna packades ännu tätare intill varandra och dessa klassades som VLSI som står
för very large scale integration. VLSI-chip kunde innehålla upp till 250 000 komponenter.
Denna utveckling lade grunden till utvecklingen av den första mikroprocessorn.
7
Moore’s lag
Gordon E. Moore analyserade utvecklingen hos integrerade kretsarna med avseende på antalet
transistorer på samma chip. Då märkte han att antalet komponenter hade fördubblats per år
under de senaste tre åren. På den tiden innehöll varje chip i medeltal 50 element. Moore
tillkännagav 1965 att denna trend skulle fortsätta i 10 år tills antalet komponenter per chip
nådde 65000. Den förutsägelsen verkade mest vara som vilken gissning som helst. Men tiden
gick och hans spådom stämde väldigt väl mer än han själv trodde från början. Faktiskt så
stämde detta långt mer än Moore förutsagde. Efter ett tag så gick utvecklingen långsammare
och Moore korrigerade sin ”lag” till:
"The number of transistors on a chip doubles every 18 months."
Mikroprocessorn
Utvecklingen av integrerade kretsar har hela tiden gått mot att få in fler och fler komponenter
på en så liten kiselyta som möjligt. Nu var det bara en tidsfråga innan den första kompletta
mikroprocessorn kunde byggas på ett chip.
År 1969 planerade den japanska kontorsmaskintillverkare Busicom att utveckla avancerade
bordskalkylatorer som skulle klara trigonometri och liknande. Tyvärr fanns det ingen ingenjör
i landet som hade kunskapen att konstruera dom 12 integrerade kretsarna som behövdes. De
löste problemet genom att vända sig till det nystartade företaget IntegratedElectronics.
Grundarna till detta företag var den tidigare nämnde Robert Noyce och Gordon E. Moore.
Företaget är nu mera känt som Intel corporation.
Den som fick ta sig an de 12 integrerade kretsarna blev Ted Hoff som nyligen hade värvats
från Stanford. Han tyckte det var oklokt att göra de applikationsspecifika kretsarna ur ett
ekonomiskt perspektiv. Istället för ett system med 12 komponenter valde Intel att använda en
ny oprövad teknik med 4 komponenter. De var en central processenhet CPU (Central
Processing Unit) på fyra bitar, en RAM-enhet (Random Access Memory), en ROM-enhet
(Read Only Memory) och ett 10 bitars skiftregister för in och utmatningen. Japanerna behövde
övertalas för att gå med på denna idé. När arbetet väl var i gång ansåg Busicom att det hela
gick långsamt. 1970 kom Fredrico Faggin till Intel. Han bidrog med sin kunskap så att det
nästan avstannande arbetet fortgick. Han använde sin egenuppfunna teknik för halvledare
kallad MOS (Metal Oxide Semiconductor). Denna teknik var ny och uppfanns innan Inteltiden då han arbetade för Fairchild. På Intel insåg man vilken potential denna krets hade, dock
var inte Busicom lika intresserade av att processorn hade användningsområden utanför
miniräknarbranschen. Så tillslut blev processorn klar och kunde levereras till Japan. Världens
första mikroprocessor hade sett dagens ljus. Chippet gick under namnet 4004 och bestod av
totalt 2250 transistorer komplett med ett minne, utgjorde grunden till en komplett dator.
Fortfarande hade Busicom ensamrätten på teknologin men Intel förhandlade sig loss så att de
fick rätten att använda tekniken utanför miniräknarbranschen.
Intel presenterade 1971 fristående deras första mikroprocessor, kallad på engelska CPU i
tidningen Electronics News. Den utgjorde en komplett dator. Den arbetade med data i fyra bitars block och hade en hastighet av 60 kHz. Trots att den inte var särskilt effektiv kunde
8
dom användas till väldigt skilda uppgifter vilket gjorde att det totala priset kunde slås ut på en
stor mängd användare. Året efter fick Intel återigen ett uppdrag men nu från ett annat företag
att utveckla en liknande krets för att styra bildskärmsterminaler. Resultatet blev 8008, den
första generella mikroprocessorn. Den arbetade med 8-bitar istället för 4004ans 4-bitar. Under
tiden som Intel utvecklade sin 8008 bestämde sig uppdragsgivarna att använda en billigare
teknik och Intel ställde då in sig på att sluta med mikroprocessortillverkningen. Trots detta
lanserade dom ändå 8008an. Tur var nog det för den blev en stor försäljningssuccé som
innebar att både konkurrenterna och Intel själva fick tänka om. Året var 1972 då denna
lanserades, och Intel kunde glänsa med att de både hade skapat första mikroprocessorn, och att
de hade nästa generation färdig redan efter sex månader. Redan året därpå introducerades
efterföljaren som komma att kallas 8080.
Vid sidan av Intel fanns konkurrenter som Motorolas 6800 och Apple’s Macintosh. Z80 var
en annan konkurrent den tillverkades av Zilog, som var startat av tidigare Intel-anställda
främst Faggin.
Utvecklingen fram till idag
1977 lanserades tre mikrodatorer som var riktade till en mycket bredare marknad än tidigare
primitiva byggsatsdatorn Altair, dessa tre var mer utrustade för att passa allmänheten.
1978 Var det dags för Intels 8086 som var en 16bitars CPU med klockfrekvensen 10 MHz och
bestod av 29 000 transistorer.
1979 Kom en variant av 8086 kallad 8088 som var en 8bitars version 8086. Den hade
maximalt klockfrekvensen 8MHz.
1981 var året då företaget IBM (International Business Machines) gjorde 8086-processorn
väldigt populär genom att ha den som grund i sin första dator, IBM PC.
1982 kom 80286 processorn. Den bemästrade ett RAM-minne på 16Mb och innehöll 134 000
transistorer.
1985 kom Intels 80386 med 275 000 transistorer. Arbetade som högst med 33 MHz och var
den första 32-bitars processorn.
1989 kom nästa processor och namnet var 80486. Max 50 MHz och innehöll 1.2 miljoner
transistorer. Denna CPU var mer än 50ggr snabbare än den tidigare 8088.
1992 hade en variant av 80486 skapats. Den hette 486DX2 och arbetade med dubbel hastighet
internt på chippet.
1993 var året då Intel ville kalla sin nya processor 80586, men de fick inte ensamrätten och
döpte den istället till Pentium. Den hade varierande klockfrekvenser upp till 200 MHz.
1994 lanserades den sista varianten av 80486. Den hette 486DX4. Företaget AMD (Advanced
Micro Devices) ville utmana Pentiums framgång genom att vidareutveckla en billigare
processor för 486-generationen.
1995 var det dags för nästa CPU i Pentium-generationen; Pentium Pro som kunde arbeta med
maximalt 200 MHz och innehöll 5.5 miljoner transistorer.
1997 kom Pentium MMX och Pentium II ut. MMX var speciellt avsedd för multimedia. PII
rymde hela 7.5 miljoner transistorer och var den första som monterades stående i en kortplats
9
kallad slot1. Klockfrekvenserna rörde sig successivt mot 450 MHz. AMD presenterar
samtidigt sin K6-2 processor.
1998 utkom en avskalad variant på en PII, kallad Pentium Celeron.
1999 stod processorn Pentium III klar. Bestående av 9.5 miljoner transistorer och fanns i
hastigheter från 450 MHz till 1 GHz.
2000 var året då 42 miljoner transistorer utgjorde stomme för Pentium 4. Hastigheter upp till 3
GHz behärskade den. Samtidigt hade AMD utvecklat sin Athlon-processor.
2003 Intels Itanium och AMD:s Athlon 64 var de första 64-bitars processorerna.
Figur 2: Processorgenerationerna
10
SLUTSATSER
Konkurrens och forskare som velat bli först med patent på ny teknik är troligen det som mest
drivit utvecklingen framåt. I dagsläget står konkurrensen mellan Intels Itanium och AMD:s
Sledgehammer om vem som är bäst! Hur det kommer att sluta vet ingen ännu. När kommer
128-bitars processorerna? Hur långt kan man gå med den nuvarande teknologin? Det är bara
att följa den spännande utvecklingen som framtiden har att erbjuda.
11
REFERENSER
CPU History
http://www.geocities.com/cfleri/gallery.html/ (30 sept titelbilden)
Datalogi, historien
http://193.180.65.160/datalogi/dlgihist.shtml/ (2 okt 2003)
Intels processorutveckling
http://www.daft.t.se/teknik/utveckling/cpu_utveckling.asp/ (3 okt 2003)
Mikroprocessorn 25 år, Magne Lein, Computerworld Norge
http://domino.idg.se/cs/artikel.nsf/0/2bb809754f268eab412564d4005919ff?OpenDocument
PBS
http://www.pbs.org/transistor/album1/index.html/ (30 sept 2003)
SeniorNET, Kungsholmen
http://www.seniornet.se/klubbSto/Kungsholmen/w_his/process.htm/ (2 okt 2003)
Figurreferenser
Figur 1
http://www.pbs.org/transistor/album1/addlbios/egos.html/ (30 sept)
Figur 2
http://www.geocities.com/cfleri/history.html/ (30 sept)
12
