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Interno di un moderno microprocessore
Un microprocessore (spesso abbreviato con µP) è un componente elettronico digitale formato da transistor racchiuso in uno o più circuiti integrati. Uno o più processori sono utilizzati come CPU da un sistema di elaborazione digitale come può essere un personal computer, un palmare, un telefono cellulare o un altro dispositivo digitale.
La costruzione dei microprocessori fu resa possibile dall'avvento della tecnologia LSI: integrando una CPU completa in un solo chip permise di ridurre significativamente i costi dei calcolatori. Dagli anni 80 in poi i microprocessori sono praticamente l'unica implementazione di CPU.
Dalla loro introduzione ad oggi, l'evoluzione del microprocessore ha seguito con buona approssimazione la legge di Moore, una legge esponenziale che prevede il raddoppio del numero di transistor integrabili sullo stesso chip (e quindi, nella visione di Moore, delle prestazioni) ogni 18 mesi. L'incremento prestazionale verificatosi dalla fine degli anni 80 però è dovuto soprattutto al miglioramento dell'architettura dei calcolatori, attraverso l'adozione di tecnologie RISC, come l'uso di pipeline e di gerarchie di memorie cache.
Il primo microprocessore [modifica]
Il 4004 con la copertura rimossa (a sinistra) e come veniva venduto (a destra)
Come altre innovazioni tecnologiche il microprocessore apparve appena la tecnologia lo consentì dato che l'idea di integrare i componenti di una CPU in un singolo circuito integrato era una soluzione logica. Quasi contemporaneamente infatti iniziarono lo sviluppo l'Intel 4004 il Texas Instruments TMS 1000, e il Garrett AiResearch Central Air Data Computer. Nel 1968 Garrett iniziò a sviluppare un sistema elettronico per competere con i sistemi elettromeccanici utilizzati nei caccia militari. L'obiettivo del progetto era equipaggiare il nuovo F-14 Tomcat che allora era in sviluppo. Il progetto venne completato nel 1970 e utilizzava integrati MOS per il core della CPU. Il progetto era semplice e innovativo e vinse sui competitori elettromeccanici venendo utilizzato fin dai primi Tomcat. Purtroppo la marina americana considerò il progetto tanto innovativo che impedì la pubblicazione di articoli sul sistema fino al 1997, per cui questo microprocessore rimase semisconosciuto.
Texas Instruments (TI) sviluppo in sistema TMS 1000 a 4 bit per applicazioni embedded pre-programmate. Il 17 settembre 1971 annunciò il modello TSM 1802NC, programmabile, che poteva essere utilizzato per implementare un calcolatore. L'Intel 4004, processore a 4 bit, venne presentato il 15 novembre 1971 e fu sviluppato da Federico Faggin.
TI presentò la prima richiesta di brevetto per il microprocessore. Gary Boone ottenne l'assegnazione del brevetto U.S. Patent 3,757,306 per l'architettura di un microprocessore a singolo chip il 4 settembre 1973. Non è mai stato reso noto se realmente l'azienda avesse avuto il microprocessore funzionante nei suoi laboratori. Comunque sia nel 1971 che nel 1976 Intel e TI stipularono un accordo in cui Intel pagava a TI i diritti per l'utilizzo del suo brevetto. Un riassunto della storia e contenuto nella documentazione che Intel presentò in tribunale quando fu chiamata in giudizio da Cyrix per violazione dei brevetti e Ti intervenne come proprietario del brevetto originario.
Interessante è il fatto che recentemente Intel e TI abbiano affermato di avere brevetti che potrebbero coprire il brevetto del "microprocessore". In questa pagina web TI e Intel predatano il brevetto descrivendo un microcontrollore che potrebbe coprire il brevetto del microprocessore essendo il progetto indicato concettualmente simile: Gary Boone e Michael J. Cochran presso la TI ne depositarono il brevetto, U.S. Patent 4,074,351, che pur essendo più simile a un microcontroller potrebbe coprire anche quello del microprocessore.
Secondo "A History of Modern Computing'", (MIT Press), pp. 220–21, Intel venne contattata dalla Computer Terminals Corporation (in seguito nota come Datapoint) di San Antonio TX per l'acquisto dell'integrato che stava sviluppando. In seguito Datapoint decise di non utilizzare l'integrato e Intel lo immise sul mercato come 8008 nell'aprile del 1972, riscuotendo un certo successo, creando il primo vero mercato per i microprocessori: fu la base del famoso computer Mark-8 venduto in scatola di montaggio da Radio-Electronics nel 1973.
Processori a 8 bit significativi [modifica]
Il 4004 venne seguito nel 1972 dall'8008, il primo microprocessore a 8 bit del mondo, evoluto successivamente nel più famoso Intel 8080 (1974).
Dal progetto 8080 venne derivato il clone Z80 prodotto nel 1976 dalla ZiLOG, società fondata da alcuni fuoriusciti dalla Intel, tra i quali lo stesso Federico Faggin. Compatibile a livello di set istruzioni, lo Z80 includeva diversi miglioramenti che lo fecero rapidamente preferire all'8080 dagli sviluppatori. Intel reagì producendo nel 1976 una propria versione migliorata dell'8080, l'8085, ancora compatibile a livello binario con i programmi scritti per l'8080.
Motorola presentò nell'agosto del 1974 il 6800, primo processore ad adottare un registro indice. Molto versatile, ebbe un discreto succcesso, oscurato in parte l'anno successivo dal lancio del MOS Technology 6502: era ispirato all'architettura del 6800, dotato di alcune soluzioni tecniche migliorative e soprattutto caratterizzato da un costo drammaticamente inferiore (25 USD contro i 175 UDS del 6800), cosa che che lo rese estremamente popolare. Il 6502 fu scelto, ad esempio, da Steve Wozniak per l'Apple I nel 1976 ed il successivo Apple II nel 1977.
Motorola reagì con il 6809 (1979), uno dei più potenti e ortogonali processori a 8 bit mai sviluppati: non usava microcodice, e l'unità di controllo era interamente in logica cablata. I successori del 6809 risultarono essere troppo complessi per poter mantenere questo approccio e vennero equipaggiati con una tradizionale unità logica a microcodice. Il progetto 6809 è alla base di una serie molto diffusa di microcontrollori tutt'ora utilizzata in sistemi embedded.
The Western Design Center, Inc. (WDC) presentò nel 1982 il 65C02 con tecnologia CMOS e licenziò il progetto a molte altre ditte che svilupparono i processori alla base dei computer Apple IIc e IIe. Il processore fu utilizzato anche in pacemaker, defibrillatori, automobili, prodotti industriali e di consumo. WDC fu pioniera nella vendita delle proprietà intellettuali e fu seguita anni dopo da Architettura ARM e altre ditte che basano i loro guadagni sullo sviluppo e sulla vendita delle proprietà intelletuali.
Un altro processore a 8 bit che ebbe una discreta fama fu il Signetics 2650 un processore con un'architettura innovativa e un potente set di istruzioni.
Tutti questi processori furono alla base della "rivoluzione" degli home computer, poiché grazie al loro basso prezzo permisero la realizzazione di veri computer ad un costo accessibile.
Il primo microprocessore utilizzato per applicazioni spaziali fu l'RCA RCA 1802 (conosciuto anche come CDP1802 o RCA COSMAC) (presentato nel 1976) che venne utilizzato dalle sonde NASA Voyager, Viking e dalla sonda Galileo (lanciata nel 1989 e arrivata nel 1995 su Giove). L'RCA COSMAS era la prima implementazione della tecnologia CMOS. IL CDP1802 venne utilizzato dato che era a basso consumo e dato che era prodotto con una tecnologia (Silicon on Sapphire) che lo rendeva meno sensibile ai raggi cosmici e alle cariche elettrostatiche. Il 1802 può essere considerato il primo microprocessore anti radiazione della storia.
Processori a 16 bit [modifica]
Il primo microprocessore a 16 bit fu il National Semiconductor IMP-16 basato su più integrati. Venne presentato nel 1973 e una versione a 8 bit chiamata IMP-8 venne presentata nel 1974. Nel 1975 National presento il primo microprocessore a 16 bit su singolo chip il PACE, che fu seguito dalla versione NMOS chiamata INS8900.
Altri sistemi multichip a 16 bit furono l'LSI-11 prodotto da Digital Equipment Corporation per il minicomputer PDP 11/03 e il MicroFlame 9440 della Fairchild Semiconductor prodotto tra il 1975 e il 1976.
Il primo microprocessore a 16 bit su singolo chip fu il TI TMS 9900 un processore compatibile con la linea TI 990 di minicomputer. Il 990 venne utilizzato dai minicomputer TI990/4, dall'home computer TI-99/4A e dai computer TM990 prodotti da terze parti. Il processore era inserito in un integrato ceramico da 64 pin di tipo DIP mentre molti altri microprocessori a 8 bit dell'epoca utilizzavano un più economico package a 40 pin di tipo plastico. Il successivo TMS 9980 venne sviluppato per competere con l'Intel 8080 e venne inserito in un package plastico di 40 pin. Il processore era compatibile con il set di istruzioni TI 990 ma per poter utilizzare solo 40 pin faceva muovere 8 bit di dati per ciclo di clock e gestiva un'indirizzamento di 16 KB. Il successore TMS 9995 aveva una nuova architettura. La famiglia venne espansa con il 99105 e il 99110.
La Western Design Center, Inc. presento nel 1984 il CMOS 65816 una versione a 16 bit del WDC CMOS 65C02. Il 65816 fu il cuore dell'Apple IIgs e del Super Nintendo Entertainment System, uno dei progetti a 16 bit più famosi dell'epoca.
Diversamente da TI, Intel non aveva una linea di minicomputer da emulare e decise di usare l'8085 come base per il suo progetto a 16 bit, realizzando così l'Intel 8086, capostipite di quella che poi sarebbe diventata la famiglia X86, i cui discendenti sono molto diffusi nei moderni personal computer. Realizzò anche una versione con il bus esterno a 8 bit, l'8088, che venne impegato nel primo IBM PC modello 5150.
Successivi sviluppi furono gli Intel 80186, 80286 e nel 1985 l'Intel 80386, la prima versione a 32 bit compatibile X86. La prima Memory management unit (MMU) integrata in un microprocessore venne sviluppata da Childs e altri per Intel e ricevette il brevetto U.S. Patent 4,442,484.
Progetti a 32 bit [modifica]
Strato di interconnessione superiore dell'
Intel 80486DX2
I progetti a 16 bit erano disponibili da pochi anni quando sul mercato iniziarono ad apparire architetture a 32 bit.
Il primo microprocessore a 32 bit fu il BELLMAC-32A prodotto dalla AT&T Bell Labs e i primi esemplari furono prodotti nel 1980 mentre la produzione in serie iniziò nel 1982 (si veda qui per la bibliografia o qui per le caratteristiche). Nel 1984 dopo lo smembramento della AT&T il microprocessore venne rinominato WE 32000 (WE da Western Electric) e vennero sviluppati due successori, il WE 321000 e il WE 32200. Questi microprocessori venero utilizzati nei minicomputer AT&T 3B5 e 3B15. Il 3B2 fu il primo superminicomputer da tavolo. I processori vennero utilizzati anche in Companion il primo computer portatile a 32 bit e in Alexander il primo supermicrocomputer grande quanto un libro. Il sistema era dotato anche di cartucce ROM, simili a quelle utilizzate da alcune console attuali. Tutte queste macchine eseguivano l'originale Unix sviluppato dai Bell Labs e includevano il primo gestore grafico chiamato xt-layer.
Il primo processore a 32 bit ad arrivare sul mercato dei personal computer fu però il Motorola 68000 presentato nel 1979. Il 68000 possedeva un'architettura interna a 32 bit ma un bus dati a 16 bit per ridurre il numero di pin delpackage. Motorola normalmente lo indicava come un processore a 16 bit sebbene l'architettura interna fosse chiaramente a 32 bit. La combinazione di alta velocità, ampio spazio di indirizzamento (16 MByte) e costo contenuto ne fecero un processore molto diffuso: venne usato dall'Apple Lisa e dal Macintosh e da molti altri sistemi come l'Atari ST e l'Amiga, e anche Olivetti lo impiegò sulla sua linea di minicomputer denominata L1.
Dato il successo ottenuto, Motorola sviluppò una serie di successori del 68000: il secondo della famiglia fu l'MC 68010 che aggiunse il supporto della memoria virtuale. Nel 1985 presentò il Motorola 68020, la prima versione con bus dati e indirizzi a 32 bit. Il 68020 fu molto popolare nei superminicomputer Unix e diverse compagnie produssero macchine basate su questo microprocessore. Il successivo Motorola 68030 introdusse la MMU nel microprocessore, la famiglia 68000 in quel periodo era l'unica a contendere la palma di processori per personal computer alla famiglia X86, con un grosso vantaggio in termini di prestazioni e versatilità. Il successivo Motorola 68040 inserì il coprocessore matematico nel microprocessore e miglioro notevolmente le sue prestazioni grazie all'adozione della pipeline. Tuttavia Motorola, operando anche in altri mercati oltre a quello dei microprocessori, non fu in grado di tenere il passo con Intel e le varie case produttrici di processori x86 compatibili sul piano della ricerca e dell'accelerazione tecnologica: i successivi processori della serie, il 68050 e 68060, offrivano un incremento prestazionale molto modesto, rimanendo staccati dalle prestazioni offerte dai modelli x86 compatibili di prezzo analogo.
Alcune società avevano utilizzato il 68020 per realizzare soluzioni embedded. Ci fu un periodo dove il numero di 68020 utilizzati in sistemi embedded era uguale a quello dei personal computer con processore Pentium [1]. Motorola a tal proposito sviluppo la famiglia ColdFire derivata dal 68020.
Tra l'inizio e la metà degli anni 80 National Semiconductor presentarono una versione a 32 bit del loro precedente processore, il processore chiamato NS 16032 aveva una piedinatura compatibile con la versione a 16 bit. Il successore con piedinatora in grado di trasmettere 32 bit di dati e indirizzi fu l'NS 32032 che venne utilizzato in una linea di computer industriali prodotti da OEM. In quel periodo la Sequent presentò il primo sistema server SMP basato su NS 32032. Questi sistemi vennero abbandonati alla fine degli ani 80.
Altre architetture come l'interessante Zilog Z8000 arrivarono troppo tardi sul mercato e non ebbero seguito.
Processori a 64 bit per personal computer [modifica]
Sebbene i microprocessori a 64 bit fossero disponibili per i sistemi di fascia alta (server e workstation) fin dagli anni 90, solo dopo l'inizio del nuovo millennio si iniziarono a vedere sistemi a 64 bit per il mercato dei personal computer.
AMD presentò il primo sistema a 64 bit compatibile con l'architettura X86 nel settembre 2003 con l'Athlon 64. Questo microprocessore implementava l'AMD64 una espansione a 64 dell'IA-32 sviluppata da AMD. Intel arrivò poco dopo con l'estensione x86-64 che pur con un nome diverso era l'estensione sviluppata da AMD infatti ne era pienamente compatibile. I processori supportavano le istruzioni a 32 bit per compatibilità ma solo con la modalità a 64 bit riuscivano a mostrare a pieno la loro potenza. Con il passaggio a 64 bit vennero raddoppiati i registri gestiti dal set di istruzioni dei processori per migliorare le prestazioni dei sistemi. La penuria di registri è sempre stata un problema per le architetture x86.
Il passaggio dei processori PowerPC ad un'architettura a 64 bit fu invece indolore, i processori vennero sviluppati durante l'inizio degli anni 90 e vennero previsti fin dall'inizio le estensioni a 64 bit. I registri degli interi e la gestione degli indirizzi venne estesa a 64 bit mentre la parte in virgola mobile era già a 64 bit. Non furono aggiunti nuovi registri e le prestazioni dei programmi a 32 bit non erano penalizzate dalla nuova architettura.
Tra la metà degli anni 80 e l'inizio degli anni 90 apparvero molti microprocessori RISC ad alte prestazioni sebbene questi microprocessori vennero utilizzati principalmente in sistemi ad alte prestazioni basati su varianti del sistema operativo Unix e su macchine embedded. Da allora i sistemi RISC si diffusero ovunque e oramai anche i microprocessori Intel integrano all'interno un'architetture RISC che utilizza uno strato di emulazione per eseguire il codice X86 che è di tipo CISC.
Il concetto RISC apparve nei supercomputer fin dagli anni 60 (CDC 6600) ma i primi progetti che puntarono allo sviluppo di microprocessori esplicitamente RISC risalgono agli anni 80 con i progetti Berkeley RISC e il progetto MIPS della Stanford University. Il primo microprocessore RISC commerciale fu l'R2000, un sistema a 32 bit appartenente all'architettura MIPS derivata dall'architettura sviluppata a Stanford. Il successore R3000 migliorò le prestazioni e l'R4000 fu il primo sistema a 64 bit RISC. Progetti concorrenti furono l'IBM POWER e il Sun SPARC. Poco dopo anche altri produttori iniziarono a rilasciare processori RISC, tra questi si segnalano l'AT&T CRISP, l'AMD 29000, l'Intel i860 e Intel i960, il Motorola 88000, il DEC Alpha e il PA-RISC.
La guerra dei microprocessori ha eliminato quasi tutte le famiglie, solo il PowerPC e lo SPARC resistono nei sistemi di calcolo per server e supercomputer. I MIPS fino al 2006 furono utilizzati da Silicon Graphics per alcuni loro sistemi sebbene adesso siano utilizzati principalmente in applicazioni embedded. Alcune società come la ARM seguirono una strada diversa. Inizialmente i processori ARM vennero progettati per l'utilizzo nei personal computer ma nel giro di pochi anni la società si rese conto dell'elevata richiesta di processori a basso consumo per applicazioni embedded e si convertì invadendo il mercato embedded con opportune versione di processori ARM. Attualmente il mercato dei dispositivi embedded e dominato dai processori MIPS, ARM e PowerPC.
Nel calcolo a 64 bit le architetture DEC Alpha, AMD64, MIPS, SPARC, Power e Itanium sono tra le più popolari.
La realizzazione dei chip (e quindi anche dei microprocessori) avviene in diverse fasi. Il materiale di partenza è una fetta circolare di semiconduttore detta substrato: questo materiale, già debolmente drogato, viene ulteriormente drogato per impiantazione ionica per creare le zone attive dei vari dispositivi; vengono poi depositati una serie di sottili strati di materiali diversi che vanno a creare il wafer:
- Strati di semiconduttore policristallino;
- Strati isolanti sottili;
- Strati isolanti di ossido molto più spessi dei precedenti;
- Strati metallici per i collegamenti elettrici, generalmente costituiti da alluminio e più raramente da rame
Un microprocessore di silicio
La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio è impressa con un processo di fotolitografia: ogni volta che il circuito integrato deve ricevere un nuovo strato o una nuova impiantazione di droganti, viene ricoperto da un sottile film fotosensibile, che viene impressionato tramite una maschera ad altissima definizione. Le zone del film illuminate divengono solubili e vengono asportate dal lavaggio, lasciando in tal modo scoperto il chip sottostante. Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei packages con cui verranno montati sui circuiti stampati. In un circuito integrato si possono facilmente inserire transistor e diodi: è anche possibile creare su semiconduttore delle piccole resistenze e condensatori, ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l'uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. Non è invece possibile integrare degli induttori, dei trasformatori, che devono quindi essere collegati esternamente al circuito integrato: lo stesso vale per i condensatori di media e grande capacità.
In questi ultimi anni, tuttavia, si è iniziato ad usare il Silicio in combinazione col Germanio con la tecnica del silicio stirato (Strained-Silicon). Questa tecnica consiste nel depositare, sul corpo del wafer di silicio, uno strato di silicio-germano di 2micron con concentrazione di germano pari al 20%; la concentrazione di germano non è uniforme in tutto lo strato: vi è una maggiore concentrazione sulla cima della struttura. A questo punto un sottilissimo strato di silicio dello spessore di circa 20nm viene depositato sullo strato di Silicio-Germano. Questa tecnica allunga il reticolato cristallino del Silicio di circa l'1% sia in direzione laterale che verticale e ciò permette un'enorme incremento sulla mobilità dei portatori di carica, che incontrano una resistenza inferiore al loro passaggio e fluiscono fino al 70% più velocemente, cosa che rende più veloci i chip del circa 30% senza bisogno di ulteriori miniaturizzazioni. Il principio che sta alla base di tutto questo è che gli atomi di silicio dello strato sovrastante tendono ad allinearsi con quelli dello strato di Silicio-Germano che, essendo più spesso, obbliga gli atomi di silicio a spaziarsi di una distanza analoga a quella degli atomi di Silicio-Germanio.
Microprocessori specializzati [modifica]
Sebbene il termine microprocessore tradizionalmente indichi una CPU a singolo o multi integrato o un System-on-a-chip (SoC), nel corso degli anni sono state sviluppate delle unità funzionali di elaborazioni con notevoli affinità con i microprocessori. Per esempio i microcontrollori, i Digital Signal Processors (DSP) e le Graphics processing unit (GPU). Molte sistemi che ricadono in queste categorie sono dotati di limitate possibilità di programmazione o non sono completamente programmabili. Per esempio le prime GPU sviluppate negli anni 90 non erano programmabili o supportavano una limitata programmazione, solo recentemente le GPU hanno acquisito una certa libertà di programmazione. Non c'è universale consenso nella definizione di microprocessore ma in generale si assume che un microprocessore sia una CPU in grado di eseguire un programma generico e non una CPU limitata.
L'RCA 1802 era un microprocessore specializzato ma non perché fosse limitato nella programmazione ma perché era progettato per applicazioni spaziali e quindi aveva delle particolari caratteristiche. Il sistema venne definito a progetto statico dato che poteva variare la frequenza di funzionamento in modo arbitrario fino a raggiungere i 0 Hz in modo da andare in stop totale. Le sonde Voyager, Viking e Galileo per utilizzare la minor potenza elettrica durante il viaggio spaziale mettevano in stop il processore. Dei timer o dei sensori risvegliavano il processore alzandone la frequenza quando era necessario che il sistema elaborasse dei dati per la navigazione, per il controllo orbitale, per l'acquisizione dati o per le comunicazione radio.
Mercato dei microprocessori [modifica]
Nel 2003 il mercato dei microprocessori valeva 44 miliardi di dollari, la cifra include la produzione e la vendita dei microprocessori [2]. I microprocessori per personal computer pur rappresentando solo lo 0.2% del numero totale di pezzi prodotti assorbono la metà del fatturato totale.
Circa il 55% delle CPU erano microcontrollori a 8 bit, più di due miliardi di microcontrollori a 8 bit furono venduti nel 1997 [3].
Meno del 10% delle CPU erano a 32 bit o 64 bit. Di tutte le CPU a 32 bit solo il 2% era utilizzato nei personal computer mentre il 98% era utilizzato in applicazioni embedded come elettrodomestici, controllori industriali, periferiche per computer e altro. Tenendo conto di tutti i microprocessori prodotti e del mercato totale il prezzo medio di un microprocessore è di 6 dollari statunitensi [4].
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![Illustration de la loi dite de « progression géométrique » qui régit l’évolution du nombre de transistors sur les puces de silicium. Source : adapté de "Nanoinformatique et intelligence ambiante - Inventer l'ordinateur du XXIème Siècle" Jean-Baptiste Waldner, Hermes Science, London, 2007 (avec la permission de l'auteur)](http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Evolutionprocesseurs.jpg "Illustration de la loi dite de « progression géométrique » qui régit l’évolution du nombre de transistors sur les puces de silicium. Source : adapté de "Nanoinformatique et intelligence ambiante - Inventer l'ordinateur du XXIème Siècle" Jean-Baptiste Waldner, Hermes Science, London, 2007 (avec la permission de l'auteur)")
