MIKROPROCESSORNS HISTORIA
Jerry Niva
[email protected]
Fredrik Modigh
[email protected]
DATAT2
2003-10-16
1
SAMMANFATTNING
Syftet med denna rapport var att sammanställa mikroprocessorns historia. Informationen finns
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 den första
matematiska tanken har matematiska problem uppkommit, vilket lett till att man har byggt
konstruktioner för att lösa matematiska problem. Datorn är det hittills effektivaste verktyget
för att klara detta. Och den uppfinning som har gjort mest för datorns utveckling 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 hjälp av elektriciteten utvecklades
relämaskiner, och snart därefter fick elektronrören betydelse.
Så upptäcktes äntligen tekniken med halvledare, och den utmärkta komponenten transistorn
utvecklades från denna. Transistorn är 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. År 1971 stod den första mikroprocessorn klar hos Intel.
Sedan dess har utvecklingen stormat fram med kraftfulla processorer. Idag finns bara ett fåtal
av aktörerna kvar från förr.
2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
SAMMANFATTNING .............................................................................................................. 2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING .................................................................................................. 3
INLEDNING .............................................................................................................................. 3
MIKROPROCESSORNS HISTORIA ....................................................................................... 4
Elektronröret ........................................................................................................................... 4
Transistorn .............................................................................................................................. 5
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
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, som han kallade difference
engine. Det var meningen att den skulle kunna utföra matematiska beräkningar, men den blev
aldrig 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 skiljde sig grovt från dagens datorer.
I samband med byggandes av den första elektriska telegrafen behövdes det något som kunde
förstärka signaler. Detta problem löstes med s.k. reläer som förstärkte 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 blev startskottet för
vidareutvecklingen mot de mikroprocessorer som finns idag.
3
MIKROPROCESSORNS HISTORIA
Elektronröret
Elektronröret är ett lufttomt rör som innehåller en katod (minuspol) som upphettas, och en
anod (pluspol). Katoden är en glödtråd där elektroner frigörs från metallen. Elektronerna
färdas fritt i vakuumet mot anoden, och på så vis bildas en strömkrets. Detta var redan känt
1883 då Thomas Edison upptäckte fenomenet. Medan han experimenterade med glödlampan
såg han att han kunde få en ström att gå mellan glödtråden och metallplattan i botten. Det han
kom 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.
Röret fungerade som en diod, med andra ord så tvingade den strömmen att endast gå i en
riktning. Två år senare placerade Lee De Forest ett galler mellan katoden och anoden. Han
lade sedan en svag negativ laddning på gallret och upptäckte att man kunde styra
elektronströmmen på detta vis. Det resulterade i att man med hjälp av en svag ström kunde
kontrollera strömmen genom röret.
Figur 1: Elektronrör
Fördelarna med elektronröret jämfört med dess föregångare var att omslaget mellan ”på” och
”av” gick mycket fortare. Dock krävdes ett kylsystem eftersom rören alstrade stora mängder
värme, de gick även sönder ofta vilket krävde passning och sök-schema 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.
4
Transistorn
Efter andra världskriget satte Kelly, som var Bells forskningschef, ihop en grupp
vetenskapsmän för att kunna ersätta det problematiska elektronröret. Gruppen använde delar
av tidigare forskning inom halvledartekniken, som användes till att utveckla radarsystemet.
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
Shockley en teoretisk fysiker vid namn John Bardeen. Till slut 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 fälteffekt[PBS]. Shockley arbetade ensam och oftast i
hemmet medan Bardeen och Brattain tog plats i Bells laboratorier i Murray Hills lokaler. De
påbörjade ett bra samarbete där teoretikern Bardeen lade fram möjliga experiment medan
Brattain utförde experimenten. Alla trodde de visste hur elektroner betedde sig i kristaller,
men Bardeen upptäckte att de hade fel. De kom fram till att elektronerna formade en barriär på
ytan.
Figur 2: Point-contact transistor
Bardeens genombrott var vad de behövde. Bardeen berättade inte för gruppens chef Shockley
om teorierna de lyckats komma fram till. Bardeen och Brattain arbetade vidare och byggde i
december 1947 ”the point - contact transistor” [PBS]. Den var gjord av guldfolie på en
plasttriangel, nedtryckt så den fick kontakt med en platta av germanium. 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” [PBS]. 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 vem eller vilka som skulle stå som frontfigur inför massmedia.
5
Chefen vid Bell Labs 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 hade. Han valde att lämna Bells 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 åtta av de främsta i gruppen sökte sig
bort ifrån Shockley Semiconductor. Sex av ”De åtta förrädarna” startade det nya företaget
Fairchild Semiconductors medan Robert Noyce och Gordon E. Moore bildade Intel
Corporation. Shockleys företag var början till det nutida Silicon Valley. 1956 fick till slut
Bardeen, Brattain och Shockley dela på nobelpriset i fysik.
Figur 3: Bardeen, Brattain och Shockley
Transistorn bättre än elektronröret
Den fungerade som det gamla elektronröret och kan användas som minne då den kan lagra en
etta eller nolla. Dess princip används i dagens internminne. Men framförallt var den mindre,
drog mindre ström och med andra ord alstrade den mindre värme än elektronröret. 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, elektronröret hade tidigare bidragit till att datorerna var
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 när mycket
dåliga kopplingar gjordes vid lödning av komplexa strömkretsar. Hur skulle det då lösas?
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 effektivare.
En dag i slutet av juli 1958 satt Jack Kilby ensam på Texas Instruments. Han hade bara varit
anställd några månader och hade ingen möjlighet att ta ledigt när alla andra hade semester.
Han hade mycket tid till att tänka och till slut kom han på att man kunde göra alla
komponenter till en krets, inte bara transistorer, på en och samma kiselplatta. Just då
tillverkade ingen vare sig kondensatorer eller resistorer med hjälp av halvledare. Om detta
gjordes skulle en hel krets kunna byggas på en enda kiselplatta 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 med detta. Bara några månader senare hade Kilby byggt en fungerande modell
och den sjätte februari året därpå tog företaget patent på deras första enhetliga 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 om att det inte skulle inkräkta på Texas likvärda anordning.
Alla detaljerna gav resultat i och med att patentkontoret utfärdade det första patentet för vad
som då ansågs vara en integrerad krets. Året var 1961 när Robert Noyce fick patentet, och
samtidigt analyserade man Kilby’s ansökan. 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 kortare sträckor än tidigare. Det krävde att komponenterna packades ännu tätare på
kiselytan. De första integrerade kretsarna fanns till salu våren 1961. I början var tekniken
oprövad och fick ingen direkt betydelse för industrin, men rymdkapplöpningen ledde på 1960talet till att NASA var i stort behov av elektronik. NASA köpte stora mängder komponenter
till relativt höga priser. Nu fick halvledarindustrin stora intäkter som dom kunde använda till
att utveckla kretsarna ytterligare och även 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 ett 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 komponenter. 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. 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 i
räknaren. De löste problemet genom att vända sig till det nystartade företaget Integrated
Electronics, numera 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 Intel-tiden 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 till slut 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 sin första helt egna mikroprocessor, kallad CPU på engelska 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
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,
8
att utveckla en liknande krets för att styra bildskärmsterminaler. Resultatet blev 8008, den
första generella mikroprocessorn. Den arbetade med 8-bitar istället för 4004:ans 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 8008:an. 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 Motorola med sin 6800-processor och Apple:s
Macintosh. Z80 var en annan processor som tillverkades av Zilog, ett företag som startades 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 16-bitars 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 16 Mb 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 50 ggr 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
kallad slot1. Klockfrekvenserna rörde sig successivt mot 450 MHz. AMD presenterar
samtidigt sin K6-2 processor.
9
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 stommen 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 4: Processorgenerationerna
10
SLUTSATSER
Konkurrens och forskare som velat bli först med patent på ny teknik är troligen det som mest
drivit utvecklingen framåt. Samtidens rymdutveckling och andra världskriget påverkade
också.
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 [CPUhist]
http://www.geocities.com/cfleri/gallery.html/ (30 sept 2003)
Datalogi, historien [Dathist]
http://193.180.65.160/datalogi/dlgihist.shtml/ (2 okt 2003)
Intels processorutveckling [Intpro]
http://www.daft.t.se/teknik/utveckling/cpu_utveckling.asp/ (3 okt 2003)
Mikroprocessorn 25 år, Magne Lein, Computerworld Norge [Mikr25]
http://domino.idg.se/cs/artikel.nsf/0/2bb809754f268eab412564d4005919ff?OpenDocument
PBS [PBS]
http://www.pbs.org/transistor/album1/index.html/ (30 sept 2003)
SeniorNET, Kungsholmen [SNETKungs]
http://www.seniornet.se/klubbSto/Kungsholmen/w_his/process.htm/ (2 okt 2003)
Figurreferenser
Figur 1
http://www.lh-musik.se/rorlista.htm
Figur 2 och 3
http://www.pbs.org/transistor/album1/addlbios/egos.html/ (30 sept 2003)
Figur 4
http://www.geocities.com/cfleri/history.html/ (30 sept 2003)
Titelbild
[CPUhist]
12
