مروری بر تاریخچه سی پی یو های اینتل : از Pentium تا Core قسمت دوم

در قسمت قبل دیدیم که اینتل با پیشرفت‌های خودش به قانون مور پایبند بود و با تولید سی پی یو های قوی بازار رو در دست گرفت، این قسمت تاریخچه سی پی یو های اینتل با ظهور Pentium شروع میشه…

P5 : اولین پردازنده Pentium در تاریخچه سی پی یو های اینتل

سی پی یو P5 که در سال 1993 طراحی و تولید شد، اولین پردازنده‌ی اینتل با معماری x86 بود که به‌جای طراحی 80×86 با طراحی P5 ساخته شد که اولین طراحی فوق‌العاده‌ی x86 اینتل بود. با اینکه پردازنده Pentium به‌طور کلی از پردازنده ی 80486 سریع‌تر عمل می‌کرد، ولی مهم‌ترین ویژگی اون بهتر شدن FPU در ساختارش بود. FPU در پنتیوم بیشتر از 10 برابر سریع‌تر از نسخه‌ی قبلی در مدل 80486 بود این ویژگی در سال‌های بعد وقتی که اینتل Pentium MMX رو ساخت، بیشتر از قبل مهم شد. مدل MMX از معماری مشابه پنتیوم اصلی بهره می‌برد اما پشتیبانی از دستورات MMX SIMD عملکرد پردازنده MMX رو به طرز محسوسی افزایش داده بود. اما از مجموعه دستورالعمل‌های جدید MMX SIMD اینتل پشتیبانی می‌کرد که عملکرد رو به شدت افزایش داد.

اینتل در پردازنده‌های پنتیوم حافظه کش L1 رو نسبت به مدل 80486 بیشتر کرده بود. Pentium اولیه 16 کیلوبایت حافظه کش داشت در حالی که پنتیوم MMX دارای 32 کیلوبایت کش بود. ترانزیستورهای اولین CPUهای پنتیوم 800 نانومتری بودن که کلاک تا 60 مگاهرتز رو ایجاد می‌کردن. در طراحی و بهبودهای بعدی، اندازه‌ی ترانزیستورها به 250 نانومتر رسید که این کاهش باعث شد پروسسورها با سرعت 300 مگاهرتز پردازش انجام بدن.

P6: Pentium Pro یکی از شکست‌ها در تاریخچه سی پی یو های اینتل

اینتل می‌خواست به‌سرعت پردازنده‌ی پنتیوم رو با Pentium Pro که با معماری P6 ساخته شده بود جایگزین کنه ولی به مشکلات فنی برخورد. پردازنده‌ی پنتیوم پرو 32 بیتی به لطف طراحی Out-of-Order از Pentium خیلی سریع‌تر بود. Out-of-Order معماری داخلی پردازنده رو با تغییر و بازسازی همراه کرده بود به طوری که دستورها به micro-ops رمزگشایی میشدن و بعد در واحدهای اجرایی عمومی، پردازش میشدن.

اینتل با تولید پردازنده‌های پنتیوم پرو بازار سرورهای شبکه رو هدف قرار داده بود به همین دلیل سرعت باس رو به 36 بیت رسوند و تکنولوژی PAE رو هم اضافه کرد که باعث میشد سی پی یو از 64 مگابایت حافظه پشتیبانی کنه. این مقدار در اون زمان بیشتر از استفاده‌ی خونگی کاربرها بود که میتونه یکی از دلیل‌های هدف قرار دادن سرورها باشه.

حافظه L1 پردازنده پنتیوم پرو به دو بخش حافظه 8 کیلوبایتی تقسیم شده بود که یکی برای دستورالعمل‌ها و یکی برای اطلاعات استفاده میشد. اینتل به‌منظور جبران اختلاف 16 کیلوبایتی کش با مدل MMX، حافظه‌ی کش L2 رو با ظرفیت 256 کیلوبایت در یک تراشه‌ی جداگونه‌ی متصل به CPU قرار داد.

این سی پی یو قیمت بالایی داشت ولی در عین حال با مدل‌های قبلی پنتیوم در رقابت بود که به خاطر پشتیبانی نکردن از MMX SIMD بود.

P6: Pentium II

با توجه به مشکلات فنی‌ پنتیوم پرو اینتل از طراحی P6 منصرف نشد و با ارائه‌ی پردازنده‌ی Pentium 2 در سال 1997 تونست همه‌ی مشکلات مدل قبل رو برطرف کنه. معماری این پردازنده مشابه مدل پنتیوم پرو با 14 پایپ‌لاین بود که پیشرفت‌هایی در هسته‌ها برای افزایش کارایی IPC هم انجام داده بود. یکی از پیشرفت‌های مدل پنتیوم II نسبت به مدل پرو، افزایش حافظه کش L1 از 16 به 32 کیلوبایت (16 کیلوبایت داده + 16 کیلوبایت دستورالعمل) بود.

همچنین اینتل سعی کرد تا برای کاهش هزینه‌های ساخت و عرضه‌ی مدل پنتیوم II با قیمت مناسب، از تراشه‌های کش ارزون قیمت در تولید این پردازنده استفاده کنه. این راهکار مناسبی برای کاهش قیمت بود ولی باعث میشد حافظه‌ها نتونن با سرعت کامل CPU کار کنن. به همین منظور اینتل از حافظه‌ی کش L2 استفاده کرد که در نیمی از فرکانس اجرا و باعث افزایش کارایی پردازنده میشد. اینتل بعد از به‌دست آوردن تجربه از ساخت مدل پنتیوم پرو ، قابلیت MMX رو به این پردازنده اضافه کرد تا همه‌ی اشتباه‌های گذشته رو جبران کنه.

هسته‌هایی که در پردازنده‌ی پنتیوم II استفاده شدن، با کدهای Klamath و Deschutes نام‌گذاری شدن و به‌عنوان محصولاتی مثل Xeon و Pentium II Overdrive برای سرورها فروخته شدن. مدل‌های رده‌بالای این سی پی یو، 512 کیلوبایت حافظه کش L2 داشتن و با سرعت 450 مگاهرتزی کار می‌کردن.

P6 : Pentium III و تلاش برای رسیدن به سرعت 1 گیگاهرتز

اینتل قصد داشت تا راه پنتیوم II رو با یک پردازنده با معماری Netburst دنبال کنه، ولی این طراحی هنوز آماده نبود پس دوباره به سراغ معماری قبلی رفت و Pentium III رو با P6 طراحی کرد. پردازنده‌های ابتدایی این مدل با کد Katmai نام‌گذاری میشدن که از نظر معماری شبیه مدل‌های قبلی بودن. استفاده از معماری زیرسطحی باعث ایجاد تغییرهای زیادی شد که میشه به تبدیل 14 خط لوله به 10 خط و زیاد شدن سرعت کلاک اشاره کرد. این تغییرات باعث شد اولین پردازنده‌های پنتیوم 3 نسبت به Pentium IIعملکرد بهتری داشته باشن.

Katmai با استفاده از ترانزیستور‌های 250 نانومتری تولید شده ولی بعد از حرکت اینتل به سمت فناوری 180 نانومتری، اینتل تونست عملکرد Pentium III رو به‌شکل چشم‌گیری زیاد کنه. این ارتقا با کد Coppermine شناخته میشه که شامل تغییراتی از جمله انتقال حافظه‌ کش L2 به CPU و کاهش ظرفیت اون به 250 کیلوبایت هم میشد، اما چون حافظه L2 میتونست در تمام فرکانس پردازنده اجرا بشه خبری از کم شدن سرعت نبود و پردازنده عملکرد بالایی داشت.

آخرین هسته‌های CPU پنتیوم III به نام Tualatin نام‌گذاری شدن و از فناوری 130 نانومتری بهره می‌بردن که سرعت سی پی یو رو به 1.4 گیگاهرتز می‌رسوند. ظرفیت کش L2 هم به 512 کیلوبایت افزایش پیدا کرد که باعث بهترشدن عملکرد CPU میشد.

P6 و P5: سلرون و زئون

در حین تولید و عرضه‌ی پنتیوم II، اینتل خط تولید دو محصول Celeron و Xeon رو راه اندازی کرد، این سی پی یو ها از همان هسته‌ی پردازنده‌های پنتیوم 2 و 3 استفاده می‌کردن ولی اندازه‌ی حافظه کش اونا با هم فرق داشت. اولین پردازنده‌های Celeron که عرضه شدن حافظه کش نداشتن و همین باعث شد عملکردشون اصلا خوب نباشه. مدل‌های بعدی سلرون، از نصف کش Pentiumها استفاده می‌کردن که به Coppermine-128 و Tualatin-256 معروف شدن. مایکروسافت از Coppermine-128 با سرعت 733 مگاهرتز در کنسول بازی Xbox خودش استفاده کرد.

Xeon هم مشابه Celeron بود ولی با کش بیشتر. سی پی یو های زئون از حداقل کش 512 کیلوبایتی استفاده می‌کردن که این اندازه در مدل‌های بالارده به 2 مگابایت هم می‌رسید.

طراحی Netburst و Pentium 4 و تغییر Pipeline در تاریخچه سی پی یو های اینتل

قبل از بحث در مورد معماری Netburst اینتل و پنتیوم 4، بیایید ایده‌ی خط لوله (Pipeline) عمیق پشت اون رو بررسی کنیم که در مورد فرایند جابه‌جا شدن دستورها و پردازش‌های هسته‌ی سی پی یو هستش. خط لوله بیشتر اوقات چند کار رو هم‌زمان انجام میده ولی بعضی وقت‌ها هم فقط به یک کار اختصاص داده میشه. میتونیم خط لوله رو با اضافه کردن سخت‌افزار جدید یا جدا کردن ایستگاه‌ها گسترش بدیم که بر عکس این اتفاق هم ممکنه.

طول یا عمق خط لوله تأثیر مستقیمی بر تأخیر، IPC، سرعت کلاک و نیازهای معماری داره. خطوط لوله طولانی‌تر به مقادیر بیشتری از پهنای باند نیاز دارن، ولی اگه خط لوله زیاد با داده تغذیه بشه، هر مرحله از خط لوله مشغول میمونه و ترافیک ایجاد میشه.

پنتیوم 4: Willamette و Northwood

طراحی NetBurst اینتل بالاخره در سال 2000 آماده شد. این طراحی اولین بار در سی پی یو های Pentium 4 استفاده شد که تا 6 سال بعدی CPU های بالارده‌ی شرکت رو تامین می‌کرد. اولین هسته‌ی این سری کد Willamette رو به خودش اختصاص داد که 2 سال عمر Pentium 4 برای اونه. این دو سال برای اینتل سخت میگذره چون این پروسسور با مدل قبلی Pentium III رقابت می‌کرده، درسته که فرکانس Willamette به 2 گیگاهرتز هم میرسه ولی Pentium III با فرکانس 1.4 گیگاهرتزی سرعت بیشتری در بعضی دستورها داشته. از طرف دیگه AMD Athlon عملکرد راضی‌کننده‌ای ارائه می‌داد. فرکانس پردازنده چیست ؟ درباره این مشخصه در سی پی یو توضیح میده.

مشکل اصلی Willamette با اینکه خط لوله بیشتری داره و با فرکانس بالاتری کار می‌کنه دما و مصرف زیاد برق اونه و به خاطر همین به سرعت ایدئال خودش دست پیدا نمی‌کنه. این مشکل با تولید Northwood که با فناوری 130 نانومتری ساخته شده بهتر میشه. Northwood با فرکانس 3.2 گیگاهرتزی و حافظه کش L2 دو برابر، همون مقدار انرژی رو مصرف می‌کرد ولی میتونست با CPU های AMD رقابت کنه.

Willamette و Northwood در قالب سلرون و زئون هم تولید شدن و مشابه سیستم کاری قبلی اینتل، حافظه کش اون‌ها برای Celeron کم و برای Xeon زیاد شد.

P6: Pentium-M پنتیوم موفق تاریخچه سی پی یو های اینتل

از اونجایی که Netburst در کارایی قوی برق زیادی مصرف می‌کرد، برای سیستم‌های سیار مثل لپ‌تاپ مناسب نبود. برای همین اینتل در سال 2003 اولین سی پی یو مخصوص نوت‌بوک خودش رو معرفی کرد. Pentium-M بر اساس طراحی P6 ساخته شده ولی با خط لوله طولانی‌تر 12-14. خط لوله این سی پی یو متغیر بود به‌طوری که اگه داده‌ها بدون ترافیک به مقصد می‌رسیدن از 12 خط لوله و اگه ممکن بود ترافیک ایجاد بشه از 14 خط لوله استفاده می‌کرد.

اولین پروسسورهای این سری با فناوری 130 نانومتری و 1 مگابایت کش L2 ساخته شدن. این سی پی یو طوری طراحی شده بود که بتونه با مصرف 24.5 وات برق به فرکانس 1.8 گیگاهرتزی برسه. مدل بعدی که در 2004 با کد Dothan عرضه شد ترانزیستورهای 90 نانومتری داشت که به اینتل اجازه ارتقا دادن حافظه کش به 2 مگابایت رو میداد. این ویژگی با ارتقای هسته‌ها همراه شد که IPC رو تا حد قابل توجهی بالا برد. فرکانس اون با مصرف بیشتر برق (27 وات) به 2.27 هم می‌رسید.

Netburst: Prescott

Northwood از 2002 تا 2004 سی پی یو های اینتل رو تامین می‌کرد. بعد از اون Prescott با چندین بهبود معرفی شد. این سری با ساختار 90 نانومتری تولید شد که دست اینتل رو برای ساخت کش L2 با حافظه 1 مگابایت باز گذاشت. همچنین Intel اسلات اتصال LGA 775 رو با Prescott معرفی کرد که میتونست از حافظه DDR2 با فرکانس بیشتر و سرعت بالاتر پشتیبانی کنه که Northwood پشتیبانی نمی‌کرد. این تغییرات باعث شد Prescott پهنای باند نسبتا بیشتری نسبت به Northwood داشته باشه. Prescott همچنین اولین پروسسور 64 بیتیه سیستم x86 هستش که به سی پی یو اجازه‌ی استفاده از رم بیشتر رو میده.

Prescott قرار بود گل سر سبد اینتل با طراحی Netburst باشه اما با شکست مواجه شد. اینتل دوباره تعداد Pipeline های اون رو زیاد کرد و به 31 ایستگاه رسوند. شرکت انتظار داشت که سرعت کلاک اون برای خط لوله‌ی بلند‌تر مناسب باشه اما اون فقط به فرکانس 3.8 گیگاهرتز دست پیدا کرد. Prescott برق خیلی زیادی مصرف می‌کرد و اکثرا داغ بود.

با همه‌ی ارتقاها و حافظه کش بیشتر، Prescott در بهترین حالت خودش عملکردی شبیه Northwood داشت در همین حین AMD با فناوری K8 ترانزیستورهای خودش رو کوچیک‌تر می‌کرد که به فرکانس بالاتری دست پیدا کنه که در این بازه‌ی زمانی کوتاه، بازار دسکتاپ رو در دست خودش گرفت. مقاله مقایسه CPU های Intel و AMD غول های صنعت پردازش این دو برند رو بررسی می‌کنه.

Netburst: Pentium D

در سال 2005 AMD و Intel سر اینکه کدوم زودتر پردازنده‌ی دو هسته‌ای مقرون‌به‌صرفه رو تولید می‌کنه رقابت داشتن. AMD سی پی یو دو هسته‌ای Athlon 64 رو معرفی کرده بود ولی هنوز عرضه نشده بود. اینتل برای موندن در این رقابت از MCM (Multi-Core Module) استفاده کرد که از 2 تا Prescott ساخته شده بود. اینتل اسم این فناوری رو Pentium D گذاشت و اولین سری اون کد Smithfield رو به خودش اختصاص داد.

Pentium D با مشکل مواجه بود چون به‌وسیله‌ی Prescott مسموم شده بود. این سی پی یو به خاطر مشکلات گرمایشی و مصرفی که داشت، سرعت کلاکش تا 3.2 گیگاهرتز بیشتر نمی‌رفت. همچنین به خاطر پهنای باند کمش چون باید به هر دو هسته IPC می‌رسید مشکلات IPC هم داشت.

بعد از Smithfield طراحی جدیدی با نام Presler معرفی شد که فناوری 65 نانومتری داشت. این سی پی یو از 2 تا Ceder Mill (یکی از مدل‌های Pentium 4) روی MCM ساخته شده بود. Presler مشکلات گرمایشی و مصرفی مدل شکست خورده رو تا حدودی حل کرد و فرکانس 3.8 گیگاهرتزی رو هم تجربه کرد.

دو مرحله‌ی ارتقای اصلی برای Presler در نظر گرفته میشه که اولی از TDP با 125 وات استفاده می‌کنه ولی در دومی توان مصرفی به 95 وات میرسه. این امر باعث کوچیک شدن سایز هسته‌ها میشه که اینتل با کمک اون میتونه اندازه‌ی حافظه کش L2 هر هسته رو به 2 مگابایت برسونه. بعد از چند مدل Presler به فناوری Hyper-Threading هم مجهز شد که سی پی یو میتونست از 4 رشته استفاده کنه.

حرف آخر

خب سی پی یو های سری Pentium  در این قسمت تاریخچه سی پی یو های اینتل تموم میشه و این ساختار اینتل رو در زمینه انواع CPU  ها موفق می‌کنه، در قسمت بعد معرفی Core رو با هم بررسی می‌کنیم و به سری‌های این ساختار می‌پردازیم.

دانلود PDF این مقاله

PDF این مقاله

سوالات متداول