在前面的 CPU 概論結束之後,我們接下來要進入的是一段「歷史課程」,由於現今 x86 個人電腦處理器只剩下 Intel 與 AMD 兩大廠商,因此站長將只談這兩家的產品,並從 Intel 的第一顆處理器-Intel 4004 開始到最新的 Skylake 與即將出現的 AMD Zen,由於這段歷史很長,所以可能會拆成五到七篇文章的量。

第一篇將介紹上古時代,包含 Intel 的 4004、8008、8080、8085 等進入 x86 架構以前的處理器。

上古時代-處理器產業的開端

一切的開始:Intel 4004

Intel 4004 是 Intel 這間公司的第一款微處理器 (Microprocessor) 產品 (其實 Intel 本來是生產記憶體晶片的廠商),同時也是全世界第一款被商用化的微處理器 (在此之前似乎還有一兩款軍方專用的產品),採 4-bit 架構,包含了 2300 個電晶體,原先是為了日本計算機公司 (Nippon Calculating Machine Corporation) 旗下的產品 (Busicom 141-PF 計算機) 而設計的晶片。

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當時實際上 Intel 為了這家公司設計的是一整套的晶片,一共包含了中央處理器 (4004) 與輔助 ROM 記憶體晶片、用於處理資料的 RAM 記憶體晶片和負責處理輸入與輸出端的暫存器晶片,這某種程度上也是未來電腦的基本架構雛形。

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↑ Intel 4004 的電路圖 (Die shot)

或許 4004 在推出當時就被認為是一款失敗的晶片 (性能不佳),但實際上一枚 3mm x 4mm 大小的晶片就能夠有足以匹敵 1946 年的始祖級電腦-ENIAC (足足要占據一整個房間的大小) 的性能,還是讓人驚嘆的。

除此之外,當時的 CPU 主要材質為陶瓷,後來才發展出塑膠封裝的形式。

之後 Intel 另外在 1974 年推出了 Intel 4004 的升級版-Intel 4040,增加了額外的記憶體定址與暫存器和一些新指令,同時封裝針腳數也增加到 24 針腳,不過由於出現得比 Intel 8008 還要晚,所以不太受到關注。

Intel 4004 規格諸元

  • 發佈時間:1971 年 11 月 15 日
  • 封裝方式:16 針腳 DIP
  • 製造工藝:10 微米 (μm)
  • 運作電壓:15 V
  • 運作時脈:108 kHz ~ 740 kHz
  • 電晶體數:2300 個
  • 指令集架構:4 位元 BCD 運算、支援 8 位元指令集與 12 位元位址集合

DIP 封裝
全名為 Dual In-line Package,外型就如同 4004 這樣,背面有兩排針腳,直到現在仍然常用於簡單的積體電路晶片上 (例如麵包版實驗時用的晶片)。

進入 8 位元時代:Intel 8008

Intel 8008 同時身兼了兩個「第一」,Intel 旗下的第一款八位元處理器,同時也是全世界第一顆八位元處理器,因此是很有代表性的產品,具有劃時代的意義,發佈於 4004 推出後的隔年-1972 年。

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8008 原先被叫做 1201,是 Intel 為 Computer Terminal Corporation (CTC) 公司旗下的 Datapoint 2200 可程式化終端機設計的晶片,不過由於交貨時間延遲加上性能未達要求,最終被 CTC 所捨棄,而後來由於 SEIKO 公司表達了購買 1201 用於科學計算機產品的興趣,在 Intel 與 CTC 的協議中,CTC 放棄了對此晶片的智慧財產權,允許 Intel 對其他客戶銷售此晶片,在經過一些修改之後,1201 就成為了我們現在所認識的 8008。

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↑ Intel 8008 的 Die shot

起先 Intel 擔心這款晶片賣不出去,不過最後,他們成功了,值得一提的是,雖然絕大多數 8008 的時脈低於前代的 4004,但由於 8008 是八位元處理器,因此實際上效能還是比 4004 強很多,8008 至多可以支援 16 KB 的記憶體。

Intel 8008 規格諸元

  • 發佈時間:1972 年 04 月
  • 封裝方式:18 針腳 DIP
  • 製造工藝:10 微米 (μm)
  • 運作電壓:5 V
  • 運作時脈:200 kHz ~ 800 kHz
  • 電晶體數:3500 個
  • 指令集架構:8008 8 位元指令集

具有指標意義的處理器:Intel 8080

之後 Intel 在 1974 年將 8008 改良之後生產了 Intel 8080 這款處理器,這款處理器的運算速度「大幅提高」到 2 Mhz,且能提供直接記憶體定址與支援 64 KB 的記憶體。

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之所以說這款處理器具有指標意義呢,其實不是因為他的效能或是架構有什麼非常跨時代的改變,而是因為它帶動了當時電腦產業,當時有一款叫做 Altair 的暢銷電腦就是使用這款處理器,這台電腦其實蠻常在與矽谷有關的電影 (特別是講述微軟的歷史時),因為比爾蓋茲當時創辦微軟的起頭,就是為了幫這台電腦設計 BASIC 程式語言開始!

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↑ Intel 8080 的 Die shot

此款處理器的另一項特色則是,有許多廠商爭相加入生產相容於 Intel 8080 的產品,值得注意的是,AMD 也在這時候正式進入微處理器市場,生產了從 Intel 8080 逆向工程得來的 Am9080 晶片,之後則「先上車後補票」在 Am9080 上市之後才與 Intel 達成授權協議 (1976 年),成為 8080 晶片的第二生產者 (其實 Intel 是為了打入矽谷的市場才這麼做的,當時矽谷有許多大公司要求採用產品時,該產品必須要有兩家以上的貨源)。

Intel 8080 規格諸元

  • 發佈時間:1974 年 04 月
  • 封裝方式:40 針腳 DIP
  • 製造工藝:6 微米 (μm)
  • 運作電壓:5 V
  • 運作時脈:2 MHz
  • 電晶體數:6000 個
  • 指令集架構:8080 8 位元指令集

生命週期超長:Intel 8085

在 1975 年時 Intel 發佈了 Intel 8085 這款晶片,是 8080 的改良版,主要是免除了過去 Intel 8080 需要同時提供 +5 V、 -5 V、 +12 V 三種不同電壓才能正常運作的困擾,Intel 8085 只需要提供 +5V 就足夠了,其實這也是型號中「5」這個數字的由來,因為單一電壓方便,加上改進了 8080 的不足,因此很快就全面取代了 Intel 8080。

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8085 這款晶片最大的特色在於超級長壽,從 1976 年 Intel 發佈這款晶片開始,一路生產到 2000 年以前,生命週期超過 25 年,甚至是在今天的微電腦設備中仍然偶爾可以看到這款處理器的影子,繼續擔綱控制器的角色。

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由於指令集沒有太大變化 (只新增了幾條指令),因此 Intel 8085 可以完全相容於為 Intel 8080 編寫的軟體,但在降低周圍電路的需求之後,OEM 廠商可以用 Intel 8085 生產更便宜的電腦。

Intel 8085 規格諸元

  • 發佈時間:1976 年 03 月
  • 封裝方式:40 針腳 DIP
  • 製造工藝:6 微米 (μm)
  • 運作電壓:5 V
  • 運作時脈:3 MHz ~ 6 MHz
  • 電晶體數:6500 個
  • 指令集架構:8080 8 位元指令集

上古時代的部分大概就介紹到這邊,這些東西距今都已經超過 40 年了呢,甚至其中不少已經成為收藏家的目標了,身價可是水漲船高啊。

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