Storia dei processori - "PARTHENOPE"

MODULO 2:
STORIA DEI PROCESSORI
SICSI V Ciclo
Classe A042
Indirizzo Tecnologico
Prof. F. Perla
Alessandro Mazzone
Antonio Bove
Piero Cima
Prerequisiti richiesti
1. Avere conoscenza della terminologia tecnica
propria del mondo tecnologico.
Obiettivi
• Fornire all’allievo una panoramica dello sviluppo
storico e tecnologico dei processori fino ad arrivare ai
giorni nostri, indicando possibili sviluppi futuri.
Materiale didattico utilizzato
• Dispense fornite dal docente (lucidi e appunti)
• Articoli ed informazioni prelevate da riviste
specializzate sull’argomento
• Indirizzi internet utili per approfondire
l’argomento
Indirizzi utili
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http://www.cronologia.it/
http://www.lithium.it/home.asp
http://it.wikipedia.org
http://www.windoweb.it
http://www.disi.unige.it/
http://www.hardwareirc.com/
http://www.megalab.it
http://www.amd.com/
Indirizzi utili
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http://www.pizzut.it/
http://www.zanezane.net/
http://www.storiadellinformatica.it
http://www.hwupgrade.it/
http://www.unonet.it/
http://www.hirc.it/
http://www.azpoint.net
http://www.intel.com/
Contenuti del modulo:
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Sviluppi storici di tecnologia e automazione
Gli x86
INTEL Pentium
L’AMD
Stato dell’arte e sviluppi futuri
Tempi di attuazione
• 3 ore di teoria
Strumenti didattici
• Proiezione di Slide sull’argomento
Verifiche:
• Verifiche orali
Storia dei processori
Breve percorso dagli inizi…..ad oggi.
Le prime macchine da calcolo
• La storia delle macchine da calcolo ha origini
antichi. Possiamo affermare che il primo vero
strumento realizzato per eseguire i calcoli risale al
2000 a.c. ed è l’ABACO.
• Venne utilizzato prima in Cina, poi in Grecia e solo
in seguito dai Romani
Abaco
Le prime macchine da calcolo
• Il termine calcolare e calcolatore derivano
dal latino calculi.
• Il nome è legato alle file di sassolini di un
abaco, dove la posizione di alcune palline
riferite ad una barra orizzontale determinava
la rappresentazione numerica.
Le prime macchine da calcolo
• Altra macchina storica è la virgulae
numeratrices di Napier
• E’ uno strumento ideato per la costruzione
delle tavole dei logaritmi
Ma le prime vere macchine, ovvero macchine che non
si limitano a fornire un semplice supporto fisico agli
operandi, ma sono insiemi di organi meccanici che
consentono l’automatizzazione delle operazioni,
compaiono solo a partire dal XVII sec.
Whihelm Schikard (1592-1635), Blaise Pascal (16231662) e Whihelm Leibniz (1646-1716) costruirono
macchine, simili nella sostanza, che consentivano di
eseguire le 4 operazioni mediante un semplice
meccanismo di ruote dentate
La prima macchina calcolatrice fu ideata e costruita dal
tedesco Wilhelm Schickard nel 1623: essa effettuava le
quattro operazioni aritmetiche ed estraeva la radice
quadrata di un numero. In seguito tale macchina fu
messa a punto dal diciannovenne francese Blaise Pascal
(1642) e fu chiamata Pascalina (si dice che il francese
abbia intrapreso il progetto per facilitare il lavoro del
padre, ispettore delle tasse). La macchina era in grado di
eseguire addizioni e sottrazioni su numeri decimali fino
a 12 cifre.
Pascalina
Gottfried Wilhelm von Leibniz, partendo dai principi
base della Pascalina, costruira' invece una macchina
calcolatrice (il Calcolatore a Scalini 1694) che ha in
piu' il traspositore, un meccanismo in grado di
memorizzare un numero e di utilizzarlo per
moltiplicarlo con il risultato di una successiva
addizione. Purtroppo nessuno dei due esemplari
realizzati riusci' a compiere una operazione esatta, a
causa della scarsa precisione con cui vennero costruiti i
suoi ingranaggi.
Leibniz dette tuttavia un rilevante contributo agli
elaboratori, con i suoi studi di quella che e' ora
conosciuta come la logica simbolica
E’ emblematico riportare il suo pensiero riguardo l’uso
di strumenti automatizzati:
“non e' ammissibile che studiosi e scienziati, anzichè
sviluppare e confrontare nuove teorie, perdano le
proprie ore come schiavi nelle fatiche del calcolo, che
potrebbe essere affidato a chiunque se si potessero
usare delle macchine…”
Leibniz diede quattro grandi contributi nel campo del calcolo
automatico, quali :
• l'avvio della logica formale e del codice binario;
• la comprensione del carattere disumano del calcolo e l'opportunita',
nonche' la capacita', di automatizzare questo lavoro;
• l'idea che le macchine da calcolo potrebbero essere utilizzate per
verificare le ipotesi
• la costruzione di una macchina da calcolo.
In seguito vennero alla luce altri progetti e prototipi…ma i primi passi
significativi vennero mossi soltanto un paio di secoli piu' tardi.
La scheda perforata
Un'innovazione importante per l'evoluzione dell'elaboratore
elettronico e' sicuramente l'introduzione della scheda perforata ad
opera del francese Joseph Jacquard diffuse nel 1801 e il suo
sviluppo industriale nel 1804 al fine di automatizzare il controllo
dei telai di tessitura. La reazione alla diffusione di questi telai fu
drammatica in quanto si pensò che essi rischiavano di gettare in
miseria i 4/5 della popolazione di Lione e conseguentemente il
Consiglio
della
città
ne
ordinò
la
distruzione.
Tuttavia nel 1812 operavano in Francia 11.000 telai a scheda, ed
essi si diffusero rapidamente in Germania, Italia, America e Cina.
Schede perforate
Nel 1822, Charles Babbage (1792-1871), professore di matematica
all'universita' di Cambridge, presento' alla Royal Astronomical Society
il suo primo modello di Macchina Differenziale, una macchina
capace di eseguire i calcoli necessari per costruire le tavole
logaritmiche. Il suo scopo era costruire una macchina in grado di
stampare tavole numeriche senza errori.
Nel 1832, Babbage e Joseph Clement producono un segmento del
prototipo del loro calcolatore differenziale, che lavora con numeri di
sei cifre e funzioni polinomiali (tabulate) del secondo ordine. Il
dispositivo completo, grande quanto una stanza, dovrebbe lavorare con
funzioni del sesto ordine e numeri di 20 cifre, oppure con funzioni del
terzo ordine e numeri di 30 cifre. Ogni addizione e' fatta in due fasi
(nella seconda ci si occupa del riporto generato nella prima); le cifre di
output sono incise in una lastra di metallo dolce, dalla quale puo' essere
ottenuta una lastra per la stampa. Ci sono comunque notevoli difficolta'
ed è costruito solo questo prototipo. Il progetto viene ufficialmente
annullato nel 1842, per problemi di fondi.
Intorno alla fine dell’800 il Museo delle Scienze di Londra,
riprendendo il progetto di Babbage del 1849, di cui si hanno tutti
i disegni, costruisce la Macchina delle Differenze, ovvero una
versione più avanzata della macchina di Pascal, in grado di
calcolare con il metodo delle differenze finite i valori di un
polinomio di terzo grado. La Macchina delle Differenze poteva
eseguire il calcolo dei valori di un polinomio attraverso una serie
ripetuta di somme: una volta attivata ed impostata con i valori
iniziali, la macchina proseguiva i suoi calcoli automaticamente,
grazie ad un motore a vapore. Corretti alcuni dettagli e usando
componenti più moderni, il dispositivo funziona egregiamente,
mettendo in evidenza anche la raffinatezza del progetto di
Babbage.
Intanto Babbage si era messo a lavorare ad un secondo
prototipo: la Macchina Analitica (Analythical Engine), primo
esempio di macchina a programma registrato. Applicando al
calcolo automatico l'idea della scheda perforata ideato da
Joseph Jaquard nel 1801, Babbage dotò la sua macchina
della capacità di eseguire sequenze di calcoli preregistrate su
schede perforate (il principio di funzionamento e' di
consentire o meno il collegamento fra ingranaggi disponendo
opportunamente dei fori sulle schede). Al progetto partecipò
anche la figlia del poeta Lord Gordon Byron, Ada Augusta
Lovelace, ricordata come prima programmatrice della storia
(in suo onore fu in seguito sviluppato un linguaggio di
programmazione noto col nome di ADA).
La Macchina Analitica consisteva in una unita' di calcolo, detta
Mulino (Mill), dotata di due accumulatori principali ed alcuni
ausiliari, e in una memoria (Store -> Magazzino), costituita da
una pila di registri in cui venivano memorizzati dati e risultati
intermedi; le schede perforate erano impiegate sia per i
programmi che per i dati, e potevano essere effettuati anche salti
condizionati. Vi era poi anche una forma di "microcoding":il
comportamento delle istruzioni dipende dalla posizione di
"interruttori" su una barra, detta barra di controllo (control
barrel).
Un'addizione era calcolata
in 3 secondi mentre una
moltiplicazione o divisione
in 2-4 minuti.
La Macchina Analitica
La macchina analitica non fu però realizzata poichè il
governo britannico, si rifiutò di concedere altri
finanziamenti in quanto considerava assurda l'idea che si
potesse costruire una macchina che eseguisse un lavoro
mentale. Solo il 29 novembre 1991, la macchina (costruita
coi mezzi disponibili nell'Inghilterra vittoriana) compì il
primo calcolo completo nel Museo della Scienza di Londra.
La logica di progetto e la struttura d'insieme dei moderni
computer si basa ancora su concetti introdotti da
Babbage, tanto che egli viene considerato uno dei
fondatori dell'informatica.
Se solo egli avesse potuto disporre di una migliore
tecnologia, la macchina analitica avrebbe funzionato nel
19° secolo, e il mondo avrebbe fatto un balzo avanti di
quasi cent'anni...
Col passare del tempo vennero effettuati altri progressi,
sopprattutto per quel che riguarda l'archiviazione dei dati:
Herman Hollerith riuscì infatti con la sua Macchina
Tabulatrice a censire nel 1890 la popolazione degli Stati Uniti
in soli due anni (quando soltanto dieci anni prima
occorrevano circa sette anni di conteggi...).
Macchina Tabulatrice
In seguito a questo grande successo Hollerith fondo' una
societa', che diverra' poi la famosa International Machine
Corporation (IBM).
UNA NUOVA ERA
Vent’anni più tardi nasce il primo computer analogico
(Vannevar Bush, 1930) e a seguire lo Z-1, macchina a relè
capace di lavorare su due cifre (0 e 1) costruita nel salotto di
casa dal tedesco Konrad Zuse (1936-1938). Nel 1937
troviamo il primo calcolatore interamente costruito con
valvole termoioniche: l'ABC (A e B stanno per il nome dei
suoi ideatori: John Atanasoff e Berry dell'Università di Stato
dell'Iowa, mentre C sta per Computer). Questo computer fu
progettato nel 1937 e ultimato nel 1939 allo Iowa State
College; a causa dello scoppio del secondo conflitto modiale
fu però dimenticato e solo più tardi, nel 1973, una corte
federale degli Stati Uniti sancì che l'ABC fu il primo
calcolatore elettronico automatico.
Con l'ultimazione del primo elaboratore elettronico della
storia si apre dunque la prima generazione di computers.
Clifford Berry Con l’ABC
Il ricostruito Z1 al
Deutsche Technik
Museum Berlin nel 1989
Particolare dello Z1
Z3 in mostra al Deutsche
Museum in Monaco
(macchina ricostruita,
non esistono immagini
delle macchine originali)
La Prima Generazione (1939 - 1956:
la valvola termoionica)
•Con questo nome si indica quel periodo durato quasi vent’anni che
vide la nascita dei primi calcolatori elettromeccanici.
•Queste macchine eseguivano solo le operazioni per le quali erano
state programmate, sfruttando complessi meccanismi attivati da
motori elettrici.
La Prima Generazione (1939 - 1956:
la valvola termoionica)
I computer della prima generazione avevano
tutti in comune :
• le grosse dimensioni
• l'utilizzo di schede perforate (per inserire e
ricevere dati )
• la capacità di lavorare in "tempo reale"
(grazie alle valvole termoioniche, mille
volte più veloci dei relè)
Esempi di “valvola termoionica”
Fu inventata da J. Ambrose Fleming nel 1905 e l'anno
seguente venne perfezionata da Lee De Forest
La Prima Generazione (1939 – 1956):
la valvola termoionica
Lo stimolo per lo sviluppo dei calcolatori venne dalla seconda
guerra mondiale. Una Macchina chiamata ENIGMA fu usata dai
tedeschi per cifrare i messaggi tra i comandi e i luoghi operativi.
Gli inglesi (con l’aiuto di Alan Turing) costruirono COLOSSUS per
decifrare i messaggi. Il progetto fu fortemente voluto nel 1936 da
Churchill.
Alan Turing, col suo operato, apportò notevoli progressi,
formalizzando l'idea di programma e di computer.
Nel 1942, per velocizzare il montaggio delle apparecchiature
elettroniche prodotte in serie, un ingegnere tedesco, Paul Eisler,
intuisce che sarebbe meglio inserire i componenti su una base
prestampata. Con un processo chimico-fotografico incide la base
in modo da ricavare delle piste di rame. Entra in scena il circuito
stampato
Un circuito stampato
Il progenitore concettuale del
computer
Nel 1944, il matematico John von Neumann teorizzo' il
funzionamento di un calcolatore tramite programmi immessi nella
memoria centrale, insieme a dati da elaborare. Fino ad allora,
infatti, ogni calcolatore eseguiva solo le istruzioni per le quali era
stato costruito. Questa teoria gettava le basi per la realizzazione
dei computer moderni.
John von Neumann
Modello Von Neumann
ENIAC: Electronic and Numeric
Integrator and Calculator
•
•
•
Primo importante computer general
purpose a valvole
Progetto per il ministero della Difesa
americano
per
costruire
tavole
balistiche
Iniziato nel 1943 e completato nel 1946
Caratteristiche:
• 18000 valvole
• 30 tonnellate
• 1000 volte più veloce dei predecessori
meccanici. Riusciva ad elaborare le
tabelle balistiche facendo uso di parti
interamente elettroniche
• Aritmetica decimale
• RAM basata su nuclei di ferrite.
• memorie di massa costituite da nastri
magnetici
ENIAC
EDVAC: Electronic Discrete
Variable Automatic Computer
•
•
•
•
Proposto nel 1945 da John Von
Neumann ed operativo nel 1951
Idea rivoluzionaria: Programmi e
dati nella medesima unità di
memoria
ad
alta
velocità
(possibilità di modificare le
istruzioni durante l'esecuzione di
un programma)
Rappresentazione binaria dei dati
(macchina versatile che permise la
realizzazione di computer in serie )
meccanismo di memorizzazione:
linee di ritardo, più veloci e meno
ingombranti della valvole
EDVAC
Limiti dei calcolatori di prima gen.
• Scarsa capacità di memorizzazione e bassa velocità (limite
alla complessità dei problemi risolvibili );
• Processo di programmazione complesso e tedioso, non
esistevano linguaggi di "alto livello", ed occorreva
programmare in codice binario. Non si potevano utilizzare
variabili; mancava il concetto di "ciclo" e gli strumenti
software per supportarlo; mancava qualsiasi tipo di
supporto alla programmazione ed alla strutturazione dei
programmi (sistemi operativi, librerie,...);
• L'unita' di calcolo era poco orientata alla soluzione di
problemi non numerici ;
La Seconda Generazione (1956-1963):
il transistor
Tre scienziati della Bell Telephone, una societa' di Boston
all'avanguardia nella ricerca e nella sperimentazione (John
Barden, W. H. Brattain e W. B. Shockley, che riceveranno il nobel
nel 1956) inventano un dispositivo più efficiente, più affidabile,
più piccolo, più duraturo, più veloce e più economico delle valvole
di vetro. Questo dispositivo riesce a trasmettere la corrente
attraverso un resistore. Per questo viene chiamato "transmit
resistor", o più comunemente transistor E’ il 22 giugno 1948.
TRANSISTOR Vs VALVOLA
•
•
•
•
Più veloce
Più piccolo
Più affidabile
Meno vorace di
elettricità
Transistor
Quindi, con l'invenzione del TRANsmit reSISTOR, vi e'
finalmente la possibilità di ridurre l'ingombro dei computer e di
velocizzare le procedure di calcolo. L'elaboratore diventa più
economico e si diffonde in decine di migliaia di esemplari in
tutto il mondo.
La Seconda Generazione (19561963): il transistor
Benché il transistor fosse stato
inventato già da dieci anni,
nessun computer funzionava
interamente con questi nuovi
componenti. Nel 1955 nacque il
primo computer funzionante
interamente a transistor, il
TRADIC.
Viene sperimentato dalla Bell, ma
sarà la Siemens nel 1957 a
commercializzare il primo
modello definitivo, chiamato
2002.
TRADIC
La Seconda Generazione
• Nel 1957 un ingegnere, suo fratello e un amico, con
70.000 dollari presi in prestito fondano una società per
la produzione di mini-elaboratori chiamata Digital
Equipment Corporation, DEC.. Negli anni successivi
questa società fu seconda solo alla IBM.
• L'implementazione di programmi che prevedevano
l'utilizzo di nuovi linguaggi macchina più stringati e
di facile comprensione, da parte dell'operatore.
• L'avvento delle stampanti.
• L'aumento della capacità di immagazzinamento di
dati.
La Seconda Generazione
• I computer sono ampiamente accettati da
numerose industrie
• Ha inizio la miniaturizzazione dei
componenti
– IBM 1401 (dotato di 10.000 transistors)
– IBM 7090 (con 44.000 transistors e 1,2 Mbit
di memoria )
La Seconda Generazione
• Negli anni sessanta furono mossi grandi passi
anche nel campo della programmazione.
furono realizzati i linguaggi COBOL, il
FORTRAN e l'ALGOL; vengono introdotti
meccanismo per realizzare cicli e definire
variabili, supporti alla stesura di software,
quali librerie, soubroutines, compilatori e
monitors
La Seconda Generazione
• Nel 1963 un gruppo di ricercatori americani progetta e realizza
un rivoluzionario sistema di posizionamento rapido del cursore
sullo schermo: viene chiamato mouse, tuttavia non fu
introdotto sul mercato, fino al 1981.
• Nacquero inoltre le prime aziende specificatamente dedicate
all'informatica (nel '64 l'IBM inventa il primo word-processor)
• Nel 1981 viene commercializzato il PDP-8, una macchina
molto meno potente degli altri calcolatori disponibili sul
mercato, il cui prezzo contenuto ne favorì però il successo:
l'elaboratore entrò in numerose scuole americane e divenne uno
dei primi computer a disposizione degli studenti.
• Uno di questi finì in mano al piccolo William Henry III Gates,
con le conseguenze che oggi conosciamo tutti.
La Terza Generazione (1964 - 1971:
il circuito integrato)
• La scarsa affidabilità dei transistor creò non pochi
problemi ai calcolatori, come perdita di dati ed
errori rilevante nell'elaborazione e nelle risposte.
• Un ingegnere della Texas Instruments, Jack Kilby,
sviluppò nel 1958 il primo esemplare di circuito
integrato (IC), attraverso l'utilizzo di uno speciale
minerale: il quarzo.
La Terza Generazione (1964 - 1971:
il circuito integrato)
Grazie a questa straordinaria invenzione, negli anni successivi
gli scienziati riuscirono a condensare i vari componenti
elettronici in un singolo elemento semiconduttore chiamato
chip.
Primo circuito integrato di
Jack Kilby 1959.
La Terza Generazione (1964 - 1971:
il circuito integrato)
Una curiosità: il brevetto fu riconosciuto alla Texas Insruments
da tutti i paesi del mondo tranne il Giappone, che iniziò la
produzione di circuiti integrati senza pagare i diritti. Iniziò
allora una battaglia legale, che fu vinta dalla Texas. Intanto il
Giappone era diventato il maggior produttore al mondo di
circuiti integrati: lo scherzo gli costerà una multa (che oggi si
può valutare in 100.000.000 di euro all'anno) da pagare fino al
2001.
La Terza Generazione (1964 - 1971:
il circuito integrato)
Un altro importante evento, legato al diffondersi dei computer
di terza generazione, fu la nascita dei sistemi operativi , o
software “di base”, per la gestione della condivisione da parte
di più utenti delle risorse di un computer, in grado di
controllare il rendimento e le funzionalità della memoria
centrale, e di far girare più programmi sostanzialmente diversi
tra loro.
Due specialisti dei laboratori della AT&T gettano le basi del
linguaggio UNIX , capace di adattarsi a qualsiasi calcolatore
a 16 o 32 bit. La prima versione sarà lanciata nel 1969 , ma
bisognerà aspettare quasi 10 anni prima che il prodotto
diventi commerciale: solo nel 1977 , infatti, il sistema sarà
largamente diffuso negli ambienti accademici.
La Terza Generazione (1964 - 1971:
il circuito integrato)
Dal punto di vista architetturale, viene introdotto il concetto di
parallelismo: a vari livelli (di istruzione, di programma, ecc.) e'
possibile velocizzare l'esecuzione di una certa funzione
eseguendo più passi in parallelo su moduli diversi. Viene inoltre
introdotto il concetto di microprogrammazione, per semplificare
il progetto dell'Unita' di Controllo.
La Terza Generazione (1964 - 1971:
il circuito integrato)
Il primo grande elaboratore basato su circuiti integrati e' il System/360 ad
opera dell'IBM, capace di decine di milioni di operazioni al secondo ( 1964 ).
La serie System/360 era caratterizzata da un unico sistema operativo, che rese
compatibili non solo gli elaboratori della stessa serie ma anche quelli già
esistenti, permettendo ai produttori di software di sviluppare applicazioni
standardizzate per un mercato molto più ampio, con la possibilità di sfruttare
evidenti economie di scala.
L'architettura scalabile rivoluzionò l'industria degli elaboratori dando alla
IBM la possibilità di dominare il settore dei mainframe per i successivi
trent'anni e ai clienti di utilizzare il medesimo sistema operativo e le
medesime applicazioni su differenti modelli della serie System/360.
Il successo di questo calcolatore e' strepitoso: ne vengono prodotte fino a
mille unità al mese e una nuova versione quattro anni più tardi
(il System/370-1968), mentre le azioni della IBM, crescendo
vertiginosamente, fanno sì che la azienda diventi il maggiore produttore al
mondo di calcolatori elettronici.
La Terza Generazione: Altre scoperte
• 1964: fa la sua prima comparsa il puntatore grafico, comunemente
detto mouse
• 1969: la società svizzera Hoffman La Roche brevetta i cristalli liquidi.
Cinque anni prima, infatti, la società americana RCA giunse alla stessa
scoperta, ma non brevettò gli LCD perchè giudicati “di scarso
utilizzo“.(Per inciso, la vera scoperta dei cristalli liquidi risale
addirittura al 1888, frutto delle ricerche di un botanico austriaco! )
• 1970: viene istituita ARPANET (rete di comunicazione interna del
Pentagono)
• 1970: Intel lancia sul mercato il primo esemplare di RAM (a 1024
bytes)
• Con l'aprirsi degli anni settanta, a cavallo tra la terza e la quarta
generazione, vediamo l'utilizzo dei circuiti a larga scala di integrazione
(LSI), integrando su una singola piastrina di silicio migliaia di
transistors, realizzando le memorie a semiconduttore.
La Terza Generazione (1964 - 1971:
il circuito integrato)
• Il processo di miniaturizzazione dei calcolatori raggiunse
l'apice con l'introduzione del microprocessore.
• Con questa invenzione si completò un ciclo di evoluzione e
progresso per la microelettronica, per il funzionamento dei
calcolatori e l'abbattimento dei costi tale che, se fosse
esistito per l'industria automobilistica, oggi potremmo
comprare ad un prezzo irrisorio una Rolls-Royce in grado
di percorrere un milione di chilometri con un litro di
benzina e con un motore tanto potente da poter spingere un
transatlantico...
La quarta generazione
• Dopo lo sviluppo dei circuiti integrati l'attenzione
dei ricercatori si spostò decisamente sulla
realizzazione di chip sempre piu' sofisticati.
• Pur mantenendo le funzionalita' logiche di base di
una macchina di Von Neumann, l'avvento dei
circuiti ad elevata integrazione consente di
potenziare i concetti di parallelismo, di aumentare
le funzionalità di elaborazione e controllo, nonchè
la capacità di memorizzazione.
La quarta generazione
• Nel 1970 i tagli del governo americano ai finanziamenti
destinati all'agenzia spaziale (NASA) fecero diminuire il
volume di acquisti dei componenti elettronici.
• Fu così, che la Intel (INTegrated Electronics), societa'
fondata nel 1968 da due ex-ricercatori della Bell Telephone,
Robert Noyce e Gordon Moore, e Ted Hoff in particolare,
realizzò un prototipo di microprocessore a 4 bit, destinato
alla costruzione di un microcalcolatore da tavolo, il 4004
(1971), che era in pratica un circuito integrato che simulava
un intero computer, con la sola mancanza di dispositivi di
input-output e memoria.
Intel 4004
La quarta generazione
• Il 4004 rivoluzionò decisamente non solo il
settore informatico, ma anche quello
televisivo e automobilistico (permettendo
l'inserimento dell'iniezione elettronica).
• L'inadeguatezza tuttavia di
questo
processore ai calcoli di uso generalizzato
portò alla creazione di un tipo più evoluto,
l'8008, ad 8 bit, il quale tuttavia non
riusciva a raggiungere velocità abbastanza
elevate.
• A distanza di un anno, nel 1974 , la Intel
realizzò così l'8080, un processore dal
prezzo di poco inferiore ai 200 dollari
dell'epoca, leggermente piu' grande del
precedente 8008 ma dieci volte più potente,
con 2.700 transistors in più.
Intel 8008
La quarta generazione
Caratteristiche dell’ Intel 8080:
• Versione migliorata dell’ 8008
• Primo a 8 bit realizzato dalla Intel.
• Può sommare due numeri ad 8-bit in 2.5
milionesimi di un secondo.
Intel 8080
La quarta generazione
• Nel 1973 un progetto della Xerox Parc porta alla
luce ad un elaboratore sperimentale che utilizza il
mouse, l'Ethernet e l'interfaccia grafica (GUI)
denominato Alto
• Sempre alla Xerox, ma l'anno successivo, Charles
Simonyi scrive il primo applicativo di tipo
WYSIWYG - what you see is what you get - e lo
chiama BRAVO-1974.
La quarta generazione
•
•
•
Le prestazioni degli elaboratori nella
terza generazione si impennano, i tempi
di calcolo divengono brevissimi e le
dimensioni delle macchine si riducono.
Questi cambiamenti fanno sì che il
prezzo dei calcolatori si abbassi ad un
punto tale da permettere che, nel 1975,
il computer in casa non sia più un
sogno: nasce l'Altair 8800.
Un computer grande come un tostapane
dotato di processore 8080, con 4.000
bytes di memoria, venduto a 397 dollari
in un kit di montaggio che, una volta
assemblato, non aveva ne' tastiera ne'
schermo
ma
solamente
sedici
interruttori per dare i comandi ed
altrettante spie luminose per l'output.
Intel 8080
Una curiosità: il nome gli fu dato dopo che l'inventore vide
un episodio di Star Trek: "A voyage to Altair".
La quarta generazione
• Scrivendo il software per questo computer, grazie alla raggiunta
capacità del processore Intel di reggere una versione dell'interprete del
linguaggio BASIC, William (Bill) Gates (zio Bill per gli amici e Paul
Allen (diciannove anni il primo, ventidue il secondo) fondarono, nel
1975, la Microsoft, la prima società di produzione di software per
microcomputer.
• La nascita dei primi computer di dimensioni ridotte e la crescita
esponenziale di sistemi operativi sempre meno complessi resero
possibile la nascita di applicazioni come i word processor (il primo
venne chiamato Electric Pencil), i programmi per la realizzazione
grafica e i videogiochi. (alcune tra le aziende in questa direzione
furono la Apple Computers, la Commodore e la Radio Shack, ognuna
delle quali aveva sviluppato un sistema operativo di proprietà basato su
versioni simili del linguaggio Basic, direttamente installato nella ROM
del computer)
La quarta generazione
• Il 1976 vede la nascita dello
Zilog Z-80, rielaborazione del
chip Intel 8080, ad opera di
Federico Faggin. Egli può
essere considerato:
– l'inventore
del
primo
microcomputer a 4 bit, il 4004
prodotto dalla Intel, tra il 1969
e il 1971;
– l'inventore del più famoso
microprocessore della storia
dell'informatica, lo Z80, tra il
1974 e il 1976
– l'inventore del più semplice
dispositivo di puntamento dai
tempi del mouse: il touchpad,
tra il 1992 e il 1994.
Federico Faggin.
La quarta generazione
• Lo Zilog Z-80 è:
• costituito da 50 istruzioni di
base,
• confezionato in un unico
contenitore a piedini;
• L’architettura si basa su 3
microprocessori ad 8 bit:
1. 8080
2. 8228
3. 8224
•
Lo Zilog Z-80 si rivelerà
più veloce del concorrente
Intel 8080
Zilog Z-80
La quarta generazione
• Nell’1977 la Digital Equipment Corporation
(DEC) introduce la famiglia di computer Vax, una
vasta gamma di computer di differenti dimensioni
che la rese leader nel settore dei minicomputer.
• I minicomputer ebbero un enorme successo
poichè, a differenza dei mainframe, permettevano
ai loro utenti l'accesso contemporaneo per eseguire
operazioni diverse ( multi-tasking ) a scapito,
però, della potenza.
L’era degli x86
• Nel 1978 nasce l’era dei 16-Bit:
– Intel lancia sul mercato l’8086.
– si basa sul disegno del 8080 e 8085,
con un register set simile, ma
espanso a 16 bit
– È il primo processore, di questa
casa, con architettura a 16 bit
– Può indirizzare fino a 1Mb di
memoria avendo a disposizione un
bus indirizzi a 20 bit
– Contiene 29.000 transistor ed una
tecnologia NMOS (MOS di tipo n)
a 3.0 micron
Intel 8086
La quarta generazione
Nel 1978 lo scenario è il seguente:
• Con l’uscita sul mercato di una
stampante ad aghi con alte capacità
grafiche nasce in Giappone il
marchio Epson (Seiko)
• Viene lanciato sul mercato il primo
modulatore-demodulatore di segnali
digitali in analogici e viceversa per
la trasmissione di dati attraverso
linee telefoniche:
– il Micromodem 100
L’era degli x86
•
L’anno successivo, nel 1979, Intel
annuncia il microprocessore 8088,
versione “Lite" dell'8086.
– Mantiene il set di istruzioni dell’8086
– Stesse dimensioni dei registri
dell'8086 (architettura a 16 bit),
– Il bus dei dati è ridotto a otto bit,
contro i sedici del processore
precedente
– Rappresenta un passo indietro
nell'evoluzione. Questa operazione è
stata fatta per rendere l'8088
compatibile con gli adattatori
hardware in commercio e per poter
impiegare chip di supporto economici
e facilmente reperibili nei primi
personal computer.
Intel 8088
La quarta generazione
Nel 1979 lo scenario è il seguente:
•Nasce Wordstar, il primo potente
software per il trattamento dei testi
destinato ai personal computer
•La Olivetti presenta il modello M10,
uno dei primi personal computer
portatili
•Nasce il linguaggio ADA
(Augusta ADA Byron) Derivato dal
Pascal, usato principalmente dai
militari.
L’era degli x86
L’8088 fu prodotto in due versioni:
– una con una velocità di clock di 5 MHz
• capace di 0.33 MIPS (milioni di istruzioni per secondo)
– l'altra con una clock a 8 MHz e 0.75 MIPS
• Le limitazioni di un processore a 8 bit erano del
resto chiarissime, non potendo questo gestire, se
non con innaturali paginazioni, memorie superiori
a 64 K ed era limitato dalla dimensione dei suoi
registri nell’esecuzione di operazioni su insiemi di
dati complessi, in special modo nell'ambio delle
operazioni matematiche.
L’era degli x86
Nel 1980:
•
Motorola presenta il chip 68000
–
–
–
•
chiamato così dal numero dei transistor che lo
componevano (sessantottomila)
Processore a 16 bit che più tardi verrà
installato sui Macintosh.
Considerato a 16 bit, presenta un'architettura
interna e alcune prestazioni da 32 bit
Nasce il Coprocessore matematico Intel 8087
–
Immesso nel mercato nel 1980, fu prodotto per
lavorare con i microprocessori a 16-bit:
•
•
•
Motorola 68000
8086
8088
Date le limitazioni della tecnologia a 3.0
micron del 1980 (decine di migliaia di
transistor su un chip) già sfruttata al massimo,
era più pratico per i costruttori di circuiti a
semiconduttore
omettere le funzioni di
matematica avanzate nella progettazione dei
microprocessori .
Intel 8087
L’era degli x86
• Le funzioni matematiche furono così relegate ad
un elemento separato:
• Il coprocessore matematico 8087
• A due anni dalle prime vendite dell’ 8086, Intel
mise sul mercato il circuito integrato più
complesso fabbricato commercialmente.
• Il simbolo “i” ad di sopra del package, indicava
che Intel aveva prodotto quel chip, non un suo
concorrente. Una sorta di primo marchio contro la
contraffazione.
La quarta generazione
• Lo scenario del 1980 è il seguente:
– Travolgente avanzata del personal computer in America
– L’editore statunitense Ashont-Tate lancia “dBase” un sistema di gestione
di data base
– Viene creata la rete Ethernet con l’aiuto tecnologico di:
• Xerox
• Intel
• Digital
– A Roma entra in funzione l’archivio computerizzato dell’agenzia ANSA
– Sony Electronics introduce il floppy disk a 3.5" e il relativo drive.
– Microsoft compra per 50000$ i diritti del sistema operativo QDOS dalla
Seattle Computer Products; viene rielaborato e adottato il nome di
MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System) verrà installato sui pc IBM
L’era degli x86
Nel 1981:
•
Intel crea i processori:
– 80186
Nato migliorando la tecnologia dell' 8086
mapoco diffuso
•
Caratteristiche:
– 16 bit per il bus dati. (interni ed esterni);
– 20 bit per il bus indirizzi;
– Package:
• 40 pin CERDIP (CERamic Dual
In-line Package).
– Tecnologia:
• 1.5 micron Nmos e Cmos
– Frequenza di clock:
• Dai 6 ai 16 Mhz a seconda delle
versioni
– 80188
Versione economica dell' 80186, l'unica
differenza infatti che ha con
quest'ultimo sono gli 8-bit del bus dati
esterno anzichè 16.
La quarta generazione
• In quest’anno…
– Esce sul mercato il Commodore Vic-20
– La maggiore industria informatica del mondo,l’IBM,
entra nel settore di mercato dei personal computer
– È immesso sul mercato l’Osborne-I il primo pc
moderatamente portatile del peso di 11 Kg
– La Microsoft lancia la prima versione del Multiplan, il
primo “foglio elettronico” della casa statunitense
L’era degli x86
•
Nel 1982 Intel crea il processore 80286
• Ha inizio la seconda generazione di
processori
• La sua produzione inizia in agosto
• viene inserito nel PC IBM "AT".
– Rappresenta un vero salto da un punto di vista
tecnologico:
• 134.000 transistor
• frequenze di clock tra 6 e 20 Mhz
• Tecnologia: 1.5 micron HMOS
• 16 bit bus dati. (interni ed esterni) e 24 bit
bus indirizzi.
• 16MB di spazio di indirizzamento, 64KB
per segmento
• Package: 68 pin CERDIP (CERamic Dual
In-line Package).
Sviluppi tecnologici
• Nello stesso anno (1982):
– Viene fondata Sun Microsystem
– Compare sul mercato il Commodore 64
– Microsoft realizza MS-DOS 1.1 per IBM.
• Supporta dischetti a doppia faccia da 320 kb
– Microsoft inoltre realizza MS-DOS 1.25, similare
all'1.1 ma per gli IBM compatibili.
– Viene prodotto il primo clone di IBM-PC, l’MPC,
realizzato da Columbia Data Products
– Mouse Systems produce il primo mouse commerciale
per PC
L’era degli x86
• Nel 1984 Motorola crea il
processore MC68020 che contiene
qualcosa come 250.000 transistor.
• Microprocessori con architettura a
bus di dati a 32 bit
• Tali
circuiti,
realizzati
con
tecnologie
CMOS
(MOS
complementare) consentono di
lavorare a frequenze superiori a 50
MHz, con un consumo di energia
molto ridotto
Sviluppi tecnologici
• Negli Stati Uniti è presentato il supercomputer
Cray X-MP4
• In Italia la SIP avvia lo sviluppo di una rete
sperimentale Isdn (Integrated services digital
network) nella città di Firenze
L’era degli x86
• L’anno successivo, nel 1985, Intel annuncia
il chip a 32 bit:
– 80386DX
• Nasce la terza generazione di processori
• Introduzione della memoria cache
– 80386SX versione a basso costo: Sx sta per
Single word eXternal con bus interno a 32 bit
ed esterno a 16 bit.
L’era degli x86
•
•
•
•
•
In ottobre la Intel annuncia il chip a 32 bit 80386 con la
gestione della memoria sul chip.
– Il primo 80386 Dx fu realizzato integrando 275.000
transistor,
– Partito con una frequenza di clock a 16 Mhz arrivò fino
a 40 Mhz
– Con il suo bus interno a 32 Bit poteva indirizzare una
maggiore quantità di dati e gestire una quantità di
memoria
Ram
fino
a
4
Gigabyte
32
(2^ =4.294.967.296byte )
La sigla Dx sta per Double word eXternal ed indica
– la capacità del processore di gestire due word (parole) di
16+16=32 Bit.
– External sta a significare che il processore comunica
verso l’esterno, ossia verso il bus di memoria della
scheda madre, sempre a 32 Bit.
Tecnologia:
– 1.5 micron
• per frequenze di clock: 12/16/20/25MHz
– 1.0 micron
• Per frequenze di clock a 33MHz
Package:
132 pin PGA (Pin Grid Array)
L’era degli x86
•
•
Il 386 Dx segna anche l’introduzione della
tecnologia di caching della memoria.
– Si vide che il costoso (per l’epoca) 386 a
33 Mhz, in condizioni standard e con l’uso
di comune memoria Ram dinamica (Dram
Fastpage), non risultava affatto più veloce
del 386 a 25 Mhz.
– La lentezza della memoria Ram da 80 ns
a cui il processore accedeva per scrivere e
rileggere dati fungeva da collo di bottiglia
strozzando le prestazioni.
Si pensò cosi di saldare sulla scheda madre un
paio di chip da 32-64 Kbyte di veloce
memoria Sram (Static Ram – Ram Statica) da
20 ns per velocizzare la trasmissione dati tra il
processore e la memoria Ram di sistema
– Questa piccola e costosissima memoria
Sram, è stata appunto definita memoria
cache e contiene i dati più prossimi alle
unità di esecuzione del processore
Sviluppi tecnologici
• Negli
Stati
Uniti
è
presentato il supercomputer
Cray-2
• Microsoft vende Microsoft
Windows 1.0, per 100$
Inizio del duopolio Intel AMD
• La potenza di calcolo del 386 era divenuta sufficiente a
gestire un vero sistema operativo grafico di tipo GUI
(Graphical User Interface) e ciò ha permesso la definitiva
affermazione di Windows 3.0 e poi 3.1. In realtà queste
versioni di Windows continuavano ad usare la modalità di
indirizzamento della memoria segmentata a 16 Bit e
bisognerà attendere Windows 95 per vedere in opera i
primi software a 32 Bit.
• Questo processore segna anche l’entrata in campo della
concorrenza di Intel: Amd (Advanced Micro Devices)
aveva appena prodotto il suo primo "clone“ 386 a 40 Mhz
e da qui cominciò la battaglia a suon di denunce e carte
bollate tra le due grandi aziende costruttrici di processori.
L’era degli x86
•
•
•
Intel produce il coprocessore matematico 80387.
Questa unità Fpu (Floating Point Unit - Unità di
calcolo in virgola mobile) detta anche “Coprocessore
matematico” affiancherà il processore 80386
– Coprocessore a 80-Bit ma ha un interfaccia a 32Bit
La unità Fpu (Floating Point Unit - Unità di calcolo in
virgola mobile) serve per processare i numeri con
virgola ossia quelli razionali frazionari ed irrazionali e
quindi per il calcolo di divisioni, radici, funzioni
trigonometriche, logaritmi ecc.. Questo tipo di calcolo
è usato da applicativi software di ingegneria come
Autocad, di calcolo scientifico e, in parte, dai fogli di
calcolo come Excel. Negli ultimi tre anni sempre più
applicativi multimediali vanno ad usare queste
istruzioni ed in particolare i sempre più diffusi
videogiochi 3D (Quake I-II-III, Formula 1 Gp, ecc.) e
le applicazioni di streaming video quali Flaskmpeg,
Adobe premiere ecc.
Sviluppi tecnologici
• IBM svela lo standard
Video Graphics Array
(VGA)
• IBM annuncia il DOS
3.3 per i PC.
• Microsoft
annuncia
Windows 2.0.
L’era degli x86
• Il microprocessore:
– 80486
• Nasce la quarta generazione di processori
• Intanto…
– Creative Labs introduce la Sound Blaster, una scheda
sonora mono a 8-bit per PC.
– Tim Bernest-Lee e Robert Calliman, del centro di
ricerche nucleari di Ginevra mettono a punto il WorldWide Web (WWW) un sistema destinato alla
comunicazione via computer dei fisici sparsi nei vari
centri di ricerca
L’era degli x86
•
•
Fu il primo processore con integrati 1 milione e duecentomila transistor su singolo chip.
In esso erano integrati:
–
–
–
il processore 80386,
il coprocessore 80387 ed
il circuito opzionale Intel 82385 (il cache controller).
•
–
–
•
Quest’ultimo, nelle macchine 386, era un chip PGA da 132-pin (grande quanto il processore 386,quindi) che permetteva, opzionalmente
appunto, di accrescere le prestazioni aggiungendo della veloce memoria cache
Venne inserita una piccola porzione di cache (1990) all'interno dei microcircuti nel nucleo (core) del
processore, il quantitativo era limitato a soli 8 Kbyte ma, essendo la cache integrata il doppio più veloce di
quella esterna su scheda madre, gli 8 Kb erano sufficienti a far ottenere un raddoppio netto delle prestazioni
rispetto al 386. Grazie ad un nuovo algoritmo questa piccola cache integrata non solo immagazzina i dati
impiegati più di recente come le cache Sram su scheda madre ma anticipa anche gli accessi del processore
importando una certa quantità di dati dalla memoria di sistema anche quando gli stessi non sono al momento
richiesti dal software. Questa funzione, detta Read-Ahead (lettura anticipata), rende disponibili al processore
anche una certa quantità di dati che, con elevata probabilità, verranno poi effettivamente richiesti
dall’applicativo
Tecnologia :
– 1.0 micron per 25/33MHz
– 0.8 micron per clock a 50MHz
– 32 bit bus dati. (interni ed esterni)
– 32 bit bus indirizzi.
– Frequenza di clock: 25 e 33 MHz
Die Size:
– 165 mm2
La quarta generazione: 80486
Presenza di una unità aritmetico
logica Alu per il calcolo degli interi ed
una Fpu 80387 collegate da un bus a
64 Bit. La cache da 8 Kbyte è
unificata per dati e istruzioni ed è
collegata ad entrambe le unità di
calcolo Alu ed Fpu da un bus a 32 bit.
La unità prefetcher è adibita a reperire
blocchi di istruzioni dalla memoria
Ram e spostarli nella cache con la
quale comunica con un bus a 128 Bit.
L’interfaccia di comunicazione verso
il bus della memoria è infine a 32 bit.
Nel 486 abbiamo una Pipeline
(canalizzazione), una sorta di catena
di montaggio delle istruzioni interna
al processore.
Struttura logica del nucleo di
un 486
Gli anni 90, sviluppi tecnogici
• James Gosling (programmatore della SUN)
realizzerà un linguaggio di programmazione che
dopo ben 4 anni di “buio” sarà rinominato OAK
e nel 1995 JAVA.
• Berners Lee scrive il prototipo iniziale per il
World Wide Web
• E’ l’anno in cui si comincia ad integrare della
memoria cache(molto veloce) per aumentare la
velocità di calcolo dei processori.
L’era degli x86
• In questo stesso anno viene presentato il
processore 80486 SX con co-processore
matematico integrato.
• Si trattava di un processore molto economico e,
per tale motivo, molto utilizzato dagli utenti.
Mancava però la FPU (float point unit).
Sviluppi tecnologici
– Federico Faggin presenta il Synaptics I1000, il primo processore a rete neurale che
il fisico italiano ha realizzato in California.
• Esso imita il comportamento dei neuroni, le cellule nervose del cervello
degli esseri viventi.
• Questo processore è concepito per riconoscere la scrittura manuale ed
è in grado di riconoscere 20 mila caratteri al secondo con un errore
dello 0.005%.
• La prima sua applicazione è nella lettura degli assegni bancari per la
verifica automatica della loro copertura.
•
– Il 486 Sx era invece una versione economica del processore Intel 486 avente un
coprocessore matematico 80387 integrato.
– La tecnologia di integrazione del processore Intel 486 SX era di 1 micron.
Nello stesso anno:
– Dei ricercatori del California Institute of Technology realizzano un sistema che
consente di incidere un CD su livelli multipli e di leggere i dati così memorizzati.
– Il 30 gennaio si spegne John Bardeen, premio Nobel per l’invenzione del transistor
nel 1947
– Si combatte la prima guerra tecnologica della storia contro l’Iraq di Saddam
Hussein. Vengono impiegati calcolatori 486 e 386 portatili per controllare le “armi
intelligenti”.
Sviluppi tecnologici
• E’ l’era dei virus informatici che
ammontano a circa 2000 esemplari.
• L’IBM perde la leadership nella
vendita dei computer a favore della
Apple.
• Entra in funzione a Cagliari il Centro
Ricerca sviluppo e studi superiori
della Sardegna (detto CRS4), primo
laboratorio italiano sul supercalcolo
parallelo diretto dal premio Nobel
Carlo Rubbia.
• Entra in vigore il 31 dicembre il
Decreto legislativo n.518 del
29/9/1992 che prevede la tutela
giuridica
dei
programmi
per
elaboratore.
Carlo Rubbia
L’era degli x86
•
•
•
•
La Digital annuncia il processore Alpha AXP che
risulta essere il processore più veloce al mondo
dato che opera ad una frequenza pari a 200Mhz.
Nello stesso anno dalla Apple viene annunciato un
prototipo di Newton, un minicomputer tascabile
che è in grado di riconoscere la grafia di chi scrive
sul monitor e di immagazzinare dati che possono
poi essere scambiati tramite infrarossi con altri
PC. Le sue dimensioni sono soltanto di 20x10x3
cm . In tal modo viene dato il via alla nuova
nicchia di mercato che è rappresentata dai
Personal Digit Assistant (PDA).
L’Intel introduce il processore 80486 DX a 50
Mhz con tecnologia di integrazione a 0,8 micron.
I produttori di schede madri fecero notare che una
frequenza così elevata (per l’epoca) poteva
introdurre disturbi di segnale e correnti parassite
sulle piste delle schede madri.
L’era degli x86
• Per ovviare al problema, Intel
produsse il processore 80486
Dx2 il quale per via di un
moltiplicatore interno 2x (leggi
“2 per”) poteva andare a 66
Mhz pur funzionando su un bus
di sistema a 33 Mhz con
tecnologia a 0,8 micron.
• In seguito venne introdotto il
80486 Dx4 a 100 Mhz con
moltiplicatore
interno
3x
(33.3x3=100) e tecnologia di
integrazione di 0,6 micron.
Storia dell’evoluzione
Inizia l’era dei Pentium
• Il 22 marzo la Intel presenta in California a Santa Clara il
microprocessore Pentium I,con non pochi problemi !
• Il Pentium I ha una velocità di calcolo che va dai 60 Mhz ai
200 Mhz e tecnologia di integrazione a 0,8 micron.
• Il Pentium I venne realizzato integrando nel silicio
3.100.000 transistor e rispetto ai 486 proponeva tecniche
avanzate di gestione interna dei dati come una Branch
Prediction Unit (unità di predizione dei salti) e tecniche di
parallelismo nell’elaborazione del codice che stanno alla
base di tutti i più recenti processori.
L’era dei Pentium : 1993
•
•
•
•
•
Nel marzo del 1993 l’ Intel presenta in
California
a
Santa
Clara
il
microprocessore Pentium I . Nella
numerazione sarebbe stato il 586 se un
marchio di soli numeri fosse stato
brevettabile.
Ma una sentenza da pochi mesi aveva
negato all’Intel il diritto esclusivo sul
numero “386” e per tale motivo decisero
di chiamarlo Pentium.
La tecnologia di integrazione adottata è
di 0,8 micron.
Il nuovo microchip è due volte più veloce
del suo predecessore ( il 486) e 2000
volte più veloce dell’8088 adottato dal
primo PC IBM nel 1982.
Le sempre maggiori prestazioni dei
microprocessori Intel sono accompagnate
da una continua discesa dei prezzi.
•Nel Pentium la prima cosa che risalta è la
presenza di due distinte cache da 8 Kbyte
ciascuna. La prima è destinata alle istruzioni
(codice di programma), la seconda ai dati a cui
tali istruzioni vanno applicate. Il vantaggio
rispetto alla cache del 486 sta nella riduzione
dei conflitti tipici di una cache unificata.
•Sono state raddoppiate anche le unità di
elaborazione Alu; in pratica nel Pentium è come
se operassero due Alu 486 in parallelo
•Dopo aver ricevuto e parzialmente decodificato
una istruzione il Pentium stabilisce se esiste la
possibilità di eseguire in parallelo l’istruzione
stessa insieme a quella successiva. Non tutte le
istruzioni possono essere parallelizzate ma in
quelle ove è possibile applicare questa tecnica
l’elaborazione richiederà tempi dimezzati.
•Un processore che riesce a smistare le
istruzioni fra più pipeline e a parallelizzare la
loro esecuzione è definito Superscalare ed il
Pentium è il primo processore x86 dotato di
questa proprietà.
•In condizioni ottimali il Pentium può pertanto
elaborare due istruzioni (operanti sui numeri
interi) per ciclo di clock.
Una ulteriore innovazione nel Pentium è la
introduzione della Branch Prediction Unit,
una piccola zona di memoria cache di appena
mezzo Kbyte strutturata in forma tabellare ed
adibita a contenere una cronistoria degli
indirizzi a cui il software sta eseguendo salti
condizionati (tipo If-Then-Else). In base a
ciò, sfruttando il fatto che molti programmi
eseguono più volte la stessa routine di salto, si
cerca di prevedere a che punto avverrà il salto
successivo. In base alla previsione il dato
viene caricato nel buffer e se il salto avverrà
proprio in quella posizione l’elaborazione ne
sarà ampiamente agevolata .
Questa caratteristica, da sola, fornisce al
Pentium il 20-25% di prestazioni in più
rispetto al 486 ove i salti nell’esecuzione del
codice non sono precognizzati.
Se la predizione non va a buon fine
(previsione errata) si ha lo svuotamento
completo delle Pipeline del processore.(Il
pentium è dotato di due Pipeline che lavorano
in parallelo )
La Pipeline
•
•
Essa è usata per poter eseguire operazioni di calcolo in parallelo da parte di un processore.
Incanalando le istruzioni in una Pipeline a più stadi e suddividendo il processo elaborativo tra
gli stadi stessi la Cpu può cominciare ad elaborare il primo stadio di una successiva istruzione
mentre quella in fase di elaborazione corrente è appena passata allo stadio successivo. Come
si può osservare nella schema mentre la istruzione (1) ha passato il primo stadio la (2) inizia
ad essere elaborata. Quando la (2) è salita al secondo stadio la (1) è salita al terzo e la (3) è in
ingresso ecc. Il vantaggio (teorico) è dunque di poter elaborare una istruzione per ogni
singolo ciclo di clock per ogni pipeline. Abbiamo detto “teorico” perchè una condizione di
Branch nel 486 cosi come una previsione di Branch errata nel Pentium crea un punto di
ingorgo nella canalizzazione che costringe ad eliminare tutte le istruzioni precedenti e le
successive a tale punto. Questa condizione è nota anche come Stallo della pipeline.
L’era dei Pentium : 1993
•
•
•
•
In pieno boom, il Pentium avrà un “incidente di
percorso” : il 13 giugno del 1993 Thomas Nicely,
un matematico che studia la teoria dei numeri
primi al Lynchburg College della Virginia
si
accorgerà
che
moltiplicando
il
numero
824633702441 per il suo reciproco si ottiene
0.99999999274709702 anzichè il numero 1.
Accertato che l’errore deriva dal coprocessore
matematico, il 30 ottobre Nicely affiderà la notizia
alla rete Internet provocando un caso mondiale ed
il calo delle azioni Intel del 7% in un solo giorno. L’
Intel si vedrà quindi costretta, a sostituire
gratuitamente i processori difettosi di tutti coloro
che ne faranno richiesta.
Il bug sarà corretto aggiungendo un centinaio di
transistor nel chip.
La cattiva gestione del problema presente nel
processore Pentium I da parte dell’ Intel, che tentò
prima di far passare tutto sotto silenzio e poi di
minimizzare l’accaduto facendo di tutto per non
sostituire le CPU difettose, creò uno strappo
indelebile tra Intel e i consumatori di allora.
Thomas Nicely
Colpo di coda dell’ x86 : 1994
•
•
•
James Clarck fonda la Netscape dopo aver
lasciato la Silicon Valley da lui fondata perchè la
società non intende occuparsi del nuovo
fenomeno Internet.
Viene prodotto dall’Intel il 80486 DX4 e il 486
SX2
rispettivamente
con
tecnologia
di
integrazione di 0,6 e 0,8 micron ottenendo ben
1.600.000 transistor nel primo caso e 900.000
transistor nel secondo. Le velocità in termini di
clock sono maggiori nel modello 80486 DX4
giacchè viene integrata una cache di primo livello
doppia rispetto al modello 80486 Sx2 e anche la
cache di secondo livello presente sulla scheda
madre è maggiore.
Viene inaugurato a Washington il primo servizio
accessibile via Internet riguardante un servizio di
informazioni sul governo e sull’amministrazione
federale
Sviluppi tecnologici: 1995
•
•
•
•
•
•
•
E’ l’anno che segna la nascita del sistema Operativo Windows 95.
La nascita di questo sistema incrementa l’interesse nei confronti
dei computer giacchè il loro utilizzo diviene sempre più “userfriendly” e spinge semrpe più ad utilizzare applicazioni grafiche
che porteranno a sollecitare un ulteriore incremento nelle
prestazioni dei processori che devono farsi carico degli enormi
calcoli necessari per le elaborazioni di immagini
Nasce il linguaggio Java ,che era stato ideato nel 1990 dalla SUN
ma che si afferma definitivamente solo in quest’anno dopo che
OAK viene rinominato JAVA.
La Stream presenta VideoMagic, primo servizio interattivo multimediale.
Un telecomando ed un televisore sono sufficienti ad un comune
utente televisivo di navigare attraverso un catalogo telematico e
chiedere la visione di un film o di una partita di calcio, o di
effettuare acquisti di prodotti
i nove maggiori produttori di elettronica di consumo (Philips,
Sony,Toshiba ecc.) si accordano sullo standard da utilizzare per la
costruzione di DVD video permettendo ai futuri lettori DVD di
poter leggere anche I CD Rom .
Nasce anche AMAZON il più grande sito di commercio elettronico
L’Intel presenta il Pentium Pro con ben 5.500.000 transistor e
tecnologia di integrazione che scende fino a 0,35 micron per i
modelli da 180 mhz a 200 Mhz con una cache di secondo livello
sulla scheda madre che arriva fino a 1 MB potendo viaggiare così
a velocità comparabili con il processore.
Era ottimizzato per eseguire codice a 32 bit ma aveva dei problemi
nell’eseguire codice a 16 bit.
Sviluppi tecnologici: 1995
• Viene rilasciato il nuovo standard per le porte
di comunicazione per PC denominato USB.
Questo nuovo standard semplificherà la
connessione di innumerevoli dispositivi
collegabili al PC: mouse , scanner,
fotocamere, drive portatili ecc. Oltre alla
praticità risulta anche particolarmente veloce
soprattutto nella versione USB 2.0
L’era dei Pentium :1996
•
Continua il perfezionamento del Pentium Pro, processore superscalare implementa delle nuove tecniche
di elaborazione dati che possiamo riassumere in:
• Superpipeline: è stata aumentata a 14 la profondità delle pipeline di esecuzione delle
istruzioni, più stadi di preparazione intermedia delle operazioni permettono di mantenere le
unità di elaborazione sempre occupate e consentono di accrescere la frequenza operativa in
Mhz del processore.
• Superscalarità spinta: sono state portati a tre i canali di elaborazione parallela delle istruzioni
contro i due del Pentium. Possiamo dire, con buona approssimazione, che il Pentium Pro
implementa al suo interno tre 486 operanti in parallelo
• Esecuzione fuori ordine (Out of order): Nel Pentium, come abbiamo visto, era possibile
l’esecuzione contemporanea di due istruzioni utilizzando due pipeline separate; l'esecuzione
era legata alla sequenza definita dal programma, perciò ogni volta che un'operazione non
poteva essere eseguita subito a causa di un stallo, entrambe le pipeline restavano ferme. Nel
Pentium Pro invece le operazioni x86 vengono convertite in istruzioni micro-ops (microoperazioni) con una tecnica che ricorda i processori Risc (like Risc). Le micro-ops vengono
quindi passate a un motore di esecuzione capace di eseguirle fuori ordine, modificandone la
sequenza così da mandare in esecuzione quelle pronte e lasciare in attesa quelle che non sono.
Con ciò se una Pipeline nel Pentium Pro va in stallo le altre due possono continuare ad
operare senza essere svuotate. La sequenza delle istruzioni viene infine riordinata da una
apposita sezione hardware detta Reorder Buffer alla fine della elaborazione.
• Esecuzione speculativa: nel Pentium Pro le funzioni di predizione dei salti sono state
potenziate ed oltre alla unità di predizione dei salti è presente una elaborazione speculativa.
Essa consiste nell'eseguire istruzioni che si trovano al di là di un'istruzione di salto prima che
quest'ultima sia stata eseguita e che quindi si sappia con certezza che esito avrà la
diramazione. Il processore non può naturalmente aggiornare i registri interni o la memoria
centrale con i risultati "speculativi" ma deve aspettare il responso della unità di branch. In
caso di errata predizione del salto, il processore deve essere in grado di ritornare sui propri
passi azzerando tutte le operazioni già eseguite che si riferiscono a istruzioni collocate oltre il
punto di salto. Nel caso la speculazione risultasse poi sbagliata le istruzioni speculative
vengono cancellate prima che giungano alla fase di termine.
Sviluppi tecnologici: 1996
• E’ l’anno in cui vengono proposti ad un prezzo ragionevole
i primi registratori di CD ROM, detti CD-R ,che fino ad
allora erano stati impiegati solo dalle aziende a scopo
commerciale. Essi possono essere utilizzati per effettuare
dei backup dei dati presenti sui calcolatori.
• Gli indirizzi Internet utilizzati sono aumentati dal dicembre
1995 alla fine di luglio 1996 del 146% raggiungendo le
4436 unità.
• Microsoft annuncia Windows Compact Edition(CE)
versione del noto sistema operativo per portatili
• Si apre un’era di vera lotta tra Intel e AMD
Intel vs AMD: 1996
• L’Intel continua a lavorare sul
Pentium Pro come il processore di
sesta generazione per meglio
ottimizzarne le funzionalità .
Vengono così creati appositi
software per eseguire in tutta
tranquillità i programmi a 16 bit.
• L’AMD presenta il processore K5
come
valida
alternativa
al
processore Intel conquistando una
gran fetta di mercato detenuta
esclusivamente dall’Intel.
L’era dei Pentium : 1996
• Per quanto possa sembrare strano
dopo l’architettura del Pentium Pro,
che è stata la base di realizzazione di
tutti i processori successivi, non ci
sono state grandi mutazioni tecniche
strutturali nel miglioramento delle
prestazioni delle Cpu Intel.
L’era dei Pentium : 1997
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Netscape distribuisce il Navigator versione 5.0
Viene rilasciato dalla Microsoft l’Office 97, programma utile
per la produzione e gestione di documenti elettronici
A gennaio del 1997 viene presentato il Pentium MMX (Multi
Media Extension) la cui vera novità sta nella introduzione
di 57 nuove istruzioni nel codice base. Queste istruzioni,
dette Mmx (MultiMedia Extension) sono state il primo
tentativo di estendere il codice base x86 ed adattarlo alle
nuove applicazioni multimediali di grafica 2D e (in parte)
3D, streaming video, audio, riconoscimento e sintesi
vocale. Trattasi di istruzioni di tipo Simd (Single
Instructions Multiple Data) ciascuna delle quali può
operare su diversi blocchi di dati sfruttando le unità di
elaborazione parallele interne al processore. Le istruzioni
eseguite dai software multimediali infatti ben si prestano
ad essere parallelizzate in quanto sono costituite per lo più
da loop (cicli) ripetitivi ed operano spesso sugli stessi
gruppi di dati.
La tecnologia adottata era di ben 0,35 micron con
4.500.000 transistor
Le potenze di calcolo del Pentium MMX andavano dai 166
Mhz ai 266 Mhz.
Pentium vs AMD: 1997
• A maggio del 1997 viene presentato il Pentium II che opera a
233 Mhz (fino a 450 Mzh). Si giunge a 7.500.000 transistor con
una tecnologia di integrazione pari a 0,35 micron!!!
• Il nucleo del Pentium II deriva direttamente dell'architettura
“P6” del Pentium Pro. Addirittura si potrebbe parlare quasi di
una semplificazione (es: riduzione delle pipeline da 14 a 10
stadi, finestra per l'esecuzione fuori ordine e speculativa più
piccola, etc..) con l'obbiettivo di concentrarsi più sull' aumento
della frequenza operativa che non sull'aumento del fattore Ipc
(Istructions per Clock).
• Viene presentato il processore K6 della AMD, che viene
riconosciuto il processore più veloce e anche più economico
rispetto all’Intel. Nel K6 possiamo vedere il supporto alle
istruzioni MMX. Non solo l’unità che svolge calcoli su interi,
ma anche quella dei calcoli in virgola mobile, sono nettamente
superiori ai processori Intel.
Piccole curiosità…
• E’ il mese di maggio quando il super computer IBM Deep Blue
batte a scacchi il maestro Garry Kasparov in soli 62 minuti di
gioco. E’ la prima volta che un computer riesce a battere un
grande maestro di scacchi.
• La Microsoft con a capo Bill Gates, che viene riconosciuto
l’imprenditore più ricco del mondo, preannuncia un’imminente
uscita di Windows 98, ma prenderà una torta in faccia in una
dimostrazione della pre-release di Windows 98 dato che
nell’installazione di uno scanner la versione del nuovo Windows
si bloccherà.
• Il sito Web della NASA dedicato al Pathfinder ,il robot che è
atterrato su Marte, mostra in tempo reale le immagini inviate
dalla superficie del pianeta
• Netscape rivela completamente il codice sorgente di Navigator
5.0 tramite il suo sito web.
Intel vs AMD: 1998
•
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•
E’ finalmente pronta la versione definitiva di Windows 98
che era costata la “torta in faccia “ alla presentazione di una
pre-release. Purtroppo, il software presenterà ancora alcuni
problemi di funzionamento.
L’AMD continua la sua corsa verso processori sempre
migliori presentando il K6-II con 9,3 milioni di transistor ed
una velocità di 266 e 300 Mhz. e introduce la tecnologia
3DNow. Si tratta di 21 nuove istruzioni multimediali che
anticiperanno le successive SSE di Intel. La tecnologia
3DNow introduce l'approccio SIMD (Single Istruction
Multiple Data) anche con i numeri in virgola mobile (MMX
opera solo sugli interi)
L’Intel produce il Pentium II Celeron che non sono altro che
dei Pentium II modificati a cui manca la cache di II livello
integrata sul chip e nessun supporto multiprocessore. Ciò
perché il precedente Pentium II era troppo costoso e difficile
da offrire alla fascia bassa del mercato La tecnologia di
integrazione scende a ben 0,25 micron per un totale di
7.500.000 transistor con tensione di core di 2V, utilizzata
anche nei Pentium II dai 350MHz in poi.
Schema funzionale del core K6
Intel vs AMD: 1999
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E’ l’anno in cui Internet si diffonde un po’ in tutte le case degli
italiani, anche con l’ausilio dell’enorme distribuzione di personal
computer
Comincia la generazione Pentium III dell’Intel (estremamente
simile al suo predecessore) con potenza di calcolo che lo porta ad
avere un clock da 450 Mhz a 1,2Gzh. Con una tecnologia di
integrazione di 0,25 micron si hanno 9.500.000 transistor in un
chip affiancati da un potenziamento della memoria cache.
La innovazione più importante è costituita dall'introduzione delle
estensioni SSE (note anche come KNI). In pratica viene potenziata
l'unità floating point per poter gestire operazioni di tipo SIMD
(Single Istruction Multiple Data). Le SSE risultano utili nella
manipolazione dei contenuti multimediali, nella decompressione
dei filmati MPEG2 (DVD) e nell'elaborazione della geometria 3D
Inoltre, viene introdotto un numero di serie al processore per
l’abilitazione via software onde ottenere una navigazione su
Internet più sicura
Dalla AMD viene presentato il K7 Athlon con velocità a partire da
500 Mhz fino a giungere ai 600 Mhz alla fine dello stesso anno.
Il K7 Athlon “stende” totalmente la concorrenza Intel. Si
dimostra un ottimo processore per l'overclock, soprattutto nella
versione a 500 Mhz, che vanta anche il prezzo minore e possibilità
molto alte di arrivare a 650 Mhz
Schema del core del processore K7:
L’era dei Pentium : 2000
• Internet presenta un boom spaventoso con un incremento degli
utenti che segna ogni record. Il fenomeno è incoraggiato dalla
continua discesa dei prezzi dei computer ma soprattutto degli
abbonamenti al servizio Internet che divengono del tutto
gratuiti (senza canone mensile oltre le spese di connessione).
Infine, l’uso sempre più massiccio di Internet si deve anche
alla presenza sul web delle aziende e dei servizi, che eliminano
inutili code ed accorciano le distanze.
• E’ l’anno che segna la nascita del Pentium III Celeron e
successivamente del Pentium IV
L’era dei Pentium : 2000
•
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•
•
L’anno si apre con la presentazione del Pentium
III Celeron con una tecnologia di integrazione di
0,18 micron che si presenta come la versione
economica del Pentium III giacchè abbiamo lo
stesso core ma con un bus di appena 66 Mhz
contro il 133 Mhz del Pentium III. Presenta
inoltre una cache di II livello pari a 128 KB e
non 256KB on die.
L'ultima evoluzione dell' architettura P6 porta al
Pentium III Coppermine. Intel coglie anche
l'occasione per innaugurare la nuova tecnologia
a 0.18 micron che porterà il Coppermine dai
600MHz del debutto alle soglie dei 1100MHz,
frequenza alla quale la tecnolgia P6 comincia a
mostrare tutti i suoi limiti costringendo Intel ad
un lungo stallo nell'avanzamento tecnologico,
stallo che durerà fino alla presentazione del
Pentium 4 e del Pentium III Tualatin.
Il Pentium III Tualatin non è altro che
l'ennesima ottimizzazione della collaudata
architettura P6 tesa a servire il mercato dei
portatili e dei server in attesa della definitiva
stabilizzazione della piattaforma Pentium 4.
Nasce il Pentium IV (2001) con una frequenza
che va da 1,3 Ghz a ben 2Ghz con un chip
contenente ben 30 milioni di transistor ed una
tecnologia di integrazione di 0,18 micron. Tale
velocità è stata ottenuta anche grazie ad un bus
di sistema pari a 400 Mhz e ad un ulteriore
potenziamento della cache.
Pentium III
Coppermine
Pentium III
Tualatin
Pentium IV
Pentium IV Willamette
vs
Pentium III
• Le Prestazioni:
– Precisiamo che i risultati sono stati ottenuti con la prima versione del
chipset Intel 850, quindi non ancora ottimizzato dal punto di vista delle
prestazioni.
– Da notare il fatto che se vengono utilizzati benchmark che utilizzano i
programmi più diffusi sul mercato non noteremo sostanziali differenze
nelle prestazioni rispetto ad un Pentium III.
– Dai dati forniti da Intel che utilizzano il test Cpu speed dei 3D Mark, il
vantaggio dal Pentium III a 1 GHz al Pentium 4 a 1,4 GHz è solo del
7,6%. Se però analizziamo i risultati di alcune applicazioni in particolare,
come Dragon Naturally Speaking o Windows Media Encoder possiamo
notare come le prestazioni diventano più marcate e le prestazioni del
Pentium 4 sono addirittura del 50% maggiori rispetto al Pentium III.
– Nonostante ciò però i miglioramenti di prestazioni del Pentium 4 sono
spesso minimi. Ciò è dovuto dal software che ancora non è ottimizzato per
sfruttare in tutte le sue caratteristiche l'architettura del Pentium 4.
Lo stato dell’arte
• AMD, era riuscita per prima a superare la "barriera" del
GigaHertz; per la casa di Sunnyvale quindi, fu un bel periodo.
• All'inizio Intel invano aveva tentato di introdurre un processore
che raggiungesse quelle frequenze, infatti il Pentium III
(Coppermine) 1.13 GHz, venne subito ritirato dal mercato per
consistenti problemi di funzionamento.
• Fu quindi un glorioso periodo per AMD, infatti, si potè notare
come la parola "GigaHertz" bastasse a promuovere i propri
processori.
• Solo più tardi Intel, riuscì ad immettere sul mercato processori
che superarono il GHz, gli ultimi Pentium III, Coppermine e
Tualatin.
• Questi processori erano dotati di una validissima architettura,
che purtroppo però, non permetteva elevatissime frequenze di
clock, difatti l'ultimo Pentium III (Tualatin), peraltro destinato a
piattaforme server, si fermò a 1.4 GHz
Lo stato dell’arte
• Intel doveva riscattarsi. Capì che ormai le vendite dei
processori erano in larga parte legate alla loro
frequenza di funzionamento.
• Più il processore era veloce, più era "richiesto".
• Fu questa "filosofia" a dare vita all'architettura
NetBurst, quella che tutt'ora costituisce il Pentium 4.
Questa CPU quindi, si potrebbe definire quasi come
una CPU da marketing…
Lo stato dell’arte: Pentium IV
•
•
•
•
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Il Pentium 4 è nato come processore destinato a workstation e a piccoli server
di fascia bassa, ma anche ad utenti in cerca di un PC dalle prestazioni elevate.
Nel 2001, i primi processori di questa nuova generazione lavorano ad una
frequenza di clock 1,4 e 1,5 GHz ma sono previsti, entro la fine dello stesso
anno, processori a 2 GHz.
Il Pentium 4 è costituito da un core Willamette ed è prodotto con una
tecnologia a 0,18 micron (distanza fra i componenti interni del processore) con
interconnessioni in alluminio. Per arrivare alla velocità di 2 GHz sarà
necessario modificare la tecnologia di costruzione, arrivando a 0,13 micron e
utilizzando interconnessioni in rame.
Il Pentium 4 costituisce una svolta nella costruzione dei processori della Intel,
infatti dopo circa 5 anni di impiego dell'architettura denominata P6 si è passati
alla NetBurst proprio grazie al core Willamette
Innovazioni importante è l'introduzione dell'ormai famoso Bus Quad Pumped.
Questo particolare bus, riesce infatti a quadruplicare la frequenza del Front
Side Bus, aumentando di molto la banda passante. Con il core Willamette,
questo Bus si è "fermato" alla frequenza di 400 MHz (100x4). (il bus dei
Pentium III è di 133 MHz)
Lo stato dell’arte: Pentium IV
Il Pentium 4 contiene molte novità rispetto i suoi predecessori:
• La cache al primo livello è di 8 Kbyte. La novità più interessante di questa
sezione della CPU è che la cache può contenere le istruzioni già decodificate, le
micro op (istruzioni in cui vengono scomposte le istruzioni complesse impartite
alla CPU. Questa scomposizione permette di aumentare le prestazioni generali del
processore).
• La cache al secondo livello è di 256 Kbyte (non ci sono grosse novità rispetto al
Pentium III). Caratteristica degna di nota è sicuramente il prefetch che viene
eseguito in modo automatico. In questo modo è quindi possibile trasferire dati
mentre il nucleo della CPU è in fase di elaborazione.
Lo stato dell’arte: Pentium IV
• L'architettura NetBurst ha inoltre introdotto un allargamento della
pipeline del processore. Ricordiamo che la pipeline, viene sempre
riempita dalle istruzioni che hanno una maggiore probabilità di essere
eseguite. Se però, il flusso previsto è sbagliato, le istruzioni già
parzialmente elaborate devono essere scartate e ne devono essere
caricate di nuove per il nuovo flusso di dati.
• La pipeline del Pentium 4, essendo il doppio di quella del Pentium III,
nel caso di una previsione sbagliata del flusso, deve lavorare il doppio
per scaricare e ricaricare le istruzioni
• Sono state introdotte nuove istruzioni, le Sse2. Sono 144 nuove
istruzioni che si aggiungono ai set Mmx e Sse e permettono di eseguire
operazioni su interi e floating point in doppia precisione a 128 bit.
Queste istruzioni permettono di migliorare le prestazioni di programmi
di grafica, di elaborazioni di immagini 3D e anche di programmi per il
riconoscimento vocale. Per utilizzare questo set di istruzioni, però, i
programmi devono essere appositamente scritti per loro.
Lo stato dell’arte: Pentium IV
• Si potrebbe pensare ad un processore formidabile,
ma non andò tutto esattamente come preventivato da
Intel. Infatti, questo processore, era legato
inevitabilmente ad un particolare tipo di memorie:
Rambus.
• Queste memorie, oltre ad essere poco reperibili sul
mercato, erano caratterizzati da costi molto alti, che
"raddoppiavano", se pensiamo che dovevano essere
montate obbligatoriamente in coppia.
• AMD invece, aveva adottato la soluzione DDR, che
stava prendendo sempre più piede sul mercato, dati i
prezzi non troppo alti e le prestazioni di alto livello.
• Il primo Pentium 4, quindi, non ottenne il
successo sperato.
Memoria
Rambus
Memoria
DDR
Lo stato dell’arte: Pentium IV
• Intel
decise
quindi
di
abbandonare RAMBUS
• Fu creato quindi il chipset i845,
con supporto SDRAM; memorie
ormai
superate
con
il
processore più veloce sul
mercato, un'accoppiata alquanto
insolita: un chiaro segnale di
una grande crisi per Intel
Memoria SDRAM
Lo stato dell’arte: Pentium IV
• AMD si era praticamente guadagnata il monopolio sulle
CPU x86, l'Athlon continuava a dare ottimi risultati, e non
solo per le frequenze che riusciva a raggiungere,
soprattutto in Overclock, ma perchè aveva, a differenza del
diretto concorrente Willamette, una validissima
architettura alle spalle, caratterizzata soprattutto da una
FPU molto potente.
• Intel perciò, si vide costretta a rivedere quasi
completamente il piano Pentium 4.
• Stava per nascere un nuovo core, che, pur puntando alla
maggior frequenza possibile, sarebbe stato all'altezza, e
forse più, di Athlon.
Northwood, il Pentium 4 che tutti
conosciamo
• Il progetto Willamette, venne abbandonato, e nel 2002,
proprio quando le ultime versioni di questo core erano
rilasciate con package 478 pin, venne immesso sul mercato
Northwood, il successore di Willamette, destinato a
permanere fino ai giorni nostri.
• Il neo nato di casa Intel, disponeva di molte innovazioni:
– la prima, il processo produttivo, che passò da 0,18 micron a 0,13
micron, permettendo consumi ed emissione di calore in quantità
minori (almeno per quanto riguarda i primi step);
– il raddoppio della cache di secondo livello, che passò da 256KB a
512KB;
– una revisione profonda del core stesso, con una migliorata FPU;
– l'abbinamento di questo processore alle memorie DDR.
La riscossa di Intel
•
•
•
Dapprima, Northwood fu caratterizzato dallo stesso
Bus Quad Pumped del suo predecessore, ovvero a
400 MHz (Northwood A).
Particolarmente migliorata fu la versione con Bus
Quad Pumped a 533 MHz (133x4, Nortwood B).
Ben presto Intel si affrettò a produrre Pentium 4
Northwood di ogni taglio, con frequenze sempre
più alte, che AMD, con la sua architettura, non era
in grado di raggiungere, anche con l'avvento di un
"nuovo" processore: l'Athlon XP.
AMD si vide quindi costretta a "presentare" i
propri processori seguiti dal PR, ovvero
"Performance Rating", cioè l'equivalente di un
AlthonXP nei confronti di un Athlon "Base", (altri
affermano erroneamente (o forse in modo ironico)
che si tratti invece di un "Pentium Rating", cioè
l'equivalente ipotetico di un Athlon XP nei
confronti di un Pentium 4).
Pentium IV
Northwood
Pentium 4 Northwood
• Come abbiamo detto, la scalata ai MHz continuava inesorabile, e
venne quindi presentata l'ultima CPU con Bus Quad Pumped a 533
MHz: Pentium 4 a 3,06 GHz.
• Oltre alla frequenza sbalorditiva, il processore in questione integrava
un'inetressante novità: Hyper Threading.
• Questa nuova tecnologia, permette di far riconoscere e utilizzare il
processore come due processori distinti, sebbene il secondo sia
"virtuale". In pratica la tecnologia sfrutta i cicli di clock in idle,
impiegandoli per eseguire altri thread. La speciale funzione, è
disattivabile in qualsiasi momento da BIOS.
• Fino ad ora, la tecnologia non si è dimostrata molto utile, in quanto la
maggior parte dei sistemi operativi desktop odierni non è provvista di
supporto Dual Processor, quindi l'Hyper Threading si rivela utile con
applicazioni multiasking, per il resto, le prestazioni sono quasi
allineate con lo stesso processore ma con Hyper Threading disattivato.
Sempre più veloci!!
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Il Northwood, non finì ancora di stupire, infatti, dopo poco tempo, uscì la versione
con Bus Quad Pumped a 800 MHz , Northwood C, che viene tutt'ora ampiamente
usata;
Questa versione, oltre che per le frequenze di clock molto elevate (fino a 3.2 GHz),
permette di avere una banda passante molto ampia, data la frequenza del bus stesso
molto elevata.
La CPU in questione inoltre, permette margini di Overclock molto ampi.
Questo processore viene associato ai chipset i875p (per sistemi di fascia
alta/workstation), e i865p (per sistemi desktop di fascia medio-alta).
E’ interessante notare come la maggiorparte delle schede madri per Pentium 4 con
bus a 800 MHz, adotti in larga parte questi due chipset; i motivi sono
principalmente due:
– il primo, è che sono davvero ottimi chipset (ricordiamoci che Intel, prima di essere
produttrice di processori, è una grande produttrice di chip),
– il secondo, è che non tutti gli altri produttori di chip riescono ad ottenere la licenza per il
particolare Bus Quad Pumped a 800 MHz
Pentium 4 Extreme Edition
•
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Ed ecco infine l'apice del Northwood, il Pentium 4 Extreme Edition.
Questo processore fu annunciato da Intel verso metà Settembre 2003, proprio una
settimana prima dell'uscita ufficiale dell'Athlon 64, anche se, fino ad ora quasi
nessuno è riuscito quantomeno a vederlo. Al 90% è stata una mossa di Intel per
lanciare, in attesa del Prescott, un processore che potesse stare dietro ad Athlon 64.
I costi si dovrebbero aggirare sui 1000€, non troppo economico. Ma cos'ha di tanto
importante questo processore?
Il core intanto, non è puramente Norhwood, è un core Gallatin, proprio degli Xeon,
opportunamente "adattato" alla frequenza di 3.2 GHz e al Bus di 800 MHz;
L'Extreme Edition infatti, vanta una cache di terzo livello di ben 2 MByte, così si
spiegano i 178 milioni di Transistor che compongono questo core, di cui 123 milioni
solo per la cache L3!!
Questo processore non è ancora reperibile sul mercato, nonostante il suo prematuro
annuncio, e "ufficialmente", sarebbe indicato per giocatori o per utenti
particolarmente esigenti (e con tanti soldoni da spendere...).
Previsioni per il futuro...
•
•
Northwood, non sarà l'ultimo core della "famiglia" NetBurst. Il prossimo
atteso è Prescott, di cui in questi ultimi tempi si sente tanto parlare, e, non
molto bene.
Questa CPU non si è presentata nel più brillante dei modi:
– La sua immissione sul mercato, con classico package 478 pin, mostrava abbondanti
incompatibilità con molte schede madri bus 800 MHz, date le diverse specifiche di
alimentazione; molte di queste incompatibilità sono ora state "scongiurate“.
– Vi è poi il ritardo della sua effettiva commercializzazione, che in principio fu
fissata per il 4 dicembre 2003, ma che poi slittò a Febbraio 2004;
– Infine ci sono i problemi legati al processo produttivo (che passa da 0,13 micron a
0,09 micron), che sono sentiti soprattutto in merito a consumi (in termini di
energia) ed emissioni di calore.
– Si pensava infatti che con il passaggio da 0,13 micron a 0,09 micron, le temperature
ed i consumi sarebbero ulteriormente scese, ma secondo recenti informazioni
pervenuteci attraverso varie fonti, ma anche da Intel stessa, si riesce a capire come
vi si presentino dei grossi problemi.
– La CPU arriverà a dover dissipare ben 100w (il Northwood più potente in
condizioni di default arriva massimo ad 85w) nella versione con package 478 pin.
Innovazioni Prescott
• Nuovo set d'istruzioni SIMD, le SSE3;
• La cache di primo livello passerà dagli
attuali 8KB del Northwood a 16KB,
mentre quella di secondo livello passerà
da 512KB a 1MB;
• L'Hyper Threading sarà migliorato;
• Verranno introdotte 13 nuove istruzioni
definite PNI (Prescott New Instructions);
• Avrà il supporto a memoria dual channel
DDR2 a 400/533 MHz, a PCI-Express
x16 e avrà come SouthBridge, l'ICH6.
Pentium IV prescott
Previsioni per il futuro...
•
•
La CPU, resterà con package 478
pin fino a metà 2004, poi, verrà
introdotto un nuovo package da
Intel: il package LGA 775, che
verrà associato ad un nuovo socket
chiamato Socket T (la T è molto
probabilmente ricavata dalla T di
Tejas, successore di Prescott, che
adotterà lo stesso tipo di package),
sempre con Bus Quad Pumped a
800 MHz.
Questo nuovo package non
prevederà più Pin, bensì solo
contatti (in questo caso 775). Il
socket T infatti, avrà una struttura
molto diversa dai socket attuali.
Pentium IV prescott
Previsioni per il futuro...
•
•
•
•
Tejas, come abbiamo detto, sarà il successore del core Prescott, anche se di
questa CPU si sa ancora molto poco.
Verrà presentato da subito in package LGA 775 e socket T, con dapprima
frequenze di bus di 800 MHz, poi con frequenze di bus di 1066 MHz.
Il processo produttivo, sarà inizialmente a 0,09 micron, mentre poi verrà
utilizzato un processo produttivoo a 0,065 micron.
Le innovazioni (rispetto a Prescott):
– Altre 8 nuove istruzioni, denominate TNI (Tejas New Instructions),
– Enhanced Hyper Threading,
– 24KB di cache L1 e 1 o 2MB di cache L2.
•
All'inizio la sua uscita era prevista per fine 2004, ma pare che i recenti
problemi legati al core Prescott abbiano influito anche su Tejas, che
probabilmente, nelle versioni dal clock più elevato, arriverà a consumare fino a
120w, decisamente troppo per sistemi di raffreddamento convenzionali, che
già si trovano in seria difficoltà con Prescott.
Previsioni per il futuro...
Intel sta perciò adottando opportune contromisure:
• Pur di guadagnare qualche grado in meno è disposta a proporre un nuovo Form
Factor, il BTX, che avrà una disposizione diversa degli elementi, sia quelli
integrati sulla scheda madre che quelli nel case, al fine di creare un flusso
d'aria che potrà giovare alle temperature.
• Fonti non certe, affermano che in Tejas (e forse in qualche ultimo esemplare di
Prescott), sarà inserita la tecnologia denominata Yamhill, un progetto
abbandonato da Intel qualche anno fa, ma ripreso in merito ai successi
conseguiti da AMD con l'architettura x86-64.
• Yamhill infatti, prevede un'architettura simile a quella di AMD, con supporto ai
64 bit e supporto nativo di codice a 32 bit.
• Dopo Tejas, che avrà per quel periodo abbondantemente superato la soglia dei
6 GHz, sarà la volta di Nehalem, del quale si sa poco o niente. Si sa solamente
che per questa CPU l'architettura non sarà puramente NetBurst, e ciò implica
l'introduzione di una nuova architettura IA32 a parte di Intel, magari con
prospettive totalmente diverse da quella NetBurst.
AMD: 2001
•
•
Nel 2001 AMD ha annunciato l'introduzione
del processore AMD Athlon a 1,4 GHz,
destinato al mercato dei PC ad alte
prestazioni, e del processore AMD Duron a
950 MHz ideale per le applicazioni
professionali
I sistemi con processore AMD Athlon a 1,4
GHz sono dotati di memoria Double Data
Rate (DDR) e riescono a ottenere prestazioni
superiori, anche del 40%, rispetto a quelli
con processore Intel Pentium 4 a 1,7 GHz,
come risulta dai testi effettuati con svariati
benchmark, in particolare quelli che
simulano le più avanzate applicazioni
multimediali, di desktop publishing, di
digital imaging e di riconoscimento vocale.
Athlon 1,4 GHz
Duron
AMD: 2001
Il processore AMD Athlon è un processore è caratterizzato da
• una microarchitettura superscalare con nove unità di
esecuzione superpipeline ottimizzata per elevate frequenze
di clock.
• Tecnologia di cache caratterizzata da 384KB che include
256 KB di cache on-chip di secondo livello (L2) e 128 KB
on-chip L1;
• Tecnologia 3DNow, con 24 istruzioni aggiuntive progettate
per migliorare i calcoli matematici con numeri interi
• I processori AMD Athlon vengono prodotti utilizzando
tecnologia di processo AMD in alluminio da 0.18 micron.
AMD: 2001
Il
processore AMD Duron deriva dal
processore AMD Athlon.
• L'architettura prevede 192KB di memoria
cache integrata sul chip, un Front Side Bus
a 200MHz, un'unità superscalare a virgola
mobile e l'avanzata tecnologia 3DNow.
• Il processore AMD Duron viene realizzato
utilizzando la tecnologia a 0.18 micron.
AMD: 2001
• Ad ottobre del 2001 AMD annuncia di aver sviluppato
l'architettura "Hammer" come base dei suoi futuri
microprocessori.
• L'architettura Hammer è stata messa a punto per consentire
ad AMD di espandersi dal mercato ‘dual processing’
• Le innovazioni dell'architettura 'Hammer' :
– elevata larghezza di banda,
– una memoria integrata ad alte prestazioni,
– un controller di input/output e di multiprocessing,
• Nel complesso, queste innovazioni sono fatte per
contribuire a eliminare i ‘colli di bottiglia’ nei percorsi dei
dati e accelerare il trasferimento delle informazioni,
assicurando in tal modo maggiori prestazioni e quindi una
maggiore produttività.
• AMD intraprende la True Performance Initiative,
per aiutare il settore dei computer a sviluppare un
sistema di misura delle prestazioni dei processori
su cui l'utente del PC possa fare affidamento.
• Le prestazioni dei processori, anziché essere
valutate in base alla sola frequenza (in Megahertz)
sono misurate come prodotto della frequenza per il
numero di istruzioni per ciclo di clock.
• AMD annuncia HyperTransport
– una nuova tecnologia che fornisce un
collegamento point-to-point ad alta velocità ed
elevate prestazioni per i circuiti integrati
– E’ stata progettata per rendere possibili le
comunicazioni tra i chip presenti all'interno dei
PC.
AMD: 2001-2002
• A fine anno AMD annuncia l’introduzione
del nuovo processore AMD Athlon XP 1900
che offre prestazioni fino al 25 percento in
più rispetto ai processori concorrenti nelle
applicazioni reali. Ad inizio 2002 AMD
annuncia Athlon XP 2000
• Tra le caratteristiche:
– Architettura QuantiSpeed (comune a tutti
i modelli Athlon)
– 384KB di memoria cache full speed onchip
– Supporta le istruzioni AMD 3DNow
– Supporta un front side bus avanzato a
266MHz
– tecnologia
a
0.18
micron
con
interconnessioni in rame
XP 1900
XP 2000
AMD: 2002
• AMD annuncia il processore Duron a 1,3
GHz.
• Il processore AMD Duron a 1,3 GHz è
ottimizzato per il sistema operativo
Microsoft Windows XP nelle versioni
Home e Professional e supporta la
memoria DDR (Double Data Rate).
• Deriva dal fortunatissimo processore
AMD Athlon e la sua architettura prevede
– 192KB di memoria cache integrata sul chip
– un Front Side Bus a 200MHz
– un’unità superscalare a virgola mobile con
tecnologia 3DNow e pre-fetch dei dati a livello
hardware.
– realizzato con tecnologia a 0.18 micron
AMD Duron
AMD:2003
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•
AMD rilascia il processore Athlon
XP 3000.
La novità di maggior rilievo è
l'aumento della cache L2 da 256KB
a 512Kb
La frequenza di sistema (FSB)
adottata è di 333 MHz, la cache L1
rimane di 128Kb, così come la
tecnologia di fabbricazione a 130
nanometri
L'aggiunta di 256Kb di cache ha
costretto AMD all'aumento della
dimensione del die del 20%, e del
numero di transistor integrati nel
processore da 37,6 milioni a 54,3
milioni
Migliora l'abilità di raffreddarsi del
processore grazie alla maggiore
superficie di contatto tra dissipatore
e processore
Athlon XP 3000 “Burton”
AMD:2003
• A fine anno AMD presenta
il nuovo processore AMD
Athlon XP 3200.
• Il principale miglioramento
è dovuto ad un front-side
bus (FSB) da 400 MHz
AMD: 2003-2004
• Nasce Athlon 64: il primo processore desktop con
supporto 64 bit
• Importante nuova implementazione dell'Athlon 64 è
il controller di memoria ( memory controller)
integrato. Questo componente, serve a mettere in
comunicazione la CPU con la memoria.
L'implementazione nel die del processore di questo
componente fa in modo che vi sia un dialogo diretto
con la memoria. In questo modo, il memory
controller funziona alla stessa frequenza (clock) del
processore guadagnando così in termini di
prestazioni.
• Questa implementazione, in sostanza, abbassa di
molto la latenza (tempo di risposta) delle memorie
guadagnando molto in termini di prestazioni.
Athlon_64
AMD: 2003-2004
• Un'altra importante tecnologia implementata nell'Athlon
64 è chiamata Cool 'n' Quiet, analoga allo SpeedStep di
Intel.
• Grazie a questa quando il processore non usa la sua
massima potenza il clock ed il voltaggio del processore
stesso vengono abbassati.
• Questo fa sì che si riduca la quantità di corrente utilizzata
ed il calore prodotto, passando da 89 watt a soli 32 o 22
Watt (diminuendo il clock rispettivamente di 800 e 1000
Mhz).
• Le CPU Athlon 64 sono state prodotte con processo
produttivo a 130 e 90 nanometri.
Ricapitolando…
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Nel giro di 60 anni siamo passati da macchine di von Neumann grandi
quando un appartamento a macchine di von Neumann con una superficie
inferiore ai 100 millimetri quadrati ed infinitamente più potenti.
Una delle invenzioni più importanti (se non la più importante) in questo
campo che ha favorito la diffusione su larga scala della tecnologia
informatica è quella del microprocessore, tra l'altro opera anche di un
brillante ingegnere italiano, Federico Faggin che nel 1971 lavorava alla
Intel.
Nel giro di poco più trent'anni il grado di complessità dei microchip è
cresciuto in modo vertiginoso (pur rispettando sempre la famosa legge di
Moore, la quale dice che ogni 18 mesi la complessità dei microchip
raddoppia), e siamo passati dai 2000 transistor dell'Intel 4004 agli oltre
55 milioni di transistor dei moderni Pentium4.
Ora stiamo vivendo un momento topico nell'evoluzione del settore, siamo
ad una delle tante svolte epocali, ed in particolare stiamo per entrare
nell'era dei processori a 64-bit che eliminerà tutte le limitazioni
dell'architettura x86 (utilizzata per circa 20 anni).
Il futuro è ancora più affascinante con l’introduzione del già famoso Dual
Core
E adesso?
• AMD presenta il primo processore dual-core
Toledo costruiti con tecnologia di processo a
90nm, l’ATHLON 64 X2. E’ la naturale
estensione della tecnologia AMD64.
• Intel lancia il Pentium D, della serie 800, con
velocità da 2,8 a 3,2 GHz. Questa tecnologia
pone all'interno di un processore due nuclei di
calcolo ottenendo di fatto un sistema
multiprocessore ma con consumi e spazio
ridotto
• Alcuni test preliminari hanno dimostrato che i
processori di AMD dual core, danno filo da
torcere ai Pentium Extreme Edition dual core
risultando più veloci e meno assetati
d'energia.
Schema logico
Pentium D
Athlon 64 X2
AMD ATHLON 64 X2
• Dimensioni delle cache, una per ciascun
core, sono pari a 512 Kbytes o 1 Mbyte
• Le frequenze di clock vanno da 2,2 GHz
a 2,4 GHz;
• Memoria DDR400 con memory
controller integrato a livello processore.
• L'architettura delle cpu Athlon 64 X2
prevede che le comunicazioni tra i due
core avvengano utilizzando il System
Request Queue (SRQ), responsabile di
inviare al core disponibile in un preciso
momento una particolare richiesta di
elaborazione. Questo accade all'interno
del Die del processore, senza dover in
nessun modo accedere ad un bus esterno
al processore.
Intel Pentium D
• Le frequenze di clock vanno da 2,8 a
3,2 GHz.
• Cache L2 da 1 o 2 Mbyte per ciascun
Core
• Frequenza di bus pari a 800 MHz
• Il Core utilizzato per le cpu Intel Dual
Core è Smithfield;
• Il processo produttivo è di 0.09 micron
• Le comunicazioni tra i due core
passano attraverso il front side bus,
operante a 800 MHz di clock con
questi processori.
• Questa
architettura
si
rivela
sensibilmente meno efficace di una che
preveda comunicazioni dirette tra i due
core, all'interno del package del
processore.
Pentium D