ریزپردازنده اینتل ۸۰۰۸ برای نخستین بار در ۴۸ سال پیش تولید شد و اولین ریزپردازنده ۸ بیتی اینتل به شمار می‌رود. این تراشه، جد پردازنده‌های خانواده x86 است که احتمالا همین الان هم در حال استفاده از آن هستید.

در این مطلب قرار است نگاهی عمیق به سطح تراشه این پردازنده بیندازیم و تاریخچه آن و تاثیری که در صنعت نیمه‌هادی گذاشت را زیر ذره‌بین بریم. در قسمت اول با ترنجی همراه باشید.

اینتل ۸۰۰۸ یک ریزپردازنده ۸ بیتی و جانشینِ نخستین ریزپردازنده ساخته شده توسط اینتل، یعنی 4004 است. ریز پردازنده ۸۰۰۸ در آوریل سال ۱۹۷۲ معرفی شد و دارای یک واحد محاسبات مرکزی ۸ بیتی با باس آدرس‌دهی خارجی ۱۴ بیتی بود که می‌توانست در بیشترین حالت، ۱۶ کیلوبایت حافظه را آدرس‌دهی کند.

این پردازنده با لیتوگرافی ۱۰ میکرومتری (۱۰ هزار نانومتری) ساخته شده بود و نسخه‌های اولیه با فرکانس 0.5 مگاهرتز عرضه شدند. در نسخه‌ای که بعدا با نام ۱-۸۰۰۸ عرضه شد، فرکانس آن به 0.8 مگاهرتز افزایش یافت.

تاریخچه ۸۰۰۸

داستان پیچیده ۸۰۰۸ با رایانه دیتاپوینت ۲۲۰۰ (Datapoint 2200) آغاز می‌گردد، رایانه‌ای محبوب در ۱۹۷۰ که به عنوان ترمینالی قابل برنامه ریزی معرفی شده بود. بعضی اعتقاد دارند که این رایانه در واقع نخستین رایانه شخصی تولید شده در تاریخ است. دیتاپوینت ۲۲۰۰ به جای استفاده از یک ریزپردازنده، از پردازنده‌ای به بزرگی یک برد استفاده می‌کرد که توسط تراشه‌های مختلف TTL ساخته شده بود. در آن زمان این روشِ استانداردِ ساخت مینی‌کامپیوترها بود. در نهایت دیتاپوینت و اینتل تصمیم گرفتند تا این برد را با تنها یک تراشه تعویض کنند، اینتل پروژه ۸۰۰۸ را برای ساخت این تراشه شروع کرد. مدتی بعد تگزاس اینسترومنتس (Texas Instruments) نیز تلاشی جداگانه را برای ساخت یک تراشه واحد آغاز کرد. هر دو تراشه طوری طراحی شده بودند که با معماری مجموعه دستورالعمل (ISA) 8 بیتی دیتاپوینت ۲۲۰۰ سازگار باشند.

پردازنده ۸۰۰۸ برای اولین بار در تاریخ ۲۵ اکتبر ۱۹۷۰ در مجله “Electronic Design” معرفی شد، اینتل ادعا کرد که این پردازنده در ژانویه ۱۹۷۱ عرضه می‌شود اما در عوض با تاخیر یک‌ساله و در آوریل ۱۹۷۲ عرضه شد

حوالی مارس ۱۹۷۱، تگزاس اینسترومنتس طراحی تراشه خود را به اتمام رساند و آن را TMC 1795 نامید. در عوض پروژه طراحی ۸۰۰۸ توسط اینتل با تاخیری یک ساله و در انتهای ۱۹۷۱ به اتمام رسید. در نهایت دیتاپوینت هر دو تراشه را رد کرد و پردازنده‌ای سریعتر را بر اساس تراشه‌های TTL جدیدتر مانند تراشه ALU مدل 74181 توسعه داد. تگزاس اینسترومنتس تلاش کرد تا پردازنده خود را به شرکت‌هایی مانند فورد ارائه کند اما در انجام این کار ناموفق بود و مجبور به رها کردن این پردازنده شد و در عوض تمرکز خود را بر روی تراشه‌های پرسود ماشین‌حساب گذاشت.

در طرف دیگر، اینتل تلاش کرد تا ۸۰۰۸ را به عنوان یک ریزپردازنده همه منظوره بازاریابی کند و سرانجام این تلاش به معماری x86 ختم شد که ممکن است همین الان در حال استفاده از آن باشید. با اینکه تگزاس اینسترومنتس نخستین ریزپردازنده ۸ بیتی را تولید کرده بود اما این اینتل بود که موفقیت تراشه خود را تضمین و تا حدودی صنعت ریزپردازنده‌ها را پایه‌گذاری کرد.

شجره‌نامه ۸۰۰۸ و پردازنده‌های مرتبط با آن. فلش‌های مشکی نشان دهنده سازگاری عقب‌رو (backwards compatibility) و فلش‌های روشن نشان‌دهنده تغییرات اساسی در معماری می‌باشند.

دیاگرام بالا مختصری از شجره‌نامهِ تراشه ۸۰۰۸ و پردازنده‌های مرتبط با آن را به تصویر می‌کشد. دستورالعمل‌های معماری دیتاپوینت ۲۲۰۰ در پردازنده TMC 1795، اینتل ۸۰۰۸ و نسخه بعدی دیتاپوینت ۲۲۰۰ استفاده شد. پردازنده اینتل ۸۰۸۰ نسخه‌ای بسیار ارتقا یافته از ۸۰۰۸ بود و به طور وسیعی، گستره دستورالعمل‌های ۸۰۰۸ را گسترش و ترتیب کدهای ماشین را نیز برای بازدهی بیشتر تغییر داد. در نهایت ۸۰۸۰ در میکروکامپیوترهایی مانند Altair و Imsai استفاده گشت. فدریکو فگین و ماساتوشی شیما (Masatoshi Shima) پس از کار بر روی ریزپردازنده‌هایی مانند ۴۰۰۴ و ۸۰۸۰، اینتل را ترک کردند و ریزپردازنده Zilog Z-80 را ساختند که نسبت به ۸۰۸۰ بهبودهای فراوانی داشت و در آن دوران بسیار محبوب شد.

از طرفی پردازنده ۱۶ بیتی ۸۰۸۶، پردازنده‌ای آنچنان انقلابی نبود. اکثر کدهای اسمبلی که برای ۸۰۸۰ نوشته شده بودند می‌توانستند برای اجرا بر روی ۸۰۸۶ هم مورد استفاده قرار بگیرند البته نه به صورت عادی، چرا که در ۸۰۸۶ مجموعه دستورالعمل‌ها و معماری تا حد بسیار زیادی با قبل تفاوت داشت.

پردازنده دیتاپوینت ۲۲۰۰

گذشته از این‌ها، هنوز هم بعضی از ویژگی‌های معماری دیتاپوینت ۲۲۰۰ در پردازنده‌های امروزی x86 یافت می‌شوند. برای مثال، دیتاپوینت ۲۲۰۰ پردازنده‌ای ترتیبی (Serial) بود که تنها یک بایت را در زمان پردازش می‌کرد و از آنجایی که در ابتدا کوچکترین بیت نیاز به پردازش داشت، دیتاپوینت ۲۲۰۰ از روش Little-endian استفاده می‌کرد. برای سازگاری، ۸۰۰۸ هم از این روش استفاده می‌کرد و حتی تا همین امروز هم پردازنده‌های اینتل از همین روش استفاده می‌کنند. ویژگی دیگری که در دیتاپوینت ۲۲۰۰ وجود داشت، پرچم توازن (Parity Flag) بود که با توجه به اهمیت محاسبات در ارتباطات ترمینال دیتاپوینت ۲۲۰۰ در آن گنجانده شده بود و این ويژگی راه خود را به معماری x86 نیز باز کرد.

رایانه دیتاپوینت ۲۲۰۰ (Datapoint 2200)

تراشه‌های ۴۰۰۴ و ۸۰۰۸ از لحاظ معماری با همدیگر در ارتباط نیستند و اینطور نیست که ۸۰۰۸ نسخه ۸ بیتی تراشه ۴ بیتی ۴۰۰۴ باشد. نام‌های مشابه صرفا یک ترفند بازاریابی بود و ۸۰۰۸ در زمان طراحی‌اش با نام ۱۲۰۱ شناخته می‌شد.

تراشه‌های ۴۰۰۴ و ۸۰۰۸ از ترانزیستورهای PMOS نوع افزایشی (Enhancement Mode) استفاده می‌کردند که استفاده از این نوع ترانزیستور در ریزپردازنده‌ها عمر کوتاهی داشت و از این لحاظ، این تراشه‌ها را در میان دیگر نمونه‌ها منحصر به فرد می‌سازد. ۸۰۰۸ و تمام تراشه‌های مدرن از ترانزیستورهای MOS استفاده می‌کنند. این نوع از ترانزیستورها راه درازی را پیموده‌اند تا در صنعت نیمه هادی، قابل قبول واقع شوند. دلیل این امر در اوایل سرعت پایینتر و قابلیت اطمینان کمتر آن‌ها بود و به همین دلیل در دهه ۶۰ میلادی اکثرا از ترازیستورهای نوع دو قطبی استفاده می‌شد.

در اواخر دهه ۶۰ اما اوضاع کم‌کم در حال تغییر کردن بود و مدارهای مجتمع با فناوری MOS در حال فراگیر شدن بودند. فناوری استاندارد آن زمان ترانزیستورهای PMOS با گیت‌های فلزی بود. علاوه بر استفاده از فلز به عنوان گیت ترانزیستورها، کاربردهای دیگری مانند اتصال به دیگر قطعات تراشه هم از آن انتظار می‌رفت.

تراشه‌ها از دو لایه کاربردی بهره می‌بردند که یکی از آن‌ها لایه سیلیکونی و دیگری سیم‌کشی فلزی در بالای آن بود. این فناوری در بسیاری از تراشه‌های ماشین حساب تگزاس اینسترومنتس مانند TMC 1795 (تراشه‌ای که مجموعه‌های دستورالعمل‌های یکسان با ۸۰۰۸ داشت) استفاده گشت.

یکی از نوآوری‌های کلیدی که منجر به ساخت ۸۰۰۸ شد، استفاده از فناوری self-aligned gate بود که در آن یک ترانزیستور به جای استفاده از گیت فلزی، از گیت‌های پلی‌سیلیکونی استفاده می‌کند. این فناوری در ابتدا در فِرچایلد (Fairchild) و آزمایشگاه‌های بِل ابداع شده بود اما این اینتل بود که فناوری را به مرحله تجازی‌سازی رساند. ترانزیستورهایی که از گیت‌های پلی‌سیلیکونی استفاده می‌کردند، عملکردی بسیار بهتر از همتایان فلزی خود داشتند. علاوه بر این استفاده از یک لایه پلی‌سیلیکون باعث راحت‌تر شدن سیم‌کشی و هدایت سیگنال در تراشه شد که نتیجه آن چگال‌تر شدن تراشه‌ها بود. تصویر زیر، مزایای استفاده از self-aligned gate را نشان می‌دهد. تراشه TMC 1795 با ۳۰۷۸ ترانزیستور حتی از مجموع دو تراشه ۴۰۰۴ (با ۲۳۰۰ ترانزیستور) و ۸۰۰۸ (با ۳۰۹۸ ترانزیستور) روی هم نیز مساحت بیشتری دارد. در مقام مقایسه، پردازنده‌های امروزی بیش از میلیاردها ترانزیستور را در خود جای داده‌اند.

تراشه‌های اینتل ۴۰۰۴ و ۸۰۰۸ به دلیل استفاده از گیت‌های Self-aligned نسبت به TMX 1795 چگالی بسیار بیشتری دارند.

طولی نکشید که صنعت نیمه‌هادی به استفاده از ترانزیستورهای NMOS روی آورد. با اینکه تولید ترانزیستورهای PMOS ساده‌تر بود اما ترانزیستورهای NMOS سریعتر بودند در نتیجه مسئله فقط ساده‌تر شدن تولید ترانزیستورهای NMOS بود تا آن‌ها کل صنعت را قبضه کنند. در نهایت ترانزیستورهای NMOS باعث ساخت تراشه‌های قدرتمندی مانند اینتل ۸۰۸۰ و موتورولا ۶۸۰۰ در سال ۱۹۷۴ شدند.

یکی دیگر از ترندهای فناوری در این زمان، کاشت یون (ion-implantation) بود که از این طریق می‌توان ویژگی‌های فیزیکی ترانزیستور را تغییر داد. علاوه بر این، ترانزیستورهای نوع تخلیه‌شونده (Depletion-Mode) که به کمک فناوری کاشت یون توسعه یافتند نیز یکی دیگر از پیشرفت‌های صنعت نیمه‌هادی در آن زمان بودند که به استفاده از آن‌ها به عنوان مقاومت‌های بالا-کِش (Pull-up) ختم گردید.

در نهایت استفاده از این ترانزیستورها باعث افزایش عملکرد و کاهش مصرف انرژی، به همراه به دست آوردن توانایی ساخت تراشه‌هایی با ولتاژ تغذیه استاندارد ۵ ولت شد. ترکیب ترانزیستورهای NMOS و بالا-کش‌های تخلیه‌شونده، ساختار بسیاری از ریزپردازنده‌های تولید شده از اواسط دهه ۷۰ تا اوایل دهه ۸۰ را تشکیل داد. از این پردازنده‌ها می‌توان به 6502 در سال ۱۹۷۵، Z-80 در ۱۹۷۶، 68000 در ۱۹۷۹ و پردازنده‌های اینتل از ۸۰۸۵ در ۱۹۷۶ تا ۲۰۲۸۶ در ۱۹۸۲ اشاره کرد.

در اواسط دهه ۸۰ ترانزیستورهای CMOS جایگزین انواع پیشین شدند. این ترانزیستورها از ترکیب ترانزیستورهای NMOS و PMOS ساخته شدند تا به میزان بسیار زیادی مصرف انرژی کاهش یابد. تراشه‌هایی مانند 80386 در سال ۱۹۸۶، ۶۸۰۲۰ در ۱۹۸۴ و ARM1 در ۱۹۸۵ از این نوع ترانزیستورها بهره می‌برند. در حال حاضر نیز تقریبا تمام تراشه‌های مدرن از ترانزیستورهای CMOS استفاده می‌کنند.

همانطور که می‌توان حدس زد، تراشه‌های ۴۰۰۴ و ۸۰۰۸ در زمانی ساخته شدند که تغییرات عظیمی در صنعت نیمه‌هادی در حال رخ دادن بود و خود این تراشه‌ها به تنهایی دلیل بسیاری از همین تغییرات محسوب می‌شوند.

پایان قسمت اول از دوم، دیدگاه شما چیست؟