التسلسل الزمني للمعالجات الدقيقة

صُممت وصُنعت أولى الرقائق التي يمكن اعتبارها معالجات دقيقة في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات، بما في ذلك MP944 المستخدم في نظام CADC الخاص بطائرة غرومان إف-14 . ^{[ 1 ]} ويُعتبر معالج إنتل 4004 الذي طُرح عام 1971 على نطاق واسع أول معالج دقيق تجاري. ^{[ 2 ]}

استخدم المصممون في الغالب ترانزستورات MOSFET مع منطق pMOS في أوائل سبعينيات القرن العشرين، ثم تحولوا إلى منطق nMOS بعد منتصف السبعينيات. تميز ترانزستور nMOS ذو نمط الاستنزاف بإمكانية تشغيله بجهد واحد، عادةً +5 فولت، مما بسّط متطلبات مصدر الطاقة وسمح بربطه بسهولة مع مجموعة واسعة من أجهزة منطق الترانزستور-ترانزستور (TTL) التي تعمل بجهد +5 فولت. لكن كان من عيوب nMOS أنه أكثر عرضة للتشويش الإلكتروني الناتج عن شوائب طفيفة في مادة السيليكون الأساسية، ولم يتم التخلص من هذه الشوائب، وخاصة الصوديوم، بنجاح إلى المستويات المطلوبة إلا في منتصف السبعينيات. في ذلك الوقت، حوالي عام 1975، سيطر nMOS بسرعة على السوق. ^{[ 3 ]}

تزامن ذلك مع طرح أنظمة جديدة لإخفاء أشباه الموصلات ، ولا سيما نظام Micralign من شركة Perkin-Elmer . يقوم نظام Micralign بإسقاط صورة القناع على رقاقة السيليكون دون ملامستها مباشرةً، مما قضى على المشاكل السابقة المتمثلة في رفع القناع عن السطح وإزالة جزء من طبقة المقاوم الضوئي معه، ما يؤدي إلى تلف الرقائق في ذلك الجزء من الرقاقة. ^{[ 4 ]} وبخفض عدد الرقائق المعيبة من حوالي 70% إلى 10%، انخفضت تكلفة التصاميم المعقدة، مثل المعالجات الدقيقة المبكرة، بنفس النسبة. كانت تكلفة الأنظمة القائمة على أجهزة المحاذاة التلامسية حوالي 300 دولار أمريكي للوحدة الواحدة، بينما لم تتجاوز تكلفة MOS 6502 ، المصمم خصيصًا للاستفادة من هذه التحسينات، 25 دولارًا أمريكيًا. ^{[ 5 ]}

شهدت هذه الفترة أيضًا تجارب واسعة النطاق على أطوال الكلمات المختلفة . في البداية، شاع استخدام معالجات 4 بت ، مثل معالج Intel 4004، ببساطة لأن تصنيع طول كلمة أكبر لم يكن مجديًا اقتصاديًا في المساحة المتاحة على الرقاقات الصغيرة آنذاك، خاصةً مع كون معظمها معيبًا. ومع تحسن الإنتاجية، وتزايد أحجام الرقاقات، واستمرار تصغير حجم المكونات، ظهرت تصميمات 8 بت أكثر تعقيدًا، مثل معالجي Intel 8080 و6502. ظهرت معالجات 16 بت مبكرًا، لكنها كانت باهظة الثمن؛ وبحلول نهاية العقد، أصبحت تصميمات 16 بت منخفضة التكلفة، مثل معالج Zilog Z8000، شائعة. كما تم إنتاج بعض أطوال الكلمات غير المألوفة، بما في ذلك 12 بت و20 بت ، والتي غالبًا ما كانت تتطابق مع تصميم تم تنفيذه سابقًا بتنسيق متعدد الرقاقات في حاسوب صغير . اختفت هذه التصميمات إلى حد كبير بحلول نهاية العقد مع انتقال الحواسيب الصغيرة إلى تنسيقات 32 بت .

مع استمرار قانون مور في دفع الصناعة نحو تصميمات رقائق أكثر تعقيدًا، كاد الانتقال الواسع النطاق المتوقع من تصميمات 8 بت في سبعينيات القرن الماضي إلى تصميمات 16 بت ألا يحدث؛ فبدلاً من ذلك، ظهرت تصميمات جديدة 32 بت مثل موتورولا 68000 وناشونال سيميكوندكتور NS32000 التي قدمت أداءً أفضل بكثير. وكان الاستخدام الواسع النطاق الوحيد لأنظمة 16 بت في حاسوب IBM الشخصي ، الذي اختار معالج إنتل 8088 في عام 1979 قبل أن تنضج التصميمات الجديدة.

كان من بين التغييرات الأخرى التحول إلى بوابات CMOS كطريقة أساسية لبناء وحدات المعالجة المركزية المعقدة. كانت تقنية CMOS متاحة منذ أوائل سبعينيات القرن العشرين؛ حيث قدمت شركة RCA معالج COSMAC باستخدامها عام 1975. ^{[ 43 ]} في حين أن الأنظمة السابقة كانت تستخدم ترانزستورًا واحدًا كأساس لكل "بوابة"، اعتمدت CMOS تصميمًا ثنائي الجوانب، مما جعل تكلفة بنائها ضعف التكلفة تقريبًا. تمثلت ميزتها في أن منطقها لم يكن يعتمد على جهد الترانزستور مقارنةً بركيزة السيليكون، بل على فرق الجهد بين الجانبين، والذي كان قابلاً للكشف عند مستويات طاقة أقل بكثير. مع استمرار نمو تعقيد المعالجات، أصبح تبديد الطاقة مصدر قلق كبير، وأصبحت الرقائق عرضة لارتفاع درجة الحرارة؛ وقد قللت CMOS هذه المشكلة بشكل كبير وسيطرت بسرعة على السوق. ^{[ 44 ]} وقد ساعد في ذلك تبني الشركات اليابانية لتقنية CMOS بينما ظلت الشركات الأمريكية تعتمد على تقنية nMOS، مما منح الصناعة اليابانية تقدمًا كبيرًا خلال ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 45 ]}

استمرت تقنيات تصنيع أشباه الموصلات في التطور والتحسن. وبحلول أوائل الثمانينيات، أصبح جهاز Micralign، الذي كان يُعتقد أنه "أسس صناعة الدوائر المتكاملة الحديثة"، قديمًا. وحلّت محله أجهزة الطباعة الضوئية الجديدة ، التي استخدمت تكبيرات عالية ومصادر ضوئية فائقة القوة لنسخ قناع كبير على الرقاقة بأحجام متناهية الصغر. وقد مكّنت هذه التقنية الصناعة من تجاوز الحد السابق البالغ 1 ميكرون.

استخدمت أجهزة الكمبيوتر المنزلية الرئيسية في أوائل العقد معالجات طُوّرت في سبعينيات القرن الماضي. شغّلت إصدارات من معالج 6502، الذي طُرح لأول مرة عام 1975، أجهزة كومودور 64 ، وأبل 2 ، وبي بي سي مايكرو ، وأتاري 8 بت. ويُعدّ معالج زيلوج Z80 ذو 8 بت (1976) جوهر أنظمة ZX Spectrum و MSX وغيرها الكثير. بدأ جهاز IBM PC، الذي طُرح عام 1981 والمبني على معالج 8086، التحوّل إلى 16 بت، لكن سرعان ما تجاوزه جهاز ماكنتوش 16/32 بت المبني على معالج 68000 ، ثم أتاري ST وأميغا . انتقلت الأجهزة المتوافقة مع IBM PC إلى 32 بت مع طرح معالج إنتل 80386 في أواخر عام 1985، على الرغم من أن الأنظمة المبنية على معالج 386 كانت باهظة الثمن آنذاك.

إلى جانب زيادة أطوال الكلمات باستمرار، بدأت المعالجات الدقيقة بإضافة وحدات وظيفية إضافية كانت سابقًا أجزاءً خارجية اختيارية. وبحلول منتصف العقد، أصبحت وحدات إدارة الذاكرة (MMUs) شائعة الاستخدام، حيث ظهرت لأول مرة في تصميمات مثل Intel 80286 و Motorola 68030. وبحلول نهاية العقد، أُضيفت وحدات الفاصلة العائمة (FPUs)، حيث ظهرت لأول مرة في Intel 486 عام 1989 ، وتلتها في العام التالي Motorola 68040 .

شهدت ثمانينيات القرن الماضي تغييراً آخر تمثل في فلسفة التصميم الشاملة مع ظهور حاسوب مجموعة التعليمات المختصرة (RISC). ورغم أن شركة IBM طورت هذا المفهوم لأول مرة في سبعينيات القرن الماضي، إلا أنها لم تُقدم أنظمة قوية تعتمد عليه، خشية أن يؤثر ذلك سلباً على مبيعاتها من أنظمة الحواسيب المركزية الكبيرة . وقد حفزت شركات أصغر حجماً، مثل MIPS Technologies و SPARC و ARM ، طرح هذا المفهوم في السوق . لم تكن هذه الشركات تمتلك إمكانيات التصنيع المتطورة التي تتمتع بها شركتا Intel وMotorola، لكنها استطاعت طرح رقائق إلكترونية تنافسية للغاية مع تلك الشركات، ولكن بجزء بسيط من تعقيدها. وبحلول نهاية العقد، كان كل مورد رئيسي يُقدم تصميم RISC خاص به، مثل IBM POWER و Intel i860 و Motorola 88000 .

هيمنت المعالجات الدقيقة ذات 32 بت على سوق المستهلكين في التسعينيات. وزادت سرعات معالجة المعالجات بأكثر من عشرة أضعاف بين عامي 1990 و1999، وبدأت المعالجات ذات 64 بت بالظهور لاحقًا في العقد نفسه. في التسعينيات، لم تعد المعالجات الدقيقة تستخدم نفس سرعة المعالجة للمعالج وذاكرة الوصول العشوائي ( RAM ). بل أصبحت تستخدم سرعة ناقل أمامي (FSB) للتواصل مع ذاكرة الوصول العشوائي والمكونات الأخرى. عادةً، كان المعالج نفسه يعمل بسرعة معالجة من مضاعفات سرعة ناقل FSB. على سبيل المثال، كان معالج بنتيوم 3 من إنتل يتمتع بسرعة معالجة داخلية تتراوح بين 450 و600  ميجاهرتز، وسرعة ناقل FSB تتراوح بين 100 و133  ميجاهرتز. يُعرض هنا فقط سرعة المعالجة الداخلية للمعالج.

أصبحت المعالجات ذات 64 بت شائعة الاستخدام في العقد الأول من الألفية الثانية. ووصلت سرعات معالجة المعالجات الدقيقة إلى حد أقصى بسبب مشكلة تبديد الحرارة . وبدلاً من اللجوء إلى أنظمة تبريد باهظة الثمن وغير عملية، اتجه المصنّعون إلى الحوسبة المتوازية من خلال المعالجات متعددة النوى . تعود جذور كسر سرعة المعالجات إلى تسعينيات القرن الماضي، لكنها بلغت ذروتها في العقد الأول من الألفية الثانية. وأصبحت أنظمة التبريد الجاهزة المصممة خصيصًا للمعالجات المكسورة السرعة شائعة، كما ظهرت أجهزة الكمبيوتر المخصصة للألعاب . وخلال هذا العقد، ازداد عدد الترانزستورات بمقدار عشرة أضعاف تقريبًا، وهو اتجاه استمر من العقود السابقة. وانخفضت أحجام عمليات التصنيع بمقدار أربعة أضعاف تقريبًا، من 180 نانومتر إلى 45 نانومتر.  

يظهر اتجاه جديد، وهو وحدة متعددة الرقاقات تتكون من عدة رقاقات صغيرة . وهي عبارة عن رقاقات متجانسة متعددة في حزمة واحدة. يُتيح ذلك تكاملاً أفضل مع العديد من الرقاقات الأصغر حجماً والأسهل تصنيعاً.

• قانون مور
• عدد الترانزستورات لكل شريحة، التسلسل الزمني
• الجدول الزمني للتعليمات في الثانية - التسلسل الزمني لأداء الرقاقة المعمارية 
• نموذج تيك توك ، وخليفته:
  • نموذج العملية - البنية - التحسين

مراجع

ملحوظات

• للحصول على معلومات حول معالجات x86، تفضل بزيارة موقع sandpile.org
• أوجدين، جيري (يناير 1975). "بطاقة أداء المعالجات الدقيقة". نشرة يوروميكرو . 1 (2): 43-77 . doi : 10.1016/0303-1268(75)90008-5 .