Transcript Microprocessor 발전사

Microprocessor 발전사
목
차
1. Microprocessor
2. Microprocessor Architecture
3. Microprocessor 분류
4. Microprocessor family
5. Microprocessor 발전사
6. Intel CPU, Pentium-III/IV
7. AMD Athlon™
8. CPU 성능
1. Microprocessor



CPU의 기능을 단일칩 VLSI에 집적 : 데이터
처리를 위한 산술논리연산과 제어
단말기, 프린터, 디스크 장치, 세탁기
등의 제어가 이루지는 기타 모든 제어장치
공장의 자동화 시스템
2. Microprocessor Architecture
1. Register
2. Stack
3. Microcode
4. Cache
Level-1 Cache, Write & Back Cache,
Level-2 Cache
5. FPU(Float Processing Unit)
3. Microprocessor의 분류

CISC
– 프로그램 수행 효율저하
– 프로세서 제어부 복잡
– 복잡한 Compiler 구성
RISC

–
–
–
–
–
소수의 명령어 집합으로 구성
명령어 구조 단순
H/W의 설계 단순
Compiler의 중요성
의미간격과 성능간격
RISC Architecture의 구성


H/W 구성이 단순
명령어 집합의 특징
– 제공 명령어 수 제한적
– 명령어들은 레지스터간에서 수행
– 명령어들의 제한된 형식 구성
– 주소계산이 단순

Processor의 구성
– 명령어 처리 기능 장치 사용
– 보조 프로세서
4. Microprocessor Family

i4004(1971) : 세계최초의 microprocessor
•
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

4개의 마이크로칩
2,250개의 Transistor
4-bit Data Bus
12-bit Address Bus(4K bytes)
i4040
i8008(1972) : 8bit 시장에서 성공하지는 못함
i8080(1975) : 상용적으로 대성공, CP/M
i8086(1978) : 최초의 16bit microprocessor
i8088(1979) : IBM PC/XT 에 탑제
•
16-bit Internal, 8-bit External



i80286(1982) : 16-bit 12MHz
i80386(1985) : 32-bit 연산
i386DX 275,000개의 Transistor
33MHz
i486(1989) : CRISC 명령체계, 50MHz
120 만개의 Transistor
i4004(1971)



세계최초의 4bit ㅡ Microprocessor
Busicom사 (일본)에 의해서 제안
i4000 family (4개 microchip)
– i4001: 2048 bit ROM
– i4002 : 320 bit RAM
– i4003 : 10bit I/O Shift Register
– i4004 : 4bit Processing Unit
Intel Microprocessor I4004/4040

1971
– 2,300 transistors
– Clock speed 108 KHz
– 12 sq mm
– Mainly for calculators

4040
– 3,000 transistors
i8008(1972)


8bit word length
시장에서 성공하지는 못함
이유 : 3종류의 전원 , O/S, 개발 프로그램 부재
i8080(1972)



8bit word length
Personal Computer의 시초
시장에서 대성공
– 78개의 명령
– CP/M 등장 : OS
– Zilog Z80의 모체(158 78개의 명령)
Intel Microprocessor 8008/8080
– 1972
– 3,500 transistors
– 14 sq mm

Intel Microprocessor 8080
– 1974
– 4,800 transistors
– 14 sq mm
Intel Microprocessor 8085/86/88

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

1974 ?1980
8085 ?6.5 K transistors
8086 ?29 K transistors
8088 ?29 K transistors
ALTAIR 8800
Microcomputer(1975)



First Microcomputer
Programs have to be fed into
computer by switches in front
Allegedly named for destination of
Star ship Enterprise of Star Trek
ALTAIR 8800
IMSAI 8080 Microcomputer

IMSAI 8080
Disk Operating System (DOS)
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
1972
Gary Kildall, USA
Command Line Interface
Instructions have to be typed
eg Type, Format, Print
Different to Windows
Personal Computer (PC)
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1981
Launched by IBM
No hard disk
IBM compatibility
Prototype motherboard
i8086/8088(1979)
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
i8086 : 16 bit Architecture
i8088 : 16bit Internal/8bit External
Clock 4.77MHz, 집적도 29,000 Transistor
i8088은 i8086은 외부Data Bus가 8bit로 주
변기기와 호한성 문제를 극복
Memory공간이 1MB로 제한됨
Intel (80)286 Microprocessor
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
1982
134 K transistors
VLSI (Very Large Scale Integration)
8 MHz to 12 MHz speed
Could run all software written for its
predecessors
Within 6 years of its release
estimated 15 million 286 based PC
around the world
i80286(1982)
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
24 bit address (16MB)
Memory 관리: Virtual Memory공간을 1GB로
확장
처리속도 8MHz, Transistor 집적도130,000
로 16bit Processor
1984년 IBM PC/AT에 채택
Multitasking 개념이 적용
i80386(1985)
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
Clock:16MHz, Memory 공간 4GB, 집적도 275,000 TR
32 bit Data Bus
Multitask 제공하기 위한 architecture : Unix 등과 같은
Multi-user O/S에 Porting
내부 Architecture에 따라 386DX, 386SX, 386LX등
386DX : Full 32bit Architecture
386SX : internal 32-bit, External, 16bit Interface (1988)
Intel 80386DX/386SL
Microprocessor
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386DX
1986 - 1990
275 K transistors
32 bit chip
Multi-tasking (multi programs at the same
time)
386SL
1.5 M transistors
25 MHz to 40 MHz speed
i80486(1989)

Intel의 i80486
– 8KB의 내부Cache를 Chip 자체에 내장하여 속도를 향상
– 25/50등으로 속도를 표시, 외부Bus Interface 속도와 CPU내부 의
Clock
– 예)Clock doubling : 486DX2-66 외부Interface의 속도는 33MHz ,
내부Clock속도는 2배
– 486DX2-66는 실상 외부 Bus Interface는 33MHz 이므로 PC
motherboard 그대로 사용이 가능하여 PC Clone maker들은 원가
를 낮출 수 있었다 특히 Floating Processor를 단일칩에 내장하여
Spreadsheet, CAD, Graphics등의 수치계산에 성능향상
– CPU 내부의 Clock속도를 2배로 올려놓은 DX2시리즈는 Chip에
서 과도한 발열- 시스템이 불안정 요인
AMD(Advanced Micro Device) 의
486 CPU



AMD사의 486CPU는 필요 시에 만 외부
Memory에 기록함으로써 Bus의 병목현
상을 감소시키는 8KB의 Write-back형의
Cache
전력관리 기능을 내장하여 저전력 설계
Intel의 486 성능보다 뛰어나고 가격은
저렴해 선전, Intel의 시장 leadership을
따라잡지는 못했다
CYRIX의 i486




Cyrix사도 자체 설계에 의한 방식으로
486DLC,486SLC출시
Cyrix486SLC의 경우 i486CPU를 i386 설계 적
용
Drop in replacement: i386SX를 채용하는
board에서 i386SX을 대치
IBM의 486
– 486SLC series는 내부 16KB Cache memory
를 가지고 있어 Intel i486보다 다소고속
Pentium(1993)
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
Super Scalar 기술
2개의 Pipelined Integer Processor과
Floating Point Processor
2개의 8KB Cache와 강력한 분기 예측기
능이 복합된 Processor로 4GB의
Physical Memory
다수의 명령을 동시에 fetch , decode,
execute하므로 고속처리
Intel Pentium Microprocessor

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



1993
3.1 M transistors
Also known as 586
64 bits internal bus
MMX (Multi-Media Extension) added 57
new instructions
75 MHz to 233 MHz
Pentium의 기술
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


기존의 Workstation용 CPU에 근접한 최초의 86계열 Chip
Transistor 310만개에서 330만개 (80836DX의 12
배,80486DX의 2.8배 수준)
Clock속도 60MHz-200MHz
Bus속도 : 50-66MHz /80486보다 2배 Bus Clock
병렬성
Pentium-Pro
(180, 200MHz)
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
제조공정 : 0.35micron
내부 Cache : 명령어와 Data가 분리된 16KB
병렬성 : Pentium 2개 / Pentium-Pro 3개의
파이프라인
Data Bus : Pentium과 동일 (외부Bus 64bit
연산은 32bit)
Intel Pentium Pro Microprocessor
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
1996
5.5 M transistors
260 MHz to 333 MHz
Design to fuel 32-bits servers and workstation
applications
Enabling fast computer aided design (CAD) for
scientific and mechanical engineering
computation
Packed together a second speed-enhancing
cache memory chip
프로다운 기술 동적 실행
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

동적실행
동적실행은 Data 흐름 분석, 다중 분기 예측,
예측 실행
Pentium pro는 명령어를 처리하기 전에 일단
전체적인 Data의 흐름을 분석해 명령어 처리
를 위한 최적의 순서를 재구성하게 된다
Data의 흐름 분석의 최고 30개까지 명령어를
미리 추출해 최적화된 순서를 재구성
프로다운 기술 동적 실행(cont’d)



분기할 위치와 Memory상의 위치를 추측 가능
한번에 처리할 수 있는 명령어의 개수는 3개이지만
예측에 의해서 한Clock에 최고 5개까지의 명령어
처리가 가능
예) 1) LOAD A, X 2) LOAD B,2 3) LOAD C, 3
4) ADD D,B,C 5)ADD E,A,D
MMX(Multi-Media Extension) Technology
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SIMD(Single Instruction Multiple Data)
– 2개의 32bit Data, 4개의 16bit Data, 8개의 8bit
Data를 조합
Pentium에 비해 분기예측과 완화된 명령조합 규칙
내부Cache가 Data용(16KB)과 Instruction용(32KB)
한Clock에 처리될 수 있는 명령어의 개수를 늘림
명령세트에 Multi-media 처리에 효과적인 57가지의
명령어가 새로 추가
Image Processing처리가 월등
Pentium-II
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

Pentium Pro에 MMX기술을 올려 제 6세대
Processor
소켓 7의 슬롯 변화를 가져온다
CPU는 방열판 ,Cache, 열감지 Sensor내장
내부는 CPU와 Cache가 서로 분리되어있고
L2Cache의 성능을 2배로 늘려 속도저하문
제를 해결
Pentium-II(cont’d)



AGP(Advanced Graphics Port)
Interface도입 : Write 명령어는 Chipset
과 결합해 graphic I/O처리를 크게 향상
이중독립Bus구조 다중명령어를 수행할
때 의 대역폭을 증가하기위해 Cache
Bus와 System Bus가 독립
L1Cache와L2Cache 모두 Non
Blocking 쓰기 결합 기술인 I/O의 성능
을 향상
Intel 전략
Processor
발표시기
특징
KLamath
1997년 중반
233-266MHz, MMX 보다 커진 L1 Cache
0.35 micron 공정, 196mm^2
Deschutes
1997년 말
300 -450 MHz, 0.25미크론 공정 , 120mm^2
Notebook Computer를 위한 저전압 저전력 설계
Katmai
1998년 중반
MMX2(3D, 이중 부동소숫점 연산 지원)
Wilamette
1998년 말
100MHzBus, Klamath와 Deschute보다 커진 크기
Celeron™
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

266MHz -300MHz
L2 Cache를 없애 가격을 낮췄다
게임이나 그래픽작업에서 L2Cache는 이미 사
용한 Data를 저장하는 중요한 역할을 하므로
Celeron™ 은 일반에 인기가 없다
Celeron™ 300A
– 218KB L2Cache 다시 보안
– Cache속도가 Clock속도와 같다
– 그러나 Pentium-II에 있는 L2Cache는 Clock
속도에 1/2로 동작
Intel
 Pentium(1993) 75-200MHz,
L1 L2Cache로 확장
 Pentium-Pro(1995)150- 200MHz,
550만개의 Transistor
 Pentium-MMX(1997)-새로운 명령어 도입
166,200,233MHz
 Pentium-II(1997)
KLamath™ : 66MHz FSB, 233-333MHz
Deschutes™ :100MHz FSB, 350450MHz


Celeron™ (1998): Pentium-II 에서
512KB의 L2 Cache를 제거 (low cost
model)
-코빙턴: 266, 300MHz 단종
-멘도시노: 300A-500MHz(128KB
L2Cache 추가 한것)
Xeon™ (1998-1999): Workstation용
CPU
Pentium-II Xeon™
Pentium-III Xeon™
AMD
 K5 (1996): Pentium급 CPU (자사최초)
 K6 (1997): MMX 기술을 지원
부동소수점 연산능력이 동급의
Pentium-MMX보다 다소 약함
 K6-2 (1998): 950만개의 Transistor
3D 성능향상, 100MHz FSB 지원
 K6-3 (1999): Celeron™ 에 대항해 개발
desktop용으로 400MHz, 450MHz
 Duron™
 Athlon™
IDT
 C6 윈칩(1998): 다른 x86 Processor와
저가격, 적은 칩면적, 저소비전력 특징.
540만 개의 Transistor,
150-200MHz의 Clock 속도.
 C6+ 윈칩2 3D(1999):가격대 성능비 우수
3D Graphics기능 향상
200-266MHz의 Clock 속도
Cyrix
 6x86(M1): 첫 CPU, 75MHz의 FSB
Pentium과 핀 호환
정수 연산 우수,
부동소수점 연산에 약함.
 Media GX(1997): Graphics, Audio,
MMU, PCI Interface 내장
 6x86(MII) : MMX와 Pentium-II의 중간
수준
5. Intel의 주력CPU, Pentium-III
FSB
생산공정 L2 Cache
500MHz
100MHz
0.25
512KB
500E
100MHz
0.18
256KB
600B
133MHz
0.25
512KB
Pentium IV







코드네임 Willamette
i850 Chipset : RAMBUS 속도는 다소 빠르나,
고가로 인기 없음
i845 Chipset : SDRAM 지원
2.0GHz Clock
400 MHz Processor System Bus
82845 MCH: PC133 SDRAM, 1.5V AGP 4X
ICH2: ATA/100, 4 USB Ports, AC'97, CNR, LAN
Pentium IV chipset
6. AMD Athlon™






FSB:200MHz
생산공정: 0.25
L2 Cache: 512KB
장착방식: Slot-A
성능면에서는 Pentium-III보다 우수
메인보드 고가, 종류 부족으로 대중화에
어려움
고찰



FPU(Float Processing Unit)- 부동소수점
연산장치
0.18micron공정: Transistor간의 간격-불
소를 처리한 실리콘 이산화물을 처리하
여 전력과 발열량을 줄이는 부가적 효과
를 얻음.
FSB(Front Side Bus): CPU가 외부적으
로 동작하는 Clock
Summary

AMD project는 상상도 못할 만큼의 성
과를 거두었다. 프로세서 성능의 관점에
서는 Sunnyvale 에 기반을 두고 있는
chip maker의 제품인 Athlon™
processor는 누구도 손댈 수 없었던
Intel을 따라잡을 수 있었고, 최근에
AMD는 Processor 성능 면에서 Intel
을 앞서가기 시작했다
References
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http://lslwww.epfl.ch/~moshes/ga.html
http://web.singnet.com.sg/~midaz/Introga.htm
http://vmoc.museophile.sbu.ac.uk/#ACMS
http://www.intel.com/intel/intelis/museum/
http://vmoc.museophile.sbu.ac.uk/#ACMS
http://www.150.si.edu/150trav/remember/r823.htm
http://gosh.ex.ac.uk/~SFCornej/broadband.htm
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http://www.kingston.com
http://vmoc.museophile.sbu.ac.uk/
http://www.digitalcentury.com/encyclo/update/comp_hd.html
http://www.eingang.org/Lecture/toc.html
http://www.pbs.org/nerds/timeline/index.html
http://www.computerhistory.org/
http://www.intel.com/procs/p6/dynamic/p6de.exe
http://www.amd.com
http://www.tomshardware.co.kr/cpu
http://www.dg.com/about/html/intel_evolution.html
http://www.howpc.com
http://www.kbench.co.kr
Mainframe Computer


Big organizations
Robust:
– Easy to upgrade
– Easy to maintain

Powerful:
– Very large memory & disk storage
– Supports many users
– Supports many concurrent process

Manufacturers (eg):
– IBM, Burroughs, Control Data, Honeywell

Less complicated than a PC network!