در ۲۲ مارس ۱۹۹۳، شرکت اینتل با معرفی اولین پردازنده به نام پنتیوم، تنها یک CPU جدید را وارد بازار نکرد؛ این محصول نقطهای بود که در آن معماری x86 از مسیر افزایش صرف فرکانس جدا و وارد دورهای شد که «طراحی ریزمعماری» به عامل اصلی کارایی تبدیل شد؛ تغییری که تا امروز در قلب CPUهای مدرن ادامه دارد.
تا پیش از آغاز دهه 90 میلادی تصور غالب در دنیای طراحی پردازندهها این بود که هر چه تعداد ترانزیستورها و فرکانس آنها بیشتر باشد، با سیستم پردازشی قویتری روبرو خواهیم بود. اما بدیهی است که تکنیکهای طراحی و استفاده خلاقانه از ایدههای تغییر مسیر محاسباتی نیز باید وارد بازی میشدند. این نقطهای بود که اولین بار در تیم آبی مورد توجه گرفت و منجر به تولد مولودی مبارک به نام Pentium شد.
عبور از بنبست 486؛ چرا Pentium یک «ضرورت» بود؟
در ابتدای دهه ۹۰، پردازنده Intel 80486 با وجود پیشرفتهایی مانند FPU یکپارچه (واحد محاسبات اعشاری داخل CPU) و کش سطح اول (حافظه بسیار سریع نزدیک هسته)، به محدودیتهای ذاتی خود نزدیک شده بود. این مسیر که از Intel 80386 و ورود به دنیای ۳۲ بیتی آغاز شده بود، دیگر با افزایش فرکانس کلاک پردازنده بهتنهایی پاسخگوی نیاز نرمافزارهای پیچیدهتر نبود.
در همین مقطع، تیم طراحی اینتل که تجربه توسعه دو پردازنده خوشنام 386 و 486 را در کارنامه داشت، با هدایت چهرههایی مانند Vinod Dham (مهندس هندی-آمریکایی معروف به «پدر Pentium») و با مشارکت مهندسان ارشد ریزمعماری، پروژه P5 را کلید زد. بسیاری از این مهندسان پیشتر روی بهینهسازیهای سطح دستورالعمل در 486 کار کرده بودند و حالا بهدنبال عبور از محدودیتهای آن بودند.
در واقع میتوانیم بگوییم که Pentium با تمرکز بر IPC (تعداد دستورالعمل در هر سیکل) بهجای فرکانس خام، این تغییر جهت را عملی کرد.
نام «Pentium» از کجا آمد؟
برخلاف نسلهای قبلی پردازندههای x86 که با اعداد شناخته میشدند (مثل 386 و 486)، اینتل برای نسل بعدی با یک چالش جدی روبهرو شد و دیگر نمیتوانست از اعداد بهعنوان یک برند محافظت کند.
ماجرا به سال ۱۹۹۱ برمیگردد؛ زمانی که یک دادگاه فدرال در ایالات متحده حکم داد اعدادی مانند «386» و «486» بهاندازه کافی متمایز نیستند تا تحت قوانین ثبت علامت تجاری (Trademark) قرار بگیرند. این تصمیم عملاً دست اینتل را برای ادامه مسیر نامگذاری عددی بست و شرکت را مجبور کرد برای نسل بعدی، بهجای «586»، بهدنبال یک نام واقعی و قابل ثبت برود.
در همین راستا، اینتل یک رقابت داخلی میان کارکنان خود برگزار کرد تا برای نسل پنجم x86 نامی انتخاب شود. نتیجه این رقابت اما بسیار جالب بود. هیچکس دقیقاً نام «Pentium» را پیشنهاد نکرده بود، اما ۱۸ نفر از کارکنان، نامهایی مبتنی بر پیشوند یونانی «penta» (به معنی پنج) ارائه داده بودند. اینتل در نهایت با الهام از همین ایده، نام Pentium را انتخاب کرد و به هر یک از این ۱۸ نفر، پاداش ۲۰۰ دلاری داد.
این تصمیم، فقط یک تغییر ظاهری نبود. Pentium اولین پردازندهای شد که اینتل آن را بهعنوان یک «برند» معرفی کرد، نه صرفاً یک شماره نسل. مسیری که از همینجا آغاز شد، بعدها به شکلگیری نامهایی مانند Core انجامید و عملاً استاندارد جدیدی برای هویتسازی در بازار پردازندهها تعریف کرد.
در همین رابطه بخوانید:
- تاریخچه پردازنده های کامپیوتر و معرفی تاثیرگذارترین CPU های تاریخ
طراحی P5 زیر ذرهبین؛ وقتی Superscalar وارد جریان اصلی شد
ریزمعماری P5 با حدود ۳.۱ میلیون ترانزیستور و فناوری ساخت ۸۰۰ نانومتری، اولین تلاش جدی اینتل برای پیادهسازی Superscalar execution (اجرای همزمان چند دستورالعمل در یک سیکل) در بازار مصرفی بود. این هدف از طریق دو پایپلاین (خط لوله پردازشی) مجزا با نامهای U و V محقق شد.
در عمل، این یعنی CPU میتوانست در شرایط ایدهآل، بیش از یک دستورالعمل را در هر سیکل پردازش کند؛ مفهومی که امروز بدیهی است، اما در آن زمان یک جهش اساسی محسوب میشد.
در کنار آن، کش L1 تفکیکشده (جدا بودن کش دستورالعمل و داده برای کاهش تداخل)، باس ۶۴ بیتی (افزایش پهنای انتقال داده بین CPU و حافظه) و بهبود FPU (افزایش سرعت محاسبات اعشاری)، مجموعهای از تغییرات را شکل داد که مستقیماً روی کارایی واقعی تأثیر میگذاشت.
در سطح تیمی، این طراحی حاصل همکاری گروهی از معماران پردازنده در اینتل بود که تجربه کار روی پروژههای قبلی x86 را داشتند. افرادی مانند Avtar Saini (از معماران کلیدی نسلهای بعدی Pentium) نیز در ادامه این مسیر، نقش مهمی در بلوغ این معماری ایفا کردند.
در واقع ساینی مهندسی بود که سابقه کار روی طراحیهای پیشرفتهتر و بهینهسازی مصرف انرژی را نیز در کارنامه داشت و با همین تجربه به قواعدی نیز رجوع شد که تا پیش از این در دنیای دسکتاپ کمترین حد اهمیت را داشتند!
در همین رابطه بخوانید:
- همهچیز درباره پردازندههای نانومتری و ساخت CPU
رقبای در صحنه؛ چرا Pentium دست بالا را گرفت؟
در زمان عرضه Pentium، رقابت در بازار پردازندهها به اوج خود رسیده بود. شرکتهایی مانند AMD و Cyrix با طراحیهای سازگار با x86، تلاش میکردند با قیمت پایینتر سهم بازار بگیرند. همزمان، معماریهای RISC مانند PowerPC و راهکارهای MIPS Technologies از نظر کارایی خام (Performance per Clock) در برخی سناریوها جلوتر بودند.
با این حال، Pentium بهواسطه چند عامل کلیدی موفق شد بازار را در اختیار بگیرد. نخست، سازگاری کامل با اکوسیستم x86 (امکان اجرای نرمافزارهای موجود بدون تغییر). دوم، برتری در IPC (اجرای مؤثرتر دستورالعملها در هر سیکل) که در عمل فاصله تئوری RISC را کاهش داد. سومین عامل مهم در این مسیر نیز توان تولیدی اینتل بود که اجازه میداد این پردازندهها در مقیاس وسیع و با بهبودهای سریعتر عرضه شوند.
این برتریها نتیجه مستقیم تصمیمات معماری تیم طراحی بود؛ تیمی که تجربه کار با محدودیتهای CISC (مجموعه دستورالعمل پیچیده) را داشت و تلاش کرد مزایای آن را با مفاهیم الهامگرفته از RISC ترکیب کند.
باگ FDIV و لزوم رفع مشکلات بزرگ
اما آنطور که تصور میشود، داستان پنتیوم پر از پیروزیها و طراحیهای بینقص نبود. در سال ۱۹۹۴، کشف باگ FDIV (خطا در برخی محاسبات تقسیم اعشاری) در Pentium، به یکی از مهمترین بحرانهای تاریخ صنعت نیمههادی تبدیل شد. این مشکل که در واحد FPU رخ میداد، در شرایط خاص منجر به نتایج اشتباه میشد.
پس از همهگیر شدن گزارش باگ کاربران واکنش اولیه Intel به این موضع بسیار محدود بود، اما در نهایت این شرکت با اجرای یک برنامه فراخوان گسترده، تمام پردازندههای معیوب را از سطح بازار جمعآوری و با نسخههای بدون عیب، تعویض کرد. این تصمیم، علاوه بر هزینه سنگین، یک نقطه عطف در استانداردهای کنترل کیفیت پردازندهها و پاسخگویی به کاربران ایجاد کرد.
تکلیف افزایش فرکانس در خانواده پنتیوم چه شد؟
توجه به IPC موجب نشد که اینتل از افزایش فرکانس غافل بماند. در واقع میتوان گفت که مسیر فرکانس در خانواده Pentium نشان میدهد اینتل چگونه همزمان با تغییر معماری، مرزهای سرعت را هم جابهجا کرد. نسل اول در سال ۱۹۹۳ با فرکانسهای ۶۰ و ۶۶ مگاهرتز عرضه شد؛ جایی که هنوز ضریب فرکانس (Multiplier: نسبت افزایش فرکانس هسته نسبت به باس) وجود نداشت و سرعت CPU مستقیماً به باس وابسته بود.
در همین رابطه بخوانید:
- مقایسه تعداد هسته با سرعت کلاک پردازنده ؛ کدام یک برای کامپیوتر شما مهمتر است؟
با معرفی نسخههای P54C و سپس P54CS، همزمان با کوچکتر شدن لیتوگرافی، فرکانسها به بازه ۷۵ تا ۲۰۰ مگاهرتز رسیدند. اینجا بود که استفاده از ضریب فرکانس رایج شد و دست اینتل برای افزایش سرعت هسته بازتر شد. در ادامه، Pentium MMX با بهبودهای چندرسانهای و طراحی ولتاژ دوگانه (تفکیک ولتاژ هسته و I/O)، سقف فرکانس را به ۲۳۳ مگاهرتز رساند.
اما جهش اصلی با مهاجرت به معماری P6 اتفاق افتاد. در Pentium II فرکانسها از حدود ۲۳۳ مگاهرتز شروع شدند و خیلی سریع به محدوده ۴۰۰ مگاهرتز رسیدند. این روند در Pentium III با کمک لیتوگرافی پیشرفتهتر و کش داخلی (On-Die Cache: حافظه کش روی خود تراشه)، تا مرز ۸۰۰ مگاهرتز ادامه پیدا کرد.
البته این مسیر همچنان ادامه دارد و در جدیدترین محصولات پنتیوم شاهد فرکانسهایی بسیار بالاتر هستیم که همسطح محصولات خانواده Core ظاهر میشوند و تفاوتها بیشتر در معماری خانوادهها رقم میخورد.
در همین رابطه بخوانید:
- مقایسه پردازنده های پنتیوم (Pentium) و سلرون (Celeron)
از Pentium تا Core؛ میراثی که هنوز زنده است
اما از دید شاخهسازی و ایجاد پلتفرم نیز میتوانیم بگوییم که Pentium آغاز یک مسیر چندنسلی بود. مفاهیمی که در P5 معرفی شدند، در معماریهای بعدی اینتل به بلوغ رسیدند. در Pentium Pro، اجرای خارج از ترتیب (Out-of-Order Execution یا پردازش دستورالعملها بدون رعایت ترتیب خطی برای افزایش کارایی) و پیشبینی شاخه پیشرفتهتر (Branch Prediction یا حدس مسیر اجرای برنامه برای جلوگیری از توقف pipeline) بهطور جدی پیادهسازی شدند.
این تکنیکها به خودی خود باعث میشدند بتوان عملیات پیچیدهتر و حرفهایتر را نیز با هزینه کمتری در پردازنده سر و سامان داد و به طبع، سرعت اجرای نرمافزاری رده بالا نیز روی پنتیومهای جدیدتر، بالاتر از بسیاری از رقبا میشد.
این مسیر بعدها به معماری Core منتهی شد؛ جایی که تمرکز روی IPC، کشهای بزرگتر و مدیریت هوشمند انرژی، به استاندارد صنعت پردازندههای مصرفی تبدیل شد. در واقع باید بگوییم که بسیاری از مفاهیمی که امروزه در پردازندههای بسیار پیشرفته میبینیم، ریشه در همان تغییر پارادایم اولیه Pentium دارند.
پنتیوم؛ نقطهای که مسیر پردازش دنیا را عوض کرد
Pentium را نمیتوان صرفاً یک محصول موفق از یک تیم حرفهای دانست. این پردازنده نتیجه یک تغییر نگاه در کلیه تیمهای مهندسی اینتل بود؛ تغییری که توسط مهندسانی با تجربه عمیق در نسلهای قبلی x86 شکل گرفت و با ترکیب ایدههای جدید، مسیر آینده CPUها را تعریف کرد.
میتوانیم بگوییم که سه دهه بعد، همچنان همان الگوی اصل پابرجاست: کارایی واقعی، نه از فرکانس بالاتر، بلکه از طراحی هوشمندانه ریزمعماری به دست میآید؛ افقی که Pentium آن را به جریان اصلی آورد.
نظر خود را اضافه کنید.
برای ارسال نظر وارد شوید
ارسال نظر بدون عضویت در سایت