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Intel outside

In meinem Artikel über die Entwicklung der Intel Prozessoren habe ich deren Entwicklungsgeschichte skizziert. Nun soll es um andere Prozessoren gehen, die erfolgreich waren, bis Intel den Markt völlig bestimmte. Auch ein Blick im Vergleich zu der x86 Architektur gestattet es verschiedenen Designkonzepte zu erkennen.

Die 8 Bit Generation

1974 erschien der 8080 als erster kommerziell erfolgreicher 8 Bit Prozessor. Aber schon 1976 verlor Intel diesen Markt, so das sie schon vor der Blüte des 8 Bit Zeitalters nur der drittgrößte Hersteller waren. Es waren zwei Tiefschläge die Intel verdauen musste.

Der MOS 6502

MOS 65021976 auf der West Coast Computer Fair vorgestellt kostetet der 6502 nur 25 USD, zum gleichen Zeitpunkt verlangte Intel 175 USD für ihren I8080. Grund für diesen Preis war zum einen das Marketing Genie Jack Tramiel - Vorstandsvorsitzender von MOS Industries und zum anderen das "RISC ähnliche" Konzept des Chips der nur wenige Befehle hatte und nur 3 interne Register. Der Chip war daher viel einfacher und preiswerter zu fertigen. Durch den geringen Preis war der 6502 sehr erfolgreich bei Heimcomputern. Er wurde im Commodore C64, im Acorn Elektron und den Ataris (400,800,600) eingesetzt.

Im Bereich der professionellen Rechner setzte als wichtigste Firma Apple auf den 6502. Im gesamten Markt war jedoch der Z80 erfolgreicher. Für den Programmierer bot der 6502 wenig Komfort. Es gab nur 3 Register und keine 16 Bit Befehle wie beim 8080. Die Befehle wurden dafür schnell ausgeführt, da eine Adresse nur aus einem Byte bestand. Der Rechner adressierte zuerst nur die ersten 256 Bytes des Speichers und darüber den restlichen Speicher. Da der Prozessor jedoch meistens unter 1 MHz getaktet war, war ein 6502 Rechner eher etwas langsamer als ein Z80 System. Von der Konzeption ähnlich war der Motorola 6800, der jedoch stets teurer war. In der Tat war das Design des 6502 vom 6800, der im August 1974 erschien, beeinflusst. Die Version 6809 war einige Zeit lang erfolgreich und wurde z.B. im Dragon und Color Genie Heimcomputer eingesetzt. Embedded Varianten des 6800 sind heute noch der am meisten verkaufte Mikrochip als Controller in Mikrowellen, Waschmaschinen, Telefonanlagen.

Der Z80

Z80 CPU Mehr Kopfschmerzen machte Intel das von ehemaligen Intel Ingenieuren gegründete Unternehmen Zilog. Sie waren an der 8080 Entwicklung beteiligt und schufen einen Chip der alles das hatte, was Intel ihrer Meinung nach vergessen hatte: Der Z80 war kompatibel zum 8080 in der Maschinensprache und Anschlusspins bot aber sowohl von der Hardware- wie Softwareunterstützung mehr. Programmierer verfügten über einen zweiten Registersatz, zu dem gewechselt werden konnte und 2 Index Register für Tabellenoperationen. Neue Befehle für Bitweise Registermanipulation und das Verschieben und Kopieren von Blöcken im Speicher machten das Programmieren bequem. Für das Hardware Design wichtig war, das der Chip die Ansteuerung dynamischer RAMs und das Auffrischen übernahm und so die Platine billiger und einfacher machte.

Für den Intel 8080 wurde CP/M als Plattform übergreifendes Betriebssystem entwickelt. Doch als es in die kommerzielle Phase ging lief es nur auf Z80 Systemen. Auch bei zahlreichen Heimcomputern wurde der Z80 eingesetzt, bei den Sinclair Rechnern (ZX81, Spektrum), dem Schneider CPC. Der Z80 wird heute noch in verschiedenen Weiterentwicklungen produziert. Die letzte Version arbeitet bei 50 MHz Takt und ist 4 mal schneller als ein alter Z80 bei diesem Takt.

Die 16 Bit Generation.

Noch Ende der siebziger Jahre, als gerade erst die ersten 8 Bit Bürocomputer erschienen, produzierten die Halbleiterhersteller ihre 16 Bit Mikroprozessoren. Wäre es so wie heute, das ein neuer Chip innerhalb weniger Monate in einem PC auftaucht, so wäre bald der Markt von Intel wegdriftet. Doch es dauerte bis 1984, bis mehr 16 Bit Prozessoren als 8 Bit Prozessoren produziert wurden. Genug Zeit für Intel ihr unzulängliches 8086 Design zu verbessern.

Der MC 68000

MC 68020 CPU Intels Schnellentwicklung 8086 war der zweite 16 Bit Prozessor nach dem TMS 9900 auf dem Markt. Doch der erste 16 Bit Prozessor, der sowohl von der Geschwindigkeit wie auch dem Speicher her ein "vollwertiger" 16 Bit Mikroprozessor war, war der MC 68000. So genannt weil er aus 68000 Transistoren bestand.

Anders als der ein Jahr früher erschienene Konkurrent 8086 hatte der 68000 eine erheblich fortschrittlichere Architektur:

Der gesamte Prozessor war auf zukünftige Erweiterungen ausgelegt, anders als der 8086 der nur ein Lückenbüßer zwischen dem 8080 und IAPX 432 sein sollte. So erschien 1982 der 68010 der 4 Jahre vor dem 80386 virtuellen Speicher einführte. Die Erweiterung des Adressraumes auf 32 Bit führte zum 1984 erschienenen 68020. Um die Geschwindigkeit zu erhöhen führte man einen 256 Byte Cache ein.

1987 wurde die MMU in den Chip integriert (68030) und 1991 führte der 68040 einen 4 K Daten und Code Cache und eine FPU auf dem Chip ein. Die letzte Version war der 68060 mit einer superskalaren Architektur und zwei Integer und einer FPU Einheit. Wie der Pentium, dekodierte der 68060 nun ein die komplexen Befehle in einfachere RISC Befehle.

Innerhalb der 68000 Serie fällt auf das der Chip lange Zeit immer leistungsfähiger als Intels 8086 Serie war. Erst mit dem 80286 konnte Intel 1984 einen gleichwertigen Chip vorstellen, doch da erschien schon der 68020. Doch der geringere Absatzmarkt führte dazu das Intel im Laufe der Zeit aufholte. Mit dem 80486 zog Intel vorbei und Probleme bei der Entwicklung des (nie erschienenen) 68050 taten das übrige.

Der Einsatz des 68000 war zuerst im Workstation Sektor. Fast alle Workstations der ersten Generation (Sun, Silicon Graphics und HP) basierten auf diesem Prozessor und blieben ihm auch bis Ende der achtziger Jahre treu. Dann begannen viele Firmen auf RISC Prozessoren umzuschwenken. Sun auf den SPARC, HP auf ihre eigene PA Serie und der MIPS Prozessor erschien, den man z.B. in Silicon Graphics Workstations und Playstation findet.

Der 68000 war jedoch auch das Herz der ersten Computer mit grafischen Oberflächen - Apples Lisa und Macintosh, Ataris ST und dem Commodore Amiga. In neuerer Zeit erfolgreich ist er als Mikrocontroller in Druckern oder den Ti 92 "Taschencomputern". Ab 1994 ersetzte Motorola die 68000 Linie durch die Power PC Chips. (Siehe unten)

Die Transputer T212, T414 und T800

T400 CPU Es gab neben den "normalen" 16 und 32 Bit Prozessoren immer wieder ungewöhnliche Konzepte. Eines, welches seiner Zeit voraus war, war das der INMOS Chips T414,T800 und T212. Es handelte sich um 16 (T212) bzw. 32 Bit Prozessoren. Das besondere war, das diese nicht nur ziemlich rasant waren (Etwa doppelt so schnell wie ein 386 er). Es war ein Konzept: Die Chips waren so konstruiert das jeder 4 Ports hatte die mit anderen Prozessoren gekoppelt werden konnten. Man nannte sie daher auch Transputer. Über diese Ports welche mit 5-20 MBit liefen, konnten Daten schnell ausgetauscht werden, sie wurden durch ein On Chip RAM von 1 KByte gepuffert. Der T800 enthielt eine 64 Bit FPU.

Das besondere an der Architektur waren zwei Dinge: Zum einen konnten durch den schnellen Datenaustausch mehrere Transputer parallel an einem Problem arbeiten und die Daten zwischen den Prozessoren ohne große Reibungsverluste austauschen - Dies 1985 mehr als 10 Jahre, bevor Multiprozessorfähige Pentium Pro Systeme erschienen. Zum anderen war der Chip so ausgelegt, das man ihn zweckmäßig nicht in Assembler sondern in einer Hochsprache namens OCCAM programmierte, die paralleles Rechnen nativ unterstützte. Mit Rechnern dieses Typs wurden einige Parallelrechner konstruiert. Scottland Yard setzte einen solchen Computer ein um simultan hunderte von Fingerabdrücken mit einem Referenzmuster zu vergleichen. Doch er war seiner Zeit voraus. Massive Parallelrechner gab es erst 10 Jahre später, als die Konkurrenz zwar nicht das Konzept von OCCAM, aber das der Kommunikation zwischen Prozessoren übernommen hatte.

Die 32 Bit Generation

Seit nunmehr 16 Jahren ackern 32 Bit Prozessoren von Intel in den PCs. Trotzdem gab und gibt es auch hier andere und zum Teil. überzeugende Konzepte.

Suns SPARC

SPARC CPU Ende der achtziger Jahre entstanden die meisten Programme schon mit Compilern. Nun kam ein damals schon fast 20 Jahre alter Streit wieder auf : Compiler nutzen anders als Menschliche Programmierer selten den Befehlssatz eines Prozessors voll aus, dafür können sie sich viel besser merken, welche Register wie belegt sind. Ein Chip der Compiler Code ausführt, profitiert davon wenn er nur wenige Befehle hat, die schnell ausgeführt werden, dafür viele Register. Diese Architektur nennt man RISC. Dagegen lief die Entwicklung der damals vorherrschen Prozessorfamilien x86 und 68K in die entgegengesetzte Richtung - Wenige Register und komplexe leistungsfähige Befehle. Dies nennt man CISC. RISC Prozessoren bieten für kleinere Halbleiterhersteller den Vorteil das sie weniger Logikelemente brauchen, also einfacher und preiswerter zu entwickeln sind. Daher erschienen Ende der achtziger Jahre viele neue Prozessoren als RISC Prozessoren. Einer der ersten und noch heute populärsten war Suns SPARC, der die 68020/30 Workstations ersetzte.

Suns SPARC erschient im April 1987 und verfügte als 32 Bit CPU nur über 55.000 Transistoren - weniger als der 16 Bit Prozessor MC 68000 (68000) und nur wenig mehr als der 8086 (29000). Trotzdem enthielt er eine FPU, die bei anderen Prozessoren als Coprozessor separat war. Alle Befehle waren strikt 32 Bit Breit und die Ausführungszeit lag bei nur 1.3 Takten pro Befehl - Zum Vergleich eine 386 benötigte 4.4 und eine 68020 5.2 Takte. Eine Sun war so 3 mal schneller als 386 er Rechner bei einem Fünftel dessen Komplexität. Der SPARC verfügte in der ersten Version über 128 Register die jeweils in Gruppen von 32 ansprechbar sind. Eine solche Gruppe wurde wie ein Fenster über die 128 Register gelegt. Parameterübergaben erfolgten ebenfalls über diese Register, genauso wie die Speicherzugriffe. Als Ausgleich gab es Drei Operanden Befehle (a=b+c) und eine vierstufige Pipeline.

Suns SPARC war erfolgreich und inspirierte andere RISC Designs. Doch es wurde dann von Intels CISC Design überholt. Der Nachfolger Super SPARC hatte zu langsame Speichertransferraten. Wieder Boden gewinnen konnte Sun mit der Ultra SPARC CPU die als 64 Bit Design über Superskalare Architektur (4 Integer Einheiten) und eine SIMD Engine verfügt, um ähnlich wie bei MMX mehrere kleine Daten parallel zu verarbeiten.

Power PC / RS6000

Power PC 601Komptabilität ist für den Kunden erfreulich. Einem Hardwarehersteller kann sie jedoch Kopfzerbrechen bereiten. Sie bedeutet, das man anstatt die neuesten Entwicklungen einzusetzen, versuchen muss, mit allen Mitteln mehr Leistung aus einer längst veralteten Architektur herauszuholen. Andere Hersteller als Intel waren hier in der Lage, dadurch das sie nie eine solche Bedeutung mit nur einer Prozessorfamilie erreichten, freier agieren zu können. Anfang der neunziger ergab sich eine Situation, die zu einem kuriosen Gespann führte. Motorola verlor rapide an Boden, da nun viele Workstationhersteller - bisher treue 68K Kunden - nun leistungsfähigere RISC Prozessoren einsetzten. Apple verlor gegenüber den Intel PCs an Boden, weil diese nun auch grafisch wurden und die früher höhere Rechenleistung eines 68K Prozessors nun nicht mehr gegeben war, und IBM suchte nach einem Weg ihre RS 6000 Workstations kleiner zu machen.

So kam es zur Power PC Initiative, in der die drei Hersteller involviert waren. Das Ziel: Einen neuen Mikroprozessor zu schaffen der zum einen RISC war, zum anderen die neuesten Entwicklungen hinsichtlich Superskalarität erfüllt. Basis wurden die RS 6000 Architektur von IBM, Motorola steuerte das 88K Busprotokoll bei. Zuerst ging es beim Power PC 601 darum das Multichip Design von IBM auf einen Prozessor zu vereinigen. Er erschien 1994.

Der nächste Schritt war der 604, der nun anstatt einer Integer Einheit deren 3 integrierte. Dazu kam eine Load/Store und System Einheit. Eine 5 stufige Pipeline ergänzte das Konzept. Mittlerweile stieg Apple aus der Hardware-Entwicklung aus. Ebenso wie die Intel Prozessoren integrierte man 1999 eine Vektor Recheneinheit namens Altivec auf dem Chip. Der entsprechende Power PC Prozessor G3 war der erste, der mit Spezialsoftware eine Leistung von 1 GFLOP überschritt. Die Power PC Prozessoren profitieren heute vor allem von IBMs Fertigungstechnologie wie dem Kupfer Prozess. IBM ist auch führend in der Weiterentwicklung, da ihre gesamte RS 6000 Linie - skalierbare Systeme von kleinen Servern bis Großrechnern - auf speziellen Versionen der Power PC Chips aufbaut.

Dank des geringen Stromverbrauches - ein G4, der neueste Spross - benötigt etwa 8 Watt während ein ebenso rechenstarker Pentium III etwa 30 Watt verbrät - findet man die Power PCs auch in Raumsonden des Marsprogramms. So genügt auch bei der letzten Generation des G4 noch ein passiver Kühlkörper ohne Lüfter. Wie Alpha, SPARC oder MIPS wird der Vorsprung an Rechenleistung gemindert, weil Intel ihre x86 Linie mit 2-3 mal höheren Taktraten fährt.

64 Bit - Wo bleibt Intel?

1991 erschienen die ersten 64 Bit Prozessoren von MIPS (R4000) und Digital Equipment (Alpha 21064). Später erschienen Sun mit dem Ultra SPARC und HP mit dem PA-RISC. Erstaunlich ist, das Intel erst 10 Jahre später mit dem Itanium Prozessor auf dem Markt erscheint. Es scheint einträglicher, die 32 Bit x86 Linie weiterzuentwickeln, zumal im Jahre 2001 noch immer im "Konsumer" Windows - dem gängigsten Betriebssystem noch Treiber stecken die auch auf einer 18 Jahre alten 80286 CPU laufen würden....

Alpha

Alpha 21164Der Prozessor der regelmäßig die Krone in der Geschwindigkeit hält, ist Digital Equipments Alpha Chip. Der Alpha Prozessor ist ein sehr kompromissloser RISC Prozessor, es gibt keine Spezialregister, keine 8 oder 16 Bit Operanden. Die gesamte Architektur ist auf Erweiterung ausgelegt. So ist der erste (21064) mit nur einer Integer und Fliesskommaeinheit ausgestattet, während das aktuelle Modell 21264 über 4 Integer, 2 Load/Store und 2 FPU Einheiten verfügt. Gegenüber dem aktuellen Spitzenmodell von Intel dem Pentium 4 verfügt der Alpha nur über weniger als die Hälfte der Transistoren (15.2 anstatt 42) und ist trotz nur halb so großen Takt, noch um 25 % schneller. Der Alpha wurde gezielt entwickelt um bei Digital die alte Architektur der MIPS und VAX zu ersetzen, und dabei war das Entwicklungsziel eine Architektur zu schaffen die durch Taktsteigerungen, Superskalare Einheiten und Multiprozessing um den Faktor 1000 steigerbar ist.

Eine Wende in der Entwicklung des Alpha war die Übernahme von Digital durch Compaq. Seitdem verläuft die Entwicklung langsamer, während einige Patente des Alphas in die Entwicklung des Athlons einfließen, wie z.B. das EV6 Busprotokoll. Viele Entwickler verließen die Firma, weil die Firmenkulturen kollidierten. Sie wanderten zu AMD, wo sie den Athlon schufen. Anders als viele andere RISC Prozessoren, ist der Alpha vergleichsweise stromhungrig. Die aktuelle Version schluckt 70 Watt Energie. 1992 war der Alpha mit 100 MHz erheblich höher getaktet als der Pentium mit 60, inzwischen ist der Takt um das 8.66 fach gestiegen, beim Pentium 4 beträgt der Zuwachs dagegen das 28 fache. Trotzdem ist der Alpha sowohl absolut, vor allem aber pro MHz Takt erheblich schneller als die x86 Architektur. Alpha Systeme finden sich in einem breiten Bereich - von Workstations bis zu Supercomputern. Die Alpha Plattform war die letzte die Microsoft noch neben Intel für Windows NT unterstützte - nachdem man vorher schon die Unterstützung für MIPS und Power PC eingestellt hatte. Doch das aktuelle Windows 2000 läuft nur noch auf x86 Maschinen. Versuche einen "Alpha" PC mit Windows NT und x86 Emulation anzubieten wurden unter anderem. in Deutschland von Vobis unternommen, scheiterten jedoch an dem doppelt so hohen Preis und der fehlenden Software.

Prozessor Takt (MHz) SPEC 2000 Int Base SPEC 2000 FP Base pro MHz
Pentium III 1080 454 329 0.725
Athlon 1333 482 414 0.672
Pentium 4 1700 575 593 0.687
Itanium 800 345 700 1.306
Ultrasparc III 900 438 427 0.961
Alpha 21264A 833 518 590 1.330
HP PA 8700 750 569 526 1.460
MIPS R14000 500 410 436 1.692
IBM RS64 IV 600 295 245 0.900

Mit der Fusion von Compaq und HP wurde die Alpha Entwicklung an den Erzkonkurrenten Intel verkauft. Damit ist das Ende der Alpha Entwicklung abzusehen. Es wird noch die nächste Version 21364 mit Hyperfinethreading geben (Grundlage für den Prozessor sind nicht mehr Funktionseinheiten sondern Threads des Betriebssystems). Doch dann dürfte HP nur noch Server mit Itanium Prozessoren anbieten.

Zum Thema Computer ist auch von mir ein Buch erschienen. "Computergeschichte(n)" beinhaltet, das was der Titel aussagt: einzelne Episoden aus der Frühzeit des PC. Es sind Episoden aus den Lebensläufen von Ed Roberts, Bill Gates, Steve Jobs, Stephen Wozniak, Gary Kildall, Adam Osborne, Jack Tramiel und Chuck Peddle und wie sie den PC schufen.

Das Buch wird abgerundet durch eine kurze Erklärung der Computertechnik vor dem PC, sowie einer Zusammenfassung was danach geschah, als die Claims abgesteckt waren. Ich habe versucht ein Buch zu schreiben, dass sie dahingehend von anderen Büchern abhebt, dass es nicht nur Geschichte erzählt sondern auch erklärt warum bestimmte Produkte erfolgreich waren, also auf die Technik eingeht.

Die 2014 erschienene zweite Auflage wurde aktualisiert und leicht erweitert. Die umfangreichste Änderung ist ein 60 Seiten starkes Kapitel über Seymour Cray und die von ihm entworfenen Supercomputer. Bedingt durch Preissenkungen bei Neuauflagen ist es mit 19,90 Euro trotz gestiegenem Umfang um 5 Euro billiger als die erste Auflage. Es ist auch als e-Book für 10,99 Euro erschienen.

Mehr über das Buch auf dieser eigenen Seite.

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© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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