Успехи интегральной технологии и предпосылки появления микропроцессоров
Введение
Интегральная технология (ИТ) за первые 20..30 лет своего развития достигла таких относительных темпов роста характеристик качества, которых не знала ни одна область человеческой деятельности (включая и такие бурно растущие, как авиация и космонавтика). Действительно, рассмотрим динамику изменений основных параметров ИТ за первые 20 лет ее развития (1960..1980гг):
· Степень интеграции N - увеличилась на 5-6 порядков;
· Площадь транзистора S - уменьшилась на 3 порядка;
· Рабочая частота f - увеличилась на 1-3 порядка;
· Факторы добротности:
1) f´N - увеличился на 5-7 порядков;
2) P´t - уменьшился на 4 порядка;
где P - мощность, рассеиваемая элементом;
t - задержка на элементе;
· Надежность (при сопоставлении элементо-часов) - увеличилась на 4-8 порядков;
· Производительность технологии (в транзисторах) - увеличилась на 4-6 порядков;
· Цена на транзистор в составе ИС - уменьшилась на 2-4 порядка.
Если бы авиапромышленность в те же годы имела аналогичные темпы роста соответствующих показателей качества (стоимость-скорость-расход топлива = стоимость-быстродействие-рассеиваемая мощность), то "Боинг 767" стоил бы $500, облетал земной шар за 20 мин. и расходовал на этот полет 10 л. горючего.
Успехи ИТ в области элементной базы позволяли "поглощать" кристаллом все более высокие уровни ЭВМ: сначала - логические элементы, потом - операционные элементы (регистры, счетчики, дешифраторы,...), далее - операционные устройства. Степень функциональной сложности, достигнутой в ИС, определяется особенностью технологии, разрешающей способностью инструмента, а также структурными особенностями схемы: регулярностью, связностью.
Кроме того, следует иметь в виду, что выпуск ИС был экономически оправдан лишь для функционально универсальных схем, обеспечивающих их достаточно большую тиражность.
С этой точки зрения интересно взглянуть на соотношение ИС логики и памяти в процессе эволюции ИС-СИС-БИС-СБИС. Первые ИС (степень интеграции N - 101) были исключительно логическими элементами. При достижении N примерно 102 стали появляться наряду с операционными элементами первые элементы памяти - 16-64-128 бит. По мере дальнейшего роста степени интеграции память стала быстро опережать "логику", т.к. по всем трем параметрам имела перед логическими схемами преимущество. Действительно, структура накопителя ЗУ существенно регулярна (повторяемость элементов и связей по двум координатам), связность ее растет пропорционально логарифму объема (при увеличении объема памяти вдвое и сохранении без изменения способа доступа в БИС достаточно добавить лишь один вывод). Наконец, память "нужна всем" и "чем больше, тем лучше", особенно, если "больше, но за ту же (почти) цену".
Что касается ИС логики, то на уровне N = 103 на кристалле можно уже размещать устройство ЦВМ (например, АЛУ, ЦУУ), но схемы логики (особенно управление) существенно нерегулярны, их связность (сильно зависящая от конкретной схемы) растет примерно пропорционально N, причем такие схемы, как правило, не являлись универсальными и не могли выпускаться большими тиражами (исключения - БИС часов и калькуляторов).
Разработка первого микропроцессора (МП) - попытка создать универсальную логическую БИС, которая настраивается на выполнение конкретной функции после изготовления средствами программирования. На подобную БИС - МП первоначально предполагалось возложить лишь достаточно произвольные управляющие функции, однако позже МП стал использоваться как элементная база ЦВМ 4 и последующих поколений. Появление МП вызвало необходимость разработки целого спектра универсальных логических БИС, обслуживающих МП: контроллеры прерываний и прямого доступа в память (ПДП), шинные формирователи, порты ввода/вывода и др.