Esta es la evolución de los procesadores Intel: desde el 4004 al Core

Desde que fue fundada por Gordon Moore y Robert Noyce el 18 de julio de 1968 ya han pasado más de cinco décadas en las que se ha convertido en la empresa líder en fabricación y diseño de CPU para ordenadores personales. Es por ello que hemos decidido hacer un tour a la historia de Intel a través de sus CPU.

Intel es conocida por sus procesadores con la ISA x86, la cual ha tenido varias evoluciones con el tiempo y se ha convertido en el lenguaje universal de todas las aplicaciones que se ejecutan en nuestros PC y aunque han ido apareciendo otros sets de registros e instrucciones a día de hoy la ISA inventada por la empresa que ahora dirige Pat Gelsinger a finales de los 70 sigue tan fuerte como el primer día por no decir que incluso más.

La historia inicial de Intel, antes del 8086

Gordon Moore

En la primera sección de esta historia vamos a tratar las CPU que hizo Intel antes la llegada del PC de IBM que los llevaría al éxito y a ser el mayor productor de procesadores para ordenadores personales de la historia.

El Intel 4004, la primera CPU en un chip

Intel 4004

Si miráis cualquier libro de historia os dirán que la primera CPU que diseñaron Gordon Moore y Robert Noyce bajo la marca Intel fue el i4004, el cual está considerado la primera CPU completa construida en una sola pieza, ya que antes una CPU solía tener todos sus componentes divididos en varios chips distintos.

No obstante, no era el producto estrella de la compañía por aquel entonces, ya que su capital venía de la venta de memoria DRAM y SRAM para los miniordenadores de la época. En ese momento no había ordenadores personales y la memoria de acceso aleatorio era tecnología punta. Aunque no fueron Noyce y Moore quienes se pusieron en la mesa de diseño para crear el 4004, sino que fue el trabajo de tres ingenieros: Federico Faggin, Ted Hoff, y Stanley Mazor quienes diseñaron una CPU de 4 bits completa para Busicom, una empresa de calculadoras electrónicas de Japón que le había comisionado el proyecto a Intel.

Así pues, la que por aquel entonces era una empresa emergente en comparación con otros gigantes de la época como eran Fairchild Semiconductor o Texas Instruments fue la encargada de crear la primera CPU completa en un chip.

El Intel 8008 y la terminal de Datapoint

El experimento del i4004 le sirvió a Intel para validarse de cara al resto de la industria, pero seguían sin ser el gigante en el que se convertirían años más tarde. La era de los PC aún no había llegado y los pocos usuarios de ordenadores continuaban utilizando terminales de tiempo compartido conectadas a un miniordenador, el cual paradójicamente podía ser tan grande como una nevera.

Una de estas empresas era Datapoint Corporation y su modelo de terminal 2200 tenía una particularidad y es que su circuitería no solamente servía como terminal remota, sino que tenía un ordenador al completo, ya que podía ejecutar programas gracias al hecho de tener la circuitería integrada de una CPU en su interior. De nuevo a los tres arquitectos encargados del i4004 se les encargó el trabajo de reducir toda la compleja circuitería del 8008 que veis arriba de estas imágenes en el i8008.

Desgraciadamente el proyecto con Datapoint no llego a buen puerto y al final las relaciones entre ambas empresas cesaron por completo. Esto no les impidió acabar su primera CPU de 8 bits, pero Intel no estaba muy contenta con el resultado.

El Intel 8080 y el boom de los S-100

Intel 8080 Historia Intel

El tercer procesador de Intel nació de un hecho: el 8008 era demasiado limitado como para utilizarlo y ejecutar programas complejos. Es por ello que Intel se planteó otro procesador de 8 bits que pudiese tener la capacidad de ejecutar cualquier programa informático y de ahí nació el i8080.

De nuevo Federico Faggin y Stan Mazor volvieron a ponerse manos a la obra, esta vez ayudados por Masatoshi Shima quien ya había colaborado con ellos en el diseño del 4004. Como curiosidad Faggin abandonaría Intel en 1974 para fundar Zilog y crear una versión mejorada en forma del famoso Z80 que fue la CPU central de sistemas como el Spectrum, MSX, Amstrad CPC y muchos otros.

El 8080 no fue una CPU construida desde cero, sino que se construyó a partir del diseño del 8008. Mantuvieron el sistema de interrupciones, pero mejoraron el direccionamiento de 16 KB de RAM máxima a 64 KB, añadieron más puertos para periféricos e instrucciones nuevas. En cuanto a la velocidad de reloj esta subió de 0,5 MHz hasta los 2 MHz, por lo que era cuatro veces más rápido que su antecesor.

Altair 8800 8080

Esta CPU destacó por ser el procesador principal del Altair 8800 creado por el instituto técnico de Massachusetts que trajo consigo la primera generación de ordenadores personales llamada S-100 por el hecho que los diferentes componentes del ordenador se conectaban a una placa común que utilizaba una interfaz del mismo nombre. El sistema operativo de la máquina del MITS era el CP/M creado por Gary Kildall, el precursor del MS-DOS.

Gracias al uso del bus S-100 como estándar pronto aparecieron clones por todos lados del Altair 8800, desgraciadamente la existencia del mejorado Z80 dejó a Intel fuera del liderato de estos precursores de los ordenadores personales.

El camino hacía el Intel 8086

Microscopio 8086

Existe la creencia de que el Intel 8086 fue un procesador hecho por Intel a petición de IBM para su primer PC, lo cual es falso, ya que ya existía desde dos años antes y su historia no tiene nada que ver con el primer ordenador personal del por aquel entonces gigante azul. Es más, inicialmente se trataba de un proyecto menor dentro de la empresa de Gordon Moore, ya que el 8800, lanzado como iAPX 432, era mucho mejor sobre el papel al tener una ALU de 32 bits, una MMU integrada y todo lo necesario para multitarea.

Por si fuera poco, los tres mosqueteros que habían creado las tres primeras CPU de Intel marcharon, fue un solitario Stephen Morse quien fue elegido para el diseño del 8086 por dos motivos: era ingeniero eléctrico y de software. Por lo que conocía perfectamente ambos mundos. No obstante, el 8086 tenía un problema y es que partía de una ISA totalmente nueva y el binario no era compatible. Si los programas para CP/M se adaptaban bien entonces era mucho más rápido que el Z80, pero nadie estaba dispuesto a hacerlo.

Morse dejó la empresa al poco tiempo, el 8086 se había convertido en el mayor fracaso de Intel hasta la fecha, o no.

La historia de Intel en los 80: los inicios del PC

En 1981 ya había ordenadores personales en las tiendas, por lo que IBM no inventó el ordenador personal, pero poco a poco estos eran una amenaza para el gigante azul y es por ello que decidieron crear un proyecto de poco presupuesto llamado Project Chess, basado en utilizar hardware ya existente y para ello tomarían como ejemplo los ordenadores S-100 derivados del Altair 8800.

Por aquel entonces la CPU más avanzada para estos ordenadores era el 68000, pero dicha CPU no estaba lista para su fabricación en masa. ¿La solución? Vino de la mano de Intel, que tenía un Intel 8086 y su versión de 8 bits, el 8088. Para conseguir el contrato de la CPU del primer IBM PC tuvieron que aceptar que hubiese un segundo proveedor del procesador, cierta empresa llamada AMD. De la noche a la mañana, un proyecto que había sido el fracaso más grande de su historia se convirtió en su éxito más sonado.

Intel 8088

Tanto el 8088 como el 8086 fueron las primeras CPU con la ISA x86, también fueron los primeros procesadores de un sistema doméstico en tener una ALU de 16 bits. ¿La diferencia entre ambos modelos? El 8088 tenía un bus de datos de 8 bits y no de 16 bits. Aunque en lo que más destacaba era en su direccionamiento a memoria de 20 bits, lo que permitía que un sistema tuviese hasta 1 MB de memoria, 16 veces más que lo que soportaba el 8080.

El 80286, el salto en IPC más grande de una CPU x86

Intel 80286

El éxito del IBM PC fue abrumador, ya en 1984 se había convertido en la plataforma por antonomasia como ordenador personal para negocios en todo el mundo, pero hacía falta la creación de una versión más rápida que llegó con la creación del PC AT y esta vez sí que IBM en total confianza con Intel le pidió que hiciera una nueva CPU totalmente compatible hacia atrás a nivel de binarios, pero mucho más rápida.

El 80286 fue el salto en IPC más grande que se ha hecho en la historia de las CPU de Intel, ya que por ciclo de reloj su rendimiento era más del doble que el del 8086. Para conseguirlo se mejoraron sus buses internos que dejaron de estas multiplexados, se optimizó el proceso de captación de instrucciones y la funcionalidad de las de salto fueron mejoradas. Además, Intel incluyó por primera vez una MMU, la cual funcionaba por segmentos.

Como curiosidad, se trata de la CPU más longeva para PC de la historia, ya que incluso en 1990 se podían encontrar ordenadores a la venta con dicha CPU.

Por fin los 32 bits, el 80386

Intel 80386

El 80386 no fue la primera CPU la historia de Intel de 32 bits, sino que el iAPX 432 tiene el honor de serlo, no obstante, cuando llegó el momento de crear una versión de 32 bits del 8086 Intel cogió muchos conceptos de dicho proyecto, aunque el mayor desafío era trasladar el código. ¿La solución? Utilizar los mismos registros, pero extendidos en tamaño hasta los 32 bits. Además, el 80386 fue la primera CPU de la historia de Intel con un pipeline segmentado, el cual fue de tres etapas.

Aunque el gran desafío tenía que ver con la multitarea, la idea de tener un procesador que permitirse hacer funcionar en un ordenador personal o una estación de trabajo un sistema operativo capaz de ejecutar varios programas a la vez. Para ello diseñaron una nueva MMU, esta vez soportando memoria virtual por paginación, método que se utiliza a día de hoy.

Gracias a esta CPU el PC dio un salto de calidad como plataforma, ya que trajo las novedades que permitieron que Windows a partir de su tercera versión dejase de ser un chiste, así como Linux y sobre todo marcó el dominio del PC por encima de otras plataformas.

El 80486, una actualización menor pero importante

80486

La cuarta generación de los procesadores x86 de la historia de Intel nos trajo dos novedades importantes, la primera de ellas las cachés de primer nivel de datos e instrucciones. La segunda la integración de la unidad de coma flotante, que dejaba de ser un coprocesador aparte para convertirse en parte integral de la CPU. Su pipeline o segmentación alargada a los 5 ciclos le permitió llegar a los 100 MHz con el modelo DX4.

También fue el clavo en el ataúd de su rival Motorola, quien acabó uniéndose a IBM y Apple para la creación de los PowerPC. ¿El motivo? Intel no se conformaba con una versión levemente mejorada del 386 y repitió la jugada del 286 con un increíble aumento del IPC, lo que certifico la mayor potencia del PC respecto a sus competidores, pero especialmente le dio la victoria final a Intel sobre Motorola.

Como curiosidad, su arquitecto jefe fue Pat Gelsinger, el actual CEO de Intel.

El Intel Pentium, la primera CPU multimedia de la historia

Intel Pentium

El Intel Pentium fue la primera CPU superescalar bajo ISA x86, el cual trajo consigo la capacidad de ejecutar 2 instrucciones en paralelo y al mismo tiempo. Gracias a ello el IPC respecto al 80486 mejoró en un 40% en el proceso.

Años más tarde, Intel lanzó el Pentium MMX, el cual hacía un cambio en la unidad de coma flotante, ya que implementaba el SIMD sobre registro en la misma para acelerar así los incipientes programas multimedia de la época. Pero la vida comercial de los Pentium MMX fue corta, ya que en 1997 cuando fueron lanzados coincidieron en el mercado junto al Pentium II, justo un año después que la versión mejorada de la CPU x86 de quinta generación de Intel

A nivel de arquitectura los cambios eran menores respecto al 80486, pero el diseño volvió de nuevo a las manos de los que habían creado el 80386 original quienes terminaron el diseño en 1992. Fuera de su diseño superescalar fue muy conservador, al fin y al cabo, la empresa había dejado de tener competencia, no obstante, esto no significaba que se hubieran quedado de brazos cruzados.

El asesinato de los RISC, la era P6

Se dice que en cada década de la historia Intel hace un gran cambio en sus CPU, en los 80 fue el 80386 que actualizo la ISA a los 32 bits y en los 90 fue el Pentium Pro, un procesador que estaba pensado como punta de lanza de los x86 de cara al mercado de las estaciones de trabajo, la cual estaba dominada por aquel entonces por las arquitecturas RISC.

Desde Intel sabían muy bien que el set de instrucciones x86 tenía limitaciones, es por ello que Intel creó para este procesador tanto la ejecución fuera de orden y como la especulativa. Además, aumentó la cantidad de etapas de 5 a 14 y añadió por primera vez la caché de segundo nivel.

Intel Pentium II

Bajo la arquitectura del Pentium Pro o P6 aparecieron varias CPU, lanzadas como generaciones de productos comerciales distintos.

  • El Pentium Pro fue la primera CPU en tener la caché L2 integrada en el procesador, hasta ese momento solía incluirse en la placa cerca del procesador.
  • En cuanto al Pentium II, se basó en el Pentium Pro, pero movió fuera la caché L2, aunque la dejó en el mismo encapsulado, al contrario que su predecesor se lanzó para el mercado de los PC domésticos, llevado a estos la potencia de las estaciones de trabajo.
  • El Pentium III por otro lado incluyo las instrucciones SSE y con el tiempo acabó integrando de nuevo la caché L2 a dentro del procesador.

La estrategia de Intel funciono y a finales de los 90 la mayoría de arquitecturas RISC languidecían por completo esperando a su muerte definitiva. Solo ARM y los PowerPC utilizados en los Macintosh sobrevivían con creces, el resto tenían la espada de Damocles encima y no tardarían en sucumbir.

Pentium 4, el final de una era

Intel Pentium 4

Para el Pentium 4, Intel creó una nueva arquitectura llamada Netburst, la cual siguió la tendencia de la época de añadir una gran cantidad de etapas para alcanzar una gran velocidad de reloj. Fue con este procesador que Intel se dio contra el techo de las velocidades y se descubrió que la carrera basada en esa métrica no tenía futuro, debido al alto consumo de los procesadores y la temperatura que generaban.

Fue por la experiencia del Pentium 4 que la métrica «potencia por vatio» pasó a tener importancia y se empezaron a diseñar CPU ya basadas en el concepto multinúcleo. En especial el motivo fue porque eran inviables para ser montados en ordenadores portátiles y habían tenido que alargar la vida de los P6 para poder lanzar CPU para ese tipo de ordenadores que por aquel entonces estaba en ciernes.

Las malas lenguas dicen que fue una tal Apple, obsesionada con sus diseños industriales la que le hizo un pulso a Intel sobre si podía crear un núcleo con el suficiente rendimiento por vatio y con más potencia que los PowerPC, solo entonces daría el salto a los x86. Y así fue, pero con ello también abandonaron el nombre Pentium para adoptar otro.

La era multinúcleo de la historia de Intel

Intel Core 2 Historia Intel

Los primeros Intel Core se basaban en la arquitectura P6, pero con una configuración de doble núcleo. No obstante, habían desarrollado una segunda generación que fue revolucionaria y que está considerada como la mejor CPU de la década de los 2000.

Para su desarrollo Intel copio varias ideas a los Opteron de AMD; como es la implementación del Northbridge dentro del procesador y la adopción de la extensión a 64 bits del x86. En cuanto a rendimiento casi duplicaron el IPC y se trata del tercer salto de rendimiento más grande después del conseguido con el 80286 y el 80486. Para ello mejoraron la ejecución fuera de orden, hicieron que la CPU fuese capaz de manejar más instrucciones en paralelo y añadieron por primera vez la Smart Cache en los procesadores Intel.

Intel-Core-i9-12900K-alder-lake

No obstante, los Core 2 se podrían considerar los de la generación cero, ya que Intel empezó a utilizar las marcas Intel Core i3, i5 e i7 a partir de la arquitectura Nehalem, considerados como los Intel Core de primera generación. Desde entonces hasta ahora hemos tenido varias generaciones con mejoras graduales.

  • Sandy/Ivy Bridge: De nuevo Intel volvió a mejorar la unidad de predicción de saltos, aparte de esto mejoró elementos como la micro-op caché, las unidades de enteros y coma flotante y el rendimiento de ciertas instrucciones de captación de datos desde memoria.
  • Haswell/Broadwell: Intel volvió a ensanchar la cantidad de instrucciones que la CPU puede ejecutar por ciclo, aparte de aumentar el ancho de banda de las cachés internas del procesador y mejorar el controlador de memoria. Incluyeron también el controlador de voltaje dentro de la CPU (FIVR).
  • Generación SkyLake: Intel mejoró la cantidad de instrucciones que la CPU puede descodificar, pero no aumentó la cantidad de instrucciones que puede realizar en paralelo. Los cambios respecto a generaciones anteriores son muy pequeñas (quitaron el FIVR).
  • Rocket Lake-S/Tiger Lake: Es la del actual Rocket Lake-S y Tiger Lake, Después de años con mejoras leves en el IPC Intel ha decidido seguir el camino de AMD para no quedarse atrás.

Su último lanzamiento es el Intel Core 12 con arquitectura Alder Lake-S, la cual es la que añade más novedades desde el lanzamiento del Intel Core 2 como es la ejecución con núcleos heterogéneos, el añadido del Thread Director y otras novedades, no sabemos si será el gran salto generacional que la empresa hace en cada década o hay algo más bajo la recámara, lo que está claro es que la historia de Intel es cuanto menos apasionante.

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