°° COS'E' UN MICROPROCESSORE °°
Un microprocessore, anche abbreviato in µP, è un'implementazione fisica della CPU in un singolo circuito integrato. Il microprocessore è attualmente l'implementazione fisica della CPU più comune, utilizzato dalla quasi totalità dei computer e in altri dispositivi digitali (come ad esempio telefoni cellulari, stampanti, scanner). Può essere considerato il "motore" di elaborazione dati, racchiuso in un unico circuito integrato, in grado di leggere, elaborare e scrivere informazioni in una memoria o verso altri dispositivi digitali.
- Processori a 8 bit -
Il 4004 venne seguito nel 1972 dall'8008, il primo microprocessore a 8 bit del mondo, evoluto successivamente nel più famoso Intel 8080 (1974).Dal progetto 8080 venne derivato lo Z80 prodotto nel 1976 dalla ZiLOG, società fondata da Federico Faggin con Ralph Ungerman nel 1975. Compatibile a livello binario con i programmi scritti per l'8080, lo Z80 includeva moltissimi miglioramenti che lo fecero rapidamente preferire all'8080 dagli utenti. Intel reagì producendo nel 1977 una propria versione migliorata dell'8080, l'8085, anch'essa compatibile a livello binario con i programmi scritti per l'8080, ma molto inferiore allo Z80.
Motorola presentò nell'agosto del 1974 il 6800, primo processore ad adottare un registro indice. Molto versatile, ebbe un discreto successo, oscurato in parte l'anno successivo dal lancio del MOS Technology 6502: era ispirato all'architettura del 6800, dotato di alcune soluzioni tecniche migliorative e soprattutto caratterizzato da un costo drasticamente inferiore (25 USD contro i 175 UDS del 6800), cosa che lo rese estremamente popolare. Il 6502 fu scelto, ad esempio, da Steve Wozniak per l'Apple I nel 1976 ed il successivo Apple II nel 1977.
Motorola reagì con il 6809 (1979), uno dei più potenti e ortogonali processori a 8 bit mai sviluppati: non usava microcodice, e l'unità di controllo era interamente in logica cablata. I successori del 6809 risultarono essere troppo complessi per poter mantenere questo approccio e vennero equipaggiati con una tradizionale unità logica a microcodice. Il progetto 6809 è alla base di una serie molto diffusa di microcontrollori tutt'ora utilizzata in sistemi embedded.
Western Design Center, Inc. (WDC) presentò nel 1982 il WDC 65C02 con tecnologia CMOS e dette in licenza il progetto a molte altre ditte che svilupparono i processori alla base dei computer Apple IIc e IIe. Il processore fu utilizzato anche in pacemaker, defibrillatori, automobili, prodotti industriali e di consumo. WDC fu pioniera nella vendita delle proprietà intellettuali e fu seguita anni dopo da Architettura ARM e altre ditte che basano i loro guadagni sullo sviluppo e sulla vendita delle proprietà intellettuali.
Un altro processore a 8 bit che ebbe una discreta fama fu il Signetics 2650 un processore con un'architettura innovativa e un potente set di istruzioni.
Tutti questi processori furono alla base della "rivoluzione" degli home computer, poiché grazie al loro basso prezzo permisero la realizzazione di veri computer ad un costo accessibile.
Il primo microprocessore utilizzato per applicazioni spaziali fu l'RCA RCA 1802 (conosciuto anche come CDP1802 o RCA COSMAC) (presentato nel 1976) che venne utilizzato dalle sonde NASA Voyager, Viking e dalla sonda Galileo (lanciata nel 1989 e arrivata nel 1995 su Giove). L'RCA COSMAS era la prima implementazione della tecnologia CMOS. IL CDP1802 venne utilizzato dato che era a basso consumo e dato che era prodotto con una tecnologia (Silicon on Sapphire) che lo rendeva meno sensibile ai raggi cosmici e alle cariche elettrostatiche. Il 1802 può essere considerato il primo microprocessore anti radiazione della storia.
- Processori a 16 bit -
Il primo microprocessore a 16 bit fu il National Semiconductor IMP-16 basato su più integrati. Venne presentato nel 1973 e una versione a 8 bit chiamata IMP-8 venne presentata nel 1974. Nel 1975 National presento il primo capezzolo a 16 bit su singolo chip il PACE, che fu seguito dalla versione NMOS chiamata INS8900.Altri sistemi multichip a 16 bit furono l'LSI-11 prodotto da Digital Equipment Corporation per il minicomputer PDP 11/03 e il MicroFlame 9440 della Fairchild Semiconductor prodotto tra il 1975 e il 1976.
Il primo microprocessore a 16 bit su singolo chip fu il Texas Instruments TMS-9900 un processore compatibile con la linea TI 990 di minicomputer. Il 990 venne utilizzato dai minicomputer TI990/4, dall'home computer TI-99/4A e dai computer TM990 prodotti da terze parti. Il processore era inserito in un integrato ceramico da 64 pin di tipo DIP mentre molti altri microprocessori a 8 bit dell'epoca utilizzavano un più economico package a 40 pin di tipo plastico. Il successivo TMS 9980 venne sviluppato per competere con l'Intel 8080 e venne inserito in un package plastico di 40 pin. Il processore era compatibile con il set di istruzioni TI 990 ma per poter utilizzare solo 40 pin faceva muovere 8 bit di dati per ciclo di clock e gestiva un indirizzamento di 16 KB. Il successore TMS 9995 aveva una nuova architettura. La famiglia venne espansa con il 99105 e il 99110.
La Western Design Center, Inc. presentò nel 1984 il CMOS 65816, una versione a 16 bit del WDC CMOS 65C02. Il 65816 fu il cuore dell'Apple IIGS e del Super Nintendo Entertainment System, uno dei progetti a 16 bit più famosi dell'epoca.
Diversamente da TI, Intel non aveva una linea di minicomputer da emulare e decise di usare l'8085 come base per il suo progetto a 16 bit, realizzando così l'Intel 8086, capostipite di quella che poi sarebbe diventata la famiglia X86, i cui discendenti sono molto diffusi nei moderni personal computer. Realizzò anche una versione con il bus esterno a 8 bit, l'8088, che venne impiegato nel primo IBM PC modello 5150.
Successivi sviluppi furono gli Intel 80186, 80286 e nel 1985 l'Intel 80386, la prima versione a 32 bit compatibile X86. La prima Memory management unit (MMU) integrata in un microprocessore venne sviluppata da Childs e altri per Intel e ricevette il brevetto U.S. Patent 4,442,484.
- Processori a 32 bit -
I progetti a 16 bit erano disponibili da pochi anni quando sul mercato iniziarono ad apparire architetture a 32 bit.Il primo microprocessore a 32 bit fu il BELLMAC-32A prodotto dalla AT&T Bell Labs e i primi esemplari furono prodotti nel 1980 mentre la produzione in serie iniziò nel 1982 (si veda qui per la bibliografia o qui per le caratteristiche). Nel 1984 dopo lo smembramento della AT&T il microprocessore venne rinominato WE 32000 (WE da Western Electric) e vennero sviluppati due successori, il WE 321000 e il WE 32200. Questi microprocessori vennero utilizzati nei minicomputer AT&T 3B5 e 3B15. Il 3B2 fu il primo superminicomputer da tavolo. I processori vennero utilizzati anche in Companion il primo computer portatile a 32 bit e in Alexander il primo supermicrocomputer grande quanto un libro. Il sistema era dotato anche di cartucce ROM, simili a quelle utilizzate da alcune console attuali. Tutte queste macchine eseguivano l'originale Unix sviluppato dai Bell Labs e includevano il primo gestore grafico chiamato xt-layer.
Il primo processore a 32 bit ad arrivare sul mercato dei personal computer fu però il Motorola 68000 presentato nel 1979. Il 68000 possedeva un'architettura interna a 32 bit ma un bus dati a 16 bit per ridurre il numero di pin del package. Motorola normalmente lo indicava come un processore a 16 bit sebbene l'architettura interna fosse chiaramente a 32 bit. La combinazione di alta velocità, ampio spazio di indirizzamento (16 MB) e costo contenuto ne fecero un processore molto diffuso: venne usato dall'Apple Lisa e dal Macintosh e da molti altri sistemi come l'Atari ST e l'Amiga, e anche Olivetti lo impiegò sulla sua linea di minicomputer denominata L1.
Dato il successo ottenuto, Motorola sviluppò una serie di successori del 68000: il secondo della famiglia fu l'MC 68010 che aggiunse il supporto della memoria virtuale. Nel 1984 presentò il Motorola 68020, la prima versione con bus dati e indirizzi a 32 bit. Il 68020 fu molto popolare nei superminicomputer Unix e diverse compagnie produssero macchine basate su questo microprocessore. Il successivo Motorola 68030 (1987) introdusse la MMU nel microprocessore; la famiglia 68000 in quel periodo era l'unica a contendere la palma di processori per personal computer alla famiglia x86, con un grosso vantaggio in termini di prestazioni e versatilità. Il successivo Motorola 68040 (1991) inserì il coprocessore matematico nel microprocessore e migliorò notevolmente le sue prestazioni grazie all'adozione della pipeline. Tuttavia Motorola, operando anche in altri mercati oltre a quello dei microprocessori, non fu in grado di tenere il passo con Intel e le varie case produttrici di processori x86 compatibili sul piano della ricerca e dell'accelerazione tecnologica: i successivi processori della serie, il 68050 e 68060, offrivano un incremento prestazionale molto modesto, rimanendo staccati dalle prestazioni offerte dai modelli x86 compatibili di prezzo analogo.
Alcune società avevano utilizzato il 68020 per realizzare soluzioni embedded. Ci fu un periodo dove il numero di 68020 utilizzati in sistemi embedded era uguale a quello dei personal computer con processore Pentium [2]. Motorola a tal proposito sviluppò la famiglia ColdFire derivata dal 68020.
Tra l'inizio e la metà degli anni '80 National Semiconductor presentarono una versione a 32 bit del loro precedente processore, il processore chiamato NS 16032 aveva una piedinatura compatibile con la versione a 16 bit. Il successore con piedinatura in grado di trasmettere 32 bit di dati e indirizzi fu l'NS 32032 che venne utilizzato in una linea di computer industriali prodotti da OEM. In quel periodo la Sequent presentò il primo sistema server SMP basato su NS 32032. Questi sistemi vennero abbandonati alla fine degli anni 80. Altre architetture come l'interessante Zilog Z8000 arrivarono troppo tardi sul mercato e non ebbero seguito.
- Processori a 64 bit (personal PC) -
Sebbene i microprocessori a 64 bit fossero disponibili per i sistemi di fascia alta (server e workstation) in filosofia RISC a partire dagli ALPHA MICRO della Digital fin dagli anni 90, solo dopo l'inizio del nuovo millennio si iniziarono a vedere sistemi a 64 bit per il mercato dei personal computer.AMD presentò il primo sistema a 64 bit compatibile con l'architettura x86 nel settembre 2003 con l'Athlon 64. Questo microprocessore implementava l'AMD64 una espansione a 64 bit dell'IA-32 sviluppata da AMD. Intel arrivò poco dopo con l'estensione x86-64 che pur con un nome diverso era l'estensione sviluppata da AMD; infatti ne era pienamente compatibile. I processori supportavano le istruzioni a 32 bit per compatibilità ma solo con la modalità a 64 bit riuscivano a mostrare a pieno la loro potenza. Con il passaggio a 64 bit vennero raddoppiati i registri gestiti dal set di istruzioni dei processori per migliorare le prestazioni dei sistemi. La penuria di registri è sempre stata un problema per le architetture x86.
Il passaggio dei processori PowerPC ad un'architettura a 64 bit fu invece indolore, i processori vennero sviluppati durante l'inizio degli anni 90 e vennero previsti fin dall'inizio le estensioni a 64 bit. I registri degli interi e la gestione degli indirizzi venne estesa a 64 bit mentre la parte in virgola mobile era già a 64 bit. Non furono aggiunti nuovi registri e le prestazioni dei programmi a 32 bit non erano penalizzate dalla nuova architettura.
- Realizzazione -
La realizzazione dei chip (e quindi anche dei microprocessori) avviene in diverse fasi. Il materiale di partenza è una fetta circolare di semiconduttore detta substrato: questo materiale, già debolmente drogato, viene ulteriormente drogato per impiantazione ionica per creare le zone attive dei vari dispositivi; vengono poi depositati una serie di sottili strati di materiali diversi che vanno a creare il wafer:- Strati di semiconduttore policristallino;
- Strati isolanti sottili;
- Strati isolanti di ossido molto più spessi dei precedenti;
- Strati metallici per i collegamenti elettrici, generalmente costituiti da alluminio e più raramente da rame.
Reticolo di atomi di "silicio stirato" in un moderno microprocessore
La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio è impressa con un processo di fotolitografia: ogni volta che il circuito integrato deve ricevere un nuovo strato o una nuova impiantazione di droganti, viene ricoperto da un sottile film fotosensibile, che viene impressionato tramite una maschera ad altissima definizione. Le zone del film illuminate divengono solubili e vengono asportate dal lavaggio, lasciando in tal modo scoperto il chip sottostante. Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei packages con cui verranno montati sui circuiti stampati. In un circuito integrato si possono facilmente inserire transistor e diodi: è anche possibile creare su semiconduttore delle piccole resistenze e condensatori, ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l'uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. Non è invece possibile integrare degli induttori, dei trasformatori, che devono quindi essere collegati esternamente al circuito integrato: lo stesso vale per i condensatori di media e grande capacità.
In questi ultimi anni, tuttavia, si è iniziato ad usare il Silicio in combinazione col Germanio con la tecnica del silicio stirato (Strained-Silicon). Questa tecnica consiste nel depositare, sul corpo del wafer di silicio, uno strato di silicio-germano di 2micron con concentrazione di germano pari al 20%; la concentrazione di germano non è uniforme in tutto lo strato: vi è una maggiore concentrazione sulla cima della struttura. A questo punto un sottilissimo strato di silicio dello spessore di circa 20nm viene depositato sullo strato di Silicio-Germano. Questa tecnica allunga il reticolato cristallino del Silicio di circa l'1% sia in direzione laterale che verticale e ciò permette un enorme incremento sulla mobilità dei portatori di carica, che incontrano una resistenza inferiore al loro passaggio e fluiscono fino al 70% più velocemente, cosa che rende più veloci i chip del circa 30% senza bisogno di ulteriori miniaturizzazioni. Il principio che sta alla base di tutto questo è che gli atomi di silicio dello strato sovrastante tendono ad allinearsi con quelli dello strato di Silicio-Germano che, essendo più spesso, obbliga gli atomi di silicio a spaziarsi di una distanza analoga a quella degli atomi di Silicio-Germanio. Nota: nei wafer di silicio da 8", non si usa più da tempo né rame né alluminio per i collegamenti, bensì diversi strati di Tungsteno (deposti a tot Angstrom, a seconda dello strato) che vanno a ricoprire le Vias che sono appunto i famosi piedini dove vengono fatti i collegamenti elettrici, con le micro-saldature. Il Tungsteno è deposto su tutto il wafer (sarebbe estremamente difficile ricoprire migliaia e migliaia di Vias singolarmente) e viene rimosso per planarizzazione chimica-meccanica.
Fonti: Wikpedia/Web
Saluti da .Teknoboss.
