Computergeschichte: Meilensteine der Mikroprozessoren

Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Halbleitertechnik in den 1960-er Jahren konnten immer komplexere Funktionen in von Integrierten Schaltkreisen realisiert werden. In der Digitaltechnik war es allerdings unwirtschaftlich, für jede Anwendung einen eigenen Schaltkreis zu entwickeln und in relativ niedriger Stückzahl herzustellen. Um Tischrechner weiter auf das Maß eines Taschenrechners verkleinern zu können, entwickelte Intel einen universellen, programmierbaren Schaltkreis: der Intel 4004 war der erste Mikroprozessor.

Die Hauptbestandteile der Mikroprozessoren sind alle zentralen Elemente eines Computers. Vor allem das Rechenwerk, ein paar Register zum Speichern einzelner Werte, das Steuerwerk sowie Ein- und Ausgabeeinheiten. Beim Intel 4004 genügten insgesamt 2250 Transistoren, um alle Funktionen, die ein Taschenrechner benötigt unterzubringen. 4 Bit genügten für die Zahlen 0 bis 9. Neben dem Mikroprozessor sind dann nur noch wenige weitere externe Schaltkreise erforderlich, um einen komplett funktionsfähigen Taschenrechner zu realisieren.

Das Potential des Mikroprozessors wurde zunächst kaum erkannt. Elekronik war vor allem noch analog, und für die Digitaltechnik gab es noch nicht so viele Einsatzzwecke. Computer waren groß, teuer und noch wenig verbreitet. Es war nicht vorstellbar, mit nur einem einzigen zentralen Chip einen Computer bauen zu können. Mikroprozessoren blieben zunächst nur Spezialanwendungen vorbehalten.

Der erste wirklich universelle Mikroprozessor

Mit dem ersten 8-Bit-Mikroprozessor, dem Intel 8008, war es erstmals relativ einfach möglich, ein ganzes Byte am Stück zu verarbeiten. Damit konnten Anwendungen nicht nur mit Ziffern, sondern auch mit Buchstaben und andere Zeichen arbeiten. Die ersten Mikrocomputer wurden von Bastern wie Kenback entwickelt, Computerclubs entstanden. Persönlichkeiten wie Steve Jobs, Steve Wozniak und Bill Gates erkannten schließlich das riesige Potential der Microcomputer und die Bedeutung von Software für jedermann. Womit die die Geschichten von Apple und Microsoft begannen.

Jetzt war die Nachfrage nach preisgünstigen und immer leistungsfähigeren Mikroprozessoren da. Intel und inzwischen auch andere Halbleiterhersteller brachten regelmäß neue, bessere Microprozessoren auf den Markt. Gorden Moore machte Mitte der 60-er Jahre eine Prognose, dass die Integrationsdichte von Integrierten Schaltkreisen sich etwa alle 1 bis 2 Jahre verdoppeln würde. Als sog. Moore'sche Gesetz hat es sich bis heute, nach über nach 50 Jahren auf die Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren anwenden lassen.

Weiterentwicklungen, Grenzen und Ausblick

Die Enwicklung von Mikroprozessoren hat viele Dimensionen. Vor allem die Erhöhung der maximalen Taktfrequenz von MHz bis GHz und die Vergrößerung der Busbreite von 4 über 8, 16, 32 auf 64 Bit waren lange Zeit die markantesten Kennzahlen. Genauso wichtig war aber auch die Integration weiterer Funktionen. Jeder neue Prozessor hatte neue, leistungsfähige Befehle, die direkt in Hardware abgebildet wurden wie z.B. mathematische Funktionen, besondere Speicherzugriffe, Virtualisierung oder komplette Grafikeinheiten. Weitere Leistungssteigerung ließen sich dadurch erreichen, dass einfach einzelne Einheiten mehrfach implementiert wurden und gleichzeitig verwendet werden können. Das begann mit Registern und Recheneinheiten und geht bis zu kompletten sog. CPU-Kernen.

Die steigende Rechenleistung benötigte trotz Miniaturisierung immer mehr elektrische Leistung. Bei etwa 100 Watt pro Quadratzentimer wird allerdings eine Grenze erreicht, bei der die Wärme nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann. Während die erste Mikroprozessoren wie der Intel 8080 noch in kleine, ungekühlte Plastikgehäuse passten, benötigen aktuelle leistungsfähige große Gehäuse aus Keramik mit Kühlkörpern aus Metall.

Bei der maximalen Taktfrequenz können keine wesentlichen Fortschritte mehr erzielt werden. Die Laufzeit der Signale innerhalb des Prozessors setzt der maximalen Taktfrequenz Grenzen im einstelligen Gigahertz-Bereich. Die schnellsten Prozessoren takten mit 6 GHz.

Die Integrationsdichte wird allerdings noch weiter gesteigert werden können. Die minimalen Strukturgrößen werden immer kleiner, so dass immer mehr Transistoren auf einen Chip untergebracht werden können. Während der erste Mikroprozessor nur aus 2250 Transistoren in einer Strukturgröße von etwa 10 Mikrometer bestand, werden nun mit Strukturgrößen im Bereich von 1 bis 2 Nanometer mehrere hundert Milliarden Transistoren in einem einzigen Prozessorchip untergebracht.

Mit dem Stapeln von vielen Schichten wäre eine weitere Steigerung möglich. Bislang findet diese Technik nur bei Speicherchips Anwendung, wo über 200 Lagen gestapelt werden können.

Jenseits von "immer mehr Leistung" mit immensem Energiebedarf gibt es auch Anforderungen, wo der Energiebedarf minimal sein muss. Hierfür optimierte Prozessoren benötigen nur 170nA und können innerhalb von wenigen Millionsten Sekunden für ein paar Berechnungen eingeschaltet werden.

Eine ganz andere Technik wie Prozessoren aus Silizium sind Quantencomputer. Sie versprechen solche Spezialaufgaben lösen zu können, die aus heutiger Sicht mit Mikroprozessoren nicht zu bewältigen wären.

Eine Übersicht der Mikroprozessoren der ersten dreißig Jahre von 1970 bis 1990 steht in Tabelle am Ende des Artikels. Eine komplette Übersicht der aktuellen Mikroprozessoren zeigen Intel und AMD auf ihren Homepages.

Mikroprozessoren sind überall

In den ersten Jahren wurden Mikroprozessoren vor allem für klassische Computer, später für Server und Notebooks entwickelt und eingesetzt. Dieser Bereich ist auch heute noch ein wesentlicher Treiber für technologische Weiterentwicklungen, wenn es um höchste Rechen- und Anwendungsleistung geht, vor allem bei Servern und bei Game-PCs. Bei mobilen Computern wie Notebooks, Tablets und Smartphones ist die Herausforderung, dass der Energiebedarf so gering wie möglich sein muss.

Durch ihr universelles Konzept sind Mikroprozessoren für weit mehr Anwendungsmöglichkeiten geeignet, allerdings mit ganz unterschiedlichen Anforderungen.

In modernen Autos steuern sie Motoren, Assistenz- und Sicherheitssysteme. Hier kommt es auf Echtzeitfähigkeit und maximale Zuverlässigkeit an.

In Massenprodukten im Haushalt müssen, oft bei eingeschränkter Funktionalität, Mikroprozessoren möglichst günstig und einfach sein: so wird die periphere Elektronik integriert, wodurch Leiterplatten vereinfacht und verkleinert werden. Aber auch für Sonderanfertigungen, Muster oder Kleinserien ist die Entwicklung vorangegangen: Bei einigen in Deutschland ansässigen Firmen ist es möglich, zu normalen Preisen und nach eigenen Vorgaben hochwertige Leiterplatten fertigen zu lassen und somit auch in geringer Stückzahl zu produzieren. Fast alle Geräte mit Mikroprozessoren werden mittlerweile vernetzt, um Daten austauschen zu können oder um andere Geräte zu steuern oder selbst gesteuert zu werden. Bei mobilen Geräten muss die Kommunikation drahtlos per Funk geschehen. Die Mikroprozessoren enthalten dann die Logikeinheiten für Mobilfunk wie 5G oder LTE, sowie Wifi, Bluetooth und NFC. Die für die Übertragung benötigten Antennen werden direkt im Layout der Leiterplatte mit Kupferleitungen realisiert.

Übersicht von Intel-Prozessoren und Kompatible

1970/td>	Intel i4004	Der allererste Mikroprozessor. 4 bit data bus, 12 bit address bus (multiplexed). Technology: PMOS. Die size: 24 mm2, 2250 transistors.
1972	Intel i4040	Intel i4004 CPU with extra features: more instructions, interrupt support. 4 bit data bus, 12 bit address bus (multiplexed). Technology: PMOS.
1972	Intel i8008	8 bit data bus.16 bit address bus. April 1972. Technology: PMOS. 3300 transistors. Used in Kenback-1.
1973	Intel i8080	8 bit data bus, 16 bit address bus. Data and address bus are multiplexed. 2 MHz, 2.67 MHz, 3.125 MHz. Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). Intel i8080 CPU: PMOS, 4500 transistors. Intel i8080A CPU: NMOS, 4000 transistors. (8080A, 1976)
	Zilog Z80	Intel i8080 CPU upward instruction compatible. Not Intel i8080 CPU pin compatible (included: clock generator). 2.5 MHz: NMOS. 4 MHz: NMOS. 6 MHz: NMOS. 8 MHz: NMOS. 10 MHz: CMOS. Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package).
1976	Intel i8085A i8085AH	Intel i8080 CPU upward instruction compatible. Extra instructions: SIM (Set Interrupt Mask), RIM (Read Interrupt Mask). Extra interrupt lines, including NMI (Non-Maskable Interrupt). 8 bit data bus, 16 bit address bus, Data and address bus are multiplexed. Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). 6200 transistors. 3 MHz, 5 MHz, 6 MHz.
1978	Intel i8086A i80C86A	16 bit internal data bus, 16 bit external data bus, 20 bit address bus.Data and address bus are multiplexed. 1 Mbyte address space, 64 kbyte per segment. 4 MHz, 5 MHz, 8 MHz, 10 MHz, 12 Mhz. Used in IBM PC clones, IBM PC/XT clones. Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). 29E3 transistors.
1979	Intel i8088A i80C88A	16 bit internal data bus, 8 bit external data bus (can co-operate with all Intel i8085 CPU periphery chips). 20 bit address bus. Data and address bus are multiplexed. 1 Mbyte address space, 64 kbyte per segment. 5 MHz, 8 MHz, 10 MHz, 12 MHz. Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). Used in IBM PC and IBM PC/XT. Nachbauten von AMD, Harris, Siemens.
1983	Intel 80186/ 80C186 80188/ 80C188	Intel i8086 CPU / Intel i8088 CPU with extra features.
	NEC V20	Intel i8088 CPU pin compatible, Intel i80188 CPU upward instruction compatible. Extra features: extra instructions: BCD, Intel i8080 CPU simulation, fewer CPI (Cycles Per Instruction). 8 MHz, 10 MHz: $10. Also made by Sony under license from NEC.
	NEC V30	Intel i8086 CPU pin compatible. Intel i80186 CPU upward instruction compatible. Extra features: extra instructions: BCD, Intel i8080 CPU simulation, fewer CPI (Cycles Per Instruction). 10 MHz: $10. Intel i80886 (?)
1984	Intel i80286	Real mode: Intel i8086/i8088 CPU mode. Protected mode: 16 MByte address space, 64 kbyte per segment, 1 Gbyte virtual memory. 16 bit data bus, 24 bit address bus. 6 MHz, 8 MHz, 10 MHz, 12 MHz, 16 MHz, 20 MHz. Package: 68 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). Used in IBM PC/AT. Technology: HMOS. 134E3 transistors. Nachbauten von AMD, Harris, Siemens.
	Intel i80386 (all modells)	All modells: Real mode: Intel i8086/i8088 CPU mode. Protected mode: 64 Tbyte virtual memory, 4 Gbyte per segment. Virtual 8086 mode (V86 mode): parallel simulation of more virtual Intel i8086/i8088 CPU's. POPAD bug: EAX register is trashed when there is a memory access instruction directly after the POPAD instruction.
October 1985	Intel i80386 i80386DX	32 bit internal data bus, 32 bit external data bus (DX: Double-word eXternal), 32 bit address bus. 12 MHz: first 16 MHz CPU's had clock speed troubles and were released as 12 MHz items. 16 MHz: early Intel i80386 CPU's had a bug in the 32 bit MUL instruction (MUL bug); it is fixed in the double-sigma step level, no longer available. 20 MHz, 25 MHz, 33 MHz. Package: 132 pin PGA (Pin Grid Array). Technology: CMOS. 275.000 transistors.
June 1988	Intel i80386SX	32 bit internal data bus, 16 bit external data bus (SX: Single-word eXternal). 24 bit address bus. 16 MHz, 20 MHz, 25 MHz, 33 MHz. Package: 100 pin QFP (Quad Flat Package). Technology: CMOS.
October 1990	Intel i80386SL	Low power version of the Intel i80386SX CPU: SMM (System Management Mode) Static core. Extra pins assigned for power management. Extra features: PI-bus (Peripheral Interface), cache controller, tag RAM, MCU (Memory Control Unit), ISA-bus driver (Industry Standard Architecture). Intel i80386SX CPU upward pin compatible. 16 MHz, 20 MHz, 25 MHz, 33 MHz. Technology: CMOS.

Quellen: u.a.:
CHIP LIST 5.0 by Aad Offerman, 27-06-94, 3137NE Vlaardingen The Netherlands, auf rtfm.mit.edu pub/usenet/news.answers/pc-hardware-faq/chiplist/