Хронология микропроцессоров

Первые схемы, которые можно считать микропроцессорами, были спроектированы и выпущены в конце 1960-х и начале 1970-х годов, включая MP944, использовавшийся в Grumman F-14 англ. CADC (Central Air Data Computer)^[1]. Выпущенный в 1971 году процессор Intel 4004 считается первым коммерческим микропроцессором.

В начале 1970-х годов инженеры преимущественно использовали транзисторы МОПФЭТ с pMOS-логикой, однако после середины десятилетия перешли на nMOS-логику. Последняя требовала только одного напряжения (обычно +5В), что упрощало питание и обеспечивало совместимость с широким спектром устройств ТТЛ-логики. К недостаткам nMOS относилась повышенная чувствительность к электронному шуму, вызванному легкими загрязнениями кремния, — прежде всего натрием, который только к середине 1970-х научились удалять в необходимой степени. После этого, примерно с 1975 года, nMOS стал доминировать на рынке^[2].

Также в этот период внедрялись новые системы масштабирования фотошаблонов, например, Micralign от Perkin-Elmer. Система Micralign проецировала изображение маски на кремниевую пластину, не касаясь её, что исключало проблемы повреждения чипов при снятии фотошаблона^[3]. Это позволило снизить процент бракованных схем примерно с 70 % до 10 %, настолько же уменьшилась стоимость сложных изделий, например, ранних микропроцессоров. Системы с контактной экспозицией стоили около 300 долларов за чип, а MOS 6502, разработанный специально для новых технологий, стоил всего 25 долларов^[4].

Важной особенностью данного периода были многочисленные эксперименты с разрядностью слова. Первые процессоры часто были 4-битными, как например Intel 4004, так как реализовать более широкую разрядность было невыгодно из-за маленьких пластин и высокого брака. По мере повышения выхода годных и уменьшения размеров элементов стали появляться более сложные 8-битные микропроцессоры, такие как Intel 8080 и 6502. 16-битные процессоры появились довольно рано, но были дорогими; лишь к концу десятилетия появились недорогие 16-битные решения, такие как Zilog Z8000. Выпускались и необычные разрядности, например, 12-битные и 20-битные процессоры, обычно соответствующие архитектурам мини-компьютеров. К концу десятилетия такие форматы почти исчезли, а мини-компьютеры перешли на 32-битные архитектуры.

По мере актуализации закона Мура переход от 8-битных микропроцессоров 1970-х годов напрямую к массовому производству 16-битных почти не состоялся. Вместо этого появились новые 32-битные процессоры, например, Motorola 68000 и National Semiconductor NS32000, обеспечившие превосходную производительность. 16-битные системы широко применялись лишь в IBM PC, где использовался Intel 8088, выбранный еще в 1979 году до появления новых разработок.

Значительные изменения затронули и технологию: основным методом сборки ЦП стали вентильные схемы на КМОП. Технология КМОП была известна ещё с начала 1970-х; так, RCA использовала её в процессоре COSMAC в 1975 году^[16]. КМОП требовал удвоения количества транзисторов на вентиль, но его схемотехника позволяла существенно снизить энергопотребление, что стало решающим при увеличении сложности микросхем^[17]. Массовое распространение КМОП в первую очередь последовало в Японии, что дало местной промышленности заметное преимущество в 1980-х^[18].

Техпроцессы неуклонно совершенствовались. К началу 1980-х устарел фотошаблонный метод Micralign, уступив место степперам, позволившим проецировать сложные маски на платы в существенно уменьшенном масштабе и преодолеть барьер в 1 микрон.

В области домашних компьютеров первой половины десятилетия преобладали процессоры разработки 1970-х: различные варианты 6502 (Commodore 64, Apple II, BBC Micro и Atari 8-бит), а также 8-битный Zilog Z80 (ZX Spectrum, MSX и др.). Появление IBM PC на базе 8086 в 1981 году открыло переход к 16-разрядности, но уже вскоре его обогнали системы Macintosh, Atari ST и Amiga на базе 68000. IBM PC-совместимые компьютеры перешли к 32 бита с появлением Intel 80386 в конце 1985 г., хотя стоили они очень дорого.

Кроме увеличения разрядности, микропроцессоры стали интегрировать функциональные узлы (ранее внешние), например, MMU (на Intel 80286, Motorola 68030) и FPU (на i486 и Motorola 68040).

1980-е годы знаменуют и смену парадигмы — появление процессоров с сокращённым набором команд (RISC). Хотя концепция возникла в IBM в 1970-х и не была внедрена в продукцию, развитие её шло благодаря компаниям MIPS, SPARC и ARM. К концу десятилетия почти все ведущие производители стали разрабатывать собственные RISC-дизайны (например, IBM POWER, Intel i860, Motorola 88000).

В 1990-х на рынке доминировали 32-битные микропроцессоры. Частоты выросли более чем в 10 раз (от 1990 до 1999 года), а 64-битные решения появились ближе к концу десятилетия. В 1990-х частоты ЦП и ОЗУ более не совпадали: появилась фронтальная шина (FSB), по которой обменивался быстрее работающий процессор. Например, Pentium III имел тактовую частоту 450–600 МГц при FSB 100–133 МГц. В таблице указаны только внутренние частоты процессора.

Основу 64-битных процессоров заложили технологии 2000-х. Рост тактовых частот замедлился из-за барьера рассеяния тепла. Вместо дорогих систем охлаждения индустрия перешла к многоядерным архитектурам. Популярность получили разгон и стандартные системы охлаждения для "геймерских ПК". За десятилетие количество транзисторов увеличилось примерно в 10 раз, размер элементов снизился с 180 нм до 45 нм.

В 2010-х появилась тенденция к использованию многокристальных модулей — сборке из нескольких чиплетов, размещённых в одном корпусе, что позволило повысить интеграцию и технологичность изготовления.

В 2020-х годах развитие микропроцессорной индустрии претерпело кардинальные изменения, сместив фокус с универсальных потребительских процессоров на специализированные ИИ-ускорители и серверные решения^[39]. Этот сдвиг обусловлен колоссальными вычислительными потребностями современных нейросетей. Традиционные центральные процессоры (CPU) стали частью гетерогенных систем, где они выступают координаторами вычислений, выполняемых совместно с графическими (GPU) и нейронными (NPU) процессорами^[40]. Главным трендом в потребительском сегменте стала массовая интеграция нейропроцессоров (NPU) непосредственно в чипы для ПК и смартфонов^[41][40]. Это позволило локально выполнять задачи искусственного интеллекта, повышая общую производительность и энергоэффективность устройств. Общим направлением развития стала ставка на гибридные архитектуры, сочетающие производительные и энергоэффективные ядра, а также использование многокристальных модулей (чиплетов)^[42]. В ответ на физические и экономические ограничения традиционного масштабирования техпроцессов разрабатываются новые подходы к компоновке. В 2026 году компания Huawei представила концепцию «Закон масштабирования Тау» (Tau Scaling Law) и новую архитектуру LogicFolding^[43]. Она направлена на переход к 3D-компоновке логических блоков, что позволяет сократить длину внутренних соединений, уменьшить задержки и значительно повысить плотность транзисторов без перехода на новые литографические нормы^[44].