История компьютерной логики

С середины 1950ых годов в США наконец наладили производство компьютеров микро штамповкой, это было колоссальный шаг вперёд, микро штамповка по сути чем-то очень удалённо похожа на современную литографию. Суть в том что микросхема не производится вручную человеком, а некоторые фрагменты микросхем стали штамповать штампом, причём штамп был очень сложным и совершал множество ударных операций, выпечатывая на плате микросхему. Штамп работал ненадёжно, давал большую погрешность и вероятность ошибки, позволял печатать устройства размером порядка 100мкм, а потом и меньше, что очень много по современным меркам, но это было колоссальный рывок вперёд по сравнению с полностью ручной сборкой. Потому что попробуйте-ка вручную выточить микросхемку на 256 элементов с точностью 0,1миллиметра, или 100мкм. То есть микроштамповка сделала то, что было не под силу человеку, она резко увеличила производство электронных компонентов и уменьшила их размер и стоимость во много раз. Компоненты были всё ещё слишком дороги, чтобы продавать геймерские ПК с топовыми видеокартами на гражданском рынке. Но в этот момент впервые появились компьютеры современного типа, в том смысле что сама микросхема усложнилась настолько, что вручную изготовить столь сложную схему уже невозможно. Это позволило США совершить огромный рывок в военной микроэлектронике и производству компьютеров вообще.

Пока СССР в 1960ом году собирал свои компьютеры вручную, используя проводки диаметром 1 миллиметр, потому что человек с более маленькими проводками работать просто не может. И на весь СССР было всего несколько суперкомпьютеров очень маленькой мощности. В это время глупые американцы уже развернули массовое производство микроэлектронных компонентов с печатью 50мкм и даже 25мкм, или как-то так. И на истребители США уже ставились микроэлектронные устройства, которые уже можно назвать почти компьютерами, в СССР ничего такого не было.

И да в 1960ом и даже 1962ом году компьютеры всё ещё были слишком дорогими для массового производства, но в США компьютеры уже были и использовались, а авиации и имелось их массовое производство. А на всё СССР было только несколько гигантских суперкомпьютеров очень маленькой мощности сверх устаревшей архитектуры, и никаких методов производства устройств размером 25мкм, отставание уже тогда было тотальным. Чёбы там не говорила партия и горе патриоты, в то время когда в СССР на всю страну было несколько огромных горе компьютеров, которые собрали просто кой как из мусора, и ни о каком массовом производстве никто даже не думал. В США уже ставили на всю военную технику весьма продвинутую микроэлектронику серийного производства по технологии 100мкм или даже 25мкм. Мы уже тогда очень сильно от них отставали в этой области, и это изначальное историческое отставание. Просто в те времена компьютеры ещё не вошли в нашу жизнь так сильно как сейчас, и это было не так заметно, и никто толком не понимал всю важность этого отставания как сейчас. Ведь в 1960ом году никто не знал, что править миром будет страна, которая производит самые лучшие в мире компьютеры, а само умение делать микроэлектронику столь важно.

В 1965ом году в США появились самые первые в мире электронные литографы, на которых печатались самые первые в мире электронные микросхемы по той же технологии что и сейчас. Спустя всего пять лет удалось довести технологию до уровня массового производства, и началась эра массово производства дешёвых компьютеров.

В 1971ом году был презентован самый первый самый важный, вошедший в историю процессор Intel4004 это было четырёх разрядный процессор мощностью 740килогерц, который выполнял одну инструкцию за 8 тактов, то есть скорость его работы была всего 90 килогерц. Этот процессор вошёл в историю, потому что он был очень мощным и быстрым, он стоил 60 долларов за штуку, что для процессора в те времена было просто невозможно дёшево. Этот процессор был очень маленьким, по размеру даже меньше современных процессоров ПК, намного меньше, просто маленькая микросхемка на 90килогерц за 60 долларов. Фактически Интел 4004 просто порвал рынок, в том смысле что с его появлением стало возможно массовое производство и продаже персональных компьютеров, потому что он был маленьким, умеренно дешёвым и достаточно мощным, на нём даже можно было делать компьютерные игры. И он использовался не только в играх, а абсолютно везде, в управляющих устройствах светофоров, в самых разных областях, заменяя ручной труд на автоматизированное управление. Мы сейчас не всегда понимаем, что значит важность автоматизации труда, потому что у нас уже давно производятся или закупаются устройства автоматического управления различными системами в государстве от водопровода до телефонных АТС. Но в 1970ые годы во всём мире многие функции управления инфраструктурой государства выполняли люди, и ИНТЕЛ4004 позволил заменить человека, или даже несколько человек, на всего один компьютер, что резко повысило производительность труда в стране. Там где раньше круглосуточно и в три смены работал женский коллектив, который круглосуточно сидел и вручную переключал тумблеры управлявшие ГЭС, АТС, водопроводов, газопроводов, энергосистемами, и многими другими областями, американцы поставили один единственный компьютер на процессоре ИНТЕЛ4004 и огромное количество людей в хорошем смысле слова пошло искать новую работу, и это имело хорошие экономические последствия, ненужный монотонный труд был успешно автоматизирован, глобально стране в долгосрочной перспективе это выгодно, это снизило расходы и освободило рабочие руки для других задач. Американцы сделали это первыми, а многие другие страны ещё много лет делали всё вручную, и некоторые делают всё вручную до сих пор.

На первый взгляд 90 килогерц это дико мало, даже процессор приставки Денди в 1991ом году имел скорость 3,7МГц что намного больше. Но для управления многими промышленными процессами больше и не требуется. А рассматривая сам термин компьютерная игра, я не имею ввиду игры на большом цветном мониторе с высоким разрешением, как вы представляете себе сегодня. Процессор Интел4004 позволил выпускать дешёвые ПК на которых можно было печатать текст, а также играть в супер примитивные игры с разрешением 60х45 пикселей, игры могли быть двухцветными чёрный и белый, персонаж с разрешением 3х5 пикселей. Массово появились аркадные автоматы, а также игрушки, работавшие с частотой 4 ФПС, но где не требовалась высокая частота обновления экрана. А также игры представленные игровыми автоматами где процессор управлял фигурками(куклами), а не картинкой на экране как сейчас. В СССР в конце 1980ых годов было полно игровых автоматов, где очень слабый процессор аналог украденного у США ИНТЕЛ4004 или ИНТЕЛ8008 управлял игровыми фигурками, процессору не нужно было рисовать графику, он бы с этим не справился, он управлял фигурками игрового автомата и делал это неплохо, и можно было нормально поиграть. Всё это было невозможно до появления ИНТЕЛ4004, потому что даже те персональные компьютеры, которые появились в широкой продаже двумя годами ранее в 1969ом году, до появления ИНТЕЛ4004 имели убожески маленькую мощность и при этом стоили выше уровня финансовых возможностей большинства обеспеченных американцев тех лет, по цене дорогого автомобиля и даже дороже. А вот ИНТЕЛ4004 и компьютеры на его основе стоили настолько дёшево, что их можно было купить в каждый дом. Появились первые игровые приставки, очень примитивные видеоигры, которые можно было запустить на телевизоре. Эти приставки имели процессор ИНТЕЛ4004 и его аналоги 2 килобайта оперативной памяти, и всё, а запуск приставки осуществлялся с носителя информации встроенного в саму приставку объёмом несколько килобайт. Нельзя было даже купить новые игры, на приставке просто было установлено четыре игры и всё, и они были очень простыми, и даже такие приставки были популярны, хотя они были намного примитивнее денди, зато появились в начале 1970ых годов. Это был теннис, где в качестве теннисной ракетки была просто линия и всё. Или что-то другое очень простое, даже не бомбермэн и не Марио, скажу более, это был даже не тетрис. Но практика показала, что индустрия игр стала быстро развиваться и толкать всю компьютерную промышленность. А люди очень хотели играть и покупали даже самые простые игровые приставки, и им всегда хотелось купить приставку с играми получше. Тоже самое касалось и компьютеров, именно в начале 1970ых годов стали массово официально появляться самые первые гражданские игровые разработки рассчитанные именно на продажу. В это время в СССР в области компьютеров был полный...

Что такое четырёх разрядный процессор, и что такое 1 разрядный процессор? И может ли вообще существовать одно разрядный процессор?

Вся современная микроэлектроника устроена гениально, в её основе одноразрядный процессор, простейший сумматор способный работать только с 0 и 1. Одноразрядный процессор за один герц может выполнить суммирование 0 и 1 или выбор, а если таких процессоров несколько, то вместе они могут выполнять и другие функции, потому что каждый процессор выполняет свою задачу, один процессор суммирует 0 и 1, другой решает складывать или вычитать, третий одноразрядный процессор делает что-то ещё. Ну это общий принцип, конечно одноразрядные процессоры могут работать только в теории, и это будет происходить дико медленно, потому что для выполнения одной инструкции им пришлось бы отработать тысячи герц. Однако одноразрядный процессор это элементарная ячейка процессора вообще, и она лежит в основе архитектуры абсолютно всех процессоров на Земле выпущенных когда-либо и используемых сегодня.

Как ни странно 2х разрядный процессор имеет в 4 раза больше переключателей, чем одноразрядный и способен работать с целыми числами от 0 до 3, но это всё ещё слишком мало, чтобы работать нормально. То есть он за одно действие может сложить или вычесть число от 0 до 3. При этом если брать именно 2х разрядный процессор, то число 4 он не понимает, и поэтому работать в 10ричной системе счисления не сможет НИКАК, поэтому на самом деле сложить какие-то числа на 2х разрядном процессоре будет крайне сложно, или придётся придумывать долбанутую систему позволяющую ему работать с числами которых он не понимает, например с числом 4 или 5.

Развивая тему дальше, мы можем заметить что 3х разрядный процессор может работать с целыми числами от 0 до 7. То есть он имеет такое количество логических переключателей, которые соединены таким образом, что в один такт может быть рассчитано целое число от 0 до 7. И если присобачить к нему второй 3х разрядный контур, или выполнить операцию в 2 герца, то он сможет не только складывать целые числа от 0 до 7, но и вычитать, и ещё потратив 2 герца можно сравнить два числа от 0 до 7, равно или не равно. Однако мы видим что в 3х разрядном процессоре не хватило места на восьмёрку и девятку и поэтому он не понимает что такое число 8 или 9. Опять же будет довольно сложно перевести его в десятиричную систему счисления потому что он не знает числа 8 и 9. И хотя сделать так, чтобы он понимал число 8 и 9 можно, например, разбив 10ричную систему на два раза по 5. Но такой подход приведёт к тому что 3х разрядный процессор на действие с числом 8 и 9 потратит примерно 100 операций вместо 1, то есть работать будет медленно сложно и через заднее место.

Именно поэтому самый первый в мире коммерческий процессор ИНТЕЛ4004 созданный специально для персональный компьютеров, был 4х разрядным, он умел работать с целыми числами от 0 до 15. То есть 4х разрядный процессор в самом примитивном варианте может сложить или вычесть два целых числа размером от 0 до 15, и, кстати, надо две схемы, отдельно на сложение, отдельно на вычитание. И схема вычитания намного сложнее, чем сложения. Его сделали максимально простым и дешёвым. 2х разрядный процессор это 4 одноразрядных. Трёхразрядный процессор это 16 одноразрядных процессоров.

4х разрядный процессор это 64 одноразрядных процессора работающих вместе, соединённых в единую систему логических переключателей, и да такая система достаточно большая. А поскольку ИНТЕЛ4004 должен уметь работать с предыдущими незаконченными инструкциями, а ещё он должен уметь складывать, вычитать, умножать столбиком, делить уголком, работать с дробями, иметь оператор ИФ, то есть простейшую логику, иметь функции сравнения больше и меньше и равно, и кой что ещё. То на самом деле такой процессор получился довольно большим, и общее количество транзисторов в даже таком самом примитивном самом бюджетном процессоре составило 2300 штук. На первый взгляд 2300 штук это не так уж много, но если бы вы попробовали сделать эти транзисторы вручную в 1946ом году, да ещё по технологии печати 10микрометров, я думаю люди, пытающиеся собрать такой микропроцессор просто офигели бы. Потому что даже такой супер примитивный абсолютно минимальный по функционалу процессор это 2300 транзисторов напечатанных с печатью 10мкм, то есть 0,01 миллиметра. Вряд ли человек сможет вручную работать с деталькой размером в 0,01мм и разместить её в нужной точке с точностью 0,001мм. При этом в отличие от многих других процессоров изготовленных ранее, полупроводниковый ИНТЕЛ4004 был очень надёжен и работал без сбоев, по сравнению с предыдущими микрочипами, что тоже очень важно. И он мог работать без сбоев очень долго, не перегреваясь, что очень важно, если он управляет где-то каким-то промышленным устройством или объектом инфраструктуры.

Отсюда можно сделать простой вывод, даже создание процессора ИНТЕЛ4004 потребовало невероятно сложных производственных линий и технологий на разработку которых у США ушло примерно пол века, если брать с самого начала когда началось более менее массовая отработка процессов создания микроэлектроники. А самими компьютерами к тому моменту США занимались уже 25 лет.

То есть у СССР и его рабочих и крестьян в 1971ом году не было никаких шансов собрать вручную устройство на 2300 транзисторов с печатью 10мкм, как бы они не старались. Даже тайно купив это чудо науки в США и доставив его в СССР для изучения, у учёных СССР не было ни малейшего шанса скопировать и развернуть его производство на собственном оборудовании.

Как я уже говорил даже самый простой 4х разрядный процессор это 64 одноразрядных схемы, плюс группа переключателей, которые отвечают за все другие необходимые логические операции кроме сложения и вычитания целых чисел от 0 до 15. То есть это довольно таки сложная система взаимосвязанных переключателей, которые, получив строго определённые данные на входе, дают строго определённый выход. По сути, система переключателей это группа сумматоров 0 и 1, которые соединены сложным образом так, что все вместо могут рассчитать число намного большее чем 0 и 1, при этом они соединены системно, и такую систему очень просто масштабировать, чтобы работать с более крупными числами. Сама система, обеспечивающая расчёт, сложна и гениальна, но её все понимают и все умеют работать с ней, потому что придумать простое было очень сложно, но она проста по своей сути и позволяет работать с числами любого размера, но дальнейшее масштабирование системы требует увеличение числа логических переключателей, что делает процессор очень большим, с точки зрения количества переключателей. Я думаю, все вы слышали про то как компании ИНТЕЛ и АМД хвалятся на мировом рынке тем, что они смогли разместить миллионы транзисторов на одном квадратном сантиметре подложки. Смысл в том, что те волшебные способности компьютера считать и логически мыслить, на самом деле начинаются с самого простого одноразрядного сумматора, просто таких сумматоров в современном 64 разрядном процессоре со всеми его дополнительными основными функциями просто дохрена.