История компьютерной логики

Надо сказать, после того как был выпущен ИНТЕЛ4004, уже спустя год был выпущен следующий намного более совершенный процессор ИНТЕЛ8008, он уже был 8 разрядным, а значит мог в одно действие сложить целые числа от 0 до 255, и кроме того у него было намного больше сложных логических команд, которые он мог быстрее выполнить чем у его предка.

Скорость процессора ИНТЕЛ4004 составляет 0,74МГц, а скорость процессора ИНТЕЛ8008 составляет 1МГц, на первый взгляд разница небольшая, но из-за низкой разрядности ИНТЕЛ4004 вынужден выполнять все операции в несколько действий, минимум 8 герц на одну операцию. А если операция сложная, то он может потратить на её выполнение даже десятки тысяч герц. Таким образом, он выполняет всего несколько десятков или сотен сложных инструкций в секунду и 90тысяч простых инструкций в секунду. Процессор ИНТЕЛ8008 способен выполнять многие простые инструкции за 1 герц, то есть он выполняет миллион простых инструкций в секунду, а это в 11 раз больше, и при этом он может выполнить до 100тысяч сложных инструкций в секунду, а это значит что он за 1 секунду выполняет более чем в тысячу раз больше сложных инструкций чем его предок ИНТЕЛ4004. То есть при фактической разнице частоты всего в 30% на самом деле разница в скорости выполнения сложных инструкций в 1000 раз, а простых в 11 раз. Естественно, что цена такой высокой скорости и производительности 8 разрядного ИНТЕЛА8008 по сравнению с ИНТЕЛ4004 это 3500 транзисторов. Тем не менее, мы видим, что более сложная схема, всего в 1,5 раза более сложная, которая по частоте всего на 30% быстрее, на самом деле способна работать во много раз быстрее, чем упрощённая версия, потому что слишком простому процессору нужно совершить много операций там, где более сложному нужна всего одна операция. Это заметил не только я, потому что все следующие годы шла тенденция по усложнению разрядности процессоров.

Многие просто не понимают, как развивалась вся отрасль производства процессоров с 1971ого по 1995ый год. Потому что многие скажут что ИНТЕЛ8008 выпущенный в 1972ом году работал на частоте 1МГц, а в 1995ом году выпускали процессоры на 60-200МГц, такие как пентиум1, и разница всего в 60 раз. Но на самом деле процессор, выпущенный в 1995ом годы был 64 разрядным, и он мог в одно действие посчитать 15 значное число с плавающей запятой. А это значит, что при расчёте сложных операций, например тригонометрических функций для расчёта 3Д графики, процессор образца 1995ого года мог потратить всего один герц там, где процессору ИНТЕЛ8008 пришлось бы потратить 1000 герц, а это значит что фактическая разница в их производительности при расчёте любых сложных операций, таких как тригонометрические функции, ответ на вопрос чему равен синус 35,54 градусов пентиум1 мог выполнить в тысячи раз быстрее чем ИНТЕЛ8008 а вовсе не в 60 раз. И это не считая скорости работы КЭШа, системы стека, которые обеспечивают обмен данными между процессором и оперативной памятью, у первых процессоров все эти скорости были маленькими, а время отклика высоким. Надо сказать, что в 1995ом году был достигнут потолок разрядности, который завершился поколением 486.

ВАЖНО: официально вы можете прочитать что модернизация процессоров шла и дальше, и 486ой процессор вовсе не последний, сама градация поколений процессоров, конечно идёт и дальше. Но смысл в том что 486ое поколение было последним, потому что дальше не менялась архитектура процессора с точки зрения расположения переключателей отвечающих за принятие решений. На процессоры делались разные примочки отвечающие за количество потоков, скорость, охлаждение, количество ядер, но его архитектура с точки зрения механизма расчёта инструкции оставалась прежней.

Вы может прочитать что выпуск 486ых начался с 1989ого года, то есть это примерный срок когда началось производство 64разрядных 32битных процессоров и не только ИНТЕЛ80486 хотя архитектура называлась 486ой везде, вне зависимости ИНТЕЛ это был или нет. Но когда я называю срок 1995ый год, я имею ввиду, что это примерная дата, после которой было полностью прекращено производство процессоров более ранних версий. То есть 1994 или 1995ый год, это год полного прекращения производства 32разрядных ЦП компьютеров, поскольку они уже были просто никому не нужны, но это касается компьютеров, а не всего остального. Видеокарты, процессоры приставок, промышленные микрочипы всё это до сих пор может иметь любую разрядность.

Вы все наверное слышали понятие 486 компьютер, или 386 или 286. Эти поколения были у всех наслуху в 1980ые годы, но никому не интересны сегодня. Дело в том что абсолютно все и любые современные компьютеры относятся к поколению 486, и никаких других поколений не бывает, (с точки зрения архитектуры процессора) а сами операционные системы такие как виндоуз, линукс и тп., они все ещё с 1995ого года заточены только под 64 разрядные операции, и никаких других поколений нет. Потому что когда были 286 и 386 и 486 компьютеры и ряд других сборок процессоров с разными наборами возможностей, то это было большой проблемой несовместимости. При этом как я уже говорил ранее самый первый ИНТЕЛ4004 был 4х разрядным, потом методом усложнения процесса был быстро выпущен ИНТЕЛ8008 на 8 разрядов, и возможности сразу наладить выпуска полноценных 64разрядных процессоров с полным набором функций не было. Поэтому процесс наращивания разрядности и количества функций шёл постепенно и довольно долго, и сделать сразу финальный результат было нельзя. Потому что в те времена многие процессоры не умели выполнять все современные стандартные функции, не умели считать большие числа, не работали с тригонометрией, а также со многими другими функциями заложенными в код, и доходило даже до того что программа написанная на 386 компьютер в принципе не работала на 286ом и что хуже даже наоборот, программа написанная на старом компьютере либо не запускалась на новом, либо это делалось методом долгого мата и многократного упоминания чьей-то матери, или других тяжёлых страданий тех, кто запускал эту программу. Поэтому такого счастья сейчас больше никому не нужно, а в наши дни, компания, выпустившая несовместимый со всем остальным миром девайс, просто рискует что потребитель не поймёт необходимость своих страданий от несовместимости процессора с остальным миром, и не купит продукт. Поэтому сейчас, когда всё страшное позади, ни у кого уже нет желания выпускать нестандартный процессор с нестандартным набором команд. Поскольку после двух десятилетий пыток программистов и разработчиков процессоров была выпущена более менее итоговая универсальная архитектура, которая может выполнять все задачи и трогать это никто не хочет. И только в специфических расчётах и астрономии, иногда и очень редко суперкомпьютеры бывают 128 разрядными или 256 разрядными, но это используется крайне редко, потому что не практично. Ясен пень что 256 разрядный процессор будет очень большим, а практической необходимости считать 42значные числа с плавающей запятой в одно действие обычно нет. И если уж вдруг где-то пролетела команда посчитать один раз такое большое число, современный процессор всегда может выполнить её в несколько действий. В подавляющем большинстве случаев 64 разрядного процессора, который способен считать в одно действие числа в 15 знаков с плавающей запятой, более чем достаточно для любых задач программирования, которые могут встретиться. Что такое плавающая запятая и может ли компьютер работать с числом больше чем 999 триллионов? На самом деле система устроена так, что если число очень большое и компьютеру нужно не меняя формата данных работать с более крупным числом, то он просто округляет его на то количество знаков которое ему не хватает. То есть число может иметь любой размер, просто сохранится первые 15 знаков, остальное будет округлено, как правило сохранять больше 15 знаков не требуется просто никогда, поэтому и процессор больше 64 разрядов создавать смысла нет. Все современные процессоры имеют стандартизированную архитектуру идентичную 486 и никакой необходимости вводить дополнительные функции процессорам нет. Тем более что такой процессор будет несовместим с современными ОС, поэтому если уж кому-то надо рассчитать что-то экзотическое, он просто пишет программу расчёта через которую стандартный 64 разрядный процессор выполнит задачу в несколько действий. Но сама архитектура процессоров полностью неизменна, потому разрядность достигла своего потолка.

Поколение компьютеров 186, или 286 или 386, которые были до 486 они указывали тип процессора и доступные ему функции, пока процессоры усложнялись это было актуально. Предыдущие версии процессоров для ПК вполне могли быть 32 разрядными или 16 разрядными, и даже 8 разрядными, и имели разное количество доступных математических операций, больше операций, больше и сложнее процессор. В период с 1972ого по 1995ый год это было критично, в каком-нибудь 1985ом году вполне можно было встретить полноценный ПК работающий на 16 разрядном или 32 разрядном процессоре, когда скорость одинаковая а производительность совсем нет. 64 разрядные процессоры начали производить с конца 1980ых годов, а процессоры для ПК меньшей разрядности почти прекратили производство к середине 1990ых годов, потому что никому не нужен процессор, который работает в 10 раз медленнее при той же частоте.

Приставки имели более узкую специализацию и держались дольше. Вы все знаете с детства приставку Денди и то что она 8 бит, многие думали что это графика или оперативка. Нет 8 бит надпись на приставке денди это разрядность её процессора, она имела процессор 3,79МГц с разрядностью 8 разрядов, то есть денди могла работать с числами от 0 до 255 в одно действие, более крупные числа требовали несколько операций и резко снижали скорость работы, что и определяло максимальное разрешение экрана приставки в 255 пикселей в ширину.

Приставка сега мега драйв 2, ещё одна приставка вашего детства 16 бит, у неё был процессор на 7,5МГц имевший 16 разрядов, то есть в отличие от денди, приставка сега могла в одно действие считать целые числа от -32000 до +32000, что позволяло писать более сложный код для её игр. И хотя процессор по скорости был всего в два раза быстрее, все мы помним что сега была дороже а игры на ней были лучше. Потому что при программировании игр многие команды что на денди выполнялись в 10 операций, на сеге выполнялись в одну операцию, поэтому в ряде случаев процессор сеги обрабатывал в 20 раз больше информации чем на денди, что и определяло качество игр.

Однако на сеге и денди не было расчётных блоков на видеокарте, и вся графика на экране рисовалась процессором, который был довольно слабым. Поэтому никакой три де графики на приставках не было, на сеге только была псевдо три де из двумерных спрайтов, когда у пользователя создавалось ложное ощущение что он играет в трёхмерную игру, но на самом деле использовались лишь двумерные масштабируемые спрайты, которые приближались и удалялись от пользователя создавая ложное ощущение трёхмерного пространства, хотя на самом деле три де построения мира не было. Не было никаких полигонов или расчёта света и текстур. На такое процессор на 7,5 МГц был не способен, но для игр этого многим хватало, тем более тогда. Что касается процессора денди, то его с трудом хватало на отрисовку цветной двумерной картинки с разрешением 255х212 пикселей, но даже это было огромным шагом вперёд в индустрии компьютерных игр, учитывая что до денди вообще был полный шлак типа 60х45 чернобелых точек, аля всем известный тетрис или электроника.

Революцию в индустрии игр совершила приставка sony playstation 1, она изначально создавалась как приставка для достаточно богатых людей, это была дорогая приставка, поступившая на рынок в 1995ом году. На тот момент по-настоящему трёхмерных игр в мире ещё не было, и все игры вышедшие до этого под ПК имели в кадре либо 25 полигонов при 10фпс, либо вовсе псевдо три де построенную из двумерных спрайтов, такая как игра Вулфенштейн 3Д, либо в кадре совмещались 2Д спрайты и было отрисовано несколько полигонов, что создавало ощущение как будто игра как бы три де, хотя она была не три де. Одноядерный процессор компьютеров тех лет на 60МГц или 133МГц просто не тянул и не мог тянуть трёхмерные построения. Некоторые же игры вышедшие в начале 1990ых годов имевшие три де графику имели супер примитивную картинку с самым минимально возможным количеством полигонов и разрешение 80х60точек. То есть это вообще даже 3Д игрой было назвать сложно.

Приставка плейстейшн впервые применила расчётные блоки на игровой видеокарте. Что на тот момент было редкостью и практически недоступно обывателю. Приставка имела 64 разрядный процессор, да именно поэтому на ней было написано 64 бит, это не количество цветов и не что-то ещё, это значит, что процессор сони был 64 разрядным на 33МГц, процессор очень неплохой даже для ПК тех лет, что касается приставок тех лет, их традиционно делали намного более дешёвыми, чем компьютеры, полагая, что игровая приставка должна быть намного дешевле компьютера иначе её никто не купит. И приставки тех лет сега или супер нинтендо, как правило имели дешёвые 16 разрядные процессоры, а решение поставить на приставку 64 разрядный процессор такой же мощности и стоимости как у персонального компьютера было весьма смелым. Сони плейстейшн была первой в мире игровой приставкой, которую создавали с целью превзойти компьютер и компьютерные игры в принципе, а это было очень смелым решением. Сони создавалась из расчёта, чтобы быть на уровне лучших игровых компьютеров тех лет или превзойти их, в играх конечно, и при этом стоить немного дешевле дешёвого нового компьютера. Хотя стратегия выпуска всех других игровых приставок предполагала, что приставка должна стоить намного дешевле компьютера. Хотя были ПК с процессорами и помощнее, уже тогда стали появляться процессоры на 133МГц и более. Но у сони в 1995ом году была видеокарта с суммарной производительностью 1 гигагерц, то есть имелось около 25 ядер по 40МГц каждое, и эти ядра были 32 разрядными.

То есть у сони отдельно был процессор и отдельно видеокарта, причём процессор кидал на видеокарту только общие команды, а видеокарта сама рисовала всё без участия процессора. При этом если мощность процессора была всего 33МГц, что было нормой в те времена или даже мало, потому что дорогие топовые процессоры на ПК уже жали 200МГц. То 25 расчётных ядер были примерно в 30 раз мощнее процессора при расчете графики. А чтобы такое огромное количество ядер не было слишком дорогим, и не потребляло много энергии, они все были жёстко порезаны под выполнение только графических задач, меньшим количеством переключателей. В итоге все 25 ядер потребляли энергии примерно столько же сколько и ЦП. Зато эти порезанные ядра позволяли рассчитывать графику, на которую обычный процессор тех лет был не способен. Таким образом, на плейстейшн 1 впервые в те года была создана полноценна три де графика, с полигонами, она могла считать 180тысяч полноценных сложнотекстурированных полигонов в секунду, что для 1995ого года было просто очень много, (то есть при 30ФПС это 6000 полигонов в кадре) освещением и всё как полагается с разрешением 320х240, и это обеспечило супер популярность приставки. В то время как другие игры и разработчики ковырялись с какими-то псевдографиками и спрайтами, плейстейшн уже рисовала три де графику с очень большим по тем временам количеством полигонов. Потому что уже в 1995ом году создатели приставки отделили функцию процессора от рисования графики на экране, теперь видеокарта рисовала графику сама, опираясь на множество вычислительных ядер, которые работали как 25 ядерный процессор. И хотя функции ядер были сильно порезаны, и ядра облегчены, им для рисования графики полный набор всех функций процессора и не требовался. Таким образом, была создана первая игровая видеокарта большой мощности, в которой расчёт графики был отдан видеокарте, а не процессору, а сама мощность видеокарты при выполнении графических задач во много раз превышала процессор, чего раньше не было. До этого во всех играх графику рисовал процессор, и ясно, что одноядерный процессор мощностью 30-200МГц максимум никак не мог нарисовать ничего сложного и не мог рассчитать хорошую три де графику. Мощность видеокарты плэйстейшн была во много раз больше чем у процессора, за счёт узкой специализации большого количества упрощённых ядер. Эта архитектура и этот принцип используется и до сих пор, он определил колоссальный коммерческий успех первой сони. Уже после выхода Sony Playstation1 спустя год в 1996ом году для ПК были выпущены аналогичные видеокарты с расчётными блоками. Самая первая в мире три де видеокарта для ПК Voodo 3D была выпущена в 1996ом году (на год позже Сони) и она имела несколько расчётных блоков, которые сильно увеличивали возможности компьютера по рисованию три де графики, так как теперь графику рисовал не процессор, а видеокарта, которая также имела гораздо большую мощность, чем процессор. Практически сразу вслед за Вуду было выпущено устройство 3DFx это название видеокарты, которая также набирала популярность с 1996ого года и она имела дополнительные вычислительные ядра небольшой мощности, что на безрыбье значительно увеличивало возможности создания три де графики в играх. (стоит заметить что стоимость первых три де видеокарт часто была очень велика и сопоставима со всей приставкой сони, при этом они были слабее) К тому же многие игры в начале выпущенные на плэйстейшн адаптировали на компьютеры и наоборот. Стоит добавить, что на тот момент рынок видеокарт в мире был достаточно велик, однако до Вуду 3Д и плэйстейшн, все видеокарты были просто сложным адаптором изображения от процессора к монитору. То есть у них не было расчётных блоков просто никаких, видеокарта не считала изображение, в ней не было расчётных ядер, ни одного. Поэтому вся графика рисовалась центральным процессором компьютера, и это очень ограничивало разрешение и количество цветов на экране даже для 2Д игр, что уж говорить про трёхмерную графику, которая требует гораздо больше системных ресурсов. Появление расчётных блоков на видеокартах позволило не только создавать полноценные три де игры, но и резко увеличило разрешение и цветность 2Д изображения на мониторе. Если при процессоре разрешение и цветность были убожескими, типа 640х480 при 256 цветов уже считалось круто, то видеокарта у которой имеются расчётные блоки могла запросто вытянуть любое 2Д разрешение и цветность в пределах возможностей монитора, а мониторы, кстати, тогда были мощнее возможностей компьютера, поскольку они имели электронно-лучевую трубку как телевизор и могли поддерживать высокое разрешение и цветность, так что всё упиралось в компьютер, а не в монитор. (первые видеокарты с расчётными блоками первое время назывались видеокартами с 3Д ускорителем, сегодня все видеокарты имеют расчётные блоки, поэтому никто их больше так не называет, но производство видеокарт без расчётных блоков продолжалось ещё несколько лет после 1995ого года) Не все разработчики видеокарт сразу осознали глубину и перспективность переноса расчётных функций графики на видеокарту. Но тогда ещё никто не знал, чем всё кончится сегодня. Поэтому многие разработчики видеокарт, например S3Trio3D, которая выпускалась как около топовая видеокарта на момент разработки с 8Мб видеопамяти что для неё было много, прилепили на видеокарту всего один расчётный блок на 50МГц, то есть всего одно ядро на 50МГц полагая что итак не плохо, видеокарта пошла в серию, но из-за слишком слабого расчётного блока не снискала славы у любителей игр, в итоге, превратившись в дешёвый бюджетный вариант, поскольку даже тогда одно ядро на 50МГц было слишком мало для любой новой 3Д игры тех лет, и это было мало даже для 2Д игр. Многие геймерские видеокарты первые года два с 1996 по 1998ой год имели что-то в районе 4 ядер по 100МГц, что было намного меньше, чем у сони плейстейшн, и хотя такая видеокарта была намного мощнее, чем видеокарта у которой расчётных блоков не было вообще, она всё равно не работала в играх так как хотелось бы. То есть понадобилось минимум 2-3 года, чтобы многие разработчики и изготовители процессоров и видеокарт вообще пришли к пониманию, что на видеокарте должен быть не просто одно ядро на 50МГц абсолютный минимум, и даже не 4 ядра по 100МГц, а расчётная мощность видеокарты может быть и должна быть намного больше, чтобы рисовать нормальную 3Д графику с высоким разрешением, и выполнять огромное количество вычислений. То есть индустрия игр и даже разработчиков проявила некоторую инерцию, я конечно понимаю что сама конструкторская работа чтобы посадить новое ядро на новое устройство требует времени. Тем не менее, многие сразу недооценили возможности видеокарт на которых сидит много расчётных ядер. Потому что даже на достаточно дорогие видеокарты ставили минимальное количество расчётных блоков, или как минимум недостаточное. И зная мощность видеокарты сони плейстейшн, которая была выпущена в серийное производство в 1995ом году, в принципе можно было догадаться, что на видеокарту лучше поставить больше ядер, и зная сколько ядер было на ПС1 я думаю техническая возможность поставить больше ядер была, просто никто не догадался это сделать, никто не смог правильно оценить рынок. Сами люди владевшие компаниями выпускавшими видеокарты и процессоры не смогли понять верное направление развития, даже несмотря на то что к тому моменту сони плейстейшн существовала уже несколько лет, и оценить её опыт было бы не сложно, достаточно было бы просто поиграть в саму приставку, потом развинтить её и изучить устройство, хотя бы на предмет того что вообще у неё под капотом. Тем более что плэйстейшн выпускалась массово и огромными партиями, и получала огромную прибыль, и изучить опыт лидера рынка продаж игр во всём мире, наверное, стоило бы, и сделать верные выводы о том, как делать игры и железо к ним. Тем не менее, первые несколько лет во всём мире выпускались достаточно убожеские видеокарты очень маленькой мощности, и не потому что сделать их мощнее невозможно, производители уделяли внимание другим привычным им более традиционным направлениям разработки видеокарт, никто не хотел принимать новое, а расчётные блоки ставились на видеокарты не хотя и по минимуму. И только года с 1998 началась гонка, когда на видеокарты стали ставить много расчётных блоков, а графика в играх стала резко улучшаться. А все эти годы плэйстейшн собирала сливки, являясь одной из самых лучших приставок в мире, даже не одной из самых лучших, а самой лучшей, её игры были яркими и красочными с хорошей три де графикой и большим количеством полигонов и сложным освещением. В то время как производители игровых видеокарт тех лет, вместо того чтобы сразу бахнуть на видеокарту 100 расчётных ядер по 100МГц и выпустить лучшую в мире геймерскую видеокарту, часто ставили один минимальный блок на 50МГц или 4 блока по 100МГц что всё равно мало, и долго смотрели что получится дальше. То есть не особо понимали перспектив развития собственного продукта, хотя даже на примере плэйстейшн выпущенной в 1995ом году, уже сразу можно было понять, что ядер на видеокарте должно быть много, чтобы рисовать нормальную графику, а одно ядро на 50МГц это уже заведомо устаревшее решение. В туже S3Trio3D были вложены большие средства, компания на тот момент теряла рынок, выпустила хорошую дорогую видеокарту с целью завоевания рынка, не экономя на её комплектующих, стоит ли упоминать, что видеокарта имела 8 мегабайт видео памяти, в то время как на сони была видео память 512кб на Вуду 4Мб, а на 3Дфикс 4 мегабайта. То есть компания поставила на видеокарту 8Мб видеопамяти, что само по себе было очень дорогим решением тех лет, с прицелом на то чтобы видеокарта стала топовой. И компания вполне могла бы поставить хотя бы 8 расчётных блоков по 50МГц вместо одного, и это было бы решение совсем другого уровня, потому что одно дело 50МГц для расчёта графики другое дело хотя бы 400МГц с точки зрения конкуренции с другими производителями геймерских видеокарт тех лет. И как бы вбухав много денег в видеопамять и комплектующие карты, сделать её полным расчётным импотентом с одним ядром на 50МГц? И это притом что компания продвигала видеокарту на рынке как новейшую ГЕЙМЕРСКУЮ видеокарту с 3Д ускорителем? С всего одним ядром на 50МГц, реально? Потратив столько денег на продвижение и разработку проекта, компания которая в тот момент поставила на эту видеокарту всё, наверное могла бы проанализировать тенденции рынка и сделать действительно игровую видеокарту, тем более что к тому моменту сони снимала сливки с игрового рынка уже 2 года, и появились Вуду и три де фикс, и можно было навести справки о том какая мощность у их проектов. В итоге была выпущена довольно дорогая видеокарта с 8 Мб видеопамяти, и вся эта видеопамять была бесполезна, потому что без расчётных блоков такая геймерская видеокарта уже тогда никому не была нужна. А всего один блок на 50МГц, это было слишком мало по сравнению с другими производителями, которые тоже не рискнули ставить на свой продукт много расчётных ядер и очень зря, но поставили хотя бы от 4 до 16 ядер, а не одно ядро.