70 年前的UNIVAC I 实际上是第二台商用计算机；它有一个液态水银延迟线存储器，可存储1000个字的12个字母数字字符。它以低兆赫兹的速度运行，可以读取7,200 个十进制数字/秒。想到一台适合你手掌的任何类型的计算机，它可以与世界其他地方进行无线通信，就像射线枪和飞行汽车一样，属于科幻小说的范畴。这些其他项目的发展速度没有处理器技术那么快，但我们现在都有了。
70年前的UNIVAC 系列与AMD 处理器对比
AMD处理器基于以千兆赫兹(GHz)速度运行的 5 纳米晶体管技术。与需要数千瓦以及强制风冷甚至水冷的早期大型机相比，它的功耗约为几百瓦。UNIVAC使用 125 kW 的功率，重达13 吨。多芯片服务器通常有数千兆字节到数万兆字节的外部存储，更不用说片上寄存器和多级高速缓存系统。
大型机通常安装在特殊的房间内，几十年来，用于布线和冷却的高架地板已成为常态。著名的国际商业机器 (IBM) System/360 (S/360)始于 1964 年（图2）。S/360 取代了其他五个IBM 计算机系列。
IBM System/360 (a) 彻底改变了大型机。 (b)显示的是 360 的芯片
S/360 引入了 IBM 的Solid Logic Technology (SLT)。这种封装技术混合了定制混合电路，其中包括分立、倒装芯片安装、玻璃封装晶体管和二极管以及陶瓷基板上的丝印电阻器。基本架构从16 个 32 位寄存器、8位字节和 24 位寻址开始。EBCDIC 字符集是首选编码，现在ASCII成为公认的标准。九轨磁带无处不在，最终IBM 3340 “Winchester”磁盘驱动器也加入其中。
“BUNCH”（Burroughs、UNIVAC、NCR、ControlData 和 Honeywell）加上IBM，像FORTRAN和COBOL这样的编程语言加入了汇编程序，使得处理器编程更容易。
操作系统通常是用汇编程序编写的，但Burroughs B5000主机是用Algol编程的。BurroughsESPOL(执行系统问题导向语言)算法变体提供系统访问，并用于编写主控制程序(MCP)。这些大型机没有汇编程序。C编程语言直到很久以后才流行起来。MCP这个词后来被用作《创战记》系列电影中反派的名字。
我想提到B5500，因为它是我使用的第一批主机之一。它有一个在硬件中实现的面向描述符和堆栈的架构(图3)。它还使用标记词来区分数据和代码。B6500移至8 位可变长度指令集。
Burroughs 大型机在硬件中实现了面向描述符和堆栈的架构。
多处理器系统很常见，但每个处理器通常是一个盒子或板子。虽然大型机仍然存在，但它们已经迁移到最新的多核芯片技术。
缩小计算机并使它们更易于访问的愿望将大型机变成了小型机，这些小型机可以从大型机公司以及包括DEC、Data General、惠普、Prime Computers和王安等。
典型的小型机是16位的，重量约为50磅；它不需要一个定制的房间，尽管有空调帮助。只需10,000 美元即可购买一台。它们是使用现成的LSI技术制造的。7400系列的晶体管-晶体管逻辑（TTL）逻辑芯片是一种流行的实施器件。这些芯片仍然可以买到，但现在已不被用于实现处理器。
我在高中时使用了双处理器版本的 HP 2000 小型机（图 4）。这是一个分时系统，可以容纳数十个带有可选穿孔纸带单元和最终阴极射线管(CRT) 显示器的电传打字终端。由 300 和1200 波特调制解调器提供的长距离连接是常态。
16 位的 HP 2100 小型机具有 16 kB 的磁芯内存，并使用磁带进行可移动存储。
12位 DEC PDP-8是一个流行的平台，16 位 PDP-11最终变成了LSI-11 芯片组。
可以使用与小型计算机兼容的微处理器。最终推动个人计算机（PC）革命的8位微处理器可以追溯到英特尔8008，它被英特尔8080取代，采用40引脚双列封装（DIP）（图5）。最初的时钟频率是2MHz，指令需要至少四个周期才能完成。当时还没有缓存、流水线或多线程。
8 位 Intel 8080 引发了 PC 革命。显示的是 8080 (a) 和 8080 在晶圆上、作为芯片和在其封装中的裸片 (b)。
8080 使用 N 型金属氧化物半导体逻辑(NMOS) 和非饱和增强型晶体管作为负载来实现。它与 5V TTL 兼容。MPU有 8 位寄存器，可以组合成16 位寄存器。16 位堆栈指针提供了递归环境。
英特尔8080是IMSAI 8080微机的核心（如下图），在电影《战争游戏》中出现过，《头号玩家》中也提到过。英特尔8085是一个单电压、5V的部件，被ZilogZ80所取代。Z80用途广泛，被非常多的产品采用。
IMSAI8080 是围绕 8080 处理器构建的
英特尔并不是唯一拥有微处理器的公司。一大批其他8位和16位微处理器，如摩托罗拉6800和MOS技术6502，在从Atari2600到Apple II的所有产品中都有应用。
但正是 16 位Intel 8088 和 8086 与 IBM 一起开创了个人电脑时代。
8088/86 架构旨在使从 8080 的迁移变得容易，但它们指令集及源代码确并不兼容。这与我们今天所知的x86 兼容性截然不同。
处理器的性能已经大大增加，尺寸也越来越小。BGA 封装中的 8 位、16 位甚至32 位微控制器是都是很常见的，其侧面只有几毫米。它们通常具有片上时钟、闪存、串行和并行接口，以及模数和数模转换器。有些甚至具有用于测试温度等的片上传感器。
这与我使用的第一个单芯片微控制器Intel 8748相去甚远，这是一个带有UV EPROM 的 8 位处理器（图7）。当前的NXPKinetis KL03采用 2-mm 2芯片级封装(CSP)。32 位 Cortex-M0+ 运行频率为48 MHz，具有 32-kB 闪存，而英特尔8748 具有 11-MHz 时钟，可通过2-kB UV EPROM 提供 0.73 MIPS。
采用 40 引脚封装的 8 位、0.7-MHz 8748微控制器体积庞大
封装也在改变处理器的组合方式。2.5D 和3D 堆叠已广泛用于内存和高端处理器。还有一些基于晶圆的解决方案，比如CerebrasSystems的解决方案，它可以使用一万亿个晶体管，专注于机器学习算法。
开发人员现在手头的选择与几年前完全不同。从小型微控制器到为基于云的服务器设计的芯片，多核处理器芯片都很容易获得。处理器架构包括x86、Arm、MIPS、RISC-V、SPARC和 POWER。其中，x86和 Arm 现在随着RISC-V 的兴起而占据主导地位。
使用大量晶体管使得具有许多不同处理器的片上系统 (SoC) 解决方案成为可能——种类繁多令人难以置信。同样，从安全到网络管理的功能使用专用处理器现在很常见。
物联网 (IoT) 和物联网设备的兴起推动了对安全处理器和片上安全存储的需求。有时将专用通信处理器添加到组合中，并在降低计算需求时使用低功耗处理器来增强更高性能的处理器。低功耗选项导致始终开启操作，因此这些天没有真正的关闭按钮。
虽然我专注于基本的中央处理单元 (CPU) 架构，但我们不应忽视大量新架构，如图形处理单元(GPU)、FPGA 和用于机器学习等任务的可编程加速器。通用GPU (GPGPU) 和 CPU 共享多芯片通信链路。GPU编程将单指令、多数据 (SIMD) 和矢量计算提升到另一个层次，软件开发人员现在正在混合目标平台以实现最佳性能。
原文
https://www.electronicdesign.com/altembedded/article/21213779/electronic-design-processors-have-come-a-long-way
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