英特尔：CPU 公司的崛起之路 (Intel the CPU Company)

这是多部分系列文章的第四篇。你可能对以下内容感兴趣：Shockley Semiconductor、Fairchild Semiconductor、Intel 的开端和 8086 的崛起。

20世纪80年代初，对于微处理器制造商来说，Intel 处于绝对有利的位置。他们凭借 8088 赢得了 IBM 的业务，并拥有大约 5000 家 8086/8088 客户。虽然该公司无疑享受着这份成功，但他们确实经历了一次失败。1981 年底，该公司发布了他们计划作为微处理器业务未来的产品——iAPX 432。这是首次尝试在硅中实现面向对象，也是 Intel 首次尝试开发 32 位 CPU，并且 Intel 做了远不止这两件事。432 还将进程调度、进程间通信、垃圾回收和存储分配移到了硬件中。在硬件层面，CPU（这里称为通用数据处理器，或 GDP）由两个 64 针 VLSI 芯片构成。还有一个第三个芯片，接口处理器，负责 I/O 的通信和数据传输。此接口处理器将 GDP 连接到 Intel Multibus，并且可以有多个总线，每个总线由 Intel 8086 控制。该 8086 连接到内存和一些 I/O 设备。此设置意味着所有输入和输出实际上都由 8086 处理，在这种情况下，它被称为附加处理器。

在软件层面，432 的最初设计是使用 ALGOL 68 作为其汇编语言，但在发布时，这已更改为 Ada。432 支持两种类型的指令：标量和对象。标量指令包括移动和存储运算符、布尔、二进制和浮点运算以及比较器。所有标量指令都对 8 位字符、16 位和 32 位整数（有符号或无符号）以及 32 位、64 位和 80 位浮点数进行运算。该架构是基于堆栈的，操作数从堆栈中获取，结果被推回，并且它缺少通用寄存器。

图片来自 Ken Sherriff

在这种设计中，所有 系统资源都表示为对象。因此，例如，432 系统中 GDP 和 IP 的状态由处理器对象表示。然后，这些处理器对象具有一系列子对象，这些子对象是要执行的进程的表示。然后通过访问描述符或 AD 处理对象的寻址。范围、类型、存储、端口甚至指令都有对象。

如果这一切听起来都很复杂且过度设计，那是因为它确实如此，并且在查看 Intel 关于 432 的专利中的框图时，事情会变得更加复杂。所有这些巨大的复杂性导致系统的通用速度约为 8086 的四分之一。至于为什么性能如此糟糕，一种提供合理解释的说法是切换到 Ada。这种情况发生在开发的后期，编译器团队几乎没有时间开发工具，而软件团队开发 iMAX 432 操作系统的时间更少。所有这些导致许多常见操作需要一百多个周期。鉴于性能不佳且当时 Ada 编译器的成本高于汽车，432 基本上没有市场，Intel 浪费了大约 1 亿美元。当然，副作用是世界得到了 8086。

经历了一次重大胜利和一次重大损失后，Intel 在 1982 年以地球上最大的金属氧化物半导体 IC 制造商的身份进入市场。该公司在旧金山湾区、波特兰、凤凰城、奥斯汀、阿尔伯克基、波多黎各、马来西亚、菲律宾、日本、巴巴多斯、以色列、比利时和英国设有工厂。Intel 的销售办事处遍布 27 个国家/地区。64K 的 2164A DRAM 于 1982 年开始批量生产，Intel 发布了提供 128K 的 27128 EPROM、Intel Personal Development System、8096 微控制器、80150（芯片上的 CP/M）和 Intel 80186/80188。

80186 是一款具有 20 位地址总线的 16 位微处理器。与 8086 和 8088 一样，80188 大致与 80186 相同，但具有 8 位数据总线。最初的芯片的时钟频率为 6MHz，与同等速度的 8086 相比，由于微代码的改进，80186 稍快一些。80186 的指令集在其前代产品的基础上略有扩展，并且这些扩展也在后来的 x86 芯片以及 NEC x86 芯片中找到。与 8086 不同，80186 集成了时钟发生器、中断控制器、定时器、等待状态发生器和一些其他组件。但是，它不包括内存。因此，对于那些希望将 80186 用作微控制器的人来说，他们仍然需要 ROM 和 RAM。

Intel 80286 芯片，图片由 Pauli Rautakorpi CCA 3 拍摄

Intel 80286（或 iAPX 286）的工作始于 1978 年，CPU 于 1982 年 2 月 1 日推向世界。这是一款具有 24 位寻址的 16 位 CPU，允许它支持高达 16MB 的 RAM。Intel 推出的第一款产品的时钟频率为 5MHz、6MHz 或 8MHz。后来的型号的时钟频率高达 25MHz。80286 由 120,000 个晶体管（后来的型号使用 134,000 个晶体管）在 1.5 微米 HMOS 工艺上制造而成。它采用 68 针 PGA，但还有其他封装选项可用。根据时钟频率，处理器每秒可以达到大约 900,000 条指令到高达 266 万条指令。在大多数情况下，80286 的性能大约是同等时钟频率的 8086 的两倍。该芯片包含来自 80186 的新指令，但它为其新的受保护虚拟地址模式添加了更多指令。受保护模式旨在支持高级多任务处理和多用户操作系统，从而为 Intel 进入服务器和工作站市场提供机会。为此，该芯片为数据、代码和堆栈提供了不同的段，并防止这些段重叠。然后，每个段都分配有一个特权级别，其中较低特权级别的段无法访问较高特权级别的段。这些进步并未被大多数拥有 286 的人普遍使用，因为该芯片无法从受保护模式有效地切换回实模式。在 286 上完成此切换的最常见方法是 IBM 的 OS/2 采用的方法：三重错误 CPU，触发关机周期，让主板重置 CPU，并让 BIOS 跳过自检并立即跳转到 CPU 执行返回后指定的内存地址。这很慢，OS/2 直到 1987 年 12 月才向公众发布，到那时，Intel 已经交付了 500 万个 286 CPU。在 Intel 与 Digital Research 合作时，通过 Intel 对微代码所做的更改，这在后来的型号中得到了加速（因此晶体管数量有所增加）。这是 Intel，因此 80286 配备了一套支持芯片，但与该公司之前的 CPU 不同，286 具有集成的内存控制器。除了已经提到的 OS/2 之外，286 还看到了 Concurrent DOS、Windows、XENIX、Coherent 和 Minix 的端口。当然，大多数 286 用户都会运行 PC-DOS 或 MS-DOS。

基于 286 的 Foxboro SPECTRUM Command Center，用于制造系统的实时过程控制

Intel 在 1982 年结束时收入为 899,812,000 美元，收入为 30,046,000 美元。正如 Intel 在此之前几乎每一年所看到的那样，该公司一直在大力投资于扩张。Intel 的快速增长意味着该公司可以超越竞争对手的生产能力，这使他们在 1983 年的 16 位微处理器市场中占据了 72% 的市场份额。

1983 年，该公司发布了新的微控制器，186 和 286 正在批量生产中，发布了 60 多款采用 8086/8088 的新微型计算机，并且虽然该公司不再是内存市场的王者，但他们仍然很强大。该公司发布了 256K EPROM、4K NVRAM 和 Intellec Series IV 开发计算机。Intel 跨越了十亿美元大关，当年收入为 1,121,943,000 美元，收入为 116,111,000 美元。

1984 年，Intel 大幅增加了其研发支出至 1.8 亿美元（约占收入的 11%），他们推出了 70 种新产品，CPU 产量每季度增加了两倍，并推出了一种新的 CHMOS 工艺。在这些新产品中，包括 CHMOS DRAM、EPROM、网络控制器、MULTIBUS II 规范和用于工业应用的 BITBUS 串行通信规范。1984 年的收入为 1,629,332,000 美元，收入为 198,189,000 美元。

1985 年，半导体行业面临供过于求和需求下降的问题。在整个行业中，公司一直在竞相生产更多产品，因为无论他们销售多少，人们仍然渴望更多。这种情况发生了变化，内存价格急剧下跌。为了应对这种情况，总裁兼首席运营官 Andy Grove 以及董事长兼首席执行官 Gordon Moore 宣布 Intel 将退出内存业务。他们在该行业唯一剩下的投资是 EPROM。从那时起，Intel 的主要市场是微处理器。在该行业中，该公司将生产 CPU、外围芯片、将 CPU 和外围芯片组合成一个的微控制器以及为软件市场提供以 Intel 产品为目标的系统的开发系统。在内部，该公司随后开始强调提高产量、降低单位成本、为其客户提供可靠和准时的交付以及引领 CPU 架构市场。

Intel 386，芯片照片和布局由 Ken Sherriff 提供

来自现在明确以 CPU 为导向的公司的第一个 CPU 是 10 月中旬的 Intel 80386（或 i386）。386 的开发早在 80286 完成后就开始了，并且该开发周期花费了该公司几乎与 iAPX 432 一样多的费用。386 的架构由 John Crawford 领导，但他并非孤军奋战。386 团队包括 Jan Prak、Jim Slager、Gene Hill、Chris Krauskopf、Jill Leukhardt、Pat Gelsinger、Greg Blanck 等等。还有一些人，例如 Les Kohn，虽然从未被分配到该项目，但对设计和实施做出了巨大贡献。这是 Intel 首次在 CPU 的设计中广泛使用自动化系统设计、仿真、CAD 和 UNIX 工具，并且是首次大规模使用 CMOS。在所有这些方面，Gelsinger 变得比他原本可能更重要，因为他是 Intel 的常驻 UNIX 专家。他在项目中的角色随着时间的推移而增长，他领导了 tapeout 团队。

Intel 80386 在发布时由 275,000 个晶体管在 1.5 微米 CHMOS III 工艺上构建而成，时钟频率为 16MHz，可以达到大约每秒 400 万条指令的性能。它采用 132 针 PGA，并提供更多封装选项，具体取决于应用。后来的型号的时钟频率可以从 12.5MHz 到 40MHz，采用 1 微米 CHMOS IV 工艺制造，并且芯片上最多可以有 855,000 个晶体管（SL 变体）。386 是一款 32 位处理器，具有 6 级指令流水线、片上 MMU，并提供实模式、受保护模式和虚拟模式。在受保护模式下，386 可以寻址 4GB 的 RAM。如果在受保护模式下使用分段，则 386 可以寻址高达 64TB 的虚拟内存。386 的一个关键优势在于，对于任何程序（和程序员）而言，尽管硬件使用分段，但 386 在受保护模式下会表现得好像它具有平面内存模型。386 还再次扩展了 x86 指令集，添加了新寄存器，并大大提高了向后兼容性。借助 386，机器可以利用虚拟模式，即虚拟 8086 模式，同时运行多个实模式（通常是 MS-DOS）程序。此处理器还引入了名称更改。Intel 没有使用 386 和 388，而是选择将完全 32 位的部件称为 386DX。具有 16 位数据总线的 386 是 386SX。这两个变体之间的另一个主要区别是 386SX 在地址总线上仅连接了 24 个引脚，这会将 RAM 限制为仅 16MB。在实践中，当时大多数家庭用户甚至没有 16MB 的 RAM。386 获得了巨大的操作系统支持，包括 Windows、NT、OS/2、Linux、BSD、XENIX、PC-MOS/386、Coherent、LynxOS、BeOS、Integrity 和 NetWare。然而，除了早期的 386 工作站之外，大多数 386 所有者仍然会运行 MS-DOS 或 Windows。

386 很容易成为有史以来最重要的 CPU 之一。虽然它可能没有某些竞争对手那么强大，但它是使商品微型计算机能够以远低于工作站和小型计算机的价格真正与之竞争的芯片。这也是 Compaq 打破 IBM 对 PC 平台控制 的推动者，并且它使 Windows 成为 PC 兼容机的默认选择。

Intel 在 1985 年结束时收入为 1,364,982,000 美元，收入为 1,570,000 美元。虽然我确信利润的急剧下降让许多人感到担忧，但 Intel 的未来比以往任何时候都更加光明。该公司已准备好用于 386 的开发系统，并且许多供应商已经开发了围绕 386 的系统设计，或者已承诺这样做。

我有来自许多我所报道的公司的读者，你们中的许多人都在我所报道的时间段内。你们中的一些人在我的文章中被提及。欢迎对记录进行所有更正；请随时发表评论。