Prozessor-Architektur

Der x86-Prozessor wird 30 - wie Intel dank IBM alle Gipfel stürmte

23.06.2008
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Simon Hülsbömer betreut als Senior Research Manager Studienprojekte in der Marktforschung von CIO, CSO und COMPUTERWOCHE. Zuvor entwickelte er Executive-Weiterbildungen und war rund zehn Jahre lang als (leitender) Redakteur tätig. Hier zeichnete er u.a. für die Themen IT-Sicherheit und Datenschutz verantwortlich.

"Riscante" Konkurrenz

Ende der Achtziger Jahre drohte Gefahr: Das "Reduced Instruction Set Computing" (Risc) kam auf, und Risc-Technologien wie der Sun Sparc, die Power-Architektur von IBM, Apple und Motorola sowie die Mips-Prozessoren der gleichnamigen Firma sollten Intel Konkurrenz machen. Ein vereinfachtes Chipdesign mit simplen Rechenoperationen sollte die Geschwindigkeit in die Höhe treiben und Cisc (Complex Instruction Set Computing) -Prozessoren wie die x86-Chips vom Markt verdrängen. "Das war eine schwere Zeit für uns", erinnert sich Gelsinger. Mit dem i860 wagte Intel damals selbst ein Risc-Experiment, auch weil viele unabhängige Experten das Ende der x86-Ära vorhersagten. Trotz allem überlebte die x86-Architektur - ihre Vorherrschaft am Markt war nicht zu stoppen.

Gelsinger erklärt das mit dem unschätzbaren wirtschaftlichen Vorteil, den Intel durch das große Softwareangebot für seine Chips hatte. "Bereits vor dem Release des 486 im April 1989 war Software im Wert von mehreren Milliarden Dollar für den Chip auf dem Markt. Die Risc-Hersteller dagegen brauchten eine gewisse Zeit, Programme zu entwickeln - in der Zwischenzeit haben wir unsere x86-Chips einfach noch schneller gemacht." Weder der i860 noch alle anderen Risc-Prozessoren konnten den Erfolg der x86-Linie jemals gefährden. Den Versuch, den i860 als weitere CPU-Plattform zu etablieren, sieht Intel heute selbst als Fehler an. Trotzdem flossen in die weitere Chipentwicklung immer wieder Ansätze der einstmals hochgelobten Technologie ein.

Der Pentium und die fetten Jahre

1993 erschien der erste Pentium. Intel rückte von seiner bisherigen Namensgebung ab, weil Zahlen nicht markenrechtlich geschützt werden können. Mit 3,1 Millionen Transistoren in Strukturen von anfangs 0,80 Mikrometer (800 Nanometer) übertraf er seinen Vorgänger um mehr als das Doppelte. Der erste Intel-Pentium-Prozessor war mit 60 Megahertz getaktet. Eine signifikante Leistungssteigerung erreichte er durch die Verdoppelung der Instruktions-Pipelines: Die CPU konnte in einem einzigen Taktzyklus zwei Befehle ausführen. Darüber hinaus verfügte der Pentium über zwei Cache-Speicher mit einem Volumen von jeweils 8 KB. Einer dieser beiden temporären Zwischenspeicher speicherte die aktuellen Instruktionen einer aktivierten Applikation, der andere Cache verwaltete die jeweils aktuellsten Daten auf dem Prozessorchip. Das Ergebnis: Der Datenzugriff beschleunigte sich erheblich, da der Prozessor seltener auf den Arbeitsspeicher des Computers zugreifen musste. Zudem war der externe Datenbus zum Hauptspeicher nicht mehr 32 Bit, sondern 64 Bit breit. Damit ließen sich in einem einzigen Buszyklus doppelt so viele Daten übertragen wie beim 486.

Bereits ein Jahr nach der Einführung des Pentium-Prozessors kam im März 1994 ein Modell mit einer Taktrate von 100 Megahertz auf den Markt, 1995 folgten eine Version mit 120 und eine mit 133 Megahertz. Im Januar 1996 schob Intel schließlich noch Varianten mit 150 und 166 Megahertz hinterher. Parallel modernisierte der Konzern den Fertigungsprozess von anfänglich 800 Nanometer auf 350 Nanometer. Folge dieser Miniaturisierung waren höhere Transistorzahlen im Prozessor (bis zu 3,3 Millionen) sowie eine höhere Leistung bei geringerem Energieverbrauch. Letzteres war wichtig, da elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, die einem Halbleiterchip mit hoher Transistorendichte durchaus Schaden zufügen kann. Doch eine aufwändige Prozessorkühlung widerspricht dem Charakter eines Mikroprozessors, der auf kleinstem Raum agieren soll. Intel setzte stattdessen die Prozessorintelligenz ein, um den Verbrauch an elektrischer Leistung zu senken. Wurde dem Prozessor nur eine geringe Arbeitsleistung abverlangt, etwa bei der Textverarbeitung, wechselte er automatisch in einen "Low-Power-Status". Wurde ein Computer zeitweilig nicht benutzt, versetzte sich der Pentium von selbst in einen Schlafmodus, um sich zu schonen und um Strom zu sparen. Damit erschloss sich der Pentium mobile Geräte wie Notebooks.