Компьютерная голова. История развития чипсетов. Часть 1
Спросите у любого друга или знакомого, какой у него компьютер. В ответ услышите название и частоту процессора, количество оперативной памяти, модель видеокарты. Едва ли кто-то станет говорить о системной плате, ведь мы давно привыкли, что она не сильно влияет на скорость. Но обделенная вниманием материнка — чуть ли не самая важная составляющая любой системы, от нее зависит стабильность работы компьютера и возможности его расширения.
Современная материнская плата представляет собой сложный набор электронных компонентов — один или два интегрированных чипа (мосты), дополнительные контроллеры, конденсаторы, микросхемы и соединительные элементы, порты, разъемы, расположенные на многослойной кремниевой подложке.
Многочисленные контроллеры шин и интерфейсов интегрируют прямо в мосты, все усложняя и усложняя процесс производства. За последние два-три года строение и внешний вид материнских плат претерпели существенные метаморфозы — на замену старым интерфейсам пришли новые, изменились процессорные разъемы, появились системы охлаждения с тепловыми трубками.
Львиную долю функций берут на себя северный и южный мосты. Они обеспечивают работу компонентов компьютера, поддержку основных интерфейсов вроде USB и PCI, взаимодействуют с операционной системой и т.д. Мосты — одно из самых гениальных изобретений за всю историю компьютерной индустрии. Интеграция нескольких контроллеров в один микрочип сделало компьютер таким, каким мы видим его сейчас. А ведь когда-то все было по-другому — не было ни интегральных микросхем, ни даже транзисторов. Сегодня мы расскажем, как развивались материнские платы и что нового появилось с тех давних времен, когда великие мира сего говорили, что «каждому должно быть достаточно 640 Кб памяти» (Билл Гейтс, 1983). Первая остановка — США, штат Нью-Джерси, 1945 год.
Время для транзисторов
Стоп, стоп, стоп! Похоже, мы попали не в Нью-Джерси. Если верить местным газетам, на дворе 1925 год. Ну конечно, в этом времени трудится Герман Холлерит , основатель корпорации International Business Machines ( IBM )! Последняя еще сыграет свою решающую роль в развитии чипсетов, но ее время пока не пришло — в 1925-м компания занималась перфокартами и счетным оборудованием. А пока перенесемся на двадцать лет вперед, в штат Нью-Джерси.
1945 год. Вторая мировая только закончилась, старушка Европа лежит в руинах, США пытаются оправиться от шока. Война показала, что вычислительная техника может существенно облегчить жизнь. Физика, химия, математика — во всех этих областях использование компьютеров ускоряло нахождение решений, высвобождало время на другие задачи. Вместе с тем существующая техника показала свою несостоятельность — правительство США решило отправить на пенсию вакуумные трубки, используемые на тот момент в качестве основного вычислительного элемента. За развитие нового направления взялась известная исследовательская компания Bell Laboratories , которая сформировала группу Solid State Physics Group во главе с Уильямом Шокли и Стэнли Морганом.
Хрупкие, громоздкие и постоянно перегревающиеся вакуумные трубки необходимо было заменить чем-то компактным и надежным. Именно такую задачу поставила Bell Labs перед группой ученых. В подчинении парочки были физики (Джон Бардин, Уолтэр Брэттэйн, Джеральд Пирсон), один химик и эксперт по электронике, а также несколько техников. Именно эти люди ответственны за переворот, совершенный несколькими годами позже. Кто знает, может, если бы Solid State Physics Group не справилась с задачей, мы до сих пор бы наблюдали вакуумные трубки внутри компьютеров?
Не будем вдаваться в подробности взаимоотношений Шокли и его подчиненных. У них, скажем так, не все было гладко. Первый успешный эксперимент завершился в 1947 году, когда Бардину и Брэттэну удалось создать работающий транзистор. Однако несогласие Шокли и его тайная работа над более совершенным типом транзисторов оттянули время — руководителю не нравился метод, разработанный подчиненными. В начале 50-х Шокли представил собственный биполярный плоскостной транзистор и 558-страничную книгу про электроны, PN-переход и полупроводники ( Electrons and holes in semiconductors, with applications to transistor electronics ). Данное собрание материалов впоследствии стало библией для ученых в области электроники.
Биполярные плоскостные транзисторы используют по сей день. Сравнительно простую структуру, где ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом (затвором), превзойти так и не удалось. Кстати, транзистор получил свое название от комбинации двух слов — «transfer» (переносить) и «resistor» (сопротивление).
Группа могла бы сделать еще много важных открытий, но Шокли оградил Брэттэна и Бардина от работы над плоскостными транзисторами. Да и сам «повелитель электронов» больше не появится в нашем повествовании — свою роль он уже отыграл. Про Уильяма Шокли говорят, что именно он «принес кремний в Кремниевую долину».
Итак, транзистор создан, отправляемся дальше. Скачок во времени будет совсем небольшим. Спустя два года после открытий Шокли британский специалист по радарам Джеффри Даммер предложил концепцию интегральной микросхемы. Его идея заключалась в расположении миниатюрных элементов на керамической подложке и последующего их объединения в двумерную или трехмерную сетку. К сожалению, реализовать эту идею ему так и не удалось. Зато в этом преуспели американцы Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor. Килби показал коллегам простейшую по современным меркам микросхему, состоящую из транзистора и соединительных компонентов на кусочке германия. Именно она открыла перед производителями компьютеров новые горизонты — началась эпоха интегральных схем и транзисторов.
Звездная болезнь
Почему компьютер Altair 8800 назвали именно так? На фоне конкурирующих систем того времени, например Heathkit H8 , слово «Altair» смотрелось очень загадочно и романтично. Говорят, название Altair придумала 12-летняя дочка редактора журнала Popular Electronics , который писал статью о новом компьютере. Создатель был настолько занят, что поручил придумать название дочке. Она думала недолго — в созвездие Альтаир тем вечером должен был отправиться корабль Enterprise из сериала Star Trek.
Вторая версия истории обходит 12-летнюю девочку стороной. Изначально редактор журнала Лес Соломон собирался назвать компьютер PE-8 ( Popular Electronics 8 bit ), но передумал — слишком скучно. Тем более создатель машины мог придумать что-нибудь еще более аморфное — вроде Digital Computer Model 400. Тогда помощник редактора предположил, что раз новый компьютер является чем-то революционным и возвышенным, то и название должно быть соответствующим. Так выбрали красивое название Altair.
Какой из версий доверять больше, решать вам. Достоверные данные канули в Лету вместе с журналом Popular Electronics , последний номер которого вышел в 1999 году.
Свежие идеи, яблоки и клавиатура
Вплоть до середины 70-х производители компьютеров осваивали технологию интегральных схем, заодно наращивая число транзисторов. Произошел громадный технологический прорыв — с момента появления идеи интеграции индустрия перешла от Small-Scale Integration с несколькими десятками транзисторов в одной микросхеме до Large-Scale Integration с десятками тысяч транзисторов. Настало время для маленьких, домашних компьютеров (до этого балом правили мейнфреймы вроде монструозного Univac и IBM System/360 ), которые поначалу называли микрокомпьютерами.
Мы уже вплотную приблизились к периоду, когда появились первые материнские платы в том виде, в каком мы привыкли их наблюдать, а именно — в виде небольших печатных пластин с разъемами. Здесь стоит чуть-чуть притормозить, ведь микроэлектроника не продвинулась бы дальше без появления процессоров.
Основанная в 1968 году компания Intel уже представила ЦП Intel 4004. К моменту появления первых микрокомпьютеров было доступно несколько моделей процессоров, включая MOS Technology 6502 , Intel 8080 и другие.
Первым компьютером с материнской платой, которую в те времена именовали объединительной панелью (backplane), стал Altair 8800. По большому счету, понятия «backplane» и «материнская плата» можно уравнять друг с другом, между ними есть лишь одно отличие — backplane не оснащали разъемом для процессора, он подключался к внешним портам, как и другая периферия. В соответствии с реалиями 1975 года объединительная панель существовала лишь для обеспечения связи между компонентами компьютера. Altair 8800 представлял собой двухсекционный корпус с объединительной панелью и блоком питания в одной секции и 8-дюймовым флоппи-дисководом в другой. Компьютер с процессором Intel 8080 не отличался большой функциональностью — чего можно было ожидать от создателя Эда Робертса , который до этого занимался производством калькуляторов и вольтметров?
Простейшая по современным меркам система включала процессор, карту расширения и контроллер передней панели, установленные в самопальные порты с ручной разводкой. Все компоненты подключались к единой шине и работали параллельно. К слову, в Altair впервые появилась шина S-100 , которая в будущем стала стандартом де-факто, а молодой Билл Гейтс впервые адаптировал язык BASIC для микрокомпьютера.
Неожиданно для самих создателей компьютеры Altair 8800 разошлись тиражом в несколько тысяч экземпляров. Последний Altair 8800 выпустили в 1978 году, и на этом его эпоха подошла к концу. Тем более что на арене уже появились Стив Возняк и Стив Джобс , которые в 1976 году создали компанию Apple и начали собирать компьютеры в гараже. Первый хорошо разбирался в электронике, второй генерировал идеи и знал, как заработать на компьютерах. С самого начала Apple пошла своим путем: вместо того чтобы продавать систему в готовом виде, как это делали конкуренты, компаньоны анонсировали плату с тремя десятками микрочипов. Все остальное — корпус, монитор, клавиатуру, блок питания — покупателям приходилось покупать самостоятельно. На сохранившихся фотографиях компьютер Apple I предстает в виде потрясающего воображение деревянного ящика с выцарапанным названием, несуразно встроенной клавиатурой и креплениями для экрана. Кстати, именно Apple впервые реализовала поддержку клавиатуры в домашнем компьютере.
За несколько лет компании удалось продать порядка 200 компьютеров Apple I, каждый стоил $666,66. В рамках нашего исследования было бы интересно взглянуть на материнскую плату, собранную Возняком для Apple I. Оказывается, разработчики использовали практически закрытую архитектуру — все чипы, включая процессор MOS 6502 (1 МГц) и 4 Кб оперативной памяти, были впаяны в печатную плату. Для желающих увеличить объем памяти (до 48 Кб) был предусмотрен разъем, напоминающий современный PCI. Вывод изображения на монитор осуществлялся через композитный разъем, еще один вход был предназначен для клавиатуры. Разумеется, никаких высокоинтегрированных микросхем в Apple I не было и в помине — каждый из микрочипов отвечал за свою функцию.
Apple I считают первым коммерчески доступным домашним компьютером (в современном понимании). Система не могла похвастаться высокой функциональностью, но предопределила дальнейшее развитие рынка микрокомпьютеров на десятилетие вперед. Успех Apple I вдохновил создателей на дальнейшую работу. А теперь прыгнем на год вперед: собрав 200 систем первого поколения, Джобс и Возняк представили Apple II , настоящую революцию.
Второе поколение машин от Apple, несмотря на все тот же процессор и объем оперативной памяти, несло в себе массу инноваций. Система получила корпус, экран и интерфейс для подключения кассетных накопителей (чтобы загружать программы и хранить данные), в постоянную память ROM вшили язык Integer BASIC. Вместе с Apple II на компьютерной арене появилось два конкурента — легендарный Commodore PET и Tandy TRS-80. Некоторое техническое превосходство последних двух негативно сказалось на популярности Apple II, но в контексте нашей статьи это неважно. Интереснее заглянуть под пластиковые корпуса и посмотреть, что за железо использовали производители конца 70-х.
В плане расширяемости Apple II оказался весьма продвинутым — первая версия и дальнейшие модификации использовали материнскую плату с 6-8 разъемами для подключения периферии. Плата представляла собой набор чипов, впаянных в текстолит. Сложность строения чипов не изменилась со времен Apple I. Среди них были: центральный процессор, оперативная память (RAM), постоянная память (ROM), графический чип, все это объединяла шина S-100, реализованная еще в Altair 8800. Компьютер мог выводить на экран цветное изображение. Для 1978 года это был прорыв. Чип поддерживал разрешение 280х192, до четырех цветов одновременно. 8 разъемов для подключения периферии позволяли расширить функциональность компьютера за счет сопроцессоров, звуковых карт, модемов. Чем не облик современного ПК? Правда, ассортимент комплектующих был невелик.
Рассказывать о материнских платах того времени можно долго — нерассмотренными остались внутренности таких систем, как Commodore PET, Heathkit H8/H89/WН89 , Texas Instruments TI-99/4. Однако в детальном описании нет необходимости, ведь на примере Apple I/II можно понять, как все обстояло в те времена.
Конец первой части
В следующем выпуске мы отправимся в середину 80-х и проследим за появлением первых IBM PC , перейдем к более современной эпохе, станем свидетелями ухода компонентов системы с текстолита материнской платы. Будет еще много интересного.