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Zum 25. Geburtstag der Prozessorarchitektur, die die Welt veränderte

Wissen | Reportage

Im Juni feiert die x86-Architektur - die ja auch den Pentium und den Athlon „beseelt“ - ihr erstes Vierteljahrhundert und c't gratuliert, wie es sich gehört, mit einem Ständchen. Und nach altem Brauch darf das Geburtstagskind, vertreten durch Intels Cheftechnologen Pat Gelsinger, selbst die Ansprache an die c't-Leser halten, ganz exklusiv. Doch bevor das Gespann das Wort erhält, ist unsere eigene Laudatio dran, die sich - da ja Pat die Intel-Sicht genügend aufzeigt - mehr um die Gäste kümmert.

Aufmacher

Wer kennt die Namen, zählt die Chips, etwa von den Firmen Krueger aus Tennessee oder Harris aus Florida? Wer weiß noch, dass auch Siemens dazugehörte und all die Japaner Oki, NEC, Mitsubishi, Toshiba und Fujitsu und na klar auch der kalifornische Nachbar AMD? Dass ihn die Russen (natürlich illegal) als KR1810VM86 nachbauten - dass er also einen riesigen Fan-Club im Chip-Lager hatte: Intels 16-Bit-Prozessor 8086. Etwas später bekam er noch einen schlankeren Bruder mit 8-Bit-Bus zur Seite gestellt, den 8088, der aus heutiger Sicht eigentlich 8086SX hätte heißen müssen.

Und dann gab es noch ein Geschwisterkind, weit wertvoller als der Jubilar: der 8087-Coprozessor. Während der 8086-Preis von anfangs etwa 300 Dollar recht schnell auf einige 10 Dollar sank, kostete dieser Rechenknecht eine lange Zeit gut und gerne um 1000 DM (eine frühere deutsche Währung). Diese exorbitanten Preise machten es für andere Firmen sehr lukrativ, hier mit sockel- und instruktionskompatiblen Chips mitzumischen, Firmen wie IIT oder ULSI brachten ihre FPUs auf den Markt, wurden aber von Intel zum Teil recht unsanft aus dem Wettbewerb gedrängt.i

Im späteren Verlauf sollten noch Dutzende von Firmen mit und ohne Intels Segen versuchen, an den süßen Früchten des x86/87/88-Markterfolges mitzuknabbern, sei es mit lizenzierten Nachbauten oder aber mit eigenen Designs.

Auch die texanische Firma Cyrix startete zunächst mit deutlich leistungsfähigeren Coprozessoren - was auch recht einfach war, da Intel damals recht hausbackene Algorithmen verwendete und Cyrix einen cleveren Mathematiker zu Hilfe holte, der das mal richtig durchoptimierte. Und Cyrix war auch der erste richtige x86-Prozessorkonkurrent von Intel. Während AMD sich von Anfang an auf einem Patentaustauschabkommen mit Intel ausruhte und deren Prozessoren lediglich eins zu eins nachbaute, brachte Cyrix ein eigenes Design zu Stande, das dem Intel-Prozessor gar immer eine halbe Generation voraus war. So integrierte Cyrix in einem 386-kompatiblen Chip einen kleinen L1-Cache. Das war alles andere als trivial, insbesondere - ja, ja Alt-Leser wissen, was jetzt kommt - da es inzwischen eine Hardware-Absurdität namens A20-Gate gab, die das nahezu unmöglich machte. Dieses merkwürdige Gate, das auch heutzutage immer noch allen Prozessoren bis hin zum Opteron oder Itanium-2 eingepflanzt ist, war keinesfalls auf dem Mist von Intel gewachsen, sondern auf dem von IBM - und auch die waren nicht wirklich Schuld an diesem Auswuchs ... sondern Microsoft. Bill Gates und seinen Mannen hatten in ihrer DOS-Software den Umlauf (Wrap-around) an der 1-MByte-Grenze des 8086 genutzt, sodass sich IBM aus Gründen der heiligen Kompatibilität gezwungen sah, diesen Umlauf beim 80286 mit Hilfe des urigen A20-Gates zu simulieren. Und das gilt bis heute (siehe Gelsingers Credo zur Kompatibilität „bug-for-bug“) und so kann man damit alle Prozessoren „voll kompatibel“ zum Urvater 8086 machen.

Cyrix schuf in den 90er Jahren ein paar beachtenswerte Designs, verkalkulierte sich aber ein wenig bei der Herstellung - war dabei auf Fremdfirmen wie IBM angewiesen - und kam dann ins Straucheln. National Semiconductor kaufte die Firma auf und musste sie nach drei Jahren mit viel Verlust wieder abstoßen. Doch Neubesitzer VIA kaufte sich auch noch die Chipschmiede Centaur hinzu und im darauffolgenden „Rasenkrieg“ - was das ist, beschreibt Gelsinger sehr anschaulich in seinem Beitrag - obsiegte Centaur klar nach Punkten: Cyrix wurde „abgewickelt“. Die Strom sparenden Centaur-Prozessoren (ebenfalls aus Texas) machten sich dann im Lowcost-Geschäft ganz gut, sie stellen heute die dritte x86-Macht nach Intel und AMD dar.

Letztere musste nach dem Auslaufen des Patentaustauschabkommens nolens volens (nach ein bisschen rechtlichem Gerangel mit Intel) eigene x86-Prozessoren auf die Beine stellen. Der erste Versuch namens K5 war von der Theorie her toll, in der Praxis aber nicht das Gelbe vom Ei. Mit unglaublichem Staunen sahen die AMD-Entwickler dann auf dem Microprocessor Forum 1995 das Nx686-Design der viel kleineren Entwicklerbude NexGen. Schwupps kauften sie Firma, Design und Entwickler für ein mittleres Vermögen auf, änderten deren Philosophie hin zum Pentium-kompatiblen Sockel und landeten mit dem K6-Prozessor einen Hit. Unter der Ägide des rührigen, ehemaligen NexGen-Chefs Atiq Raza entstand dann der K6-2 mit der eigenen Instruktions-Erweiterung 3Dnow! und vor allem der Athlon, von dem sich auch wesentliche Teile des aktuellen Hammerprozessors ableiten.

Metaflow, ein kleines 1988 in Kalifornien gegründetes Startup, entwickelte als erste Firma bereits im Jahre 1990 das Konzept eines Prozessors, der den x86-Code zur Laufzeit zunächst in so genannte Mikrooperationen zerlegt, um diese dann in mehreren parallelen Pipelines dynamisch, out of order und spekulativ ausführen zu können. Metaflow bekam hierzu sechs wichtige Patente zuerteilt, die die Basis für eine Vielzahl späterer Intel-Patente rund um die P6-Architektur wurden (Intel-intern wurde der P6 auch als „Metaflow“-Prozessor bezeichnet). Allerdings konnte Metaflow aus Intels „Anleihe“ keinen richtigen Profit schlagen, da ihr Hauptinvestor Hyundai mit Intel ein Patentaustauschabkommen abgeschlossen hatte und Intel so frei über die Patente verfügen konnte.

1997/98 wurde Metaflow von SGS-Thomson (heute STMicroelectronic) übernommen, die eine eigene x86-Prozessor-Entwicklung auf die Beine stellen wollten. Doch SGS kam damit nicht zurande und vertickerte die Intellectual Property (IP) von Metaflow an IBM.

IBM plante nämlich ebenfalls ein interessantes Produkt, den PowerPC 615, der wahlweise Power- oder x86-Code ausführen sollte. Gerüchten zufolge wurde das PPC615-Projekt gestoppt, nicht etwa weil es nicht lief, sondern weil es zu gut lief. In der x86-Emulation soll der Prozessor unter Windows in vielen Anwendungsbenchmarks besser ausgesehen haben als in seinem nativen PowerPC-Modus unter Mac OS. Das wäre in der Apple- und RS6000-Welt nur recht schwer zu kommunizieren gewesen - also weg damit.

SGS-Thomson und IBM waren darüber hinaus auch Lizenzpartner der kleinen Cyrix-Klitsche aus Texas und fertigten deren 486-Chips unter eigenem Label. Als Dritter im Cyrix-Bunde war auch noch Texas Instruments mit dabei - und auch dieser Halbleiterkonzern, der ja immerhin den ersten Mikroprozessor der Welt noch vor Intel hatte patentieren lassen, hegte große x86-Träume. Mit der größten Entwicklergruppe seit Firmenbestehen wollte TI endlich mal was Eigenes zur x86-Welt bringen, einen Super-Pentium, doch auch aus diesem Geheimprojekt wurde nichts: Anfang 1997 wurde es sang- und klanglos eingestellt - gut für Newcomer Transmeta, der bereitwillig viele der Entwickler übernahm.

Transmetas Gründer Dave Ditzel wollte nämlich seinen Traum realisieren: Ein leistungsfähiger VLIW-Prozessor sollte den Code eines anderen Prozessors zur Laufzeit in den eigenen Code übersetzen (Code morphing), sich aber anders als bei Intels P6 den übersetzten Code in großen Zwischenspeichern merken und ihn sogar nachträglich optimieren. Und im Unterschied zu vielen der hier aufgelisteten Projekte führte dieser Traum tatsächlich im Januar 2001 zu einem Produkt, dem viel umjubelten Crusoe-Prozessor. Der große Markterfolg blieb bis jetzt zwar aus, aber in die Kategorie Papiertiger gehört Transmetas Idee mitnichten.

Dieses Etikett passt viel mehr zu dem mit Vorschusslorbeeren überschütteten E2K-Prozessor der russischen Firma Elbrus. Boris Babaion, zu Sowjetunion-Zeiten bedeutendster Computerspezialist des Landes, wollte hiermit ein gewichtiges Gegenstück zu Intels Itanium lancieren. Sein E2K-Prozessor sollte sowohl x86- als auch IA-64-Code in eigenen VLIW-Code übersetzen und bis zu 23 Befehle gleichzeitig ausführen können. Die angepeilte Performance hörte sich zumindest 1999 beeindruckend an, mit 135 SPECint95- und 350 SPECfp95 wäre er drei- bis fünfmal schneller als sein Itanium Gegenstück (damals mit 800 MHz) gewesen. Aktualisiert auf heutige Taktfrequenzen würde der E2K immer noch ganz vorne liegen, man hört gar von 500 SPECint95 und 1200 SPECfp95 - rein theoretisch jedenfalls (ein aktueller Pentium 4 mit 3 GHz kommt etwa auf je 120).

Ab und zu gibt dieser russische „Cargolifter“ immer noch ein paar Lebenszeichen von sich, doch bislang hat sich noch nicht einmal der geplante erste Elbrus-Prozessor mit 400 MHz (in 0,18 µm) materialisiert. Gewisse Ähnlichkeiten des E2K zu Transmetas Crusoe sind übrigens unverkennbar. Ditzel hatte schließlich auch als Sun-Mitabeiter mehrere Jahre in Moskau mit Babaion zusammengearbeitet und dabei die ein- oder andere Inspiration aufgenommen.

National Semiconductor wollte auch mal einen eigenen x86-Processor für Embedded Anwendungen herausbringen. Der erste Versuch im Jahre 1996 war ein 486-kompatibler Prozessor namens NS486SXF, der allerdings nur den protected Mode unterstützte. Sein Nachfolger NS586 wurde dann nie richtig fertig, National mottete statt dessen die eigenen Prozessorpläne ein und kaufte wie berichtet 1997 die Firma Cyrix auf. Nach dem verlustreichen Verkauf behielt National den Embedded-Bereich unter dem Namen Geode bei und versucht jetzt wie Sauerbier einen Käufer dafür zu finden.

Auch Big, Big Blue hatte ein paar eigene scheue Versuche in Richtung x86 gewagt. Mit dem IBM386SLC bis zum „Blauen Blitz“ IBM486SLC3 gab es einige interessante Designs vor allem im Bereich Strom sparender Mobilprozessoren. Allerdings hatte sich IBM zuvor mit Intel geeinigt, keine pinkompatiblen Prozessoren herauszubringen, das engte den Markt doch ziemlich ein. Und so gab IBM schon Ende 1993 die Eigenentwicklung wieder auf.

Schwimmversuche im x86-Terrain unternahmen auch der einst führende Chipsatz-Hersteller Chips & Technologies, die Superchips (1992) kamen jedoch nie auf den Markt (C&T wurde später von Intel aufgekauft). Ein paar Jahre später wollte die taiwanische Chipschmiede UMC mal mit Strom sparenden „Green-486er“ ins Geschäft kommen, Intel intervenierte und man einigte sich gütlich: UMC zog sich aus dem Geschäft zurück.

Unweit von den Intel Headquarters in Santa Clara hatte dann Mitte der 90er Jahre ein weiterer x86-Neuling sein Quartier aufgeschlagen: Rise (Transmeta liegt allerdings noch näher dran an Intels Robert-Noyce-Building). Rise brachte 1999 einen Pentium-kompatiblen Prozessor mP6 heraus und konnte tatsächlich ein paar davon verkaufen, doch die PII-kompatiblen Nachfolger mit Codenamen Tiger und iDragon kamen über das Prototyp-Stadium nie hinaus. Immerhin konnte Rise das x86-Design noch an STMicroelectronics und SiS lizenzieren. Erstere bauten es in ein System-on-a-Chip (CP250) ein, Letztere debütierten damit erst unlängst mit einer Chipsatz/Prozessor-Kombination namens SiS 550. Der läuft etwa auf Pentium-200-Niveau und liegt damit doch etwas unterhalb aktueller Bedürfnisse.

Und man glaubt es kaum, immer noch wollen Neulinge in den Club der x86er aufgenommen werden. Auf dem letzten Microprozessor-Forum jedenfalls debütierte ein Startup namens MemoryLogix mit einem neuen Design, bei dem auch ein RISC-Kern zur Laufzeit den x86-Code übersetzen soll. Das besondere an dem MLX1 ist seine Winzigkeit von nur 4,6 mm2. Allerdings hat man von MemoryLogix seitdem nichts weiter gehört und gesehen und auch ihre Website ist weiterhin noch im Aufbau.

Die ganze Fülle der hier vorgestellten konkurrierenden Designs setzte erst nach dem 386-Prozessor ein, einige Jahre nachdem dieser im Jahre 1985 vorgestellt wurde. Das kommt nicht von ungefähr, denn die Fachwelt ist sich einig: der 386 war die wahre Geburt der Intel Architektur. Die Fülle von Erweiterungen und die massive Verbesserung des Instruktionssatzes im 32-Bit-Modus förderten ihn mit einem dialektischen Sprung von der Quantität in eine neue Qualität - und so ist bis heute der eigentliche Prozessorkern (ohne die MMX- und SSE-Erweiterungen) im Wesentlichen 386-kompatibel geblieben. Und damit übergebe ich das Wort an denjenigen, der den 386- und den darauffolgenden 486-Prozessor verantwortlich mitgestaltet hat, also als ein wahrer Vater der Intel-Architektur angesehen werden kann, an Pat P. Gelsinger, der einige interessante Einblicke in die Intel-Welt gewährt - und dass er dabei auch ein wenig die Werbetrommel für seine Corporation rührt, wird ihm am Geburtstag seines Kindes wohl jeder nachsehen ... (as)

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