- O Intel 386 expandiu o x86 para uma arquitetura de 32 bits, com suporte a segmentos de 4 GB e memória virtual, tornando-se um ponto de virada que consolidou a posição do x86 e da Intel na indústria de PCs nos anos seguintes
- As fotos do die mostram que o 386 não foi simplesmente reduzido de CHMOS-III de 1,5 µm para CHMOS-IV de 1 µm: houve grandes mudanças também na orientação da unidade de decodificação de instruções, na densidade das células padrão e na disposição dos bond pads
- O 386 SX manteve a estrutura interna de 32 bits, mas usou um barramento de 16 bits e menos pinos para viabilizar encapsulamento de baixo custo; em 1988, a Intel vendia o SX por US$ 219, pelo menos US$ 100 abaixo do DX
- O 386 SL era uma extensão SuperSet voltada a notebooks, integrando ao núcleo 386 um controlador de barramento ISA, gerenciamento de energia, controlador de cache externo e controlador de memória, com 855.000 transistores
- O 386 foi projetado usando CAD automatizado, simulação RTL, células padrão e datapaths feitos manualmente; após falhas no silício inicial e um bug na multiplicação de 32 bits, impulsionou a transição tecnológica e de mercado da Intel
Por que o 386 se tornou um ponto de virada da computação moderna
- Lançado em 1985, o Intel 386 não foi apenas mais uma etapa da família x86, mas um chip que mudou a estrutura da indústria moderna de PCs
- Levou a arquitetura x86 para 32 bits e definiu a arquitetura de computação dominante do fim do século 20
- Consolidou a importância do x86 não só para a Intel, mas para toda a indústria de computadores
- Encerrou o controle da IBM sobre o mercado de PCs e abriu caminho para a Compaq se tornar líder de arquitetura
- O 80386 representou um grande salto em relação ao 286
- Implementou uma arquitetura de 32 bits
- Adicionou mais instruções
- Deu suporte a segmentos de 4 GB
- Tinha 285.000 transistores, dez vezes o tamanho do 8086 original
- A estrutura interna era bastante complexa para os padrões dos anos 1980
- Oito unidades lógicas eram pipelineadas e operavam, em sua maioria, de forma autônoma
- O datapath era composto por ALU, barrel shifter e registradores, formando blocos retangulares regulares com largura de 32 bits
- A ROM de microcódigo dividia instruções de máquina em microinstruções de baixo nível
- A Control Unit era composta pela ROM de microcódigo e pelo circuito do mecanismo de microcódigo
Principais blocos funcionais visíveis no die
- A Data Unit, no canto inferior esquerdo, era responsável por operações aritméticas e lógicas e pela movimentação de dados
- A ALU executava operações aritméticas e lógicas
- O barrel shifter deslocava os dados
- Os registradores armazenavam dados
- O datapath e o circuito à esquerda que o gerenciava formavam a Data Unit
- A Instruction Decode Unit decompunha o complexo formato de instruções do 386
- Separava os componentes da instrução
- Gerava o ponteiro de microcódigo que implementava a instrução correspondente
- A fila de instruções armazenava três instruções decodificadas
- Para melhorar o desempenho, a Prefetch Unit lia instruções da memória antes do momento em que elas eram necessárias
- As instruções lidas eram armazenadas em uma prefetch queue de 16 bytes
- O gerenciamento de memória lidava tanto com memória segmentada quanto com memória virtual
- A Segment Unit convertia endereços lógicos em endereços lineares
- A Paging Unit convertia endereços lineares em endereços físicos
- O cache de descritores de segmento e o cache de páginas (TLB) armazenavam informações de segmentos e páginas
- O 386 não tinha cache de instruções nem cache de dados on-chip
- A Bus Interface Unit, no canto superior direito, cuidava da comunicação entre o 386 e a memória e os dispositivos externos
- O die do 386 DX contém uma quantidade incomum de iniciais de projetistas
- As iniciais parecem estar posicionadas ao lado das unidades em que cada projetista trabalhou, mas a maioria dos nomes não foi identificada
Layout alterado na redução de 1,5 µm para 1 µm
- O 386 original era fabricado no processo CHMOS-III, com tamanho de feature de 1,5 µm
- Aqui, o tamanho de feature se refere especificamente ao gate channel length dos transistores
- Por volta de 1987, a Intel migrou para o processo CHMOS-IV, com tamanho de feature de 1 µm
- Essa mudança reduziu consideravelmente o tamanho do die do 386
- O tamanho do die caiu 60%
- Como era possível produzir mais dies por wafer, o custo de fabricação diminuiu bastante
- A redução do processo não foi uma simples escala mecânica
- No die menor, a Instruction Decode Unit e a Protection Unit, no centro à direita, foram posicionadas na horizontal em vez de na vertical
- A lógica de células padrão ficou muito mais densa, aparentemente influenciada por algoritmos de layout aprimorados
- O datapath, que já era altamente otimizado desde o início, encolheu mantendo essencialmente a mesma forma
- Os bond pads se tornaram uma restrição no processo de redução
- Para permitir a fixação dos bond wires, os pads na borda precisavam manter o mesmo tamanho
- Para acomodar os pads no die menor, muitos deles foram dispostos de forma alternada
- Como cada parte do die encolheu em proporções diferentes, os blocos já não se encaixavam tão compactamente quanto antes, criando espaço desperdiçado na parte inferior do die
- O novo die é marcado como
80C386I, com os anos de copyright 1985 e 1987- Não está claro o que significam
CeI - Muitas das iniciais que existiam no die original do 386 foram removidas
- Não está claro o que significam
- A abordagem de reduzir o processador para um novo processo e depois projetar uma nova microarquitetura adequada a esse processo se tornou, posteriormente, a estratégia tick-tock da Intel
386 SX: um 386 de baixo custo reduzido para barramento de 16 bits
- Em 1988, a Intel introduziu o 386 SX, versão de baixo custo do 386
- O 386 SX usava um barramento de 16 bits em vez de um barramento de 32 bits
- Isso lembrava a relação entre o 8086, com barramento de 16 bits, e o 8088, com barramento de 8 bits
- À medida que o custo do die original do 386 caiu, o custo do encapsulamento ficou em nível semelhante ao custo do die
- Reduzir o número de pinos permitia colocar o 386 SX em um encapsulamento plástico de US$ 1
- Isso possibilitou vendê-lo por um preço muito mais baixo
- O SX se tornou uma ferramenta de segmentação de mercado da Intel
- Levava clientes de baixo custo do 286 para o 386 SX
- O 386 existente passou a ser chamado de DX e manteve um preço de venda mais alto
- Em 1988, a Intel vendia o 386 SX por US$ 219, pelo menos US$ 100 abaixo do 386 DX
- Um computador SX completo podia custar US$ 1.000 a menos que um modelo DX semelhante
- O 386 original foi projetado para oferecer suporte misto a barramentos de 16 e 32 bits, mantendo compatibilidade com periféricos antigos de 16 bits
- Se necessário, era possível alternar dinamicamente a cada ciclo
- Como o suporte a 16 bits já estava incluído, o 386 SX não exigiu muito trabalho de projeto
- Isso era diferente do 8088, que exigiu uma reformulação da bus interface unit do 8086
- O 386 SX também foi fabricado nos dois processos, de 1,5 µm e 1 µm
- Com menos pinos, havia também menos bond pads, e os pads alternados vistos no 386 DX reduzido desapareceram
- Na parte inferior do chip, a diferença é que a fiação ocupa boa parte do espaço desperdiçado no 386 DX
- O die grande é marcado como
80P9, refletindo o nome interno da Intel,P9 - O die reduzido é marcado de forma mais compreensível como
80386SX
386 SL: um 386 integrado voltado a notebooks
- O 386 SL foi uma versão amplamente expandida do 386, lançada em 1990
- Combinava o núcleo 386 e outras funções em um único chip para economizar energia e espaço
- Mirava o mercado de notebooks sob o nome
SuperSet
- O 386 SL integrava várias funções periféricas
- Controlador de barramento ISA
- Lógica de gerenciamento de energia
- Controlador de cache para cache externo
- Controlador de memória principal
- No die, o núcleo 386 em si ocupava cerca de 1/4 de todo o die do SL
- O núcleo 386 era muito próximo ao 386 DX padrão, mas tinha algumas diferenças visíveis
- Os bond pads e os drivers de pino foram removidos do núcleo
- Alguns circuitos também foram alterados
- O núcleo do 386 SL oferecia suporte ao System Management Mode
- Interrompia a execução normal
- Permitia executar gerenciamento de energia e outras tarefas de hardware de baixo nível fora do sistema operacional comum
- O System Management Mode hoje é um elemento padrão da família x86, mas foi introduzido no 386 SL
- O 386 SL continha um total de 855.000 transistores
- Era mais de três vezes o número de um 386 DX comum
- A cache tag RAM ocupava muito espaço e muitos transistores
- Os dados do cache em si ficavam externamente; os circuitos on-chip gerenciavam o cache
- Grande parte dos novos componentes era implementada com lógica de células padrão, bem visível nas faixas uniformes de circuitos do controlador de barramento ISA
Configuração do setor de PCs antes e depois do 386
- Hoje parece natural que a Intel tenha expandido o x86 do 286 para o 386 e mantido a compatibilidade retroativa, mas na época esse não era um caminho óbvio
- No fim da década de 1970, a Intel decidiu criar um processador
micromainframe- Era um processador avançado de 32 bits para programação orientada a objetos
- A ideia era implementar no CPU objetos, comunicação entre processos e proteção de memória
- O projeto era ambicioso demais e o cronograma atrasou
- Em 1978, a Intel criou o 8086 de 16 bits como um processador provisório para vender até que esse processador ficasse pronto
- A IBM usou o Intel 8088 no IBM PC em 1981
- Na época, a Intel não percebeu a importância dessa escolha
- A Intel estava focada no iAPX 432, seu processador micromainframe lançado em 1981
- O iAPX 432 virou um fracasso que o New York Times chamou de “um dos grandes desastres da computação moderna”
- Depois, a Intel reimplementou as ideias do iAPX 432 sobre uma arquitetura RISC e criou o i960
- O projeto do 386, sucessor do 286, tinha baixa prioridade dentro da Intel
- Bill Gates e outros chamavam o projeto do 286 de “brain-damaged”
- A IBM também não tinha entusiasmo pelo 286
- A equipe do 386 se sentia como um
stepchild, e internamente o chip era proposto como mais uma solução provisória, não como o processador de 32 bits “oficial” da Intel
- A equipe do 386 apresentou duas propostas para expandir o 286 para uma arquitetura de 32 bits
- A primeira era uma abordagem mínima, estendendo os registradores existentes e o espaço de endereçamento para 32 bits
- A segunda era uma abordagem mais ambiciosa, adicionando mais registradores e um conjunto de instruções de 32 bits bastante diferente do conjunto de instruções de 16 bits do 8086
- Na época, o IBM PC ainda era relativamente novo, e a importância do software já instalado não era clara
- Compatibilidade de software era vista como algo desejável, não obrigatório
- Por volta do fim de 1982, depois de muita discussão, foi escolhida a proposta mínima, mantendo a compatibilidade com o 286 e oferecendo suporte tanto a segmentos quanto a flat addressing
- Em 1984, o setor de PCs crescia rapidamente e o 286 também havia provado seu sucesso
- O status interno do projeto 386 mudou de
stepchildparaking - A Intel apresentou o 386 em 1985
- No mesmo ano, com a retração em todo o setor de semicondutores, o lucro líquido da Intel “praticamente desapareceu”
- Em meio à concorrência com o Japão, a Intel saiu do negócio de DRAM
- Mais tarde, o 386 se tornou o produto que mudou a situação da Intel
- O status interno do projeto 386 mudou de
Compaq e IBM, a mudança do padrão do PC
- A IBM não demonstrou interesse pelo processador 386 e adotou sua própria estratégia
- Com o aumento dos fabricantes de clones de PC, a IBM tentou recuperar o controle da arquitetura e do mercado de PCs
- Em 1987, a IBM apresentou a linha PS/2
- O PS/2 rodava OS/2 em vez de Windows e usava a arquitetura proprietária Micro Channel
- A IBM usou estratégias de engenharia e jurídicas em conjunto para tornar os clones do PS/2 lentos, caros e arriscados
- A Compaq não seguiu a IBM e escolheu sua própria direção de arquitetura
- Em setembro de 1986, apresentou a linha topo de linha Deskpro 386
- Foi o primeiro caso de uma grande empresa fabricando um computador baseado no 386
- O Deskpro 386 model 40 vinha com um disco rígido de 40 MB e era vendido por US$ 6.449
- Isso equivale a mais de US$ 15.000 em valores atuais
- A escolha da Compaq deu certo, e o Deskpro 386 foi um grande sucesso
- A linha PS/2 da IBM, em geral, não teve sucesso e não se tornou padrão
- Em vez de recuperar o controle dos PCs, a IBM perdeu o controle do padrão de PCs com a introdução da linha de sistemas PS/2 em 1987
- Em 2004, a IBM vendeu seu negócio de PCs para a Lenovo e saiu do mercado de PCs
- O 386 trouxe grandes receitas para a Intel
- Levou a Intel ao seu primeiro trimestre com receita de US$ 1 bilhão em 1990
- Consolidou a importância da arquitetura x86 não só para a Intel, mas para toda a indústria de computação
- O x86 domina o mercado até hoje
Como o 386 foi projetado: combinação de automação e trabalho manual
- O processo de projeto do 386 mostra uma fase em que a Intel ampliava o uso de sistemas de projeto automatizado e simulação
- Na época, a Intel estava atrás do setor no uso de ferramentas
- Os líderes do 386 avaliaram que, para criar um chip complexo como o 386 dentro do prazo, seria necessária mais automação
- Com um grande investimento em ferramentas de automação, a equipe do 386 concluiu o projeto antes do previsto
- Além de ferramentas CAD proprietárias, usou amplamente ferramentas Unix padrão como
sed,awk,grepemakepara gerenciar o banco de dados de projeto
- O 386 trouxe novos desafios de projeto em relação ao 286
- Era um chip muito mais complexo, com o dobro de transistores
- O 286 e os processadores anteriores usavam transistores NMOS, mas o 386 migrou para CMOS, ainda usado hoje
- O processo CMOS da Intel era o CHMOS-III, com feature size de 1,5 µm
- O CHMOS-III era um processo que estendia para CMOS o HMOS-III usado no 286
- O CHMOS oferecia duas camadas de metal, em vez de uma só, mudando a forma de roteamento de sinais no chip e as técnicas de projeto
- O CHMOS-III tinha um problema de forbidden gap
- A segunda camada de metal, M2, podia ficar muito próxima ou muito distante da primeira camada de metal, M1
- Em distâncias intermediárias surgia um problema, e essa região era o forbidden gap
- Se as camadas de metal se cruzassem no forbidden gap, o metal poderia rachar ou whiskers metálicos poderiam entrar em contato, causando falha no chip
- Esse problema reduziu o rendimento de fabricação do 386
RTL, microcódigo, células padrão, datapath
- O projeto do 386 avançou simultaneamente de cima para baixo e de baixo para cima
- Pelo topo, partia da definição da arquitetura
- Pela base, células padrão e circuitos básicos eram projetados em nível de transistor
- O microcódigo era um componente fundamental para controlar o chip
- Foi projetado com duas ferramentas CAD: um assembler e um verificador de regras de microcódigo
- O projeto de alto nível do chip foi feito em RTL
- Foi refinado até expressar a temporização clock-by-clock, phase-by-phase
- O RTL foi escrito em MAINSAIL, uma linguagem portátil da família Algol baseada em SAIL
- A Intel simulava o RTL com um simulador proprietário chamado Microsim
- A Intel via a simulação RTL do chip inteiro como “o modelo de simulação isoladamente mais importante do 80386”
- Na etapa seguinte, o projeto de alto nível era convertido em projeto lógico detalhado
- Portas e circuitos eram especificados com um sistema proprietário de captura de esquemas chamado Eden
- A simulação do projeto lógico exigia um mainframe IBM 3083 dedicado, e os resultados eram comparados com a simulação RTL
- Depois, na etapa de projeto de circuitos, era criado o projeto em nível de transistor
- O layout do chip foi feito nos sistemas gráficos Applicon e Eden
- Começou por blocos importantes como a ALU e o barrel shifter
- O TLB do mecanismo de paginação exigiu um projeto criativo para atender aos requisitos de desempenho
- O binary adder também exigiu um projeto criativo
- A random logic não estruturada foi implementada com células padrão, em vez de ser projetada transistor por transistor como nos processadores anteriores
- As células padrão fornecem portas lógicas, flip-flops e funções básicas como blocos de circuito fixos
- O software posiciona as células em linhas para implementar a descrição lógica especificada
- O espaço entre as linhas é usado como canais de roteamento para conexões entre células
- Layouts com células padrão em geral ocupam mais área do que layouts manuais otimizados, mas são rápidos de criar e fáceis de modificar
- A Intel usou o pacote de posicionamento e roteamento automático TimberWolf
- O TimberWolf otimizava o posicionamento das células com simulated annealing
- Um engenheiro do 386 disse que, se a direção soubesse que uma ferramenta criada por estudantes de pós-graduação era o núcleo da metodologia, não teria permitido seu uso
- O layout automático era algo novo na Intel e ajudou a melhorar o cronograma
- A baixa densidade também criou o risco de o chip ficar grande demais
- O datapath, crítico para desempenho, foi produzido com layout manual
- Registradores, ALU, barrel shifter e multiply/divide unit processavam dados de 32 bits
- Foi disposto com o sistema CALMA
- Os projetistas aproveitaram a regularidade do circuito para otimizar o formato e o tamanho dos transistores e encaixá-los como peças de um quebra-cabeça
- O datapath à esquerda do die forma retângulos ordenados de 32 bits de largura, ao contrário da lógica complexa adjacente
Tapeout, falhas iniciais e bug de multiplicação
- Depois que o layout em nível de transistor foi concluído, o Hierarchical Connectivity Verification System da Intel verificou o layout final
- Confirmava se ele correspondia ao esquema
- Confirmava se obedecia às regras de projeto do processo
- O 386 estabeleceu um recorde de velocidade na Intel ao levar apenas 11 dias da conclusão do layout até o tapeout
- Tapeout é a etapa em que os dados do chip são colocados em fita magnética e enviados à empresa que fabrica as máscaras
- A equipe de tapeout foi liderada por Pat Gelsinger, que mais tarde se tornou CEO da Intel
- As máscaras de vidro eram feitas por um processo de feixe de elétrons
- A
Fab 3de Livermore da Intel produziu os wafers de silício do 386
- A
- O primeiro silício não funcionou corretamente de primeira
- A equipe executou um programa de teste simples,
NoOp, NoOp, Halt, mas ele falhou - Encontraram um pequeno ponto de correção na PLA
- Em vez de criar uma nova máscara, corrigiram a máscara existente com ion milling para obter novos wafers rapidamente
- Esses wafers funcionaram o suficiente para iniciar um longo ciclo de depuração e correções
- A equipe executou um programa de teste simples,
- Mesmo depois do lançamento, restaram problemas
- Alguns processadores 386 iniciais tinham um problema de multiplicação de 32 bits
- Sob determinadas condições de temperatura, tensão e frequência, alguns operandos podiam produzir resultados incorretos de forma imprevisível
- Isso não tinha relação com o famoso bug FDIV do Pentium, que custou US$ 475 milhões à Intel
- A causa do problema de multiplicação não estava na lógica, mas no layout
- Não havia margem suficiente para lidar com a combinação dos piores dados, processo de fabricação e fatores ambientais
- O problema não apareceu em simulações nem na verificação do chip; só foi encontrado em testes de estresse
- A Intel vendeu os processadores defeituosos, mas os marcou como válidos apenas para software de 16 bits
- Processadores normais eram marcados com double sigma
- O problema levou a manchetes constrangedoras como “Alguns sistemas 386 não rodam software de 32 bits, diz Intel”
- Como a Intel redesenhou o chip para corrigir o bug, também houve escassez de chips 386 em 1987 e 1988
- No geral, os problemas do 386 não foram piores que os de outros processadores e logo foram esquecidos
Conclusão: o chip que mudou a Intel e a indústria de PCs
- O 386 se tornou um ponto de virada fundamental para a Intel
- Processadores anteriores da Intel também venderam bem, mas isso se deveu em grande parte a um marketing forte e à sorte de terem sido escolhidos para o IBM PC
- A Intel estava tecnicamente atrás, especialmente em comparação com a Motorola
- A Motorola introduziu o 68000 em 1979, iniciando uma poderosa família de processadores quase 32 bits
- A Intel ficou para trás com o 286 de 16 bits “brain-damaged”, em 1982
- A transição para CMOS também foi lenta, enquanto a Motorola migrou para CMOS com o 68020 em 1984
- O 386 deu à Intel o salto tecnológico de que ela precisava
- Migrou para uma arquitetura de 32 bits
- Fez a transição para CMOS
- Corrigiu as limitações do modelo de memória e de multitarefa do 286
- Manteve a compatibilidade com os processadores x86 anteriores
- O sucesso do 386 consolidou o domínio do x86 e da Intel
- Outros fabricantes de processadores ficaram em posição defensiva
- A Compaq usou o 386 para tomar da IBM a liderança da arquitetura de PCs
- Isso levou ao sucesso de empresas como Compaq e Dell
- A IBM acabou deixando completamente o mercado de PCs
- O 386 deixou um impacto grande o suficiente para moldar vencedores e perdedores da indústria de computadores por décadas
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Este texto foi inspirado por uma discussão de algumas semanas atrás no HN, em que userbinator falou sobre a contagem de transistores do 386
Mesmo que os dados tivessem sido enviados em um disco Winchester, o evento ainda teria sido chamado de tapeout. Na fabricação inicial de placas de circuito impresso (PCB), o circuito era literalmente “tape out”, feito com fita preta sobre uma placa branca, normalmente em escala ampliada
Depois, tapeout passou a significar o momento em que o roteamento do circuito era finalizado com fita e estava pronto para ser fotografado, reduzido e enviado à fabricação da placa. Ali não havia “dados”, magnéticos ou não; só uma placa de arte física com fita colada
O artigo da Wikipedia também é bem bom: https://en.wikipedia.org/wiki/Tape-out
Para leitores mais jovens se perguntando “que diabos é um disco Winchester?”, vejam aqui: https://www.pcmag.com/encyclopedia/term/winchester-disk
Também já compartilhei antes a história de quando fiz meu primeiro tapeout de PCB por volta de 1960, quando estava no 3º ano do primário: https://news.ycombinator.com/item?id=32116169
Eu achava que ele era apenas uma versão reduzida e barata para o mercado nascente de notebooks, mas na prática era um componente relativamente sofisticado, com três vezes mais transistores, e algo próximo de um precursor dos SoCs modernos
Estou pensando no fato de que processadores atuais fazem várias coisas no nível de microcódigo, o que torna difícil prever exatamente qual instrução será executada em qual ordem
Também fiquei curioso para saber onde encontrar “Automatic Place and Route Used on the 80386”. No DDG, só aparece este texto
Bastava recortar parte da página e enviar pelo correio; alguns meses depois, chegou um pacote com um processador exposto colado em um cartão rígido e uma lupa de baixa ampliação. Eu realmente gostaria de ainda tê-lo
Já existiam processadores de 32 bits antes, mas nenhum foi tão bem-sucedido comercialmente e adotado pelo público quanto o (80)386
Este texto é realmente excelente e cheio de informações sobre o 386. Fora o manual técnico do 386 ou alguns fragmentos de documentação, nunca vi na internet um material mais rico em informações do que este, e esses documentos são difíceis para o leitor comum. Será de grande valor para quem quer estudar o 386 e para futuros historiadores da computação
O Motorola 68000 (1979) também merece menção por ter sido usado no Macintosh. E eu poderia discutir com quem diga que ele não era um processador de 32 bits de verdade :-) Mas é verdade que o 386 deu início à arquitetura x86 de 32 bits usada hoje na maioria dos computadores que não são telefones
É por isso que gestores não devem microgerenciar decisões técnicas nos mínimos detalhes
Havia um saquinho de jumpers colado com fita ao lado. Eu configurava para mostrar HI/LO ou 01/99, ou invertia tudo para fazer o turbo exibir 20 MHz e o modo lento, 40 MHz
O 286 era suficiente para UNIX no estilo PDP-11, e até o 8088 conseguia rodar UNIX de hobby de modo razoável
Parece que a janela de mercado foi estreita demais. Se alguém precisava de desempenho na época, talvez abrisse mão da bateria; então usar uma CPU de desktop sem recursos especiais de gerenciamento de energia provavelmente não seria um grande problema