ประวัติความเป็นมาของไมโครโปรเซสเซอร์

ประวัติความเป็นมาของไมโครโปรเซสเซอร์

ไมโครโปรเซสเซอร์กำเนิดขึ้นมาในช่วงต้นทศวรรษที่ 1970 โดยเกิดจากการนำเทคโนโลยี 2 อย่างมาพัฒนาร่วมกันซึ่งก็คือเทคโนโลยีทางด้านดิจิตอลคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยี ทางดัานโซลิดสเตต(solidstate)

ดิจิตอลคอมพิวเตอร์จะทำงานตามโปรแกรมที่เราป้อนเข้าไปโดยโปรแกรมเป็นตัวบอกคอมพิวเตอร์ ว่าจะทำการเคลื่อนย้ายและประมวลผลข้อมูลอย่างไรการที่มันจะทำงานได้นั้นก็ต้องมีวงจรคำนวณ หน่วยความจำ และอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต(input/output) เป็นส่วนประกอบซึ่งรูปแบบในการนำสิ่ง ที่กล่าวมานี้รวมเข้าด้วยกันเราเรียกว่าสถาปัตยกรรม (architecture)

ไมโครโปรเซสเซอร์มีสถาปัตยกรรมคล้ายกับดิจิตอลคอมพิวเตอร์หรือพูดอีกนัยหนึ่งได้ว่า ไมโครโปรเซสเซอร์ก็เหมือนกับดิจิตอลคอมพิวเตอร์เพราะสิ่งทั้งสองนี้ทำงานภายใต้การควบคุม ของโปรแกรมเหมือนกันฉะนั้นการศึกษาประวัติความเป็นมาของดิจิตอลคอมพิวเตอร์จะช่วยให้เ เราเข้าใจ การทำงานของไมโครโปรเซสเซอร์ และการศึกษาประวัติความเป็นามาของ วงจรโซลิดสเตตก็จะช่วยให้เราเข้าใจไมโครโปรเซสเซอร์มากยิ่งขึ้นเพราะไมโครโปรเซสเซอร์ก็ คือวงจรโซลิดสเตตนั่นเอง

ช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ได้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้งานทางก้านการทหาร ในช่วงกลางทศวรรษที่1940ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้งานในด้านวิทยาศาสตร์ และธุรกิจ ในช่วงสงครามนี้ได้มีการศึกษาการทำงานของดิจิตอลคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็วสูง (มีชื่อว่า วงจรแบบพัลส์ (pulse circuit) ที่ใช้ในเรดาร์) ทำให้เราเข้าใจดิจิตอลคอมพิวเตอร์มากขึ้น ภายหลังสงครามได้มีการค้นคว้าเกี่ยวกับคูณสมบัติทางกายภายของโซลิดสเตตอย่างมากจนกระทั่งในปี ค.ศ. 1948 นักวิทยาศาสตร์ที่ห้องเบลล์แล็บ (Bell laboratory) ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากโซลิดสเตต

ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1950 เริ่มมีการผลิตดิจิตอลคอมพิวเตอร์ขึ้นเพื่อใช้งานโดยทั่ว ๆ ไป ซึ่งทำมาจากหลอดสูญญากาศหลอดสูญญากาศเหล่านี้เป็นส่วนประกอบสำคัญ ของดิจิตอลคอมพิวเตอร์ ซึ่งเราจะนำไปสร้างเป็นวงจรพื้นฐาน เช่น เกต (gate) แปละฟลิปฟลอป (flip-flop) โดยเราจะนำเกตและฟลิปฟลอปหลาย ๆ อันมารวมกันเพื่อใช้ในการสร้างวงจรคำนวณ หน่วยความจำ และอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุตของดิจิตอลคอมพิวเตอร์

ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ตัวหนึ่ง ๆ จะมีวงจรต่าง ๆ อยู่มากมาย ในช่วงแรกวงจรต่าง ๆจะสร้างขึ้นจาก หลอดสูญญากาศ จึงทำให้ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ในช่วงแรก ๆมีขนาดใหญ่และเนื่องจาก หลอดสูญญากาศ นี้เมื่อใช้งานนานๆจะร้อนดังนั้นเราจึงต้องติดตั้งระบบระบายความร้อน เข้าไปด้วย ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ที่ใช้หลอดสูญญากาศนี้มักเชื่อถือไม่ค่อยได้ เมื่อเทียบกับมาตรฐานของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันการใช้หลอดสูญญากาศนี้เป็นส่วนประกอบ ของดิจิตอลคอมพิวเตอร์ ทำให้ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ช่วงแรกมีราคาแพงและยากต่อการดูแลรักษา ข้อเสียต่าง ๆ ของหลอดสูญญากาศนี้ทำให้เราพัฒนาดิจิตอลคอมพิวเตอร์ในช่วงแรงไปได้ช้ามาก

คอมพิวเตอร์ช่วงแรก ๆ ยังไม่มีที่สำหรับเก็บโปรแกรม แต่จะมีที่ไว้สำหรับเก็บข้อมูลเท่านั้น ซึ่งในช่วงปลายทศวรรษที่ 1940 จนถึงต้นทศวรรษที่ 1950 การใช้งานคอมพิวเตอร์จะทำการโปรแกรมโดยวิธีที่เรียกว่า พาตช์คอร์ด (patch - cord) ซึ่งโปรแกรมเมอร์จะต้องเป็นผู้นำสายต่อเข้ากับเครื่องเพื่อบอกให้เครื่องรู้ว่าจะต้องทำการ ประมวลผลข้อมูลอย่างไร โดยหน่วยความจำของเครื่องจะมีไว้สำหรับเก็บข้อมูลเท่านั้น

คอมพิวเตอร์ในช่วงหลัง ๆ จะมีที่สำหรับเก็บโปรแกรม ซึ่งก็หมายความว่า ขั้นตอนการทำงานของคอมพิวเตอร์จะถูกจัดเก็บอยู่ในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ด้วย การที่เราจะทราบว่าข้อมูลในตำแหน่งใดเป็นขั้นตอนการทำงานหรือเป็นข้อมูลที่มีไว้สำหรับประมวลผล ก็โดยการตรวจสอบดูข้อมูลนั้นว่าอยู่ที่ตำแหน่งใด (ซึ่งเราจะต้องทราบว่าเราเก็บข้อมูลต่าง ๆ ที่ตำแหน่งใดและเก็บโปรแกรมที่ตำแหน่งใด) ความคิดเกี่ยวกับที่เก็บโปรแกรมนี้เป็นสิ่งจำเป็นอย่างมาก รวมทั้งเป็นพื้นฐานที่สำคัญตัวหนึ่งในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

ในช่วงทศวรรษที่ 1950 ได้มีการค้นคว้าและทดลองโซลิดสเตตกันอย่างจริงจัง ทำให้ได้รู้จักสารกึ่งตัวนำมากยิ่งขึ้น ได้มีการนำสารซิลิคอนมาทดแทนสารเจอร์เมเนียม ซึ่งเป็นวัตถุดิบที่สำคัญในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) ทำให้ช่วยลดต้นทุนการผลิตลงเนื่องจากสารซิลิคอนหาได้ง่ายกว่าสารเจอร์เมเนียม และการผลิตทรานซิสเตอร์ (transistor) ที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำจำนวนมากก็จะช่วยทำให้หาง่าย และมีราคาถูกลง

ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1950 นักออกแบบดิจิตอลคอมพิวเตอร์ได้นำทรานซิสเตอร์มาใช้แทนหลอดสูญญากาศ โดยวงจรต่าง ๆ ก็ยังคงใช้ทรานซิสเตอร์หลายตัวในการทำงาน แต่คอมพิวเตอร์ที่ทำจากทรานซิสเตอร์นี้จะมีขนาดเล็กกว่า เย็นกว่า และน่าเชื่อถือมากกว่าคอมพิวเตอร์ที่ทำจากหลอดสูญญากาศ

ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1960 แนวทางการสร้างคอมพิวเตอร์จากโซลิดสเตตได้แยกออกเป็น 2 แนวทาง แนวทางหนึ่งคือ การสร้างคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ที่ต้องอยู่ในห้องที่มีเครื่องปรับอากาศ ซึ่งสร้างโดยบริษัทยักษ์ใหญ่ เช่น บริษัท IBM,Burroughs และ Honeywell เครื่องคอมพิวเตอร์ประเภทนี้สามารถประมวลผลได้ทีละมาก ๆ และจะถูกนำไปใช้งานทางด้านการพาณิชย์และด้านวิทยาศาสตร์

คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่เหล่านี้จะมีคราคาแพงมาก เพื่อที่จะให้คุ้มกับราคาจึงต้องใช้งานมันตลอดเวลา มีวิธีการอยู่ 2 วิธีในการที่จะใช้งานคอมพิวเตอร์ได้อย่างคุ้มค่าที่สุด นั่นก็คือวิธีแบตช์โหมด (batch mode) และไทม์แชริ่งโหมด (timesharing mode) วิธีแบตช์โหมดคือการที่งานขนาดใหญ่เพียง 1 ชิ้นจะถูกทำในทีเดียว และงานชิ้นต่อไปจะถูกทำทันทีเมื่องานชิ้นนี้เสร็จ ส่วนวิธีไทม์แชริ่งโหมดคือการทำงานหลาย ๆ ชิ้นพร้อมกัน โดยแบ่งงานนั้นออกเป็นส่วน ๆ และผลัดกันทำทีละส่วน

อีกแนวทางหนึ่งคือ การสร้างเครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า โดยมีขนาดเท่าโต๊ะ เรียกว่า มินิคอมพิวเตอร์ (minicomputer) ซึ่งมีความสามารถไม่เท่ากับเครื่องขนาดใหญ่แต่มีราคาถูกกว่า และสามารถทำงานที่มีประโยชน์ได้มาก ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ถูกนำไปใช้งานในห้องแล็บ นักวิทยาศาสตร์จะใช้ดีดิเคตคอมพิวเตอร์ (dedicated computer)ซึ่งก็คือคอมพิวเตอร์ ที่ทำงานได้อย่างเดียวแทนที่จะใช้คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ที่สามารถทำงานที่แตกต่างกันได้หลายอย่าง

โซลิดสเตตยังคงถูกพัฒนาต่อไปควบคู่กับดิจิตอลคอมพิวเตอร์ แต่ในปัจจุบันเทคโนโลยีทั้งสองนี้ มีความเกี่ยวดองกันมากขึ้น การที่คอมพิวเตอร์มีวงจรพื้นฐานที่คล้ายกันจึงทำให้อุตสาหกรรม ด้านสารกึ่งตัวนำทำการผลิตวงจรที่สามารถนำไปใช้กับคอมพิวเตอร์พื้นฐานเดียวกันได้

ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1960 ได้มีการนำทรานซิสเตอร์หลาย ๆ ตัวมาบรรจุลงในซิลิคอนเพียงตัวเดียว โดยทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะถูกเชื่อมต่อกันโดยโลหะขนาดเล็กเพื่อสร้างเป็นวงจรแบบต่าง ๆ เช่น เกต ฟลิปฟลอป รีจิสเตอร์ วงจรบวก วงจรที่สร้างจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบใหม่นี้เรียกว่า ไอซี (integrated circuit : IC)

ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1960 ได้มีการผลิตไอซีพื้นฐานที่เป็นแบบ small และ medium scale integration (SSI และ MSI) ทำให้นักออกแบบสามารถเลือกใช้งานไอซีได้หลายแบบ เทคโนโลยีไดซีนี้ถูกแลักดันออก 2 แนวทางคือ การพัฒนาทางด้านเทคนิคเพื่อลดต้นทุนการผลิต และอีกแนวทางหนึ่งก็คือการเพิ่มความซับซ้อนให้กับวงจร

การนำไอซีมาใช้ในมินิคอมพิวเตอร์ทำให้มีความสามารถสูงขึ้น มินิคอมพิวเตอร์ขนาดเท่าโต๊ะ ในช่วงทศวรรษที่ 1960 นั้นมีประสิทธิภายพอ กับคอมพิวเตอร์ขน่าดเท่าห้องในช่วงปลายทศวรรษ ที่ 1950 และมินิคอมพิวเตอร์รุ่นใหม่ขนาดเท่าลิ้นชักราคา 10,000 ดอลลาร์ มีประสิทธิภาพพอ ๆ กับมินิคอมพิวเตอร์รุ่นเก่าขนาดเท่าโต๊ะที่มีราคาถึง 100,000 ดอลลาร์

จากที่กล่าวมาแล้วว่าเทคโนโลยีไอซีมีการพัฒนามาตั้งแต่กลางทศวรรษที่ 1960โดยในช่วงปลาย ทศวรรษที่ 1960 และต้นทศวรรษที่ 1970 ได้เริ่มนำเอาวงจรดิจิตอลมาสร้างรวมกัน และบรรจุอยู่ในไอซีเพียงตัวเดียวเราเรียกไอซีตัวนี้ว่า large-scale integration (LSI) และในช่วงทศวรรษที่1980ได้มีการนำเอาทรานซิสเตอร์มากกว่า100,000ตัวมาใส่ลงใน ไอซีเพียงตัวเดียว เราเรียกไอซีตัวนี้ว่า very large-scale integration (VLSI) ซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย

วงจร LSI ในตอนแรกนั้นถูกผลิตขึ้นเพื่อใช้กับงานเฉพาะอย่าง แต่ก็มีวงจร LSI บางชนิดที่ถูกผลิตขึ้น เพื่อใช้กับงานทั่ว ๆ ไป เราจะเห็นการพัฒนาของวงจร LSI ได้อย่างชัดเจน โดยดูได้จากการพัฒนา ของเครื่องคิดเลข โดยเครื่องคิดเลขเริ่มแรกจะใช้ไอซีจำนวน 75 ถึง 100 ตัว ต่อมาวงจร LSI ชนิดพิเศษได้ถูกนำมาแทนที่ไอซีเหล่านี้ โดยใช้วงจร LSI นี้เพียง 5 ถึง 6 ตัว และต่อมาช่วงกลางทศวรรษที่ 1970 วงจร LSI เพียงตัวเดียวก็สามารถ ใช้แทนการทำงานทั้งหมดของเครื่องคิดเลขได้ หลังจากที่วงจรคำนวณได้ถูกลดขนาดลง สถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ก็ถูกลดขนาดลงด้วย โดยเหลือเป็นไอซีเพียงตัวเดียว และเราเรียกว่า ไมโครโปรเซสเซอร์ (microprocessor) เราสามารถโปรแกรมไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อให้มันทำงานเฉพาะอย่างได้ ดังนั้นมันจึงถูกนำไปใช้เป็น ส่วนประกอบที่สำคัญในสินค้า เช่น ในเตาอบไมโครเวฟ เครื่องโทรศัพท์ ระบบควบคุมอัตโนมัติ เป็นต้นตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษที่ 1970 ได้มีการปรับปรุงสถาปัตยกรรมของไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อเพิ่มความเร็ว และเพิ่มประสิทธิภาพในการคำนวณ ไมโครโปรเซสเซอร์ช่วงแรกจะประมวลผลข้อมูลทีละ 4บิต หรือเรียกว่าใช้เวิร์ดข้อมูลขนาด 4 บิตซึ่งทำงานได้ช้าแต่ต่อมาได้มีการพัฒนาไมโครโปรเซสเซอร์ใหม่ ที่ทำงานได้เร็วขึ้น ซึ่งก็คือ ไมโครโปรเซสเซอร์ขนาด 8 บิต และพัฒนาจนเป็นไมโครโปรเซสเซอร์ขนาด 16 บิต และ 32 บิตในที่สุด

ชุดคำสั่ง (instruction set) ในไมโครโปรเซสเซอร์จะมีขนาดเพิ่มขึ้น และมีความซับซ้อนมากขึ้น เมื่อจำนวนบิตของไมโครโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้น ไมโครโปรเซสเซอร์บางตัวจะมีความสามารถพอ ๆ กับหรือเหนือกว่ามินิคอมพิวเตอร์ทั่วไป ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1980 ได้มีการพัฒนาระบบไมโครโปรเซสเซอร์ขนาด 8 บิตที่มีหน่วยความจำ และมีความสามารถในการติดต่อสื่อสาร ระบบนี้มีชื่อเรียกว่า ไมโครคอมพิวเตอร์ (microcomputer) หรือไมโครโปรเซสเซอร์ชิปเดี่ยว ซึ่งได้มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย เพื่อควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น คีย์บอร์ด เครื่องเล่นวีดีโอเทป โทรทัศน์ เตาอบไมโครเวฟ โทรศัพทื์ที่มีความสามารถสูง และอุปกรณ์ต่าง ๆ ในด้านอุตสาหกรรม