Senzory Martina Malého: Fenomén „druhého zdroje“

Na několika akcích jsem přednášel o historii mikroprocesorů. Překvapilo mě, jaký zájem vzbudila přednáška o “starých vykopávkách” hlavně mezi mladšími posluchači. Pro některé z nich to je šerý technologický dávnověk, někde mezi dinosaury a Karlem IV., a příběhy vzniku jednotlivých procesorů jim zní skoro jako legendy. V dnešním sloupku zabrousíme do sedmdesátých a osmdesátých let. Nebudu psát historii vzniku procesoru Z80 ani 6501/6502, ale zastavím se u fenoménu té doby – “druhého zdroje”. 

První mikroprocesor, alespoň dle encyklopedií, byl Intel 4004. Intel ho vyráběl ve třech verzích. Uvnitř byl stejný čip, lišilo se jen pouzdro – plastické, keramické, nebo plasto-keramické. 

Kromě Intelu ale vyráběl stejný procesor i National Semiconductor (NatSemi) pod označením INS4004. Stal se tak druhým zdrojem (second source). 

“Druhý zdroj” byl u integrovaných obvodů poměrně běžný koncept. Například známou TTL řadu 74×x představil výrobce Texas Instruments (obvody nesly označení SN74×x). Jenže kromě TI začali vyrábět funkčně ekvivalentní obvody i další výrobci – namátkou Fairchild, zmíněný NatSemi, Philips, za železnou oponou to byla například Tesla (MH74×x), polská Unitra (UCY74×x), vyráběly se i v Maďarsku (Tungsram), Rumunsku i ve východním Německu (VEB Kombinat Mikroelektronik Erfurt – KME, např. německý D174 byl ekvivalent SN7474). Většinou se výrobci snažili, aby stejně označený obvod měl stejné parametry jako vzor, popřípadě “o něco lepší”, například aby byl rychlejší, měl nižší spotřebu, větší teplotní toleranci atd. 

Stejný princip tehdy fungoval i u procesorů. První osmibitový mikroprocesor Intel 8008 tak kromě Intelu vyráběl i Siemens (SAB8008), Microsystems International (MF8008) a východoněmecký KME (U808D). 

Ekvivalentní procesory vznikaly buď oficiálně, tedy licencováním, nebo trošku černějším způsobem. Těžko lze předpokládat, že Intel prodal licenci na procesor 8080 Tesle. Podle neoficiálních informací vznikaly “východní” mikroprocesory pomocí zpětného inženýrství dovezených čipů, studia datasheetů a někdy i trošky průmyslové špionáže. Výsledky nebyly vždy stoprocentně shodné, například se vypráví, že některé východoevropské ekvivalenty měly třeba vyšší spotřebu a horší dynamické parametry, takže například nešly tak snadno přetaktovat, někdy zase byly v některých parametrech lepší. 

Zmíněný procesor 8080A, vyvinutý Intelem, má co do ekvivalentů velmi pestrou historii. Známý výrobce AMD vytvořil vlastní klon 8080A pomocí zpětného inženýrství a pod označením 9080A jej začal nabízet v roce 1975. V roce 1976 podepsal AMD s Intelem dohodu a stal se autorizovaným “druhým zdrojem”.

Svoje 8080A vyráběli například Japonci (Mitsubishi M5L8080A, NEC D8080, OKI MSM8080A, Toshiba TMP9080A), Rusové (580VM80), Polsko i ČSSR (MCY7880, resp. MHB8080A), NatSemi, NTE, Siemens, Signetics i Texas Instruments. Dovedete si představit, že by dneska procesory Core 2 vyrábělo kromě Intelu dvanáct dalších výrobců a nabízeli ho pod svými značkami? 

Intel pak nabídl vylepšenou variantu 8085A. Samozřejmě i tahle varianta měla spoustu “druhých zdrojů” – AMD AM8085A, NEC D8085A, Mitsubishi M5L8085A, Siemens SAB8085A, Toshiba TMP8085A… V tehdejším SSSR se vyráběl ekvivalent pod označením IM1821VM85A. 

Ekvivalent vyráběl i výrobce OKI pod označením MSM80C85A – jejich verze měla výrazně nižší spotřebu než originál od Intelu. Čímž se dostáváme k jedné důležité motivaci, a tou je “vylepšit originál”. 

Odchod Federica Faggina od Intelu a založení Zilogu je notoricky známá historie. Faggin, který se podílel na návrhu 8080, nakonec od Intelu odešel a přidal se k Zilogu, kde navrhl “silně vylepšený procesor 8080”. Jeho cílem bylo navrhnout procesor, který by byl na úrovni strojového kódu kompatibilní s 8080. Tedy měl stejné registry a stejné instrukce se stejnými operačními kódy. To znamenalo, že existující binární programy pro 8080 nebylo nutné překompilovávat, což usnadnilo vstup jejich Z80 na trh. Navíc v Zilogu snížili počet potřebných napájecích napětí na jedno (+5V), celý procesor zrychlili, přidali obvody pro automatický refresh dynamických pamětí, přidali druhou sadu registrů, dva indexové registry a spoustu nových instrukcí, které jednak zvýšily ortogonalitu instrukční sady, jednak přinesly zcela nové operace, například blokové přesuny, bloková porovnání či bitové operace. 

I procesor Z80 měl spoustu “druhých zdrojů”. Goldstar vyráběl Z8400A, SGS používal taky Z8400, Ates Z80ACPU, Thomson Z84C00, Toshiba TMPZ84C00. Ale třeba Sharp vyráběl totéž pod označením LH0080, ROHM používal BU18400A, NEC značil D780C, Mostek MK3880, Kawasaki KL5C8400, v NDR vyráběli Z80 pod označením U880D (neplést s U808D!), v SSSR dostal klon označení T34VM1 nebo KP1858BM1. 

Kromě těchto klonů vznikly odvozeniny. Například Hitachi navrhlo HD64180, což byla vylepšená a rozšířená verze Z80. Vylepšení bylo hlavně v oblasti technologické (CMOS, mikrokód), rozšíření pak představovaly především zabudované periferie a jednotka řízení paměti. Hitachi pak tuhle verzi licencovalo zpět Zilogu, který ji prodával pod označením Z64180, no a po lehkém přepracování u Zilogů se z tohoto čipu stala známá Z180. 

Toshiba integrovala některé periferie spolu s jádrem Z80 do jednoho pouzdra s 84 / 100 vývody pod označením Z84013/Z84015 (CMOS verze Z84C13/Z84C15). Dneska tyto čipy vyrábí a dodává jako “second source” také… Zilog! 

Takováhle “výroba ekvivalentů” a “vylepšených ekvivalentů” procesorů kvetla poměrně dlouho. Šestnáctibitové procesory z rodiny x86 měly ze začátku “druhých zdrojů” dost, nejen známé firmy AMD a Cyrix. Postupem času se od sebe originál a “druhý zdroj” oddělily, přestaly být kompatibilní vývodově, pak i parametry, a dnes už se jedná o dva odlišné světy s odlišnými chipsety i pouzdry, i když na úrovni strojového kódu jsou stále do jisté míry kompatibilní. 

Nejčastější příklad toho, kdy víc výrobců nabízí podobné procesory, je dneska ve světě ARMových procesorů, kdy si několik desítek výrobců licencuje “ARM jádro” (kterých je taky několik verzí) a každý vyrábí vlastní variantu. Navzájem jsou nezaměnitelné, mají jiné parametry, ale základ je stejný a programy mohou pracovat s většími či menšími úpravami i na jiném “ARMovém” procesoru. 

Podobně se dodnes v portfoliu několika různých výrobců objevuje různě vylepšené jádro jednočipu 8052, buď přímo jako mikrokontrolér, nebo jako součást větší konstrukce, třeba SoC.

Až na výjimky dnes už platí, že pokud si vyberete nějakou specifickou “rodinu procesorů”, vyberete si i výrobce. U běžnějších integrovaných obvodů existují plnohodnotné kompatibilní výrobky od jiných dodavatelů, když pomineme záplavu levných čínských napodobenin, s nimiž můžete ale i ošklivě narazit (viz výrobce USB převodníků FTDI a jejich rázná akce proti klonům a kopiím. Ale to je už jiný příběh.