Mit dem 486 ist die Evolution der Intel-Chips nicht zu Ende

08.11.1991

Der Intel 486 bringt die Leistung eines Mainframes auf einen Chip - und reichlich Gesprächsstoff. Schneller, höher, weiter - das gilt nicht nur für die Olympioniken, sondern auch für die Vorstellungen und Wünsche der meisten PC-Anwender in bezug auf die eingesetzte Hardware. Dabei geht es den meisten in erster Linie ums Herz des Rechners, um den Prozessor. Bisher war es recht einfach zu diagnostizieren, welcher Prozessor denn der bessere ist: Ein Blick auf das Typenschild reichte - die mittlere Ziffer sollte so hoch wie nur möglich sein.

Noch vor drei Jahren war der Intel 8086 der Prozessor, der in den meisten Einsteiger-Maschinen, umgeben von 512 bis 640 KB Arbeitsspeicher, einer 20-MB-Festplatte und einer Herkules-kompatiblen Grafikkarte, seine Arbeit tat. Der ruhmlose Intel 80186 gelangte in Europa erst gar nicht ins Bewußtsein der Käufer, und so kam nach dem 8086 gleich der 80286. Gerade alteingesessene Hardware- und Büromaschinen-Hersteller wie etwa IBM, Triumph-Adler und Olivetti bemühten sich vor zwei Jahren nach Kräften, den 80286 zum Standardprozessor für Einsteiger zu machen. Schließlich hatten diese Firmen enorme Überkapazitäten in ihren Schreibmaschinenwerken und wollten diese deshalb auf den Bau von 286-Rechnern umstellen. Tatsächlich haben PC-Systeme mit 286-Prozessor mittlerweile die 8086-Systeme als Einsteigergeräte fast vollständig verdrängt.

Richtige 386er sind nur biedere Mittelklasse

Allerdings stehen auch sie ihrerseits auf verlorenem Posten, denn der Preisunterschied zwischen einem 80286- und einem 80386SX-System ist auf wenige hundert Mark zusammengeschrumpft, so daß heute Maschinen mit 386SX-Systemen für den privaten Anwender die Einstiegsmaschinen geworden sind.

Ähnlich sieht es bei den professionellen Anwendern aus: Große Organisationen, die einen PC-Arbeitsplatz einrichten, schaffen sich dazu in aller Regel Maschinen mit mindestens 386SX-Prozessoren an. So sind die "richtigen" 386er heute nicht mehr die unerreichbaren High-end-Systeme, sondern biedere Mittelklasse, während PCs mit dem 80486-Prozessor von Intel - kurz: 486 - das obere Ende der Skala darstellen. In Zahlen sieht das etwa so aus: Von 100 PC-Systemen, die in diesem Jahr verkauft werden, sind statistisch gesehen nur noch 32 Maschinen mit einem 286-Prozessor ausgestattet, 60 Rechner verfügen dagegen bereits über ein 386er Innenleben. Die restlichen acht Systeme sind zu gleichen Teilen mit 8086- und 486-Prozessoren ausgestattet.

Gründe für den Chip-Wechsel gibt es immer. Neben dem schlichten und an sich nachvollziehbaren Bedürfnis, einen schnelleren PC zu haben als der Kollege von gegenüber, sorgt auch die immer leistungsfähigere Software für Nachfrage nach mehr Rechen-Power. Gerade die breite Akzeptanz von MS-Windows als Betriebssystem-Zusatz hat für verstärkte Nachfrage nach High-end-Systemen gesorgt und den Markt noch mal ungeheizt.

So könnte das nun bis zum Sankt Nimmerleinstag weitergehen: Nach dem 486 kommt der 586 (der ist übrigens schon angekündigt), der seinerseits dann eines Tages vom 686 abgelöst wird, der schließlich wieder dem 786 weichen muß etc.

Natürlich gibt es noch innerhalb der jeweiligen Generation Unterschiede, die in Megahertz gemessen werden. So ist der 33 Megahertz schnelle 486er schneller - und damit in aller Regel auch besser - als der mit 20 Megahertz getaktete Prozessor gleicher Bauart. Auch daran haben sich die Käufer längst gewöhnt, schließlich wurde der mit 4,77 Megahertz getaktete Intel-Prozessor im Original-IBM-PC in den Nachbauten anderer Hersteller fast unmittelbar durch Chips mit einer Taktrate von 10 MHz ersetzt.

Diese ständige Evolution zu immer höheren Prozessorversionen und immer größeren Arbeitsgeschwindigkeiten hatte in den vergangenen Monaten und Jahren an Nachrichtenwert verloren.

Die Vorstellung des 386/33, der den langsameren 386/25 ersetzen sollte, war den meisten Publikationen nur noch eine kurze Meldung am Rande wert.

Ähnlich unspektakulär hätte es weitergehen können, wenn nicht zwei Meldungen Unruhe ins Prozessorgeschäft gebracht hätten: Im Sommer kam aus den USA die Nachricht, daß der vom Intel-Konkurrenten AMD (Advanced Micro Devices) auf den Markt gebrachte 386 Prozessor, der mit einer Taktrate von 40 Megahertz arbeitet und laut richterlichem Beschluß unter dem Namen "386" verkauft werden darf, den Intel 486SX in Sachen Leistungsfähigkeit übertrumpft. Allein diese Meldung ließ Fachkreise in den Vereinigten Staaten über einen neuen Prozessorkrieg spekulieren.

Vor einigen Wochen kam dann eine weitere Meldung, derzufolge Intel die Produktion des High-end-Chips 486/50 vorerst eingestellt hat. Grund für den Produktionsstopp des 50 Megahertz schnellen Prozessors sind thermische Probleme, die sich erst beim Beginn der Massenfertigung des Chips offenbarten. Da die meisten Anwender Prozessoren nur als Teile von Rechnern erwerben, kam es natürlich zu einem Domino-Effekt. Hersteller wie Compaq, die im Vertrauen auf die Aussagen von Intel ihre Hochleistungssysteme angekündigt hatten, können diese nun mangels Prozessor nicht ausliefern. So hat Compaq die Produktion des Deskpro 486/50L eingestellt und wartet nun auf eine Lösung von Intel. Ob die Kunden ebenfalls abwarten, ist offen. Es dürfe eher wahrscheinlich sein, daß ein Großteil der Interessenten auf weniger leistungsstarke und weniger umsatzstarke Systeme umsteigt - auch hier wieder ausreichend Gelegenheit, um über einen Prozessorkrieg oder mindestens eine Prozessorkrise zu spekulieren.

Prozessoren - und ganz besonders der 486 - sind also wieder ein Thema. So viel ist sicher. Was hat es nun aber mit dem 486 im Detail auf sich? Beginnen wir kurz mit ein paar grundsätzlichen Überlegungen. Der 486 stammt von der Firma Intel, die im Jahr 1971 mit dem Intel 4004 den ersten Mikroprozessor auf den Markt gebracht hat.

Dieser Chip integrierte die Funktionalität von mehr als tausend Transistoren auf einem Bauteil und war für den Einsatz in Taschenrechnern geplant. Später verrichtete er dann auch Dienste bei der Steuerung von Ampelanlagen etc. Nach damaligen Maßstäben war der 4004 der erste "Computer auf einem Chip", so der Intel-Slogan.

Daran hat sich bis heute nichts geändert. Der Prozessor ist der eigentliche Computer, alle anderen Bauteile, die in einem PC-System eingebaut sein mögen, arbeiten lediglich dem Prozessor-Chip zu und werden von ihm gesteuert. Daraus ergeben sich auch die beiden Hauptaufgaben, denen ein Prozessor nun mal obliegt: Er hat die Rechenarbeit zu erledigen, und er muß seine Zuarbeiter steuern. Dabei geht es im wesentlichen um die Kontrolle und Steuerung des Arbeitsspeichers im Rechner. Die Steuerung von Peripherieteilen wie Tastatur oder Monitor ist Aufgabe des Betriebssystems.

Hoflieferant für IBM-PC und Kompatible

Aus den beiden Aufgaben des Prozessors ergeben sich auch die Spezifikationen der Nachfolger des 4004: Ein wichtiges Leistungsmerkmal eines Prozessors ist die Breite, in der er Daten verarbeitet. Ebenso wichtig ist die Breite des vom Prozessor adressierten Datenbus. Seit dem Typ 8088 ist Intel Hoflieferant für IBM-PCs und Kompatible. Dieser Prozessor verarbeitet Daten in einer Breite von acht Bit und adressiert einen acht Bit breiten Datenbus. Diese Busbreite ist verantwortlich für die Größe des Arbeitsspeichers, den der Prozessor verwalten kann. Der acht Bit breite Datenbus des Intel 8088 ist so für die vielzitierte 640-KB-Grenze von MS-DOS verantwortlich: Mit einem acht Bit breiten Adreßbus lassen sich 1024 KB adressieren, 384 KB sind für interne Belange reserviert, bleiben also die berühmten 640 KB, die MS-DOS immer zum Vorwurf gemacht wurden.

Verarbeitung von 32 Bit noch innen und außen

Der 8088 wurde abgelöst vom 8086, der intern zwar mit 16 Bit arbeitete, nach außen aber ebenso wie sein Vorgänger lediglich einen acht Bit breiten Adressbus bedienen konnte und damit dieselben Speichergrenzen kannte. Erst der 80286 arbeitete nach innen wie nach außen mit einer Datenbreite von 16 Bit und konnte so bis zu 16 MB Arbeitsspeicher adressieren.

Der 386 schließlich brachte die Verarbeitung von 32 Bit nach innen wie nach außen. Die Sparversion des 386, der 386SX arbeitet - ähnlich wie weiland der 8086 - intern mit 32 Bit, adressiert aber einen 16 Bit breiten Datenbus.

An der 32/32-Ausstattung hat sich beim Wechsel vom 386 zum 486 nicht viel getan. Die Unterschiede zum neuen High-end-Prozessor liegen auf einer anderen Ebene: Intel faßte für den 486 verschiedene Bausteine auf einem Chip zusammen. Neben dem eigentlichen Prozessor, der sich vom 386 nur in einigen wenigen und arg technischen Details unterscheidet, finden auf dem 486 ein mathematischer Koprozessor, der nach dem Muster des 387 gestrickt ist, ein Cache-Speicher von 8 KB und der zugehörige Controller Platz.

Zahl der Transistoren alle zwei Jahre verdoppelt

Grundsätzlich ist der I486 also kaum eine Neuigkeit. Koprozessoren und Cache-Speicher, die gewissermaßen das Kurzzeitgedächtnis des Rechners bilden, gibt es bereits seit Jahren. Neu dabei ist lediglich die extrem hohe Integration der verschiedenen Bauteile auf einem einzigen Chip.

Gerade diese immer höhere Integration von elektronischen Bauteilen ist bezeichnend für die Entwicklung vom 4004 bis hin zum 486. Der 4004 war eine Sensation, weil er über tausend Transistoren auf einen einzigen Chip brachte. Schon damals ließ sich die Entwicklung des Mikroprozessors so weit vorhersehen, daß Intel-Präsident und Mitbegründer Gordon Moore einen Satz formulierte, der unter der Überschrift "Moore's Law" von Intel an die Öffentlichkeit getragen wurde. Bereits vor über 20 Jahren sagte Moore voraus, daß sich die Zahl der Transistoren auf einem Mikroprozessor alle zwei Jahre verdoppeln würde.

Inzwischen zehnmal verdoppelt

Solche Zuwachsraten haben den Nachteil (oder Vorteil -je nachdem, wie man's nimmt), daß sie sehr rasch zu sehr hohen Zahlen führen. Seit der Markteinführung des 4004 sind 20 Jahre vergangen, folglich müßte sich die Zahl der Transistoren auf einem Mikroprozessor - unter Anwendung von Moores Law - inzwischen zehnmal verdoppelt haben. Demnach müßten heute 1 024 000 Transistoren auf einem Prozessor unterzubringen sein. Tatsächlich ist der 486 mit 1,2 Millionen Transistoren bestückt. Das bringt eine um den Faktor 50 gesteigerte Leistungsfähigkeit gegenüber dem 8088, der mit immerhin 29 000 Transistoren auch nicht gerade schwach ausgerüstet war.

Nun wächst mit der Anzahl der Transistoren auf einem Chip nicht gleichzeitig deren Größe - sonst wäre die Bezeichnung "Mikroprozessor" inzwischen längst ad absurdum geführt. Zwar ist der 486 etwas größer als sein Vorgänger, das hat aber im wesentlichen damit zu tun, daß er entsprechend aufwendiger "verkabelt" ist und daher mehr Stecker - oder Pins - für den Kontakt nach außen braucht.

Moore's Law zwingt die Entwickler von Mikroprozessoren also dazu, immer mehr Elektronik auf immer weniger Platz unterzubringen. Das stellt die Fertigungstechnik vor immer größere Probleme.

Bei der Herstellung der Transistoren, die auf einem Prozessor ihren Dienst versehen, steht die sogenannte Wafer (Waffel) am Anfang. Die Wafer ist ein Plättchen aus Silizium. Auf dieses Plättchen werden Linien aufgeätzt, die die Umrisse von Schaltungen darstellen. Das geschieht - ähnlich wie beim Siebdruck - mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung, also schlicht gesagt mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht. Die Lichtstrahlen werden durch die Lichtpause einer Schaltung geschickt.

Die Linienstärke hat sich dramatisch verkleinert

Je schmaler nun die Linien sind, die auf die Wafer geätzt werden, um die Transistoren zu bilden, um so mehr Transistoren finden auf der vorgegebenen Fläche Platz - um so höher ist die Integration des Mikroprozessors. Je höher nun wieder die Integration des Prozessors ist, desto größer ist gleichzeitig die Geschwindigkeit, mit der die jeweiligen Schaltungen ihre Aufgaben verrichten. Schließlich müssen die elektronischen Impulse kürzere Strecken zurücklegen. In den vergangenen 20 Jahren hat sich die Linienstärke dramatisch verkleinert. Die Linien auf dem 4004 waren etwa so dick wie ein Haar. Inzwischen sind diese Linien nur noch ein Mikrometer dick - das ist die Länge einer durchschnittlich gut entwickelten Bakterie.

Unweigerlich im Konflikt mit den Grenzen der Physik

Bis zum Jahr 2000 hofft man, auf eine Linienstärke von einem Fünftel um zu kommen. Unter Laborbedingungen wurde bereits ein Zehntel um erreicht. Dabei rückt der Zeitpunkt immer näher, wo Moore's Law unweigerlich mit den Grenzen der Physik in Konflikt geraten wird. Um solche Linien zu belichten, ist die Wellenlänge des sichtbaren oder ultravioletten Lichtes schlicht und ergreifend zu lang. Also hilft man sich mit Röntgenstrahlung und ähnlich kurzwelligen Strahlen.

Der Lohn der Mühe ist nicht nur eine höhere Integration bei geringeren Abmessungen, sondern auch eine höhere Geschwindigkeit, was letzten Endes eine höhere Taktfrequenz des Prozessors bringt, denn elektrischer Strom kann mit höheren Frequenzen durch die Transistoren geschickt werden. Hier gilt dann das Prinzip der kurzen Wege. So ist der 486 allein schon deshalb schneller, weil seine einzelnen Elemente - der Prozessor, der mathematische Koprozessor, der Cache-Controller und schließlich das 8-KB-Cache-Memory - enger beieinander sitzen und die Informationen schneller von Punkt A nach Punkt B gelangen.

Aber nicht nur physikalische Gesetze bedrohen Moore's Law: Auch durch die Chemie und die Fertigungstechnologie drohen Probleme, denn inzwischen bewegen sich die Größenordnungen, in denen Chips gebaut werden, in Dimensionen, wo eine Verunreinigung der verwendeten Werkstoffe durch wenige Moleküle schon problematisch werden kann. Noch tödlicher für die Herstellung solcher Chips sind "unreine" Herstellungsbedingungen. Dabei geht es nicht mehr um den Lehrling, der Freitags die Werkstatt auszufegen hat, sondern um mehr als zwei Staubpartikel von 0,2 Mikrometer pro Kubikmeter Luft.

Hier ist übrigens der Grund für die doch recht hohen Preise der hochintegrierten Mikroprozessoren zu suchen. Schließlich müssen nicht nur die Chips bezahlt werden, die die Fertigung und alle Kontrollen überstanden haben, sondern auch die, die als Ausschuß die Kontrollen nicht überstehen.

Dennoch gibt sich Intel optimistisch, was die Erfüllung von Moore's Law angeht, derzeit arbeitet man am Projekt "Micro 2000". Dieser Prozessor soll gegen Ende des Jahrhunderts - genauer möchte man sich nicht festlegen - auf einer Chip-Fläche von 6,45 Quadratzentimetern 100 Millionen Transistoren zusammenfassen, er soll mit einer Taktfrequenz von 250 Megahertz arbeiten und 2 Milliarden Instruktionen pro Sekunde erledigen. Zum Vergleich: Der I486 besitzt wie gesagt 1,2 Millionen Transistoren, arbeitet mit 33 Megahertz und erledigt 27 Millionen Instruktionen pro Sekunde. Beiden gemeinsam ist allerdings eines: Der "Micro 2000" wird ebenso wie der 486 kompatibel zum Intel 80386 sein.

Daß Bedarf nach dieser Rechenleistung besteht, bestätigt eine kurze Rückfrage bei der Software-Industrie. So gibt man bei Microsoft unumwunden zu, daß die derzeit propagierte Handschriftenerkennung nur ein Zwischenschritt in einer Entwicklung ist, an deren vorläufigem Ende die Spracherkennung stehen wird. Entsprechende Forschungsprojekte werden auch bei anderen Herstellern vorangetrieben.

Wie thermische Probleme in den Griff bekommen?

Lassen wir hier mal die Sphärenklänge der Zukunft verhallen und wenden uns lieber der tristen Gegenwart zu. Denn ehe die Anwender über die Anschaffung von 250-Megahertz-Prozessoren nachdenken, wollen die meisten doch wissen, wie Intel die thermischen Probleme beim 486/50 in den Griff bekommen will. Oder weshalb man überhaupt einen mit dem 486/50 bestückten Rechner kaufen soll.

An dieser Stelle nämlich scheint es zur Zeit Verständigungsprobleme zu geben. Wie schon gesagt, bietet der 486 - abgesehen von der Integration bislang diskreter Bauteile und der dadurch bedingten höheren Geschwindigkeit - wenig wirklich Neues.

Laut Marketing-Aussage von Intel gibt es "eigentlich zwei Intel 486-Mikroprozessoren: den Hochleistungsprozessor 486DX und die preisgünstige Einstiegsvariante 486SX". Arbeitet er mit der maximalen Taktfrequenz von 50 Megahertz, erledigt der 486 40 Millionen Befehle in der Sekunde und kann damit nicht mehr als Computer, sondern getrost als Mainframe auf einem Chip bezeichnet werden.

Anders sieht die Sache beim 486SX aus. Dieser Chip, von Intel als "die preiswerte Möglichkeit, die 486-Architektur an Ihrem Büroarbeitsplatz zu nutzen" bezeichnet, unterscheidet sich vom DX in zwei Aspekten: Erstens arbeitet er lediglich mit einer Taktfrequenz von 20 Megahertz und zweitens hat er keinen integrierten mathematischen Koprozessor. Branchen-Insider wissen seit Monaten zu berichten, daß es sich beim 486SX um die DX-Chips handelt, die nicht alle Kontrollen überstanden haben, die aber auf der anderen Seite mit abgeklemmten Koprozessor-Teil und mit der für den 486 eher betulichen Taktfrequenz von 20 Megahertz, durchaus noch für den Einsatz tauglich sind.

Immerhin ist Recycling angesagt, und es ist allemal besser, einen solchen Chip preiswerter zu verkaufen, als ihn wegzuwerfen.

Mit verbessertem Pipelinig und 8-KB-Cache

Der Anwender hat immerhin einen 386er mit verbessertem "Pipelining" (Pipelining ermöglicht die gleichzeitige Ausführung mehrerer Aufträge) und einem 8-KB-Cache, das fix eingebaut ist. Zudem erwirbt der Anwender mit einem 486SX-System einen Rechner, der -

hier wieder die Aussage der Intel-Marketing-Abteilung - "aber dennoch auf die Geschwindigkeit und den Funktionsumfang des 486DX aufgerüstet" werden kann.

Wie soll diese Aufrüstung nun vor sich gehen? Ganz einfach, man gibt dem 486SX das, was ihm fehlt, nämlich einen mathematischen Koprozessor, der nach altbewährtem Intel-Muster auf den Namen 487SX hört. So weit ist alles klar: "Sie haben also die Möglichkeit, zu einem späteren Zeitpunkt einen mathematischen Koprozessor Intel 487SX in den freien Sockel neben der 486SX CPU (Central Processing Unit) einzustecken. Dieser Ausbausockel kann auch für künftige, noch nicht angekündigte leistungssteigernde Erweiterungen benutzt werden. Mit anderen Worten: Systeme mit dein 486SX haben die Möglichkeit der nachträglichen Leistungssteigerung eingebaut, um ihre Investition zu schützen." Da freut sich der Anwender.

Allerdings wundert diese Produktpolitik viele Kenner: Weshalb sollte Intel eine Fertigungsanlage für den 487SX aufbauen, wo doch selbst der 486SX am gleichen Band produziert wird, wie der DX? Weshalb sollte ein 487SX erst entwickelt werden, wenn doch der 486SX auch nicht entwickelt wurde? In einigen Redakteuren einer amerikanischen Fachzeitschrift keimte ein Verdacht auf: Könnte es sein, daß der 487SX nicht ebenfalls am selben Band produziert wird wie der 486DX? Man machte die Probe aufs Exempel und steckte anstatt eines 487SX einen 486DX in den freien Sockel. Um den Chip so herzurichten, daß er als 487SX erkannt wurde, genügte eine einfache Lötarbeit - ein Draht und ein Widerstand mußten aufgelötet werden.

Tatsächlich wurde der 486DX als lupenreiner 487SX anerkannt, und die Leistung des Systems stieg gewaltig an. Nun lag es nahe, noch einen draufzusetzen und den 486SX aus seinem Sockel zu entfernen. Auch hier waren ein wenig Draht, ein Widerstand (470 Ohm) und etwas Lötzinn nötig. Das System machte sich nichts daraus: Es arbeitete auch ohne den 486SX mit gleicher Leistung unbeeindruckt weiter. Damit ist natürlich auch klar, welche Möglichkeiten sich für die - laut Intel - "noch nicht angekündigte leistungssteigernde Erweiterung" bieten.

Noch keine verbindliche Preisaussage zum 487SX

Nun stellt sich die Frage, was das Geschrei soll. Schließlich gibt es derzeit noch keine verbindlichen Preisaussagen von Intel über einen 487SX, die eine Beschwerde oder einen Tip sinnvoll machen würde. Allerdings sollte man daran denken, daß nicht nur stationäre Rechner mit Prozessoren der 486-Familie bestückt werden, sondern auch Portables und Laptops. Hier kommen gleich zwei Faktoren hinzu, die erheblich ins Gewicht fallen: Zwei Chips nehmen erst einmal mehr Platz ein als ein Chip, was bei der Packdichte, die für moderne Laptops nötig ist, ziemlich wichtig ist. Außerdem verbrauchen zwei Chips natürlich mehr Batteriestrom als nur einer. Bedenkt man, daß die Firma Toshiba versucht, den Stromverbrauch ihrer Laptops durch gezieltes Herunterschalten des Prozessors zu senken, kann man in etwa ermessen, wie sinnvoll ein mit 20 Megahertz getakteter 486SX ist, der nichts tut, außer Strom zu verbrauchen.

Ein dritter Aspekt dieser 486SX-Produktstrategie verdient vielleicht auch noch, erwähnt zu werden. Als Anwender und damit potentieller Käufer eines solchen Systems fühlt man sich nicht gerade ernst genommen.