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マイクロプロセッサとみなせる最初のチップは、 1960年代後半から1970年代初頭に設計・製造され、グラマンF-14 CADCで使用されたMP944もその一つである。[ 1 ] 1971年のインテルの4004は、最初の商用マイクロプロセッサとして広く認識されている。[ 2 ]
1970年代初頭、設計者は主にpMOSロジックでMOSFETトランジスタを使用していたが、 1970年代半ば以降はnMOSロジックに切り替えた。空乏型nMOSは、通常+5Vの単一電圧で動作できるという利点があり、電源要件が簡素化され、多種多様な+5Vトランジスタ・トランジスタ・ロジック（TTL）デバイスと容易に接続できた。nMOSの欠点は、下地のシリコン材料中のわずかな不純物によって発生する電子ノイズの影響を受けやすいことであり、特にナトリウムなどの不純物が要求レベルまで除去されるようになったのは1970年代半ばになってからだった。その頃、1975年頃にはnMOSが急速に市場を席巻した。[ 3 ]
これは、特にパーキンエルマー社のマイクロアラインシステムなどの新しい半導体マスキングシステムの導入と同時期に起こった。マイクロアラインはマスクの画像をシリコンウェハに直接触れることなく投影するため、マスクが表面から剥がれてフォトレジストの一部も一緒に剥がれてしまい、ウェハのその部分のチップが台無しになるという以前の問題が解消された。[ 4 ]不良チップの数を約70%から10%に減らすことで、初期のマイクロプロセッサのような複雑な設計のコストが同じだけ減少した。コンタクトアライナーに基づくシステムは単体で約300ドルであったが、これらの改良を活用するために特別に設計されたMOS 6502はわずか25ドルであった。[ 5 ]
この時期には、さまざまなワード長に関する実験も数多く行われました。初期の頃は、 Intel 4004のような4ビットプロセッサが一般的でした。これは、当時の小型ウェハでは、特に不良品が多数発生することを考えると、より長いワード長をコスト効率よく実現することが困難だったためです。歩留まりが向上し、ウェハサイズが大きくなり、フィーチャサイズが縮小し続けるにつれて、Intel 8080や6502のようなより複雑な8ビット設計が登場しました。16ビットプロセッサは初期に登場しましたが高価でした。10年の終わりまでには、 Zilog Z8000のような低コストの16ビット設計が一般的になっていました。12ビットや20ビットといった珍しいワード長も製造されましたが、これらはミニコンピュータでマルチチップ形式で以前に実装された設計と一致することが多かったのです。ミニコンピュータが32ビット形式に移行するにつれて、これらは10年の終わりまでにほぼ姿を消しました。
ムーアの法則によって業界はより複雑なチップ設計へと突き進みましたが、1970年代の8ビット設計から16ビット設計への広範な移行は、予想されていたほどには実現しませんでした。その代わりに、モトローラ68000やナショナルセミコンダクターNS32000といった、はるかに高い性能を提供する新しい32ビット設計が登場しました。16ビットシステムが広く採用されたのはIBM PCのみで、IBM PCは新しい設計が成熟する前の1979年にインテル8088を採用していました。
もう一つの変化は、複雑なCPUを構築する主要な方法としてCMOSゲートへの移行でした。CMOSは1970年代初頭から利用可能で、 RCAは1975年にCMOSを使用したCOSMACプロセッサを発表しました。[ 43 ]以前のシステムでは各「ゲート」のベースとして単一のトランジスタを使用していたのに対し、CMOSは両面設計を使用しており、実質的に製造コストが2倍になりました。その利点は、ロジックがシリコン基板に対するトランジスタの電圧ではなく、両面間の電圧の差に基づいており、はるかに低い電力レベルで検出できることでした。プロセッサの複雑さが増し続けるにつれて、電力損失が大きな懸念事項となり、チップは過熱しやすくなりました。CMOSはこの問題を大幅に軽減し、急速に市場を席巻しました。[ 44 ]これは、米国企業がnMOSにとどまる一方で、日本企業がCMOSを採用したことで促進され、1980年代に日本の業界に大きな進歩をもたらしました。[ 45 ]
半導体製造技術はその後も継続的に進歩した。「現代のIC産業を創り出した」マイクロアラインは、1980年代初頭には時代遅れとなった。マイクロアラインに取って代わったのは、高倍率と非常に強力な光源を用いて、大きなマスクをウェハ上に極めて小さなサイズでコピーできる新しいステッパーだった。この技術によって、業界はかつての1ミクロンという限界を突破することができた。
1980年代前半の主要な家庭用コンピュータは、主に1970年代に開発されたプロセッサを使用していた。1975年に初めてリリースされた6502のバージョンは、 Commodore 64、Apple II、BBC Micro、およびAtari 8ビットコンピュータを駆動した。8ビットのZilog Z80 （1976年）は、ZX Spectrum、MSXシステム、その他多くのシステムの中核を成している。1981年に発売された8086ベースのIBM PCは16ビットへの移行を開始したが、すぐに68000ベースの16/32ビットMacintosh、そしてAtari STとAmigaに追い抜かれた。IBM PC互換機は、1985年後半にIntel 80386が導入されたことで32ビットに移行したが、当時386ベースのシステムはかなり高価だった。
マイクロプロセッサは、ワード長がますます長くなるのに加えて、これまでオプションの外付け部品だった機能ユニットを内蔵し始めた。1980年代半ばには、メモリ管理ユニット（MMU）が普及し始め、Intel 80286やMotorola 68030などの設計で初めて登場した。1980年代末には、浮動小数点演算ユニット（FPU）が追加され、1989年のIntel 486で初めて搭載され、翌年にはMotorola 68040で採用された。
1980年代に始まったもう一つの変化は、RISC（ Reduced Instruction Set Computer）の登場による全体的な設計思想の変化でした。この概念は1970年代にIBMによって初めて開発されましたが、同社は、より大型のメインフレームシステムの販売を共食いすることを恐れて、RISCをベースとした強力なシステムを導入しませんでした。市場への導入を牽引したのは、MIPS Technologies、SPARC、ARMといった小規模企業でした。これらの企業は、IntelやMotorolaのようなハイエンドの製造設備を利用できませんでしたが、それらの企業に比べてはるかにシンプルな構造で、競争力の高いチップを開発することができました。1980年代末までには、 IBM POWER、Intel i860、Motorola 88000など、主要ベンダーすべてが独自のRISC設計を導入していました。
1990年代には、 32ビットマイクロプロセッサが消費者市場を席巻しました。プロセッサのクロック速度は1990年から1999年の間に10倍以上に増加し、1990年代後半には64ビットプロセッサが登場し始めました。1990年代には、マイクロプロセッサはプロセッサとRAMに同じクロック速度を使用しなくなりました。プロセッサは、RAMやその他のコンポーネントとの通信に使用されるフロントサイドバス（FSB）クロック速度を持つようになりました。通常、プロセッサ自体のクロック速度はFSBクロック速度の倍数でした。たとえば、IntelのPentium IIIは、内部クロック速度が450～600MHz 、FSB速度が100～133MHzでした 。ここでは、プロセッサの内部クロック速度のみを示しています。
2000年代には64ビットプロセッサが主流となった。マイクロプロセッサのクロック速度は放熱の限界により限界に達した。高価で非現実的な冷却システムを実装する代わりに、メーカーはマルチコアプロセッサという形で並列コンピューティングに目を向けた。オーバークロックは1990年代に起源を持つが、2000年代に本格的に普及した。オーバークロックされたプロセッサ用に設計された市販の冷却システムが一般的になり、ゲーミングPCも登場した。この10年間でトランジスタ数は約1桁増加し、これは過去数十年の傾向が続いた。プロセスサイズは180nmから45nmへと約4分の1に縮小した。
新たなトレンドとして、複数のチップレットで構成されるマルチチップモジュールが登場しました。これは、1つのパッケージに複数のモノリシックチップを収めたものです。これにより、より小型で製造しやすい複数のチップとの集積度を高めることが可能になります。
システムは1970年秋、ラスベガスのFJCCで発表された。最初の注文はイースタン社から。スライド13には、1970年を示す矢印があります。
これらの原理を用いた最初のプロセッサであるARM-1は、1985年4月にVLSI社によって製造され、わずか25,000個のトランジスタを使用しながら、当時としては驚異的な性能を発揮した。
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