Loading article…
マイクロプロセッサは、データ処理ロジックと制御が単一の集積回路（IC）または少数のICに搭載されたコンピュータプロセッサです。マイクロプロセッサには、コンピュータの中央処理装置（CPU）の機能を実行するために必要な算術、論理、および制御回路が含まれています。マイクロプロセッサは、マシン コードを解釈して実行し、算術演算を実行できます。[ 1 ]マイクロプロセッサは、多目的、クロック駆動、レジスタベースのデジタル集積回路であり、バイナリ データを入力として受け取り、メモリに格納された命令に従って処理し、結果（バイナリ形式）を出力します。マイクロプロセッサには、組み合わせ論理と順序デジタル論理の両方が含まれており、バイナリ数システムで表現された数値と記号を操作します。
超大規模集積回路(VLSI)を用いて CPU 全体を 1 つまたは少数の集積回路に集積することで、コンピューティングのコストが大幅に削減されました。集積回路プロセッサは、高度に自動化された金属酸化膜半導体(MOS)製造プロセスによって大量生産され、比較的低い単価を実現しています。シングルチッププロセッサは、故障する可能性のある電気接続が少ないため、信頼性が向上します。マイクロプロセッサの設計が改良されるにつれて、チップの製造コスト (同じサイズの半導体チップ上に構築されたより小さなコンポーネント) は、ロックの法則に従って、一般的に同じままです。マイクロプロセッサの容量が継続的に増加したことにより、他の形式のコンピュータはほぼ完全に時代遅れとなり (コンピューティング ハードウェアの歴史を参照)、最小の組み込みシステムやハンドヘルド デバイスから最大のメインフレームやスーパーコンピュータまで、あらゆるものに 1 つ以上のマイクロプロセッサが使用されています。
マイクロプロセッサが登場する以前は、小型コンピュータは、多数の中規模および小規模の集積回路を搭載した回路基板のラックを使用して構築されていました。これらは通常、TTLタイプでした。マイクロプロセッサは、これを1つまたは少数の大規模ICに統合しました。マイクロプロセッサの発明の功績は誰に帰属するかについては意見が分かれていますが、最初に市販されたマイクロプロセッサは、フェデリコ・ファギンによって設計され、1971年に発表されたIntel 4004でした。 [ 2 ]
マイクロプロセッサは、システムオンチップの一種であるマイクロコントローラとは異なります。[ 3 ]マイクロプロセッサは、デジタル信号処理の動作ニーズに合わせてアーキテクチャが最適化された特殊なマイクロプロセッサチップであるデジタル信号プロセッサと関連していますが、異なります。[ 4 ] : 104–107 [ 5 ]
集積回路の複雑さは、1つのチップに搭載できるトランジスタの数、プロセッサをシステムの他の部分に接続できるパッケージ終端（ピン）の数、チップ上で可能な相互接続の数、およびチップが放熱できる熱量といった物理的な制約によって制限されます。技術の進歩により、より複雑で高性能なチップの製造が可能になっています。
最小限の仮想マイクロプロセッサは、算術論理演算ユニット（ALU）と制御ロジック部のみで構成される場合がある。ALUは、加算、減算、およびANDやORなどのビット演算を実行する。ALUの各演算は、ステータスレジスタ内の1つ以上のフラグを設定し、最後の演算の結果（ゼロ値、負の数、オーバーフローなど）を示す。制御ロジックは、メモリからオペコードを取得し、ALUが命令を実行するために必要な一連の操作を開始する。1つのオペコードは、プロセッサの多くのデータパス、レジスタ、およびその他の要素に影響を与える可能性がある。
集積回路技術の進歩に伴い、単一チップ上にますます複雑なプロセッサを製造することが可能になった。チップ上にトランジスタ数を増やすことで、ワードサイズは4ビットや8ビットから今日の64ビットへと拡大した。プロセッサアーキテクチャには様々な機能が追加され、オンチップレジスタの増加によってプログラムの実行速度が向上し、複雑な命令を用いてよりコンパクトなプログラムを作成できるようになった。例えば、浮動小数点演算は8ビットマイクロプロセッサでは利用できないことが多く、ソフトウェアで処理する必要があった。浮動小数点演算ユニットが、当初は独立した集積回路として、その後は同じマイクロプロセッサチップの一部として統合されたことで、浮動小数点演算の速度が向上した。
1つのチップ上に多数のトランジスタを搭載できるようになったことで、プロセッサと同じダイ上にメモリを統合することが可能になった。このCPUキャッシュは、外部メモリよりもアクセス速度が速く、多くのアプリケーションにおいてシステムの処理速度を向上させるという利点がある。プロセッサのクロック周波数は外部メモリの速度よりも急速に向上しているため、プロセッサが低速な外部メモリによって遅延しないようにするには、キャッシュメモリが必要となる。
マイクロプロセッサは汎用処理装置である。その後、いくつかの専用処理装置が登場した。
マイクロプロセッサは、その複雑さの尺度であるワードサイズに基づいて、さまざまなアプリケーションに合わせて選択できます。ワードサイズが長いほど、プロセッサの各クロックサイクルで実行できる計算量が増えますが、物理的に集積回路ダイが大きくなり、待機電力と動作電力の消費量が増加します。[ 6 ] 4ビット、8ビット、または12ビットのプロセッサは、組み込みシステムを実行するマイクロコントローラに広く統合されています。システムがより多くのデータ量を処理することが想定される場合、またはより柔軟なユーザーインターフェイスが必要な場合は、16ビット、32ビット、または64ビットのプロセッサが使用されます。8ビットまたは16ビットのプロセッサは、極めて低消費電力の電子機器を必要とするシステムオンチップまたはマイクロコントローラアプリケーション、あるいは高解像度アナログ/デジタルコンバータなどのノイズに敏感なオンチップアナログ電子機器を備えたミックスドシグナル集積回路の一部である場合、または両方の場合に、32ビットプロセッサよりも選択されることがあります。 8ビットチップで32ビット演算を実行すると、チップが複数の命令を持つソフトウェアを実行する必要があるため、結果的に消費電力が増加する可能性があると言う人もいます。[ 7 ] しかし、同等のソフトウェアルーチンを実行する場合、最新の8ビットチップは常に32ビットチップよりも電力効率が高いと言う人もいます。[ 8 ]
従来はコンピュータとは無関係だった数千もの製品にマイクロプロセッサが搭載されています。これには、家電製品、自動車（およびその付属品）、工具や計測機器、玩具、照明スイッチ／調光器、電気回路ブレーカー、煙感知器、バッテリーパック、ハイファイオーディオ／ビジュアル機器（DVDプレーヤーからレコードプレーヤーまで）などが含まれます。携帯電話、DVDビデオシステム、HDTV放送システムといった製品は、強力で低コストのマイクロプロセッサを搭載した民生機器を根本的に必要としています。ますます厳しくなる排ガス規制基準により、自動車メーカーは、自動車の多様な運転条件における排出ガスを最適に制御するために、マイクロプロセッサ搭載のエンジン管理システムを使用することが事実上義務付けられています。プログラム不可能な制御では、マイクロプロセッサで実現可能な結果を得るには、大型で高価な実装が必要となります。
マイクロプロセッサ制御プログラム（組み込みソフトウェア）は、製品ラインのニーズに合わせてカスタマイズできるため、製品の設計変更を最小限に抑えながら性能を向上させることが可能です。また、製品ラインの様々なモデルに独自の機能を、ごくわずかな製造コストで実装できます。
マイクロプロセッサによるシステム制御は、電気機械式制御や専用の電子制御では実現が困難な制御戦略を提供することができる。例えば、内燃機関の制御システムは、エンジン回転数、負荷、温度、およびノッキングの傾向に基づいて点火時期を調整することができ、これによりエンジンを様々な燃料グレードで運転することが可能となる。
集積回路を用いた低価格コンピュータの登場は、現代社会を大きく変革しました。パーソナルコンピュータに搭載された汎用マイクロプロセッサは、計算、テキスト編集、マルチメディア表示、インターネット通信などに利用されています。さらに多くのマイクロプロセッサが組み込みシステムの一部として、家電製品から自動車、携帯電話、産業プロセス制御に至るまで、無数の機器のデジタル制御を担っています。
1960年代初頭にMOS集積回路チップが開発されて以来、MOSチップは1964年までにバイポーラ集積回路よりもトランジスタ密度が高く、製造コストが低くなりました。MOSチップはムーアの法則で予測された速度でさらに複雑化し、 1960年代後半には1つのMOSチップ上に数百個のトランジスタを持つ大規模集積回路（LSI）が実現しました。MOS LSIチップのコンピューティングへの応用は、最初のマイクロプロセッサの基礎となりました。エンジニアは、完全なコンピュータプロセッサを複数のMOS LSIチップに収めることができると認識し始めたからです。[ 9 ] 1960年代後半の設計者は、コンピュータの中央処理装置（CPU）機能を、マイクロプロセッサユニット（MPU）チップセットと呼ばれる少数のMOS LSIチップに統合しようと努力していました。
マイクロプロセッサを誰が発明したかについては意見の相違があるが、[ 2 ] [ 10 ]最初の商用マイクロプロセッサは、1971年に単一のMOS LSIチップとしてリリースされたIntel 4004であった。 [ 11 ]シングルチップマイクロプロセッサは、MOSシリコンゲート技術（SGT）の開発によって可能になった。[ 12 ]初期のMOSトランジスタはアルミニウム金属ゲートを使用していたが、イタリアの物理学者フェデリコ・ファギンはこれをシリコン自己整合ゲートに置き換え、 1968年にフェアチャイルド・セミコンダクターで最初のシリコンゲートMOSチップを開発した。[ 12 ]ファギンは後にインテルに入社し、 1971年にマーシアン・ホフ、スタンレー・マゾール、島正敏とともに、シリコンゲートMOS技術を使用して4004を開発した。[ 13 ] 4004はBusicom向けに設計されたもので、Busicomは1969年にマルチチップ設計を提案していたが、インテルのファギンのチームがそれを新しいシングルチップ設計に変更した。 4ビットのIntel 4004に続き、1972年には8ビットのIntel 8008が登場した。1970年にF-14戦闘機の中央航空データコンピュータに使用されたMP944チップセットも初期のマイクロプロセッサとして挙げられるが、1998年に機密解除されるまで一般には知られていなかった。
4ビットおよび8ビットマイクロプロセッサのその他の組み込み用途、例えば端末、プリンタ、各種自動化機器などは、その後すぐに登場した。16ビットアドレッシングを備えた手頃な価格の8ビットマイクロプロセッサの登場は、1970年代半ば以降、最初の汎用マイクロコンピュータの誕生にもつながった。
「マイクロプロセッサ」という用語が最初に使われたのは、 1968年に発表された小型コンピュータシステム「System 21」で使用されたカスタム集積回路の説明において、 Viatron Computer Systems [ 14 ]によるものとされている。
1970年代初頭から、マイクロプロセッサの容量の増加はムーアの法則に従ってきました。この法則は当初、チップに搭載できるコンポーネントの数が毎年倍増することを示唆していました。現在の技術では、実際には2年ごとであり[ 15 ] 、その結果、ムーアは後にその期間を2年に変更しました[ 16 ] 。
これらのプロジェクトはほぼ同時期にマイクロプロセッサを納入した。ギャレット・エアリサーチのセントラル・エア・データ・コンピュータ（CADC）（1970年）、テキサス・インスツルメンツのTMS 1802NC（1971年9月）、そしてインテルの4004 （1971年11月、1969年のBusicomの設計に基づく）である。おそらく、フォーフェーズ・システムズのAL1マイクロプロセッサも1969年に納入されたと言えるだろう。
Four -Phase Systems AL1 は、 8 つのレジスタと ALU を含む8 ビットのビットスライスチップでした。 [ 17 ]これは1969 年にLee Boyselによって設計されました。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]当時、AL1 は 3 つの 9 個のチップからなる 24 ビット CPU の一部でした。1990 年代に Texas Instrumentsによる訴訟に対応してBoysel が、1969 年の日付スタンプが付いた 1 つの AL1 を RAM、ROM、および入出力デバイスとともに法廷デモンストレーション コンピュータ システムの一部として構成したデモンストレーション システムを構築したとき、AL1 は後にマイクロプロセッサと呼ばれるようになりました。[ 21 ] AL1 は単体では販売されず、1970 年 9 月に発表され、1972 年 2 月に初めて出荷された System IV/70 の一部でした。[ 22 ]
1968 年、ギャレット エアリサーチ(設計者のレイ ホルトとスティーブ ゲラーを雇用していた) は、当時開発中だった電気機械式システムに対抗するデジタル コンピュータを、米海軍の新型F-14 トムキャット戦闘機のメイン飛行制御コンピュータとして開発するよう依頼された。設計は 1970 年までに完了し、コア CPU としてMOSベースのチップセットを使用した。この設計は、競合する機械式システムよりも大幅に (約 20 分の 1) 小さく、信頼性もはるかに高く、初期のトムキャット全モデルで使用された。このシステムには「20 ビット、パイプライン、並列マルチ マイクロプロセッサ」が含まれていた。海軍は 1997 年まで設計の公開を許可しなかった。1998 年に公開されたCADCとMP944チップセットのドキュメントはよく知られている。レイ ホルトによるこの設計と開発の自伝的物語は、書籍「The Accidental Engineer」に掲載されている。[ 23 ] [ 24 ]
レイ・ホルトは1968年にカリフォルニア州立工科大学ポモナ校を卒業し、CADCでコンピュータ設計のキャリアをスタートさせた。[ 25 ]設立当初から秘密に包まれていたが、1998年にホルトの要請により米海軍が文書を公開した。ホルトは、このマイクロプロセッサを後から登場したものと比較した者はいないと主張している。[ 26 ] Parabら（2007）によると、
1971年頃に発表された科学論文や文献によると、米海軍のF-14トムキャット戦闘機に使用されたMP944デジタルプロセッサが最初のマイクロプロセッサとして認められています。興味深いものではありますが、Intel 4004と同様にシングルチッププロセッサではなく、汎用的な形式を作成するために使用できる並列ビルディングブロックのセットのようなものでした。Intel 4004と同様に、CPU、RAM、ROM 、およびその他の2つのサポートチップが含まれています。同じPチャネル技術で作られ、軍事仕様で動作し、より大きなチップを備えており、あらゆる基準から見て優れたコンピュータエンジニアリング設計でした。その設計は、Intelよりも2年早く大きな進歩を示していました。Intel 4004が発表されたとき、実際に動作し、F-14で飛行していました。これは、今日のDSPとマイクロコントローラアーキテクチャの融合という業界のテーマが1971年に始まったことを示しています。[ 27 ]
DSPとマイクロコントローラのアーキテクチャのこの融合は、デジタル信号コントローラとして知られています。[ 28 ]
1990年、アメリカ人エンジニアのギルバート・ハイアットは米国特許第4,942,516号を取得しました[ 29 ]。これは、 1968年にテレダイン社を退職した後、1969年にカリフォルニア州ノースリッジの自宅でバイポーラチップのボードから構築した16ビットシリアルコンピュータに基づいています[ 2 ] [ 30 ]。特許は1970年12月に提出され、テキサス・インスツルメンツがTMX 1795とTMS 0100の特許を申請する前でしたが、ハイアットの発明は製造されませんでした。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]それでも、ハイアットがマイクロプロセッサの発明者であるという主張と、フィリップスNVの子会社を通じて多額のロイヤリティが支払われるという事態に至ったが、[ 33 ] 1996年にテキサス・インスツルメンツが複雑な法廷闘争で勝利し、米国特許庁が特許の重要な部分を覆し、ハイアットが特許を保持することを認めた。[ 2 ] [ 34 ]ハイアットは1990年のロサンゼルス・タイムズの記事で、将来の投資家が彼を支援してくれていれば彼の発明は実現していたはずであり、ベンチャー投資家が彼のチップの詳細を業界に漏洩したと述べたが、この主張を裏付ける証拠は示さなかった。[ 30 ]同じ記事の中で、『ザ・チップ』の著者であるTRリードは、インテルのノイスとTIのキルビーが1958年にチップの発明で功績を共有したように、歴史家は最終的にハイアットをマイクロプロセッサの共同発明者として位置づけるかもしれないと述べている。「キルビーが最初にアイデアを思いついたが、ノイスがそれを実用化した。最終的な判決はノイスに有利だったが、彼らは共同発明者と見なされている。ここでも同じことが起こる可能性がある。」[ 30 ]ハイアットはその後、1990年以降の特許の臨時収入に対する未払い税金をめぐってカリフォルニア州と数十年にわたる法廷闘争を繰り広げ、最終的にはカリフォルニア州フランチャイズ税委員会対ハイアット事件（2019年）で州の主権免除を扱う画期的な最高裁判決に至った。
テキサス・インスツルメンツは1970年から1971年にかけて、Datapoint 2200端末の代替となるワンチップCPU、TMX 1795（後にTMC 1795）を開発した。インテルの後の8008と同様に、顧客であるDatapointに拒否された。ゲイリー・ブーンによれば、TMX 1795は量産には至らなかった。しかし、1971年2月24日にはプロトタイプの状態に達していた。[ 35 ]同じ仕様で製造されたため、命令セットはインテル8008と非常によく似ていた。[ 36 ] [ 37 ]
1971年9月17日に発表されたTMS1802NCは、最初のマイクロコントローラであり、発売当初は4機能計算機を実装していました。TMS1802NCは、その名称にもかかわらず、TMS 1000シリーズの一部ではありませんでした。後に、TI Datamath計算機で使用されたTMS 0100シリーズの一部として再指定されました。チップ上の計算機として販売され、「完全にプログラム可能」でもありましたが、このプログラミングは製造時に行う必要がありました。そのチップには、11ビットの命令ワードを持つCPU、3520ビット（320命令）のROM、および182ビットのRAMが統合されていました。[ 36 ] [ 38 ] [ 37 ] [ 39 ]
1971年、Pico Electronics [ 40 ]とGeneral Instrument (GI)は、ICにおける初の共同開発として、Monroe/ Litton Royal Digital III電卓用の完全なシングルチップ電卓ICを発表しました。このチップは、 ROM、RAM 、およびシンプルな命令セットをチップ上に搭載した最初のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラの1つであるとも言えるでしょう。PMOSプロセスの4層のレイアウトは、マイラーフィルムに500倍のスケールで手描きされました。チップの複雑さを考えると、当時としては大変な作業でした。
Picoは、シングルチップの電卓ICを開発するというビジョンを持った5人のGI設計エンジニアによるスピンアウト企業でした。彼らはGIとMarconi-Elliottの両方で複数の電卓チップセットに関する豊富な設計経験を持っていました。[ 41 ]主要チームメンバーはもともとElliott AutomationからMOSで8ビットコンピュータを開発するよう依頼され、1967年にスコットランドのグレンロセスにMOS研究所を設立するのに貢献しました。
電卓は半導体の最大の単一市場になりつつあったため、PicoとGIはこの急成長する市場で大きな成功を収めた。GIはCP1600、IOB1680、PIC1650などの製品でマイクロプロセッサとマイクロコントローラの革新を続けた。[ 42 ] 1987年、GIマイクロエレクトロニクス事業はマイクロチップPICマイクロコントローラ事業としてスピンオフした。
Intel 4004 は、単一チップ上に構築された最初の真のマイクロプロセッサとして（誤って）認識されることが多い。[ 43 ] [ 44 ]価格は60 米ドル（2025 年換算で 480 ドル）であった。[ 45 ] 4004 の最初の既知の広告は 1971 年 11 月 15 日付けで、Electronic Newsに掲載された。[ 46 ]このマイクロプロセッサは、イタリア人エンジニアのFederico Faggin、アメリカ人エンジニアのMarcian HoffとStanley Mazor、日本人エンジニアのMasatoshi Shimaからなるチームによって設計された。[ 47 ]
4004を生み出したプロジェクトは、1969年に日本の電卓メーカーであるBusicomが、高性能デスクトップ電卓用のチップセットの開発をIntelに依頼したことから始まった。Busicomの当初の設計では、7種類のチップで構成されるプログラマブルチップセットが求められていた。そのうち3つのチップは、プログラムをROMに、データをシフトレジスタの読み書き可能なメモリに格納する特殊用途CPUを構成するものだった。このプロジェクトの評価を担当したIntelのエンジニア、テッド・ホフは、シフトレジスタメモリではなくデータにダイナミックRAMストレージを使用し、より一般的な汎用CPUアーキテクチャを採用することで、Busicomの設計を簡素化できると考えた。ホフは、プログラムを格納するROMチップ、データを格納するダイナミックRAMチップ、シンプルなI/Oデバイス、そして4ビットの中央処理装置（CPU）という4つのチップで構成されるアーキテクチャ案を考案した。ホフはチップ設計者ではなかったが、CPUを1つのチップに統合できると考えていた。しかし、技術的なノウハウが不足していたため、このアイデアは当面は単なる希望にとどまった。
MCS-4 のアーキテクチャと仕様は、ホフと、彼に報告するソフトウェア エンジニアのスタンレー マゾール、および Busicom エンジニアの島正敏とのやり取りから生まれたが、1969 年、マゾールとホフは他のプロジェクトに移った。1970 年 4 月、インテルはイタリア人エンジニアのフェデリコ ファギンをプロジェクト リーダーとして採用し、最終的にシングル チップ CPU の最終設計が実現した (一方、島は Busicom 電卓のファームウェアを設計し、実装の最初の 6 か月でファギンを支援した)。1968年にフェアチャイルド セミコンダクターでシリコン ゲート技術 (SGT) を最初に開発し[ 48 ]、SGT を使用した世界初の商用集積回路であるフェアチャイルド 3708 を設計したファギンは、最初の商用汎用マイクロプロセッサとなるプロジェクトを率いるのに適切な経歴を持っていた。 SGTはファギン自身の発明であったため、ファギンはそれを用いて、適切な速度、消費電力、コストでシングルチップCPUを実装できるランダムロジック設計の新しい方法論も作成しました。MCS-4の開発当時、インテルのMOS設計部門のマネージャーはレスリー・L・ヴァダスでしたが、ヴァダスは半導体メモリの主流ビジネスに完全に注力していたため、MCS-4プロジェクトのリーダーシップと管理をファギンに任せ、最終的に4004プロジェクトを成功に導いたのはファギンでした。4004の量産ユニットは1971年3月にBusicomに初めて納入され、1971年後半には他の顧客にも出荷されました。
Intel 4004に続いて、1972 年にIntel 8008が登場しました。これは Intel 初の8 ビットマイクロプロセッサです。[ 49 ]しかし、8008 は 4004 の設計の拡張ではなく、テキサス州サンアントニオのComputer Terminals Corporationとの契約から生まれた Intel の別の設計プロジェクトの集大成でした。この契約は、同社が設計していた端末Datapoint 2200用のチップに関するものでした。 [ 50 ]設計の基本的な側面は Intel ではなく CTC から提供されました。1968 年に、CTC の Vic Poor と Harry Pyle がプロセッサの命令セットと動作のオリジナル設計を開発しました。 1969年、CTCはIntelとTexas Instrumentsの2社に、CTC 1201として知られるシングルチップ実装の製造を委託した。 [ 51 ] 1970年後半または1971年初頭、TIは信頼性の高い部品を製造できなかったため撤退した。1970年、Intelがまだ部品を納入していなかったため、CTCはDatapoint 2200に独自の実装を採用し、従来のTTLロジックを使用した（そのため、「8008コード」を実行した最初のマシンは実際にはマイクロプロセッサではなく、1年前に納入されていた）。Intel版の1201マイクロプロセッサは1971年後半に到着したが、遅すぎ、動作が遅く、多数の追加サポートチップが必要だった。CTCはこれを使用することに興味がなかった。CTCは当初、このチップをIntelに委託しており、設計作業に対して5万ドル（2025年換算で39万7494ドル）を支払う義務があった。[ 51 ]望んでいない（そして使用できない）チップの代金を支払うことを避けるため、CTCはインテルとの契約を解除し、設計を無償で使用できるようにした。[ 51 ]インテルは1972年4月に、世界初の8ビットマイクロプロセッサとして8008を発売した。これは、 1974年に雑誌Radio-Electronicsで宣伝された有名な「 Mark-8 」コンピュータキットの基礎となった。このプロセッサは8ビットのデータバスと14ビットのアドレスバスを備えていた。[ 52 ]
8008は、成功を収めたIntel 8080 （1974年）の前身であり、8008よりも性能が向上し、必要なサポートチップも少なかった。フェデリコ・ファギンが高電圧NチャネルMOSを使用して考案・設計した。Zilog Z80（1976年）もファギンの設計で、低電圧Nチャネルと空乏負荷、そして派生したIntel 8ビットプロセッサを使用しており、すべてファギンが4004用に開発した手法で設計されている。モトローラは1974年8月に競合製品である6800を発売し、同様のMOS Technology 6502は1975年に発売された（どちらもほぼ同じ人物によって設計された）。6502ファミリーは1980年代にZ80と人気を競った。
全体的なコストが低く、パッケージングが小さく、コンピュータバスの要件がシンプルで、場合によっては追加回路（例えば、Z80 の内蔵メモリリフレッシュ回路）が統合されているため、 1980 年代初頭にホームコンピュータの「革命」が急激に加速しました。これにより、Sinclair ZX81のような安価なマシンが実現し、99 ドル（2025 年換算で 350.59 ドル）で販売されました。6502 のバリエーションであるMOS Technology 6510 はCommodore 64で使用され、さらに別のバリエーションである 8502 はCommodore 128で使用されました。
Western Design Center, Inc. (WDC) は1982年にCMOS WDC 65C02を発表し、その設計を複数の企業にライセンス供与しました。このチップは、 Apple IIeおよびIIcパーソナルコンピュータのCPUとして、また医療用埋め込み型ペースメーカーや除細動器、自動車、産業機器、民生機器などに使用されました。WDCはマイクロプロセッサ設計のライセンス供与の先駆者であり、その後1990年代にはARM（32ビット）をはじめとするマイクロプロセッサの知的財産（IP）プロバイダーがこれに続きました。
モトローラは1978年にMC6809を発表しました。これは、 6800とソースコード互換性があり、純粋にハードワイヤードロジックで実装された、意欲的でよく考え抜かれた8ビット設計でした（その後の16ビットマイクロプロセッサは、 CISC設計要件が純粋にハードワイヤードロジックでは複雑になりすぎたため、通常はある程度マイクロコードを使用するようになりました）。
もう一つの初期の8ビットマイクロプロセッサはSignetics 2650で、革新的で強力な命令セットアーキテクチャのおかげで一時的に注目を集めた。
宇宙飛行の世界における画期的なマイクロプロセッサの一つは、RCAのRCA 1802 （別名CDP1802、RCA COSMAC）（1976年発表）で、木星探査機ガリレオ（1989年打ち上げ、1995年到着）に搭載されました。RCA COSMACは、 CMOS技術を初めて採用したプロセッサです。CDP1802が採用された理由は、非常に低い消費電力で動作できることと、特殊な製造プロセスであるシリコン・オン・サファイア（SOS）を用いて製造されたバリアントが存在し、当時の他のどのプロセッサよりも宇宙放射線や静電放電に対する耐性がはるかに優れていたためです。そのため、1802のSOSバージョンは、最初の耐放射線マイクロプロセッサと言われています。
RCA 1802は静的設計を採用しており、クロック周波数を任意に低く設定したり、完全に停止したりすることができました。これにより、ガリレオ探査機は航海の長期間にわたる平穏な期間、最小限の電力で運用することが可能になりました。タイマーやセンサーは、航法更新、姿勢制御、データ取得、無線通信といった重要なタスクを実行する際に、プロセッサを起動させました。Western Design Centerの現行バージョンである65C02と65C816も静的コアを採用しているため、クロックが完全に停止してもデータを保持することができます。
Intersil 6100ファミリーは、 12ビットマイクロプロセッサ（6100）と、周辺機器サポートおよびメモリICの各種で構成されていました。このマイクロプロセッサは、DEC PDP-8ミニコンピュータの命令セットを認識しました。そのため、CMOS-PDP8と呼ばれることもありました。また、Harris Corporationによって製造されていたため、Harris HM-6100としても知られていました。CMOS技術とその利点により、6100は1980年代初頭まで一部の軍事設計に組み込まれていました。
最初のマルチチップ16ビットマイクロプロセッサは、1973年初頭に発表されたナショナルセミコンダクターのIMP-16でした。このチップセットの8ビット版は、1974年にIMP-8として発表されました。もう1つの初期のマルチチップ16ビットマイクロプロセッサは、デジタル・イクイップメント・コーポレーション（DEC）が1975年にLSI-11 OEMボードセットとパッケージ化されたPDP-11/03ミニコンピュータに使用したMCP- 1600です。
1974年後半、ナショナル社は初の16ビットシングルチップマイクロプロセッサであるPMOSナショナルセミコンダクターPACE [ 53 ]を発表し、その後NMOSバージョンのINS8900が続いた。
もう1つのシングルチップ設計は、1975年2月に発売されたGeneral Instrument CP1600 [ 54 ]で、主にIntellivisionコンソールで使用されました。
1976年に登場したもう1つのシングルチップ16ビットマイクロプロセッサは、TIのTMS 9900で、これもTI-990シリーズのミニコンピュータと互換性がありました。9900は、TI 990/4ミニコンピュータ、TI-99/4Aホームコンピュータ、およびTM990シリーズのOEMマイクロコンピュータボードで使用されました。このチップは、大型のセラミック64ピンDIPパッケージに収められていましたが、Intel 8080などのほとんどの8ビットマイクロプロセッサは、より一般的で小型で安価なプラスチック40ピンDIPを使用していました。後継チップであるTMS 9980は、Intel 8080に対抗するために設計され、TI 990の16ビット命令セットをすべて備え、プラスチック40ピンパッケージを使用し、 一度に8ビットずつデータを転送しましたが、アドレス指定できるのは16KBまででした。 3番目のチップであるTMS 9995は、新設計のチップだった。その後、このファミリーは99105と99110へと拡張された。
ミニコンピュータのマイクロプロセッサ実装のもう一つの例は、 1977年に発表されたフェアチャイルド・セミコンダクターのMicroFlame 9440である。これはNova 2の命令セットを実装していた。
1978年、インテルは8080設計を「アップサイズ」して16ビットのIntel 8086を発表しました。これは、現代のほとんどのPCタイプのコンピュータを動かすx86ファミリーの最初のメンバーです。インテルは、8080シリーズからソフトウェアを移植するコスト効率の良い方法として8086を発表し、その前提で多くのビジネスを獲得することに成功しました。8ビット外部データバスを使用する8086のバージョンである8088は、最初のIBM PCのマイクロプロセッサでした。インテルはその後、80186と80188、80286、そして1985年には32ビットの80386をリリースし、プロセッサファミリーの下位互換性によりPC市場での支配を確固たるものにしました。80186と80188は基本的に8086と8088のバージョンで、いくつかのオンボード周辺機器といくつかの新しい命令で強化されています。 Intelの80186と80188はIBM PCタイプの設計には使用されなかったが、NECのV20とV30といった二次的なバージョンは頻繁に使用された。8086とその後継機種は革新的ではあるものの限定的なメモリ分割方式を採用していたが、80286ではフル機能のセグメント化メモリ管理ユニット（MMU）が導入された。80386ではページングメモリ管理を備えたフラットな32ビットメモリモデルが導入された。
80386 までの 16 ビット Intel x86 プロセッサには、浮動小数点演算ユニット (FPU)は含まれていません。 Intel は、8086から 80386 CPU にハードウェア浮動小数点および超越関数機能を追加するために、8087、80187、80287 、および80387数学コプロセッサを導入しました。 8087 は 8086/8088 および 80186/80188 と連携し、[ 55 ] 80187 は 80186 と連携しますが 80188 とは連携しません、[ 56 ] 80287 は 80286 と連携し、80387 は 80386 と連携します。 x86 CPU と x87 コプロセッサの組み合わせにより、単一のマルチチップ マイクロプロセッサが形成されます。 2 つのチップは、単一の統合命令セットを使用してユニットとしてプログラムされます。[ 57 ] 8087 および 80187 コプロセッサは、親プロセッサのデータバスおよびアドレスバスと並列に接続され、それらに向けられた命令を直接実行します。80287 および 80387 コプロセッサは、CPU のアドレス空間の I/O ポートを介して CPU とインターフェースされます。これはプログラムからは透過的であり、プログラムはこれらの I/O ポートについて知る必要も、直接アクセスする必要もありません。プログラムは、通常の命令オペコードを介してコプロセッサとそのレジスタにアクセスします。
ウェスタン・デザイン・センター（WDC）は、1984年にWDC CMOS 65C02の16ビット版であるCMOS 65816を発表しました。65816 16ビットマイクロプロセッサは、 Apple IIGS、そして後にスーパーファミコンの中核を成し、史上最も人気のある16ビット設計の一つとなりました。
16ビット設計が市場に出回ってから間もなく、32ビット実装が登場し始めた。
32 ビット設計の中で最も重要なものは、1979 年に発表されたMotorola MC68000です。広く 68k として知られていたこのプロセッサは、プログラミング モデルでは 32 ビット レジスタを備えていましたが、内部データ パスは 16 ビット、3 つの 16 ビット算術論理演算ユニット、および 16 ビット外部データ バス (ピン数を減らすため) を使用し、外部では 24 ビット アドレスのみをサポートしていました (内部では完全な 32 ビット アドレスで動作していました)。PCベースの IBM 互換メインフレームでは、MC68000 の内部マイクロ コードが変更され、32 ビット System/370 IBM メインフレームをエミュレートしました。[ 58 ] Motorola は一般的にこれを 16 ビット プロセッサと説明していました。高性能、大容量 (16メガバイトまたは 2 24バイト) のメモリ空間、および比較的低コストの組み合わせにより、このクラスで最も人気のあるCPU 設計となりました。 Apple LisaやMacintoshのデザインは68000を使用しており、1980年代半ばの他のデザイン、例えばAtari STやAmigaなども同様に68000を使用していた。
世界初のシングルチップ完全32ビットマイクロプロセッサは、32ビットのデータパス、32ビットのバス、32ビットのアドレスを備え、AT&Tベル研究所のBELLMAC-32Aで、最初のサンプルは1980年に、一般生産は1982年に行われました。[ 59 ] [ 60 ] 1984年のAT&Tの分割後、WE 32000（WEはWestern Electricの略）と改名され、WE 32100とWE 32200という2つの後継世代がありました。これらのマイクロプロセッサは、AT&T 3B5および3B15ミニコンピュータ、世界初のデスクトップスーパーマイクロコンピュータである3B2、世界初の32ビットラップトップコンピュータである「Companion」で使用されました。そして「Alexander」は、今日のゲーム機に似たROMパックメモリカートリッジを搭載した、世界初の書籍サイズのスーパーマイクロコンピュータだった。これらのシステムはすべてUNIX System Vオペレーティングシステムで動作していた。
市場で初めて販売された商用シングルチップの完全32ビットマイクロプロセッサは、HP FOCUSでした。
Intel初の32ビットマイクロプロセッサは、1981年に発表されたiAPX 432でしたが、商業的には成功しませんでした。高度な機能ベースのオブジェクト指向アーキテクチャを採用していましたが、Intel自身の80286（1982年発表）のような同時代のアーキテクチャと比較すると性能が劣っていました。80286は、一般的なベンチマークテストではiAPX 432の約4倍の速度でした。しかし、iAPX 432の性能が低かったのは、開発が急がれたために最適化されていないAdaコンパイラが原因の一つでした。
モトローラの68000の成功を受けて、仮想メモリをサポートするMC68010が登場しました。1984年に発表されたMC68020は、完全な32ビットのデータバスとアドレスバスを追加しました。68020はUnixスーパーマイクロコンピュータ市場で非常に人気を博し、多くの小規模企業（Altos、Charles River Data Systems、Cromemcoなど）がデスクトップサイズのシステムを製造しました。次に発表されたMC68030は、MMUをチップに統合することで以前の設計を改良しました。継続的な成功により、演算性能を向上させるためにFPUを搭載したMC68040が登場しました。68050は性能目標を達成できずに発売されず、後継のMC68060は、はるかに高速なRISC設計で飽和した市場に発売されました。68kファミリーは1990年代初頭に姿を消しました。
他の大手企業は、68020とその後継機を組み込み機器向けに設計しました。一時期、組み込み機器に搭載されている68020の数は、PCに搭載されているIntel Pentiumの数よりも多かったのです。[61] ColdFireプロセッサコアは68020の派生型です。
この時期（1980年代前半から中頃）に、ナショナルセミコンダクターは、非常によく似た16ビットピン配置、32ビット内部マイクロプロセッサであるNS 16032（後に32016に改名）を発表し、完全な32ビットバージョンはNS 32032と名付けられました。その後、ナショナルセミコンダクターは、アービトレーションを内蔵して2つのCPUを同じメモリバス上に配置できるNS 32132を製造しました。NS32016/32はMC68000/10を上回りましたが、MC68020とほぼ同時期に登場したNS32332は十分な性能を持っていませんでした。第3世代のチップであるNS32532は異なり、ほぼ同時期にリリースされたMC68030の約2倍の性能を持っていました。 AM29000やMC88000（いずれも現在は生産終了）といったRISCプロセッサの登場は、最終コアであるNS32764のアーキテクチャに影響を与えた。スーパースカラRISCコア、64ビットバス、内部オーバークロックといった高度な技術を備えながらも、リアルタイム変換によって32000シリーズ命令を実行することができた。
ナショナルセミコンダクターがUnix市場から撤退することを決定したとき、このチップはオンチップ周辺機器を備えたSwordfish Embeddedプロセッサに再設計されました。このチップはレーザープリンタ市場には高価すぎることが判明し、開発中止となりました。設計チームはインテルに移り、内部的にはNS32764コアと非常によく似たPentiumプロセッサを設計しました。シリーズ32000の大きな成功はレーザープリンタ市場で、マイクロコードされたBitBlt命令を備えたNS32CG16は非常に優れた価格性能比を持ち、キヤノンなどの大企業に採用されました。1980年代半ばまでに、SequentはNS32032を使用した最初のSMPサーバークラスコンピュータを発表しました。これはこの設計の数少ない成功例の1つであり、1980年代後半には姿を消しました。MIPS R2000 （1984年）とR3000 （1989年）は、非常に成功した32ビットRISCマイクロプロセッサでした。これらはSGIをはじめとする企業によって、ハイエンドのワークステーションやサーバーに採用された。その他の設計としてはZilog Z80000があったが、市場投入が遅すぎたため成功の見込みはなく、すぐに姿を消した。
ARMは1985年に初めて登場しました。[ 62 ]これはRISCプロセッサ設計であり、電力効率、ライセンスモデル、および幅広いシステム開発ツールのおかげで、32ビット組み込みシステムプロセッサの分野を支配するようになりました。半導体メーカーは通常、コアのライセンスを取得し、それを自社のシステムオンチップ製品に統合します。Appleなどのベンダーはごく少数で、ARMコアを変更したり、独自のコアを作成したりするライセンスを取得しています。ほとんどの携帯電話にはARMプロセッサが搭載されており、その他さまざまな製品にも搭載されています。仮想メモリをサポートしないマイクロコントローラ向けのARMコアと、仮想メモリを備えた対称型マルチプロセッサ（SMP）アプリケーションプロセッサがあります。
1993年から2003年にかけて、32ビットx86アーキテクチャはデスクトップ、ノートPC、サーバー市場でますます主流となり、これらのマイクロプロセッサはより高速で高性能になりました。インテルは初期バージョンのアーキテクチャを他社にライセンス供与していましたが、Pentiumのライセンス供与は拒否したため、 AMDとCyrixは独自の設計に基づいて後のバージョンを開発しました。この期間に、これらのプロセッサは複雑さ（トランジスタ数）と性能（1秒あたりの命令数）が少なくとも3桁向上しました。インテルのPentiumシリーズは、少なくとも一般大衆の間では、おそらく最も有名で認知度の高い32ビットプロセッサモデルでしょう。
64ビットマイクロプロセッサの設計は、1990年代初頭からいくつかの市場（ 1996年の任天堂64ゲーム機を含む）で使用されてきたが、2000年代初頭にはPC市場をターゲットとした64ビットマイクロプロセッサが登場した。
2003 年 9 月にAMD が x86 と下位互換性のある 64 ビット アーキテクチャであるx86-64 ( AMD64とも呼ばれる) を発表し、続いて Intel がほぼ完全に互換性のある 64 ビット拡張機能 (最初は IA-32e または EM64T と呼ばれ、後にIntel 64に改名) を発表したことで、64 ビット デスクトップの時代が始まりました。どちらのバージョンも、新しい 64 ビット ソフトウェアだけでなく、32 ビットのレガシー アプリケーションもパフォーマンスの低下なしに実行できます。64 ビットをネイティブに実行するオペレーティングシステムWindows XP x64、Windows Vista x64、Windows 7 x64、Linux、BSD、macOSでは、ソフトウェアもこれらのプロセッサの機能を最大限に活用するように設計されています。64 ビットへの移行は、 IA-32 からのレジスタ サイズの増加だけではなく、汎用レジスタの数も 2 倍になります。
PowerPC による64ビットへの移行は、90年代初頭のアーキテクチャ設計時から意図されていたものであり、互換性の問題を引き起こす大きな要因ではありませんでした。既存の整数レジスタは、関連するすべてのデータパスとともに拡張されていますが、IA-32の場合と同様に、浮動小数点演算ユニットとベクトル演算ユニットは、数年前から64ビット以上で動作していました。IA-32がx86-64に拡張されたときとは異なり、64ビットPowerPCでは新しい汎用レジスタは追加されていないため、より大きなアドレス空間を使用しないアプリケーションで64ビットモードを使用しても、得られるパフォーマンス向上はごくわずかです。
2011年、ARMは新しい64ビットARMアーキテクチャを発表した。
1980年代半ばから1990年代初頭にかけて、IBM 801などのRISC型CPU設計の影響を受け、高性能なRISC （Reduced Instruction Set Computer）マイクロプロセッサが数多く登場した。RISCマイクロプロセッサは当初、専用機やUnixワークステーションで使用されていたが、その後、他の用途でも広く普及した。
最初の商用RISCマイクロプロセッサ設計は、1984年にMIPS Computer Systemsによってリリースされた32ビットのR2000（R1000はリリースされなかった）である。1986年には、HPがPA-RISC CPUを搭載した最初のシステムをリリースした。1987年には、非UnixのAcornコンピュータで、当時キャッシュレスだった32ビットのARM2ベースのAcorn Archimedesが、 ARMアーキテクチャを使用した最初の商用成功例となった。当時はAcorn RISC Machine（ARM）として知られていた。最初のシリコンARM1は1985年に登場した。R3000は設計を真に実用的なものにし、R4000は世界初の商用64ビットRISCマイクロプロセッサを導入した。競合プロジェクトは、IBM POWERとSun SPARCアーキテクチャを生み出した。すぐに、 AT&T CRISP、AMD 29000、Intel i860、Intel i960、Motorola 88000、DEC Alphaなど、主要なベンダーすべてがRISC設計をリリースするようになりました。
1990年代後半には、組み込み用途以外で量産されていた64ビットRISCアーキテクチャはSPARCとPower ISAの2つだけだったが、ARMがますます強力になるにつれて、2010年代初頭には汎用コンピューティング分野における3番目のRISCアーキテクチャとなった。
SMP（対称型マルチプロセッシング） [ 63 ]は、1990年代以降、サーバー、特定のワークステーション、デスクトップパーソナルコンピュータなどで一般的に使用されている、2つ、4つ、またはそれ以上のCPU（ペア）の構成です。マルチコアプロセッサは、複数のマイクロプロセッサコアを含む単一のCPUです。
Abitのこの人気の 2 ソケット マザーボードは、1999 年に最初の SMP 対応 PC マザーボードとして発売され、Intel Pentium Pro はシステム ビルダーやエンスージアスト向けに提供された最初の商用 CPU でした。Abit BP9 は 2 個の Intel Celeron CPU をサポートし、SMP 対応のオペレーティングシステム (Windows NT/2000/Linux) で使用すると、多くのアプリケーションでシングル CPU よりもはるかに高いパフォーマンスが得られます。初期のCeleronは簡単にオーバークロックでき、愛好家はこれらの比較的安価な CPU を Intel の仕様をはるかに超える 533MHz までクロックして使用していました。これらのマザーボードの能力を発見した後、Intel は後の CPU で乗数へのアクセスを削除しました。
IBMは2001年にPOWER4 CPUを発表しました。これは1996年に250人の研究者チームによって開始された5年間の研究を経て開発されたプロセッサです。不可能と思われたこの取り組みは、リモートコラボレーションの開発と、若手エンジニアを経験豊富なエンジニアと共同作業させることによって支えられました。チームの努力は、新しいマイクロプロセッサであるPower4で成功を収めました。これは、競合製品の半額で性能を2倍以上に向上させた2in1 CPUであり、コンピューティングにおける大きな進歩でした。ビジネス誌eWeekは、「新しく設計された1GHz Power4は、前世代製品からの飛躍的な進歩である」と評しました。業界アナリストのGiga Information Groupのブラッド・デイ氏は、「IBMは非常に積極的な姿勢を見せており、このサーバーはゲームチェンジャーだ」と述べています。
Power4は「2001年最優秀ワークステーション/サーバープロセッサ」としてアナリスト賞を受賞し、アメリカのテレビ番組「ジェパディ！」 [ 64 ]で最高のプレイヤーたちと競い合って勝利するなど、注目すべき記録を打ち立てました。
IntelのコードネームYonah CPUは2006年1月6日に発売され、マルチチップモジュールにパッケージ化された2つのダイで製造されました。激しい競争の市場で、 AMDなどがマルチコアCPUの新バージョンをリリースしました。AMDは2001年にAthlonXPラインからSMP対応のAthlon MP CPUを発売し、Sunは8コアのNiagaraとNiagara 2を発売、AMDのAthlon X2は2007年6月に発売されました。各社は終わりのないスピード競争に身を投じており、実際、より要求の厳しいソフトウェアはより高い処理能力とより高速なCPU速度を必要としていました。
2012年までに、デュアルコアおよびクアッドコアプロセッサがPCやノートパソコンで広く使用されるようになり、より高価なプロフェッショナルレベルのIntel Xeonに似た新しいプロセッサは、命令を並列実行する追加のコアを備えているため、ソフトウェアが高度なハードウェアを活用するように設計されていれば、ソフトウェアのパフォーマンスは通常向上します。オペレーティングシステムはマルチコアおよびSMD CPUをサポートし、3Dゲームなどの大規模なワークロードとリソース集約型アプリケーションを含む多くのソフトウェアアプリケーションは、マルチコアおよびマルチCPUシステムを活用するようにプログラムされています。
Apple、Intel、AMDは現在、マルチコアのデスクトップおよびワークステーションCPUの市場をリードしています。パフォーマンス層では頻繁にトップの座を争っていますが、Intelはより高い周波数を維持しているため、シングルコアのパフォーマンスは最速です[ 65 ]。一方、AMDはより高度なISAとCPUが製造されるプロセスノードのおかげで、マルチスレッド処理でリードすることがよくあります。
マルチコア/マルチCPU構成におけるマルチプロセッシングの概念は、アムダールの法則に関連している。
1997年には、世界で販売されたCPUの約55%が8ビットマイクロコントローラであり、20億個以上が 販売された。[ 66 ]
2002年、世界で販売されたCPUのうち、32ビット以上のものは10%未満でした。販売された32ビットCPUのうち、約2%がデスクトップまたはノートパソコンのパーソナルコンピュータで使用されています。ほとんどのマイクロプロセッサは、家電製品、自動車、コンピュータ周辺機器などの組み込み制御アプリケーションで使用されています。全体として、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはDSPの平均価格は6米ドル強（2025年換算で10.74米ドル）です。[ 67 ]
2003年には、約440億ドル（ 2025年 換算で約770億ドル）相当のマイクロプロセッサが製造・販売されました。[ 68 ]その金額の約半分はデスクトップまたはノートパソコンで使用されるCPUに費やされましたが、それらは販売されたすべてのCPUの約2%にすぎません。[ 67 ]ノートパソコン用マイクロプロセッサの品質調整価格は、2004年から2010年にかけて年間-25%から-35%改善し、 2010年から2013年にかけて改善率は年間-15 %から-25 %に鈍化しました。 [ 69 ]
2008年には約100 億個のCPUが製造された。毎年生産される新しいCPUのほとんどは組み込み型である。[ 70 ]
マイクロプロセッサは、メモリや入出力制御機能がないため、単体ではコンピュータとは言えません。マイクロコントローラはこれらの機能を補うことで、より完全なコンピュータをチップ上に実現します。
{{cite speech}}: CS1メンテナンス: 場所 (リンク)[...]最初のシリコンは1985年4月26日に稼働した。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)…2004年から2010年にかけて年間-25%から-35%だったのに対し、2010年から2013年にかけては年間減少率は約-15%から-25%で横ばいになっている。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)