"De opkomst van een nieuw tijdperk". Zo luidde de bombastische reclameslogan waarmee Intel dertig jaar geleden, op 8 juni 1978, zijn eerste 16-bit processor introduceerde. Overdreven? Ja, zonder twijfel, maar in zeker zin ook profetisch. Het duurde even voordat de 8086 aansloeg, maar de onderliggende architectuur die later door het leven ging als x86 zou de geschiedenis ingaan als een van de grote succesverhalen in computertechnologie.

Met 'x86' wordt een set instructies aangeduid die door processors van Intel en andere fabrikanten wordt uitgevoerd. De gebruiksregels en het vocabulaire voor de processor dus. De set voor x86 is door de jaren, met de 80186, 80286, 80386, 80486 en verschillende Pentiums naar de hedendaagse multicores en mobiele chips, verder uitgebreid, maar met behoud van compatibiliteit met de vorige generaties.

Langzamerhand is de x86 gekropen van de desktop naar de server, naar de compacte computers, naar de supercomputer. Tijdens die tocht hield het concurrenten op achterstand, of liet hij ze zelfs dood achter. Zelfs op plaatsen waar de x86 niet bij leek te komen, zoals Apple die voor de Mac de voorkeur gaf aan Motorolas PowerPC, is de x86 de laatste jaren doorgedrongen.

Waar komt die dominantie vandaan? We beginnen bij het begin.

Het Begin

De eerste microprocessor van Intel was de 4-bits 4004 voor een Japanse rekenmachine in 1971. Snel daarna kwam de 8008, en in 1975 volgde de 8-bits 8080 voor de Altair 8800 PC. Dit per post bezorgde apparaat is bekend als het systeem waarvoor een zekere Paul Allen en Bill Gates het bedrijfje Microsoft oprichtten, om een versie van Basic aan de man te brengen.

De chip ui 1971 werd gebouwd in opdracht van de Japanse fabrikant Busicom. Maar het is niet Intels eerste product: in 1969 bracht het bedrijf op halfgeleider gebaseerd geheugen op de markt. Geheugen was twintig jaar lang zelfs het primaire aandachtsgebied van Intel. Albert Yu, oud-vicepresident van het bedrijf, geeft in zijn boek Creating the Digital Future aan dat dit in 1984 veranderde omdat Japanse geheugenmakers het domweg beter deden. Honderd procent van de winst kwam uit de processors, terwijl 80 procent van het R&D-budget opging aan geheugen. "De strategie en de investeringen waren volstrekt niet in lijn met de realiteit", schrijft Yu in zijn memoires. Een jaar later trok Intel zich aarzelend terug uit de geheugenmarkt.

"Uiteindelijk hebben we de emoties die komen kijken bij een falens zakelijk model overwonnen, en konden we ons helemaal richten op iets waar de toekomst van ons bedrijf lag", schrijft Yu verder. "Het was hard, het was pijnlijk. Maar het was wel juist." De omzet kelderde het jaar erop van 1,6 miljard dollar naar 1,2 miljard, terwijl de reorganisatie 250 miljoen dollar kostte.

De keuze van IBM om de 8088, een variant op de 8086, te gebruiken gaf de architectuur begin jaren 80 een enorme duw in de rug. Het lanceerde de 8086 naar de standaard die het tot op de dag van vandaag is. Maar volgens Patrick Gelsinger, computerontwerper en huidig vicepresident van het bestuur van Intel, was het echte keerpunt voor de industrie in 1985, toen de 32-bits 80386 werd geïntroduceerd. Het was indertijd nog niet duidelijk waarom de upgrade van de 16-bits architectuur nodig was. "Mensen vroegen mij wat ik in vredesnaam wilde met 32-bits. Dat was immers voor minicomputers en mainframes", zegt Gelsinger. "Ons werd verweten dat we extravagant waren."

Rond dezelfde tijd introduceerde Compaq een 386 pc, waarmee de wurggreep van IBM op de computermarkt iets losser werd. De 16-bit 80286 die de IBM pc toen draaide, haalde minder dan een derde van de snelheid van de 386.

De reden dat IBM de 386 liet liggen is volgens Intel dat er geen software beschikbaar was die gebruik maakte van de mogelijkheden van 32-bit. Ook was IBM bezig met het bouwen van een 16-bits besturingsysteem, OS/2. "IBM had de architectuur volledig in handen. De applicaties, OS en hardware waren van hun hand", zegt Gelsinger, die betrokken was bij het team dat de 386 heeft ontworpen. "Dat was het enige bedrijf dat direct een volledige oplossing kon bieden op het moment dat de volgende generatie zich aandiende, zonder toezeggingen dat de boel compatibel bleef. De introductie van de 386 betekende volgens Gelsinger "een verschuiving van een verticale naar een horizontale markt, een opening voor het wereldje."

De volgende stap is de 486 in 1989. Vanaf 1993 brak Intel met de naamconventie voor de vijfde generatie, omdat nummers niet registreerbaar bleken voor het merkenrecht. Geen 586 dus, maar Pentium, een naam die vele opeenvolgende chips meekregen, zoals Pentium Pro, Pentium II en Pentium D. Onderhand wordt Pentium vergezeld door de lowend Celeron en high-end Core 2. Ondanks alle naamsveranderingen blijft de lijn gebaseerd op die oude x86 instructieset.

Hoe komt het dat de x86 al zo lang zo succesvol is, en een spoor van vernieling achterlaat bij concurrerende architecturen? Om te beginnen kwam de x86 op het juiste moment. In de jaren 70 was de computer aan het evolueren, van de enorme en dure mainframes naar kleinere minicomputers. De desktop was op dat moment het volgende bastion.

Ook zou de x86 voldoen aan een wetmatigheid die in 1965 is voorzien door Gordon Moore, een latere topman van Intel. De beroemde Wet van Moore stelt dat chips elke twee jaar twee keer zo snel worden, zonder dat de kosten stijgen. Die wet bleek juist, waardoor de x86 op alle fronten kon uitgroeien, van het rekencentrum tot de thuiscomputer.

Als derde bleek de 8086 cement voor een pact tussen twee toekomstige grootmachten in de computerindustrie. Het lukte Bill Gates en Paul Allen in 1972 niet om Basic te ontwikkelen voor de nietige 8008 processor, maar het lukte wel op de 8080 in de Altair. Daarmee begon een de-facto partnerschap tussen Intel en Microsoft, waarmee een kolossale softwarebasis vrijkwam voor de x86. Dit zou later de belangrijkste troef zijn in de mouw van de x86, iets wat werd bewezen met de bedreiging van de RISC-processor.

De dreiging van RISC

Eind jaren 80 en begin jaren 90 kwam een serieuze bedreiging om de hoek kijken voor x86, toen RISC in opkomst kwam. Het idee achter Reduced Instruction Set Computing, die onder andere werd toegepast in de Sun SPARC, de PowerPC en MIPS, is dat de processor verschrikkelijk snel kon worden gemaakt door de instructies eenvoudig te houden. Daarbij wordt één instructie per klokcyclus uitgevoerd, tegenover de uitgebreide maar ingewikkelde multicyclische instructies van bijvoorbeeld x86.

Tegen de tijd dat het de beurt was aan de 80486, formuleerde toenmalig Intel-topman Andy Grove aan aanvulling op de Wet van Moore: de Softwarespiraal. Patrick Gelsinger legt uit: "Het idee van de spiraal was dat we snellere hardware ontwierpen dan de software aankon. Als de software het begon bij te benen, was dit een teken om opnieuw snellere hardware te ontwerpen. Dus van software komt hardware, hardware maakt software mogelijk, en die spiraal is sindsdien een van de belangrijkste motoren achter de industrie."

De spiraal is met de multicores nu misschien beter merkbaar dan ooit tevoren. Weinig software maakt gebruik van de meerkernige chips, waardoor Intel nu miljoenen investeert in onderzoek naar en tools voor parallel programmeren.

Terug naar RISC: analisten, de pers en concurrenten van Intel zagen een begin van het einde van CISC (Complex Instruction Set Computing, waar dus ook x86 toe behoorde). "We hadden het er moeilijk mee", zegt Gelsinger over de periode. Intel maakte haast met de ontwikkeling van een nieuwe RISC-processor voor werkstations, de i860.

Maar de i860 noch willekeurig andere RISC processor kwam ook maar in de buurt om x86 te verdrijven. "De dag voor de introductie van de 486 lag er al miljarden dollar aan software klaar om te draaien op de chip", legt Gelsinger uit. "Ondanks dat CISC-architectuur iets langzamer was, kon dat in worden gehaald toen eindelijk software voor RISC beschikbaar kwam. Dat was een doorslaggevend economisch voordeel, omdat de basis er al lag en er zoveel mensen aan het ontwikkelen waren voor ons. RISC zou dat nooit inhalen." Het was een nekslag voor de i860 en RISC, en ironisch genoeg gaf Intel later toe dat het introduceren van een nieuw platform een vergissing was.

Toch zorgde RISC voor een golf aan innovatie, zo vertelt informaticaprofessor David Patterson van de Universiteit van Californië. Hij was betrokken bij de RISC-ontwikkeling in de jaren 80. "De VAX van Digital Equipment kon niet bijbenen met RISC en verdween. Maar Intel incorporeerde ideeen van RISC in de oudere architectuur, iets dat ze konden doen met hun geweldige productiecapaciteit."

Het Floating Point Debacle

Een andere crisis die misschien wel evenveel buikpijn opleverde als RISC kwam in 1994. Testers van Intel stuitten toen op een afwijking in de floating point-bedrading van de nieuwe Pentium. Deze was zo klein en zeldzaam dat Intel besloot de fout alleen te corrigeren zonder de al verkochte chips terug te roepen. Maar een paar maanden later ontdekte Thomas Nicely, een wiskundedocent aan de Lynchburg College in Virginia, de fout in zijn pc. Niemand van Intel, zo geeft het bedrijf later ook toe, was bereid naar de klacht te luisteren. Nicely plaatste zijn verhaal op internet, en het duurde niet lang of Intel kreeg een stortvloed van kritiek over zich heen. Het resultaat was een PR-ramp en een 475 miljoen dollar kostende recall van de chips. "Het was een pijnlijk groeimoment, maar we leerden ons wel beter op te stellen jegens de consument", schrijft oud-vicepresident Albert Yu in Creating the Digital Future.

Doorbraak: De Pentium Pro

Een jaar later kon nog een punt worden toegevoegd op de x86 tijdbalk, zegt informaticadocent en Intel-consulent Todd Mowry van de Carnegie Mellon Universiteit. Intel introduceerde toen de Pentium Pro, met een paar baanbrekende mogelijkheden. Zo kon de processor 'vooruitkijken' in de instructiestroom, inschatten welke op dat moment relevant zijn en ze 'out of order' uitvoeren. De processor werd zo meer bezig gehouden, en in combinatie met een nieuwe ultrasnelle cache bood het enorme prestatieverbeteringen in een aantal applicaties. "Het was iets volstrekt nieuws dat ze de voordelen van RISC erbij kregen zonder de instructieset te veranderen", zegt Mowry. "De x86-instructies werden vertaald in micro-operaties die erg lijken op RISC-instructies. Dat resulteerde in een RISC-machine in een x86-machine, waarmee de snelheidsachterstand werd weggevaagd."

De Pentium Pro is het resultaat van een top-down ontwerpproces. "De ontwerpers gingen uit van een snelle machine, en bedachten vervolgens hoe ze een x86 erop konden draaien."

"De Pentium was een grote stap in de architectuur", zegt Gelsinger over de aanpak om ideeën van andere architecturen te verwerken in de x86. "We namen de beste ideeën over van de minis en de mainframes, en pasten ze domweg beter toe omdat we een goede doek hadden om op te schilderen: silicium."

De aanpak was anders dan bij een mainframe, waar de verwerkingscomponenten over een grote afstand binnen een systeem worden uitgesmeerd. Het plaatsen van alle functies op een enkele, kleine uiterst geïntegreerde chip gaf ontwerpers meer flexibiliteit en rekenkracht, stelt Gelsinger verder. De siliciumchip legde zo het pad van de Wet van Moore netjes af, iets dat interconnectsystemen niet is gelukt.

Parallele Wereld

Toen Intel de 8-bit 8080 processor in 1975 introduceerde begon de toenmalige topman Gordon Moore na te denken over de volgende zet. Hij wilde een architectuur die het bedrijf nog decennialang voort kon stuwen. Velen binnen Intel pleitten voor een upgrade van 8080 naar 16-bits terwijl anderen, onder wie uiteindelijk ook Moore, liever een nieuwe architectuur zagen. Terwijl een team in Santa Clara bezig waren met de 8086 (de 16-bits opvolger dus van 8080), zette Moore een team op in Portland voor het ontwerp van een processor die bekend werd als de iAPX 432 'micro-mainframe'. Het ontwerp was echter zo geavanceerd, met functies als fouttolerantie en ondersteuning voor meerdere kernen, dat het te groot en ingewikkeld werd. De 32-bits processor bestond uit drie chips en werd geïntroduceerd in 1981. De 432 was duur en langzaam, en verkocht niet. Klanten bleken meer te zien in de 8088 en 80286, allebei 16-bits.

"De ontwerpers in Santa Clara en Portland waren rivalen, concurrenten", zegt David Patterson van de Universiteit van Californië. "Als de ploeg die de 432 had gebouwd minder ambitieus was geweest, dan was dat het ontwerp waar we nu mee weg zouden lopen. In een parallele wereld is dat wat Intel nu zou leveren."

Later concurrenten

Maar ook op de eigen x86 architectuur was Intel niet immuun voor concurrentie. VIA Technologies bijvoorbeeld, gebaseerd in Taiwan maar opgericht in Silicon Valley om chipsets te verkopen op basis van onder andere x86. VIA produceert tegenwoordig meerdere soorten producten, terwijl de x86 chips van het bedrijf vooral gericht zijn op zuinige mobiele systemen en embedded apparaten.

Vooral Advanced Micro Devices, AMD, is sinds 2000 een doorn in het oog van Intel. In de jaren 80 en 90 was AMD een zoveelste producent van x86-processors, zonder het Intel echt moeilijk te maken. Maar in 2003 scoorde AMD een grote technische- en PR-slag met de introductie vande x86-64, een 64-bits superset voor de x86. Omdat het een superset was, konden gebruikers oude 32-bits programma's native draaien op het platform. Intels eigen 64-bitsaanbod bestond uit Itanium, dat het bedrijf samen met HP had ontwikkeld. Deze was bedoeld voor supergeschaalde uitvoering op big iron, en was niet direct compatibel met 32-bits software. Intel kwam in 2004 zelf met een 64-bit x86 superset, de EM64T, en zowel AMD als de pers merkten toen op dat het bedrijf Intel heeft afgetroefd op de 64-bitmarkt. "Dat was een voorbeeld van hoe de x86 set tegen Intel werd gebruikt", zegt Patterson. "Ook al domineert Intel de markt, het is mogelijk dat een ander bedrijf een draai geeft aan x86."

Heden en toekomst

Vandaag de dag zoekt de x86 steeds meer de grenzen van de informatica op. Intel maakte op 28 april bekend dat het samen met Cray nieuwe supercomputers gaat bouwen, gebaseerd op Intel x86-processoren. Cray maakt al gebruik van AMD x86 64-bit Opteronchips.

En op 2 april tijdens de Developer's Forum in Shanghai maakte Intel de Atom bekend, de kleinste x86 processor van het bedrijf. Het verbruikt minder dan 2.5 Watt aan vermogen. Een typische laptopprocessor verbruikt 35 Watt. Nog deze week heeft Intel voor kleine laptops en desktops uit laten varen.

Kan de x86 het nog eens dertig jaar uithouden? Er zijn dingen gaande die het ontwerp van microprocessors grondig gaan veranderen, ook op de korte termijn. Maar slechts weinigen voorspellen de teloorgang van x86, zegt Mowry van de Carnegie Mellon universiteit. "Het is moeilijk om redenen te vinden waarom een andere instructieset het over zou nemen. Er is nog zoveel waardevolle software die op de x86 draait."

Bron: Computerworld.com, vertaling Michiel van Blommestein Bron: Techworld