Mikroprocessorer eller mikroprocessorenheter (MPU) är inget annat än fantastiska. Genom att integrera hela beräkningsmotorn i en elektronisk komponent kan den datorkraft som tidigare krävde ett rum fullt av utrustning nu tillverkas på ett enda chip, vanligtvis ungefär lika stort som en nagel, men som faktiskt kan vara ännu mycket mindre.

Mikroprocessorer fungerar som den centrala processorenheten (CPU) i datorer och innehåller tusentals elektroniska komponenter och använder en samling maskininstruktioner för att utföra matematiska operationer och flytta data från en minnesplats till en annan. De innehåller en adressbuss som skickar adresser till minnet, läslinjer (RD) och skrivlinjer (WR) som talar om för minnet om det vill ställa in eller hämta adressplatsen, samt en databuss som skickar och tar emot data till och från minnet. Mikroprocessorer innehåller också en klocklinje som möjliggör en klockpuls för att sekvensera processorn, och en återställningslinje som återställer programräknaren och startar om exekveringen.

Mikroprocessorn är själva kärnan i varje dator, oavsett om det är en PC, bärbar dator, server eller mobil enhet, och fungerar som instrumentets ”hjärna”. De finns också i hushållsapparater som TV-apparater, DVD-spelare, mikrovågsugnar, ugnar, tvättmaskiner, stereoanläggningar, väckarklockor och belysningssystem i hemmet. Även industriprodukter innehåller mikroprocessorer, t.ex. bilar, båtar, flygplan, tillverkningsutrustning och maskiner, bensinpumpar, kreditkortsenheter, trafikstyrningsanordningar, hissar och säkerhetssystem. Faktum är att i stort sett allt vi gör idag är beroende av mikroprocessorer – och de är naturligtvis en grundläggande komponent i IoT-enheter (Internet of Things) och IIoT-enheter (Industrial Internet of Things) som blir allt vanligare i hemmen och avgörande för företag över hela världen.

Man kan lugnt säga att dessa små utrustningar har haft – och kommer att fortsätta ha – ett enormt inflytande på teknik, ekonomi och kultur. Men var kom mikroprocessorerna ifrån och vad kan vi förvänta oss av dem i framtiden?

En kort historik över mikroprocessorer

Den allra första kommersiellt tillgängliga mikroprocessorn var Intel 4004, som lanserades av Intel Corporation redan 1971. 4004 var dock inte särskilt kraftfull och inte särskilt snabb – allt den kunde göra var att addera och subtrahera, och bara 4 bitar åt gången. Trots det hade den samma beräkningskraft som den första elektroniska datorn som byggdes 1946 – som fyllde ett helt rum – så det var fortfarande imponerande (revolutionerande, faktiskt) att allt fanns på ett enda litet chip. Ingenjörer kunde köpa Intel 4004 och sedan anpassa den med programvara för att utföra olika enkla funktioner i en mängd olika elektroniska enheter.

Året därpå släppte Intel 8008, som snart följdes av Intel 8080 1974 – båda 8-bitars mikroprocessorer. 8080 var kommersiellt populär och kunde representera signerade tal från -128 till +127 – en förbättring jämfört med 4004:s intervall -8 till +7, men fortfarande inte särskilt kraftfull, och därför användes 8080 endast för kontrolltillämpningar. Andra mikroprocessorer, som 6800 från Motorola och z-80 från Zilog, var också populära vid den här tiden.

Den tredje generationen av 16-bitars mikroprocessorer kom mellan 1979 och 1980 och inkluderade 8088, 80186 och 80286 från Intel, samt Motorola 6800 och 68010. Hastigheterna hos dessa mikroprocessorer var fyra gånger snabbare än hos deras föregångare i andra generationen.

Den fjärde generationen av 32-bitars mikroprocessorer utvecklades mellan 1981 och 1995. Med 32-bitars ordstorlek blev dessa processorer mycket populära som CPU i datorer. Efter ett domstolsbeslut två år tidigare som hindrade Intel från att varumärkesskydda ”386” som namn på sin då mest kraftfulla processor, lanserade företaget 1993 80586 under namnet Intel P entium, vilket inledde en ny era inom marknadsföring av mikroprocessorer för konsumenter. Processorer benämndes inte längre enbart med siffror, utan hade istället ett varumärkesnamn, och det varumärkesskyddade ”Pentium” blev snart något av en statussymbol bland datorägare.

Den femte generationen kom 1995 med högpresterande och snabba 64-bitars processorer. Förutom nya versioner av Pentium har dessa under åren inkluderat Celeron-, Dual- och Quad-core-processorer från Intel, och många fler från andra utvecklare, inklusive Motorola, IBM, Hewlett Packard och AMD. Se Computer Hopes ”ComputerProcessor History” för en längre lista över datorprocessorer genom åren, eller Wikipedia-artikeln ”Microprocessor Chronology”.

Mikroprocessorernas framtid

I takt med att tiden och tekniken går framåt blir mikroprocessorerna allt kraftfullare. Idag är nästan alla processorer flerkärniga, vilket förbättrar prestandan samtidigt som strömförbrukningen minskar. En flerkärnig processor fungerar på exakt samma sätt som två eller flera enkla mikroprocessorer. Men eftersom en flerkärnig processor bara använder ett uttag i systemet blir förbindelsen mellan processorn och datorn mycket snabbare. Intel är fortfarande den starkaste konkurrenten på marknaden för mikroprocessorer, följt av AMD.

Mikroprocessorenheterna har också blivit allt mindre under årens lopp. På 1960-talet gjorde datavetaren och Intel-medgrundaren Gordon Moore en intressant iakttagelse – att ingenjörerna var tolfte månad kunde fördubbla antalet transistorer på en kvadrattums kiselbit. Detta gällde i ungefär tio år, men 1975 reviderade Moore sin prognos för det kommande decenniet till en fördubbling var 24:e månad – vilket visade sig vara mer eller mindre korrekt fram till omkring 2012.

Men vi börjar nu nå de fysiska gränserna för hur små transistorer kan bli. Fram till nyligen var industristandarden 14 nanometer (1 nm = en miljarddels meter). Sedan kom Apples Bionic-processor – som driver iPhone XR, XS och XS Max – som mäter 7 nm. Sedan dess har IBM experimenterat med 5 nm-chip, och forskare vid MIT och University of Colorado har utvecklat transistorer som mäter rekordsnabba 2,5 nm i bredd.

Moore’s lag kan dock inte fortsätta i all oändlighet av flera skäl. Till att börja med måste vi ta hänsyn till tröskelspänningen –dvs. den spänning vid vilken transistorn tillåter ström att passera. Problemet ligger i att en transistor inte fungerar som en brytare, eftersom den läcker en liten mängd ström när den är avstängd. Situationen förvärras när transistorernas täthet på ett chip ökar. Detta innebär en allvarlig försämring av transistorns prestanda, som endast kan bibehållas genom att tröskelspänningen ökas. Även om transistortätheten kan ökas ger det relativt små förbättringar av hastigheter och energiförbrukning, vilket innebär att de operationer som utförs på nya chip tar mer eller mindre samma tid som de chip som används idag – såvida inte en bättre arkitektur implementeras för att lösa problemet.

På grund av dessa begränsningar för dagens mikroprocessorer undersöker forskare nya lösningar och nya material i stället för kisel – t.ex. galliumoxid, hafniumdiselenid och grafen – för att fortsätta öka mikroprocessorernas prestanda.

Enkelkorts-mikrodatorer

I takt med att de centrala processorenheterna krymper, krymper också själva datorerna. Under de senaste 60 åren har datorn utvecklats från en maskin som fyllde ett helt rum till en enhet som får plats i din ficka. Och precis som elektroniken har krympt, har även priset gjort det.

Idag kan konsumenterna för bara en handfull dollar köpa mikrodatorer – ungefär lika stora som ett kreditkort – med ganska imponerande kommunikationsmöjligheter, multimediafunktioner och processorkraft. En av de maskiner som går i bräschen för denna billiga, kraftfulla och småskaliga datorrevolution är Raspberry Pi, som lanserades av Raspberry Pi Foundation 2012 som ett 35-dollarskort för att främja undervisningen i grundläggande datavetenskap i skolor och utvecklingsländer.

Den ursprungliga Raspberry Pi – Pi 1 Model B – hade en enkelkärnig processor på 700 MHz och 256 MB RAM-minne. Det har dock funnits flera iterationer och varianter sedan den första utgåvan, och den senaste modellen – Pi 4 Model B – har en fyrkärnig 1,5 GHz-processor med upp till 4 GB RAM. Alla modeller kan förvandlas till fullt fungerande datorer med bara några enkla handgrepp samt eget tangentbord, mus och bildskärm – användare har till och med lyckats använda en Raspberry Pi som en stationär dator för vanligt kontorsarbete, inklusive webbsurfning, ordbehandling, kalkylblad, e-post och fotoredigering. Allt för under 55 dollar.

Raspberry Pi har naturligtvis konkurrenter – framför allt Arduino, ett företag som tillverkar mikrokontroller (med olika mikroprocessorer) som kan användas för att designa och bygga enheter som interagerar med den verkliga världen. Både Raspberry Pi- och Arduino-enheter används ofta i utvecklings- och prototypprojekt, särskilt för IoT-enheter. De är dock i hög grad ett område för hobbyister – hantverkare och kvinnor som försöker skapa användbara vardagliga verktyg som fjärrkontroller för garageportar och termometrar, samt roligare projekt som spelkonsoler, robotar och drönare. Det finns också flera andra egenutvecklade utvecklingskort från företag som ST Microelectronics och Texas Instruments.

Även om alla dessa utvecklingskit är bra för prototyper är de mindre lämpliga för massproduktion. Här på Vinnter använder vi både Raspberry Pi och Arduino-enheter i utvecklingsprojekt där inbyggda system behöver tas i bruk. Utmaningen kommer dock när vi går från prototypen till ett industrialiserat produktutvecklingsprojekt av två huvudsakliga skäl – kostnad och storlek.

Även om Raspberry Pi- och Arduino-enheter är relativt billiga för konsumentmarknaden, är upp till 35 USD per enhet helt enkelt inte genomförbart när man planerar att tillverka 10 000 eller till och med 100 000 enheter som ska ingå i andra produkter. Det andra problemet med ett utvecklingskit som Arduino eller Raspberry Pi är den stora storleken. Det är sant att dessa enheter är imponerande små för vad de är – men eftersom de innehåller ytterligare funktioner och egenskaper (som USB-kontakter, Ethernet-kontakter, HDMI-kontakter etc.) som sannolikt inte kommer att behövas för den produkt som utvecklas, är de helt enkelt för stora och opraktiska för de flesta tillämpningar i verkliga världen. Om du till exempel utvecklar en smart klocka är det inte alls praktiskt med en enhet i kreditkortsstorlek. Dessutom ökar onödiga funktioner strömförbrukningen – vilket är en viktig faktor, särskilt för batteridrivna produkter.

Avslutande tankar

Mikroprocessorer har kommit långt sedan den blygsamma Intel 4004. Mikroprocessorn kan nu styra allt från små enheter som klockor och mobiltelefoner till stora datorer och till och med satelliter, och med sin låga kostnad, lilla storlek, låga energiförbrukning, stora mångsidighet och höga tillförlitlighet är det säkert att säga att den är en av de viktigaste och mest betydelsefulla uppfinningarna som ligger bakom vår moderna värld.

Vid utveckling av mikroprocessorbaserade kommersiella produkter eller nya teknikprodukter för företag är det dock viktigt att utforma ett anpassat mikroprocessorkort som passar för ändamålet. Även om många mycket duktiga personer på organisationer kan ha stor framgång med att ta fram prototyper av nya produkter med hjälp av mikrodatorer som Raspberry Pi, måste projektet så småningom överföras till en produktionsdesign när det handlar om storskalig produktion. För företag som för närvarande arbetar med prototyper för nya produkter är det därför ovärderligt att arbeta med tredje part som har resurser och expertis för att ta deras mikroprocessorbaserade utveckling och idéer till nästa steg.

Vinnter fungerar som en möjliggörare för att utveckla nya affärs- och servicestrategier för såväl traditionella industrier som nystartade företag. Vi hjälper företag att förbli konkurrenskraftiga genom utveckling av inbyggd programvara, kommunikation och anslutningsmöjligheter, hårdvarudesign, molntjänster och säkra IoT-plattformar. Våra skickliga och erfarna team av utvecklare, ingenjörer och affärskonsulter hjälper dig att omdefiniera din organisation för den digitala tidsåldern genom att skapa nya, mycket säkra uppkopplade produkter och digitala tjänster som uppfyller dina kunders föränderliga krav. Kontakta oss om du vill veta mer.