1981-1993: I 15 anni che hanno cambiato l’Informatica dall’8086 al Pentium, quando il computer è entrato nelle nostre vite

Eravamo nel marzo del 1989 e in casa entrava un PC dotato di processore Intel 80286. Per la verità non era neanche destinato al sottoscritto, ma all’uso di uno dei miei fratelli che doveva sostenere un esame di Disegno Automatico alla facoltà di Architettura. Quel giorno scoprii l’informatica “seria”: quella che non era legata ai vari Commodore o Atari, ma che poteva servire come reale strumento di lavoro in alternativa alle costose macchine mainframe o ai sistemi middle-range dell’epoca.

Questo articolo nasce per ricordare l’epopea dei chip Intel che, nel bene e nel male (insieme ai chip Motorola montati sulle macchine Apple, a cui dedicheremo un prossimo articolo), segnarono l’affermazione del PC come strumento necessario alla vita di tutti i giorni. Tutto ha origine da un semplice processore a 8 bit chiamato Intel 8080, ma l’ingresso reale nelle nostre vite è avvenuto con il primo PC IBM basato sul processore 8086 (anche se IBM, per ragioni di economia, vi montava il più economico 8088).

Intanto una tabella riassuntiva delle varie generazioni di processori Intel 

Questa tabella mostra lo spettro completo delle specifiche tecniche e delle frequenze, dalla primissima versione immessa sul mercato fino all’ultimo modello ufficiale prodotto da Intel o dai suoi partner licenziatari.

Modello	Anno Debutto	Architettura	Transistor	Frequenza di Lancio (Prima Versione)	Frequenza Massima (Ultima Versione Ufficiale)	RAM Massima
8086	1978	16 bit	29.000	4,77 MHz	10 MHz (versione 8086-1)	1 MB
80286	1982	16 bit	134.000	6 MHz	25 MHz (da partner come AMD/Harris) / 12,5 MHz Intel	16 MB
80386	1985	32 bit	275.000	16 MHz	33 MHz (Intel 386DX) / 40 MHz AMD	4 GB
80486	1989	32 bit	1.200.000	25 MHz	100 MHz (Intel DX4)	4 GB
Pentium	1993	32 bit (bus 64)	3.100.000	60 MHz	300 MHz (Pentium Tillamook / MMX Laptop)	4 GB

Da notare che nel momento in cui veniva presentato il nuovo Chip quello della famiglia precedente non andava in pensione ma veniva “declassato” finendo ad essere impiegato nei PC economici .

La convivenza generazionale e il declassamento dei prezzi

Nel momento in cui veniva presentato un nuovo chip, la famiglia precedente non andava affatto in pensione: veniva semplicemente declassata per essere impiegata nei PC economici.

• Il caso del 386 nei primi anni ’90: Quando il 486 uscì nel 1989 a prezzi stellari, il 386 rimase in produzione per anni come macchina entry-level. Proprio in questa fase nacque la distinzione tra la fascia alta (basata sul neonato 486DX) e la fascia medio-bassa basata sulle versioni economiche come il 386SX (con bus esterno castrato a 16 bit) o i chip della concorrenza (come l’AMD 386 a 40 MHz). Questi ultimi costavano una frazione del prezzo ma facevano comunque girare Windows 3.1. Il 386 è rimasto nei listini dei desktop domestici fino al 1993-1994, ben cinque anni dopo il debutto del suo successore.

• Lo scontro tra 486 DX4 e Pentium: Al debutto del Pentium ci si trovò in una fase estremamente caotica. Nel 1993 il Pentium uscì a 60 e 66 MHz a cifre astronomiche, richiedendo schede madri del tutto nuove, scaldando moltissimo e mostrandosi subito afflitto dal bug FDIV. Nel frattempo, Intel continuava a spremere il vecchio silicio del 486 lanciando nel 1994 il 486 DX4 a 100 MHz, venduto a prezzo stracciato. Per quasi due anni l’utente medio preferì acquistare un sistema 486 DX4-100 super-ottimizzato ed economico piuttosto che fare il salto al costoso Pentium di prima generazione, poiché nei calcoli standard a 16 e 32 bit le prestazioni erano quasi identiche. Il Pentium dominò la fascia home solo a partire dal 1995 con i modelli a 75 e 90 MHz a basso voltaggio.

Bug e scelte tecniche discutibili

La produzione di microprocessori Intel non è stata esente da difetti strutturali e decisioni ingegneristiche singolari, che hanno segnato la storia dello sviluppo software.

Intel 8086 / 8088: Il “pasticcio” della memoria convenzionale

È il chip che ha dato il via all’architettura x86, tuttora alla base dei nostri moderni computer. Interamente a 16 bit, poteva indirizzare fino a  1  MB di memoria RAM tramite un bus indirizzi a 20 bit. La variante economica 8088 (con bus esterno a 8 bit) venne scelta da IBM per il suo primo leggendario PC del 1981. La frequenza di lancio di $4,77 \text{ MHz}$ fu selezionata semplicemente perché i componenti per gestire quel clock erano economici e facili da reperire sul mercato dei componenti per televisori.

Il problema storico: Per superare i limiti nativi dei 16 bit, Intel inventò la segmentazione della memoria, dividendola in segmenti sovrapposti da  64 KB . I programmatori dovevano ricorrere a calcoli complessi combinando registri di segmento e offset per muovere i dati. Questa barriera strutturale diede vita al famigerato limite dei 640 KB di memoria convenzionale del MS-DOS, tormentando gli sviluppatori di software e videogiochi per oltre un decennio.

Intel 80286: La trappola della Modalità Protetta

Noto semplicemente come “286”, questo chip debuttò a  6   MHz  introducendo la Modalità Protetta (Protected Mode). Questa tecnologia permetteva di isolare la memoria utilizzata da un programma dalle interferenze di altri software, ponendo le basi per il multitasking sicuro e permettendo di indirizzare fino a $16 \text{ MB}$ di RAM.

Il problema storico: Gli ingegneri commisero un errore di valutazione clamoroso: una volta che il chip entrava in Modalità Protetta, non esisteva alcuna istruzione hardware per tornare alla Modalità Reale (quella compatibile con il DOS). Per far girare i vecchi software, i sistemi operativi dell’epoca dovevano letteralmente forzare un reset fisico del processore tramite il controller della tastiera sulla scheda madre, ingannando il chip al riavvio. Bill Gates definì notoriamente il 286 “un chip cerebralmente morto”.

Intel 80386: La rivoluzione a 32 bit e il bug del silicio

Il “386” ha rappresentato il salto generazionale più importante nella storia dei PC, introducendo la vera architettura a 32 bit completi, la gestione della memoria virtuale tramite paginazione e la modalità Virtual 8086. Fu il chip che rese possibile il vero successo di Windows 3.0 e sdoganò frequenze native da  16  MHz  fino a  33 MHz .

Il problema storico: I primi lotti di produzione (tra il 1985 e il 1987) presentavano un grave difetto nel calcolo a 32 bit che causava il blocco improvviso del sistema (hang) o calcoli errati durante le operazioni matematiche complesse. Intel fu costretta a testare a tappeto i chip: quelli difettosi vennero marchiati con la scritta “16 BIT S/W ONLY” (utilizzabili solo con software a 16 bit come il DOS), mentre quelli corretti ricevettero il marchio con la doppia lettera greca  Sigma  o la dicitura “DX”.

Intel 80486: Integrazione, cache e problemi termici

Con il “486”, Intel superò per la prima volta la barriera del milione di transistor, ottimizzando brutalmente l’efficienza. Integrò direttamente sullo stesso silicio il coprocessore matematico (FPU) e una memoria Cache L1 da  8  KB . Per superare i limiti fisici delle schede madri dell’epoca, Intel introdusse il moltiplicatore di clock interno: il modello DX2 raddoppiava i  33   MHz  della scheda madre per viaggiare a  66  MHz , mentre il DX4 triplicava la frequenza fino allo storico traguardo dei  100  MHz .

Il problema storico: L’enorme densità di transistor concentrata in uno spazio ridotto, unita alle frequenze che toccavano i  100  MHz , generò una quantità di calore inedita per l’industria informatica. Fino alla generazione precedente i chip lavoravano senza alcuna protezione termica attiva; a partire dal 486 divenne obbligatorio l’uso di dissipatori in alluminio e ventole dedicate sopra la CPU per evitare il meltdown termico del silicio.

Intel Pentium: La potenza superscalare e lo scandalo FDIV

Il Pentium (architettura P5) portò i PC nell’era multimediale grazie a un’architettura superscalare dotata di due unità di esecuzione indipendenti (pipeline “U” e “V”) in grado di eseguire due istruzioni contemporaneamente per ciclo di clock, supportata da un bus dati esterno a 64 bit. Le frequenze fecero un balzo impressionante, partendo da  60  MHz fino a raggiungere i  300  MHz  nelle ultime versioni MMX.

Lo scandalo del Bug FDIV (1994): La FPU (il coprocessore matematico) del Pentium utilizzava una tavola di lookup difettosa inserita nel silicio per velocizzare le divisioni in virgola mobile; cinque celle di questa tabella erano vuote a causa di un errore di incisione della maschera fotolitografica. Eseguendo calcoli complessi con l’istruzione FDIV, il chip restituiva risultati errati a partire dalla quinta o sesta cifra decimale. Ad esempio:

 

4.195.835 / 3.145.727 = 1,3337 (risultato errato del Pentium)

invece del valore corretto:

4.195.835 / 3.145.727 = 1,3338 (risultato corretto)

Intel provò inizialmente a minimizzare lo scandalo, ma la protesta globale dei consumatori la costrinse a una campagna di sostituzione gratuita che costò all’azienda circa 500 milioni di dollari.

Il bug “F00F” (1997): Sui modelli successivi venne scoperto un altro difetto letale: inviando al processore una specifica sequenza di istruzioni invalide (codice esadecimale F0 0F C7 C8), il chip andava in blocco totale (freeze). Poiché l’istruzione non richiedeva privilegi di amministratore, persino un banale script eseguito su una pagina web poteva bloccare il PC, costringendo i sistemi operativi come Windows 95 e Linux a rilasciare d’urgenza delle patch software correttive.

Gli smanettoni dell’Overclock 

Prima della fine degli anni ’80 l’overclock era una pratica di nicchia per pochissimi ingegneri elettronici che dissaldavano i cristalli di quarzo sulle schede madri per sostituirli. Con l’arrivo del 486 e, soprattutto, del Pentium, l’overclock divenne lo sport preferito degli smanettoni nei garage di tutto il mondo.

All’epoca non esistevano i comodi menu del BIOS come oggi: per overcloccare dovevi aprire il case del computer e spostare fisicamente dei piccoli ponticelli di plastica (chiamati jumper) sulla scheda madre per cambiare il voltaggio, la frequenza del bus (FSB) o il moltiplicatore.

Ecco i casi di overclock più famosi e folli di quella gloriosa era dei chip:

  Il 486 DX2-50 che diventava un DX2-66

Il 486 DX2-50 viaggiava a un bus di  25  MHz  raddoppiato internamente a  50  MHz .

• Il trucco: Moltissimi utenti compravano la versione a  50  MHz  (molto più economica) e, semplicemente spostando un jumper sulla scheda madre, impostavano il bus a  33  MHz 

• Il risultato: Il chip raddoppiava i  33  MHz e si trasformava magicamente in un 486 DX2-66, risparmiando decine di migliaia di lire ed eguagliando le prestazioni del modello di punta senza sborsare un soldo.

 Il leggendario Pentium 75 spinto a 90 o 100 MHz

Il Pentium 75 (basato sul core P54C a 3,3  Volt ) è stato forse il chip più overcloccato di quegli anni. Intel lo produceva usando le stesse identiche linee di silicio dei modelli più costosi a 90 e  100 MHz , limitandone la frequenza solo in fase di test finale per soddisfare la richiesta di mercato di chip economici.

• Il trucco: Configurando i jumper sulla scheda madre, si alzava il bus di sistema da 50 MHz a  60  MHz  o  66  MHz 

• Il risultato: Un Pentium 75 che viaggiava stabile a  90  MHz  o addirittura  100 MHz . Il guadagno di prestazioni nei giochi 3D dell’epoca (come il primo Quake o Tomb Raider) era sbalorditivo.

Pentium MMX 166 spinto a 200 o 233 MHz. 

Con l’introduzione delle istruzioni MMX nel 1997, il Pentium divenne ancora più incline a tollerare frequenze fuori specifica.

• Il trucco: Il Pentium MMX 166 lavorava con un bus a  66 MHz  e un moltiplicatore a  2.5 x    66  2,5 = 166 MHz . Gli smanettoni compravano ventole più grandi, alzavano leggermente il voltaggio e impostavano il moltiplicatore a  3.0 x  o  3.5 x .

• Il risultato: Il chip funzionava stabilmente a  200 MHz o  233 MHz , pareggiando le prestazioni del Pentium MMX top di gamma che costava quasi il doppio.

I pericoli dell’overclock “vintage” (senza paracadute)

Oggi se una CPU si scalda troppo, va in thermal throttling (rallenta da sola) o spegne il PC per sicurezza. All’epoca non c’era alcuna protezione:

• Le CPU friggevano letteralmente: Se esageravi con il voltaggio o la frequenza, il chip si surriscaldava fino a bruciare fisicamente il silicio o a dissaldarsi internamente.

• I bus fuori specifica corrompevano i dati: Spesso, alzando la frequenza del bus della scheda madre per spingere la CPU, si mandavano fuori specifica anche i bus PCI e ISA. Questo significava che la scheda video saltava, le schede audio emettevano sibili stridenti e, peggio ancora, i controller degli hard disk (IDE) perdevano colpi, corrompendo tutti i dati del sistema operativo in un attimo.

Il tasto Turbo 

Alcuni PC  dotati di schede madri con  286 o 386 avevano sul retro o sul frontale del case un tasto magico: il tasto Turbo.

Ecco come stavano davvero le cose a livello di frequenze:

• Il 286 (1982): È nato partendo da un minimo di 6 MHz, per poi salire con i modelli successivi a 8 MHz, 10 MHz, 12,5 MHz, fino a toccare i 16 MHz e i 20/25 MHz (prodotti da AMD o Harris).

• Il 386 (1985): È nato partendo direttamente da 16 MHz, salendo poi a 20 MHz, 25 MHz e infine 33 MHz (Intel) o 40 MHz (AMD).

A cosa serviva allora quel valore intorno ai 4,5 / 4,77 MHz?

I primissimi programmi per PC (specialmente i videogiochi dei primi anni ’80 scritti per l’IBM PC originale) non avevano un sistema interno per regolare la velocità in base al tempo reale: usavano i cicli di clock del processore per decidere la velocità del gioco.

Quando la gente passò dal vecchio PC all’incredibile potenza di un 286 a 12 MHz o di un 386 a 25 MHz, quei vecchi giochi diventavano completamente accelerati e ingiocabili (una navicella spaziale schizzava da un lato all’altro dello schermo in un millesimo di secondo).

Per risolvere questo problema, i produttori di computer inventarono il tasto Turbo:

1. Tasto Turbo Premuto (ON): Il 286 o il 386 viaggiavano alla loro massima velocità reale (es. 12 MHz o 25 MHz).

2. Tasto Turbo Rilasciato (OFF): La scheda madre attivava dei cicli di attesa (wait states) che rallentavano artificialmente il processore, costringendolo a simulare la velocità di un vecchio PC originale a 4,77 MHz. Questo permetteva di giocare ai vecchi titoli DOS senza che impazzissero.

 

I Cloni AMD e Cyrix 

Nel periodo in esame sul mercato esistevano altre 2 Aziende che producevano Chip compatibili con i 286 e i 386 AMD e Cyrix 

AMD: Da semplice “fabbrica di riserva” a rivale totale

Nelle prime due generazioni (8086 e 286), AMD non progettava quasi nulla: era una licenziataria ufficiale.

  L’accordo forzato (8086 e 286)

Quando IBM decise di creare il suo PC, pose a Intel una condizione categorica: “Non compreremo mai un chip di cui esiste un solo produttore al mondo. Se volete il contratto, dovete cedere i vostri schemi a un secondo produttore di riserva (second source)”.

Intel fu costretta a piegarsi e firmò nel 1982 un accordo di scambio di licenze con AMD. Per anni, AMD si limitò a prendere i progetti fisici di Intel e a stamparli nelle proprie fabbriche (infatti i chip AMD 286 erano copie identiche degli Intel).

 Il tradimento di Intel e il Reverse-Engineering (386 e 486)

Con il 386, Intel capì che il mercato dei PC stava esplodendo e decise di rompere l’accordo per tenersi il monopolio. Non consegnò i progetti del 386 a AMD e le fece causa.

AMD rispose con il reverse-engineering: prese il 386 di Intel, studiò come funzionava e ne ricreò una versione compatibile (l’Am386). Intel trascinò AMD in tribunale per anni sostenendo che AMD non avesse il diritto di usare il “microcodice” (il software interno al chip) scritto da Intel. AMD vinse la causa solo nel 1994, quando ormai il 386 era preistoria.

  La svolta ovvero  Progetti proprietari al 100% (K5, K6 e Athlon)

Per tagliare i ponti con le cause legali di Intel, AMD capì che doveva progettare i chip da zero.

• L’AMD K5 (1996): È stato il primo chip x86 progettato interamente da AMD da un foglio bianco. Internamente non era un chip x86, ma un processore RISC ad alte prestazioni che “traduceva” al volo le istruzioni x86.

• L’AMD K6 e l’Athlon (K7): Con questi chip, AMD non solo progettò architetture proprie, ma superò persino Intel in prestazioni, diventando un concorrente a tutti gli effetti e non più un semplice “clonatore”.

Cyrix: I maghi del “Clean-Room” e lo scudo dei brevetti

Cyrix non è mai stata una licenziataria ufficiale di Intel per la produzione di CPU. Nacque come una piccola azienda di progettazione formata da ex ingegneri di Texas Instruments.

  Il metodo “Clean-Room”

Non avendo i progetti di Intel e non potendo copiare il microcodice (sarebbe stato plagio illegale), Cyrix utilizzò il metodo della “stanza pulita” (Clean-Room):

1. Un gruppo di ingegneri analizzava il chip Intel dall’esterno: documentava cosa succedeva ai pin del chip quando entrava un’istruzione (es. “se entra $2+2$, esce $4$“).

2. Questo gruppo scriveva un manuale di specifiche tecniche, senza mai guardare il silicio o il codice interno di Intel.

3. Un secondo gruppo di ingegneri (che non aveva mai visto il chip Intel) prendeva quel manuale e progettava da zero un chip completamente nuovo che si comportava esattamente allo stesso modo.

I chip di Cyrix (come il Cyrix 486SLC o il celebre 6×86) erano internamente del tutto diversi dai chip Intel, ma potevano essere inseriti nelle stesse schede madri e facevano girare gli stessi programmi.

 Il trucco legale delle fabbriche (Foundries)

Intel provò comunque a fare causa a Cyrix per violazione di brevetti sismici. Cyrix, che era piccolissima e non aveva fabbriche proprie, si difese con un trucco geniale: fece produrre i suoi chip da aziende come IBM, Texas Instruments e SGS-Thomson.

Questi colossi dell’elettronica avevano già storici accordi di “licenza incrociata” (cross-licensing) con Intel. Producendo i chip Cyrix nei loro stabilimenti, questi ricevevano una sorta di “ombrello protettivo” legale: Intel non poteva denunciare Cyrix perché i chip erano fisicamente stampati da chi aveva il diritto legale di usare i brevetti Intel.

Fonti tecniche, storiche e legali

Per la ricostruzione storica e l’analisi tecnica dei microprocessori trattati in questo articolo, sono stati consultati i documenti ufficiali, i registri brevettuali e gli archivi delle riviste specializzate dell’epoca:

• Specifiche Tecniche e Datasheet Originali (8086 – Pentium): Archivio tecnico ufficiale Intel Corporation (Intel Microprocessor Data Books).

• Lo Scandalo del Bug FDIV (1994): Documentazione della ricerca del Prof. Thomas Nicely (Lynchburg College) e comunicati di richiamo ufficiali della Intel Corporation del dicembre 1994.

• La Battaglia Legale sui Marchi Numerici (La nascita del Pentium): Sentenza della Corte Distrettuale degli Stati Uniti del 1991 nel caso Intel Corp. v. Advanced Micro Devices Inc. (relativa alla non registrabilià dei numeri come marchi commerciali).

• Metodologie di Ingegneria Inversa (Cyrix e AMD): Archivio storico dei brevetti statunitensi (US Patent and Trademark Office) – Licenze incrociate e contratti di “Second Source” IBM-Intel-AMD del 1982.

• Evoluzione dell’Architettura x86 e Segmentazione: IEEE Computer Society – Saggi storici sullo sviluppo delle architetture CISC a 16 e 32 bit.

 

Intel 8086 

Un piccolo ricordo  personale il mio primo Portatile Hyundai  con 80286 , HD da 10 Mbyte e Memoria da 1 Mbyte lettore Floppy da 3,5″ da 1.44 Mbyte  anno 1990