Um 1990 ließ Intel in Anzeigen eine große „286“ mit einem roten X durchstreichen. Käufer sollten beim nächsten PC ausdrücklich einen 386 verlangen. Die Botschaft war ungewöhnlich deutlich: Der erfolgreiche Vorgänger, an dem Intel weiterhin verdiente, gehörte plötzlich zum alten Eisen. Viele Kunden sahen das anders. Ein günstiger 286 erledigte unter DOS dieselbe Textverarbeitung und dieselbe Tabellenkalkulation. Der 80386 war technisch weit voraus, doch seine 32-Bit-Architektur brachte den meisten Anwendern zunächst wenig Sichtbares.
Dieses Problem hatte Intel bereits während der Entwicklung beschäftigt. Anfangs war keineswegs sicher, dass es überhaupt einen vollständig kompatiblen 32-Bit-Nachfolger des 286 geben würde. Der spätere 386 begann als Nebenprojekt einer Prozessorfamilie, die Intel langfristig ersetzen wollte.
Der 286 galt als Sackgasse
Als Intel Anfang 1982 mit dem 80386 begann, stand der 80286 gerade erst vor der Markteinführung. Sein Protected Mode konnte Programme und Speicherbereiche voneinander abschirmen. Für Mehrbenutzersysteme und Unix-Rechner war das vielversprechend.
Im PC erwies sich der neue Betriebsmodus als sperrig. Hatte der 286 einmal in den Protected Mode gewechselt, führte kein einfacher Weg zurück in den 8086-kompatiblen Real Mode. DOS und die vorhandene PC-Software lebten weiterhin in dieser alten Umgebung. Gene Hill, der bei Intel die Fertigstellung des 286 betreute, erinnerte sich später, Bill Gates habe den Prozessor als „Brain Dead“ bezeichnet. Auch bei IBM sei er als architektonische Sackgasse betrachtet worden. Hill sollte das Entwicklerteam nach Abschluss des Projekts ursprünglich auflösen.
Gleichzeitig wuchs der Druck durch Motorola. Dessen 68000 galt im Intel-Team als die elegantere Architektur und eignete sich gut für Unix-Workstations. Intel hatte beim 8086 bereits mit „Operation Crush“ dagegengehalten: einer Vertriebsaktion, bei der der Hersteller Prozessoren, Zusatzbausteine, Entwicklungswerkzeuge und technische Unterstützung als Gesamtangebot verkaufte. Mit dem kommenden Motorola 68020 drohte Intel erneut ins Hintertreffen zu geraten. Ein bloß schnellerer 286 hätte kaum gereicht.
Intels geplante Zukunft hieß nicht x86
Rückblickend wirkt die Linie vom 8086 über 286 und 386 zum 486 beinahe selbstverständlich. Innerhalb Intels sah die Zukunft anders aus.
Das große Architekturprojekt des Unternehmens hieß iAPX 432. Es sollte Funktionen moderner Betriebssysteme direkt in der Hardware unterstützen und leistungsfähige Mehrbenutzersysteme ermöglichen. Der Entwurf war ehrgeizig, komplex und langsam. Daneben entstanden weitere Prozessorprojekte, die x86 langfristig ablösen sollten.
8086, 8088, 186 und 286 galten in dieser Planung teilweise als Überbrückungen. Sie sollten die Zeit füllen, bis eine grundsätzlich neue Architektur fertig war.
John Crawford, der spätere Chefarchitekt des 386, erhielt zunächst den Auftrag, eine kompatible 32-Bit-Erweiterung des 286 zu untersuchen. Das Projekt verfügte anfangs über wenig Personal und stand im Schatten der aufwendigeren Neuentwicklungen.
Während diese Projekte zurückfielen und der PC-Markt schneller wuchs als erwartet, änderte sich die Lage. Aus der pragmatischen Alternative wurde Intels wichtigster Prozessorentwurf.
Das Problem lag auf den Disketten
Die grundsätzliche Richtung war klar: Der neue Prozessor sollte 32 Bit breite Daten verarbeiten und einen entsprechend großen Speicherraum beherrschen. Schwieriger war die Frage, wie viel Vergangenheit er mitnehmen musste.
Intel zeigte potenziellen Kunden verschiedene Entwürfe. Einige hielten die Kompatibilität zum 8086 und 286 für entbehrlich. Programme könnten für eine neue Architektur schließlich neu übersetzt werden. Andere verlangten, vorhandene Software unverändert weiterzuverwenden.
1982 war der IBM PC erst wenige Monate auf dem Markt. Niemand wusste, welchen Wert seine Softwarebibliothek einmal besitzen würde. Im PC-Handel wurden Programme jedoch zunehmend als fertiger Maschinencode auf Disketten verkauft. Diese Ausgaben ließen sich nicht nachträglich für eine andere Architektur übersetzen.
Vor allem Intels Außendienst drängte deshalb auf vollständige Binärkompatibilität. Wer einem Kunden gerade einen 286 verkaufte, musste versprechen können, dass dessen Programme auch auf der nächsten Generation liefen. Die Entscheidung zog sich über Monate. Intel verzichtete schließlich auf einen sauberen Neuanfang und brachte die 32-Bit-Technik innerhalb der vorhandenen x86-Architektur unter.
Wie Intel 32 Bit mit der alten Architektur verband
Der größte Ballast der bisherigen Prozessoren war ihre Speicheraufteilung. Beim 8086 bestand eine Adresse aus einem Segment und einer Position innerhalb dieses Segments. Ein einzelner Bereich war auf 64 Kilobyte beschränkt. Mit wachsenden Programmen und Datenstrukturen mussten Entwickler ständig verwalten, in welchem Segment sich etwas befand. Der 286 hatte dieses Modell erweitert und mit Schutzrechten versehen. Einfacher war es dadurch nicht geworden.
Crawfords Lösung behielt die Segmentierung für ältere Programme bei. Ein Segment durfte beim 386 jedoch bis zu vier Gigabyte groß sein. Moderne Betriebssysteme konnten einen solchen Bereich einrichten und den Speicher anschließend weitgehend wie einen zusammenhängenden Raum behandeln. Zwischen die Adresse eines Programms und den tatsächlich vorhandenen Arbeitsspeicher setzte Intel den linearen Adressraum. Paging zerlegte ihn in Seiten von jeweils vier Kilobyte und ordnete diese dem physischen Speicher zu. Ein Betriebssystem konnte Seiten verschiedenen Programmen zuteilen, schützen oder auf einen Datenträger auslagern. Damit besaß der 386 einen vollständigen 32-Bit-Adressraum und die Grundlage für virtuellen Speicher. MS-DOS nutzte davon zunächst kaum etwas. Es arbeitete weiterhin im Real Mode und behandelte den Prozessor weitgehend wie einen besonders schnellen 8086.
Unix-Systeme konnten den flachen Adressraum, Paging und Speicherschutz wesentlich besser verwenden. Der 386 musste deshalb zwei sehr unterschiedliche Welten bedienen: moderne Betriebssysteme und die vorhandene DOS-Software. Für letztere erhielt er den Virtual-8086-Modus. Ein Betriebssystem konnte mehrere DOS-Programme gleichzeitig in getrennten Umgebungen ausführen. Jede Anwendung glaubte, auf einem eigenen 8086-PC zu laufen. Direkte Zugriffe auf Hardware oder geschützte Speicherbereiche ließen sich kontrollieren.
Windows/386 verwendete diese Möglichkeit ab 1987. Damit wurde eine der neuen Fähigkeiten des Prozessors erstmals auch für gewöhnliche PC-Nutzer sichtbar.
Mehr Transistoren auf kaum mehr Platz
Zwischen 8086 und 386 lagen nur sieben Jahre. Die Zahl der Transistoren hatte sich in dieser Zeit fast verzehnfacht.
Der 8086 bestand aus ungefähr 29.000 Transistoren und wurde zunächst mit Strukturen von rund drei Mikrometern gefertigt. Beim 286 waren es etwa 134.000 Transistoren in einem 1,5-Mikrometer-Prozess. Der erste 386 blieb ebenfalls bei ungefähr 1,5 Mikrometern, enthielt aber bereits rund 275.000 Transistoren.
Die Strukturen wurden also nicht bei jeder Generation automatisch kleiner. Intel brachte auf derselben Fertigungsgröße wesentlich mehr Schaltung unter. Dazu gehörten die breiteren Register, die Paging-Einheit, der Virtual-8086-Modus und die umfangreiche Schutzlogik. Der Entwurf stieß dabei an eine physische Grenze. Er durfte nicht größer werden als der Bereich, den Intels Belichtungsanlage in einem Arbeitsgang auf den Wafer übertragen konnte. Auf einem Teil des Layouts fehlte deshalb sogar Platz für regulär angeordnete Anschlüsse. Ein geplanter interner Cache musste weichen. Motorola hatte dem 68020 einen Cache von 256 Byte gegeben; Intel plante 512 Byte. Simulationen zeigten jedoch, dass ein so kleiner Speicher kaum Leistung brachte und wertvolle Chipfläche beanspruchte. Intel strich ihn und bereitete den Bus stattdessen für größere externe Caches auf der Hauptplatine vor.
Intel lernte CMOS während des Projekts
Der 386 war der erste Prozessor der x86-Reihe, den Intel von Anfang an für seinen CMOS-Prozess CHMOS entwickelte. Diese Technik benötigte weniger Strom und lieferte sauberere elektrische Pegel als das bisher verwendete NMOS. Intel entwickelte den Fertigungsprozess parallel zum Chip.
Besonders die zweite Metallschicht bereitete Schwierigkeiten. Die Waferoberfläche war noch nicht so plan wie bei späteren Verfahren. Leiterbahnen mussten über Unebenheiten geführt werden, konnten reißen oder unerwünschte Verbindungen bilden. Bestimmte Abstände waren deshalb verboten. Das Team sprach vom „forbidden gap“.
Designregeln und Leistungswerte änderten sich, während das Layout bereits entstand. Ein Teil des Chips wurde noch von Hand angeordnet. Für andere Bereiche verwendete Intel neue automatische Werkzeuge, darunter das an der Universität Berkeley entstandene Platzierungsprogramm Timberwolf.
Der zuständige Doktorand reparierte Fehler teilweise über ein Terminal in seinem Zimmer am MIT. Ein Schlüsselprojekt Intels hing damit zeitweise auch davon ab, ob ein Student für Rückfragen erreichbar war.
NoOp, NoOp, Halt
Im Juli 1985 war das Layout fertig. Wenige Wochen später lagen die ersten Chips vor. Das erste Testprogramm bestand aus drei Befehlen: zweimal nichts tun, danach anhalten. Es funktionierte nicht. Eine Logikstruktur, die den Einsprung in die interne Steuerung des Prozessors regelte, arbeitete überhaupt nicht. Die Entwickler versuchten, die nötigen Änderungen direkt an der Fertigungsmaske vorzunehmen. Ein erster Reparaturversuch mit einem Laser ruinierte die Glasmaske, weil der Strahl im Material reflektiert wurde und weitere Stellen beschädigte. Ein anderer Anbieter konnte die Strukturen schließlich mit einem fokussierten Ionenstrahl bearbeiten. Danach führte der Prozessor immerhin seine einfachsten Befehle aus. Weitere Fehler blieben. Probleme traten unter anderem auf, wenn ein Befehl wegen einer fehlenden Speicherseite unterbrochen und anschließend fortgesetzt werden sollte. Auch die Zusammenarbeit mit dem mathematischen Coprozessor war zunächst unzureichend simuliert worden. Die frühen Revisionen enthielten Fehler bei Taskwechseln, Paging, gemischtem 16- und 32-Bit-Code sowie bei Debug- und Coprozessorfunktionen. Intel veröffentlichte dafür Umgehungslösungen und überarbeitete den Chip mehrfach.
Ein später entdecktes Problem in der Recheneinheit konnte bei bestimmten 32-Bit-Multiplikationen falsche Ergebnisse liefern. Fehlerfreie Exemplare erhielten nach einem Test zwei Sigma-Zeichen. Betroffene Chips wurden mit „16 BIT S/W ONLY“ gekennzeichnet und waren nur für 16-Bit-Software vorgesehen. Das Layout war fertig. Bis zum zuverlässigen Serienprodukt blieb noch Arbeit.
Intel stellte den 386 früh vor
Während die Entwickler um den Chip kämpften, geriet Intel wirtschaftlich unter Druck. Das Unternehmen zog sich aus großen Teilen des Speichergeschäfts zurück, schloss Werke und baute Stellen ab. 1986 verlor Intel 173 Millionen Dollar. Der 386 sollte nun das künftige Mikroprozessorgeschäft tragen. Intel stellte ihn bereits am 17. Oktober 1985 vor. Geplant waren zunächst Versionen mit 12,5 und 16 MHz. Die Entwicklung des Prozessors und der dazugehörigen Unterstützungsprodukte hatte nach Angaben des Unternehmens ungefähr 100 Millionen Dollar gekostet.
Zu diesem Zeitpunkt war der 386 noch nicht in großen Mengen lieferbar. Die Entwickler verfügten erst seit wenigen Wochen über ausreichend funktionsfähige Exemplare. Der Prozessor der Präsentation steckte über einen Adapter in einem umgebauten 286-System. Sorgfältig ausgewählte Programme und zusätzliche Fehlerbehandlungen hielten die Vorführung am Laufen. Die Serienfertigung begann erst 1986. Intel hatte den neuen Prozessor gezeigt. Einen vollständigen 386-PC konnte noch niemand kaufen.
Compaq wartet nicht auf IBM
Das änderte sich am 9. September 1986. Compaq präsentierte den Deskpro 386, den ersten serienmäßig angebotenen vollständigen 386-PC eines großen Herstellers. Das Basismodell mit 40-Megabyte-Festplatte kostete 6.499 Dollar. Für private Käufer war der Rechner kaum gedacht. Beim IBM PC von 1981 und dem PC/AT von 1984 hatte IBM den Generationswechsel vorgegeben. Nun brachte Compaq den neuen Prozessor zuerst in ein fertiges System. IBM musste folgen.
Der Deskpro blieb in vielen Punkten mit dem PC/AT verwandt. Erweiterungskarten verwendeten weiterhin den 16 Bit breiten ISA-Bus, während Compaq den Hauptspeicher über einen schnelleren 32-Bit-Pfad anband. In damaligen Tests lief der Rechner bei vielen Aufgaben ungefähr doppelt so schnell wie zuvor geprüfte AT-kompatible Systeme. Der Vorsprung hing nicht allein am Prozessor. Compaq hatte auch den Speicher und die Festplatte auf hohe Leistung ausgelegt. Mit dem Deskpro zeigte ein Hersteller kompatibler Rechner, dass IBM die technische Richtung des PC-Markts nicht mehr allein bestimmen konnte.
Ein 32-Bit-Rechner für 16-Bit-Programme
Der Deskpro offenbarte zugleich den Widerspruch des 386. Seine CPU besaß 32-Bit-Register, einen 32-Bit-Datenbus und einen Adressraum von vier Gigabyte. Das mitgelieferte DOS arbeitete weiterhin im Real Mode. Die meisten Anwendungen bestanden aus 16-Bit-Code und kannten weder Paging noch den flachen Adressraum.
Sie liefen schneller, weil der Prozessor höher getaktet war und Compaq ein leistungsfähiges System darum gebaut hatte. Die eigentliche 32-Bit-Architektur blieb jedoch meist ungenutzt.
Betriebssysteme konnten die neuen Möglichkeiten früher übernehmen als Anwendungsprogramme. Windows/386 führte mehrere DOS-Anwendungen in getrennten Umgebungen aus. Windows 3.0 brachte den erweiterten 386-Modus 1990 in einen größeren Markt. Unix-Systeme verwendeten den flachen Adressraum und den Speicherschutz umfassender.
DOS-Extender erlaubten später auch einzelnen Programmen und Spielen, mehr Speicher zu nutzen, ohne DOS vollständig aufzugeben.
Viele Käufer erwarben einen 386 deshalb als Investition in kommende Software. Ein teurer PC sollte mehrere Jahre halten. Die Aussicht auf zukünftige Betriebssysteme war oft wichtiger als der unmittelbare Nutzen unter DOS.
Vom teuren Spitzenchip zum Marktstandard
Der erste 386 war groß und schwierig herzustellen. Verbesserte Fertigungsprozesse verkleinerten später die Chipfläche, senkten die Kosten und ermöglichten höhere Taktraten. Der Prozessor erschien mit 20, 25 und 33 MHz.
1988 folgte der preiswertere 386SX. Er behielt die 32-Bit-Architektur im Inneren, verwendete nach außen aber einen schmaleren Bus. Hersteller konnten dadurch günstigere Hauptplatinen bauen und vorhandene Technik aus der 286-Klasse weiterverwenden. Der ursprüngliche 80386 erhielt zur Unterscheidung nachträglich den Zusatz DX.
Die Unterschiede zwischen SX und DX verdienen eigene Artikel. Für die Entwicklung der Plattform war entscheidend, dass 386-Rechner nun auch für gewöhnliche Büro- und Heimcomputer erschwinglicher wurden.
Intel wollte die neue Architektur zugleich stärker kontrollieren. Bei älteren Generationen hatte AMD aufgrund von Austauschverträgen kompatible Prozessoren gefertigt. Beim 386 stellte Intel dem Unternehmen keine Technologie als Second Source zur Verfügung. AMD berief sich auf die bestehenden Vereinbarungen und entwickelte parallel einen eigenen Prozessor.
Der Am386 erschien im März 1991, als Intel bereits den 486 verkaufte. Er blieb mit der 386-Software kompatibel und erreichte Taktraten von bis zu 40 MHz.
Damit endete weitgehend die frühere Selbstverständlichkeit, dass große Kunden Intel-Prozessoren von mehreren Lieferanten beziehen konnten. Die x86-Architektur war zum Kern von Intels Geschäft geworden.
Warum Intel den 286 durchstrich
Der 286 blieb dennoch lange attraktiv. Er war billiger, für DOS häufig schnell genug und den Käufern vertraut. Intel hatte Prozessoren zuvor vor allem an Computerhersteller verkauft. Endkunden interessierten sich eher für den Namen auf dem PC-Gehäuse als für den Hersteller des Chips im Inneren.
Dennis Carter entwickelte deshalb eine Kampagne, die sich direkt an PC-Käufer richtete. Intel strich die Zahl 286 mit einem roten X durch und erklärte daneben die Vorteile des 386. Kunden sollten im Geschäft ausdrücklich nach dem neueren Prozessor fragen. Der günstigere 386SX machte diese Forderung auch außerhalb teurer Hochleistungssysteme realistisch. Die Kampagne bereitete Intels spätere Endkundenwerbung und das 1991 gestartete „Intel Inside“ vor.
Zeitgenössischen Berichten zufolge entfiel 1991 ungefähr die Hälfte von Intels Jahresumsatz auf Prozessoren der 386-Familie. Der frühere Nebenentwurf hatte die geplanten Nachfolgearchitekturen überlebt und Intels Geschäft neu ausgerichtet.
Der 386 verband einen vollständigen 32-Bit-Adressraum, Paging und Speicherschutz mit der vorhandenen PC-Software. Betriebssysteme konnten sich weiterentwickeln, während ältere Programme weiterhin liefen. Darauf bauten die folgenden PC-Generationen auf.