[Computer] インテルCPU史：4004からPentiumまで

はじめに

インテルのマイクロプロセッサは、1971年の 4004 に始まり、わずか数十年の間に Pentium へとたどり着きました。

その間に起きたのは、ビット幅の拡大、命令セットの進化、保護モードや仮想化といったOS機能のハードウェア実装、さらにキャッシュやパイプライン、スーパースカラ、マルチメディア命令など──現代CPUへとつながる数々の飛躍です。

本記事では、互換CPUは一切除外し、インテル純正の系譜だけを「やや詳しく」追います。

4004 → 8008/8080 → 8086/8088 → 80286 → 80386 → 80486 → Pentium。

それぞれの世代で「何が追加され、何が引き継がれ、どのように時代を変えたのか」を整理し、単なる年表ではなく “技術の文脈” として眺めていきます。

Intel CPU 年表

参考：8085（1976、8080改良・単一5V）、80186/188（1982、周辺統合で主に組込み）。

4004 / 4040（4ビット：1971–1974）

Intel 4004（1971）

• 誕生の背景

  • 日本のビジコン（Busicom）社の電卓向けに開発された専用チップが出発点。
  • 電卓のために生まれたが、「汎用計算をチップに閉じ込める」という発想は革新そのもの。
  • 当時はまだメインフレームが主役で、マイコンなんて存在すら想像されていなかった。

• 仕様：

  • 約 2,300トランジスタ（10µmプロセス）
  • クロック最大 ~740kHz
  • 4ビットデータ幅、命令は8ビット長
  • 12ビットプログラムカウンタ、最大4KBの命令メモリ空間を扱えた
  • 3段ハードウェアスタックでサブルーチン呼び出しをサポート

• 特徴：世界初の商用マイクロプロセッサ（MPU）として、「複数用途にプログラムで対応できる」概念をハードに具現化。

• 用途：電卓だけでなく、信号制御や小規模な制御機器などにも応用が広がり始めた。

Intel 4040（1974）

• 4004の改良版でありながら互換性を保持。

• 改良点：

  • 命令セットを 46 → 60命令に拡張
  • スタックを3段 → 7段へ拡張
  • 割り込み機能を正式にサポート（4004にはなかった）
  • 最大動作クロックは同じ ~740kHzだが、制御系用途での実用性が向上

• 用途：4004よりも幅広い組込み制御に利用可能になり、小規模制御システムの中核として採用。

意義

• 世界初の商用汎用マイクロプロセッサの成立。
• 「CPUを1チップ化する」発想は当時画期的であり、後の 8ビット / 16ビット / 32ビット CPU への道筋を作った。
• 4004 は「始まり」、4040 は「実用性を高めた完成度アップ版」として位置付けられる。

8008 / 8080 / 8085（8ビット：1972–1976）

Intel 8008（1972）

• 誕生の経緯

  • 本来は**コンピュータ端末向け（Datapoint 2200）**のCPUとして設計。Datapointは自社のTTL実装を採用したが、Intel版が「8ビットCPU」として市場に残った。
  • Altair 8800に採用され、「ホビイストPC革命」を引き起こす。
  • パーソナルコンピュータ雑誌の表紙を飾り、BASICを学んだ若者たちがやがてマイクロソフトやAppleを興す。

• 仕様：

  • 約 3,500トランジスタ（10µmプロセス）
  • クロック最大 ~0.5–0.8MHz
  • 8ビットデータ幅 / 14ビットアドレス（16KB空間）
  • 命令は8080系へ受け継がれる基礎に

• 課題：

  • 電源が +5V, –9V, +12V と複雑
  • 外部クロック回路が必要
  • 実装が難しく、設計者泣かせ

Intel 8080（1974）

• 改良のポイント：

  • トランジスタ数 ~6,000
  • 電源が +5V単一に簡素化
  • 最大クロック 2MHz前後
  • アドレスバス16ビットで 64KB空間に拡大

• 成果：

  • 実用性が飛躍的に向上し、Altair 8800 や IMSAI 8080 といった初期パーソナルコンピュータの心臓に採用
  • CP/M（Gary Kildall）のようなOSが誕生し、標準的な開発環境が形成

• 意義：8080が 「ホビーと業務の両方に使えるCPU」 となり、マイコン文化の爆発的普及に直結。

Intel 8085（1976）

• 位置づけ：8080をマイナー改良した派生版であり、命令セットは基本的に互換。

• 特徴：

  • 単一 +5V動作で電源回路がさらに簡素化
  • 内部にシリアルI/Oや割込み制御を一部統合
  • 最大クロック 5–6MHz

• 用途：PCよりも産業用・組込み向けに広く使われ続け、教育用ボードや制御機器に長寿命で残った。

意義

• 8008：不完全ながら「8ビットCPUの雛形」
• 8080：8ビット期を決定づけ、**OS・開発ツール・拡張バス（S-100等）**を育てた
• 8085：安価で扱いやすく、組込み文化の定番CPUに
• 総じてこの世代は、エコシステムの誕生と普及が最大の功績であり、次の16ビット移行を支える基盤となった。

8086 / 8088（x86の起点：1978–1979）

Intel 8086（1978）

• 基本仕様：

  • 16ビット内部アーキテクチャ（ALU/レジスタ幅）
  • 20ビットアドレスバス → 最大 1MBアドレス空間
  • 約 29,000トランジスタ、クロックは 5 / 8 / 10 MHz
  • 命令は可変長（1〜数バイト）、オペランドの柔軟なメモリアクセスが可能

• メモリモデル：

  • セグメント：オフセット方式
  • 16ビットのセグメントレジスタ（CS/DS/SS/ES）＋16ビットオフセットを組み合わせて、実効20ビットアドレスを生成
  • 物理空間は1MBだが、プログラマにとっては「64KBセグメントの集まり」として見える → のちの互換性と制約の源に

• 特徴：

  • 8080/8085系とのソースコードレベル互換を意識（バイナリ互換ではない）
  • 命令セットは後の「x86」として受け継がれる基盤に
  • プリフェッチキューによる簡易パイプライン化

Intel 8088（1979）

• 8086の派生版で、内部アーキテクチャはほぼ同等。

• 外部データバスを8ビット化した点が最大の違い：

  • これにより既存の安価な8ビット周辺チップや回路資産が利用可能
  • 実効性能は若干低下するが、システムコストを大幅に削減

• 最大の転機：IBM PC（1981） のCPUに採用されたこと。

  • 世界的なPC標準の起点となり、結果として x86命令体系が業界標準へ固定化された。

意義

• 8086：

  • x86命令セットの原型を確立。
  • セグメント方式という「苦労の源泉」と「互換維持の武器」を同時に残した。

• 8088：

  • 外部8ビット化でコストを抑え、IBM PC採用＝事実上の標準化を達成。

• この「互換性を捨てず、コストで市場を取る」戦略こそが、後のインテル帝国の出発点となった。

80186 / 80188（1982）

Intel 80186

• 概要：8086をベースに、周辺機能をワンチップに統合した改良版。

• 統合された主な機能：

  • 割込みコントローラ
  • タイマ
  • チップセレクト回路
  • DMA制御など一部I/O機能

• 仕様：

  • 16ビット内部、20ビットアドレス空間（8086相当）
  • クロックは 6〜12 MHz
  • トランジスタ数 約55K

• 用途：PC互換機ではほぼ使われず、主に産業機器・組込み向けで人気。コスト削減・基板小型化に貢献。

Intel 80188

• 80186の外部バスを8ビット化した派生版。
• より安価に設計でき、小型組込み機器で長く使われた。

意義：

• PC用CPUとしては目立たなかったが、**「x86コアをSoC的にまとめる」**という流れの先駆けとなり、後の組込み向けx86派生の定番に。

80286（1982）

概要

• 8086系の後継本流として登場。
• トランジスタ数 約134K。クロックは 6〜25 MHz。
• 24ビットアドレスバス → 最大 16MB のメモリ空間を直接扱える。
• 16MBのメモリ空間は当時「夢の大容量」だったが、実際のソフト（MS-DOS）は16bitの枠を抜け出せず。
• 「ハードは未来へ、ソフトは過去に縛られる」**というジレンマの象徴。

技術的特徴

• Protected Mode（保護モード） を初めて導入：

  • メモリ保護機構
  • 特権レベル（リング構造）によるアクセス制御
  • マルチタスクのハードウェア的下地

• 実用上の問題点：

  • 一度 Protected Mode に入ると Real Mode に戻るのがほぼ不可能（リセットを要する設計）
  • MS-DOS 時代のソフトは Real Mode 前提 → 両立が難しく、広く普及するには障害になった

意義

• メモリ保護と特権の概念をハードに焼き込んだことが最大の功績。
• 実際のフル活用は OS/2 や Windows NT 以降、さらに後の 80386 の Paging で大きく開花する。
• それでも「OS設計の大前提（保護・特権）」を提示した点で歴史的に重要。

80386（1985）

• フル32ビット化（IA-32アーキテクチャの誕生）

  • レジスタ幅：32ビット
  • アドレス空間：4GB（フラットメモリモデルを実現）
  • ALUも32ビット化し、真の「IA-32」へ。

• メモリ管理機構

  • Paging（ページング）：4KBページ単位の仮想記憶をサポート
  • 仮想メモリの基礎をハードで提供
  • Virtual 8086モード：8086リアルモードを仮想化 → DOSアプリを安全に走らせられる

• バリエーション

  • 386DX：32ビット外部バス
  • 386SX：16ビット外部バス（低コスト・廉価版PC向け）

意義：

• “32ビットx86”の完成形。
• UNIXやWindows NT系など本格的マルチタスクOSの土台。
• 以後の数十年にわたるPCアーキテクチャの標準を確立。

80486（1989）

• 統合度の飛躍

  • オンチップFPU（486DX）：別チップ不要に
  • L1キャッシュ（統合8KB）：命令/データ兼用
  • 5段パイプライン導入 → 1クロック1命令級の実効性能

• バリエーション

  • 486SX：FPUを無効化／非搭載（廉価版）
  • 486DX2 / DX4：外部バス速度を据え置きつつ、内部クロックを2倍・3倍化

• 性能効果

  • 同一クロックの386に比べて、実効性能は約2倍〜3倍
  • キャッシュとパイプライン化でCPIを大幅に短縮

意義：

• **「キャッシュ＋パイプライン＋FPU統合」**という現代CPUの基本構造を確立。
• 低価格PCからハイエンドまで広く浸透。
• ワークステーション級の性能が、家庭やオフィスに降りてきた。
• 3DグラフィックスやCADの普及の礎を築いた。

Pentium（P5系：1993–1997）

• スーパースカラ化

  • **デュアルパイプライン（U/Vパイプ）**で1クロック2命令実行が可能に
  • BTB（Branch Target Buffer）型分岐予測で分岐ペナルティを軽減

• キャッシュ階層強化

  • 分離L1キャッシュ：命令8KB＋データ8KB（P54C以降16KB＋16KBに拡大）

• 製造・動作クロック

  • 初期 P5（0.8/0.6µm）：60/66MHz → 90/100/120MHz
  • 改良版 P54C（0.6/0.35µm）：133〜200MHz級へ

• トラブルと改良

  • FDIV問題（1994）：浮動小数点除算の誤差問題 → 全世界で交換対応

  • Pentium MMX（P55C, 1996）：

    • **MMX命令（SIMD整数拡張）**を導入
    • L1キャッシュを 16KB+16KB に増強
    • 電力効率を改善しノートPCにも普及

意義：

• x86が本格的にスーパースカラ化し、IPCを底上げ。
• 分岐予測・キャッシュ戦略が高度化 → 以後の Pentium Pro（P6系） のアウトオブオーダ実行へとつながる。
• 「Pentium」というブランド名で、PC CPU市場を独占的にリード。
• スーパースカラと分岐予測で「ソフトを変えずに速度が伸びる」時代へ。
• FDIVバグ問題で社会的に大きく報じられ、「CPU＝社会インフラ」という認識を広めた。

横断トピック（進化の文脈）

命令セットとモード

• 8086（1978）で 可変長命令とセグメント方式 を基礎に据え、以後40年以上続く x86命令セットアーキテクチャ の土台が形成された。
• 80286（1982）で 保護モード が導入され、アドレス空間拡張と同時に「特権・保護」というOSに必須の概念がハードウェアに定着。
• 80386（1985）で Paging / 仮想化 が整備され、現代的な汎用OS（マルチタスク・マルチユーザ）が成立可能に。
• Pentium MMX（1996）では初めて一般向けに SIMD拡張命令（MMX） が提供され、マルチメディア処理の並列化が普及の端緒となった。この路線は後の SSE → AVX 系列に連なる。

浮動小数点（FPU）

• 8087（1980） 以降、x87系のFPUは当初は外付け協処理装置として提供された。
• 287 / 387 と世代を重ねるごとに機能が拡充し、科学技術計算やCADなど特定分野では必須の存在に。
• 80486DX（1989）で初めて オンチップFPU が実現し、以降は「CPUにFPU統合」が標準化。
• この流れは 3Dグラフィックス・マルチメディア・科学シミュレーション の裾野を広げ、後のGPU隆盛にもつながった。

キャッシュとパイプライン

• 80486 で 統合L1キャッシュ（8KB） と 5段パイプライン が標準化。 → 同クロックでも実効性能が大幅に改善し、「キャッシュ＋パイプライン」がPC CPUの常識となる。
• Pentium では 命令/データ分離キャッシュ（8KB+8KB → MMX世代で16KB+16KB） を採用。
• 同時に 分岐予測 と デュアルパイプラインによるスーパースカラ化 が実用化。
• この基盤の上に、以後は アウトオブオーダ実行（OoO）、投機実行、そして L2/L3キャッシュ階層の拡張 が加わり、現代CPUに直結していく。

互換性という“縛り”と“武器”

• セグメント方式 やレガシーな命令体系は、モダンアーキテクチャ設計者にとって「歴史的負債」とも言える制約だった。
• しかし、Intelは互換性を破棄せず、「過去資産が動く」ことを武器 に市場を独占的に拡大。
• 80386以降の保護・仮想化機構 は、「旧世代を仮想空間に閉じ込めつつ、新世代の安全性を確保する」という実利的な解法だった。
• この「後方互換を守り続ける哲学」こそが、x86を他のRISC系アーキテクチャよりも長寿命にした最大の要因といえる。

まとめ：Pentiumで何が“揃った”のか

• （1）命令実行の並列性 デュアルパイプによる スーパースカラ化 で、同時に2命令を発行可能に。
• （2）分岐予測と深いパイプライン 実行の“空振り”を減らし、クロックあたりの効率を底上げ。
• （3）キャッシュ戦略 命令とデータを分離したL1（I/Dキャッシュ）で、帯域を効率的に活用。
• （4）用途拡張 MMX命令によるマルチメディア処理の高速化で、一般ユーザーの体感性能を押し上げ。
• （5）互換の維持 8086時代から積み重なったソフト資産を切らさず、過去と未来を繋ぎ続けた。

こうして Pentium の世代で、IA-32アーキテクチャの“実用最適点” がひとまず揃った。 以降の進化（P6＝Pentium Pro世代）は、ここで確立された基盤の上に アウトオブオーダ実行、より高度な分岐予測、大容量のL2キャッシュ を積み増していく流れとなる。

これで全体が「歴史の流れ → 横断トピック → 締め」でしっかり構造化されました。 次は記事用の タイトル・summary・description・tags を、最初に示していたYAMLに埋め込める形で整えましょうか？

付記：主な指標（代表値・概数）

※世代内でステッピング/プロセス差あり。値は代表的な公称・概数。