Мікропроцесор Intel 4004: опис, характеристики. Історія процесорів

Федеріко Фаджин приєднався до компанії Intel, щоб перетворити бачення Теда Хоффа в кремнієву реальність. Менш ніж через рік він і його команда створили мікропроцесор 4004 який був представлений в листопаді 1971 р. Першою серйозною проблемою для Фаджина стала розробка методології використання нової технології кремнієвих затворів. Це дозволило по-іншому створювати складні схеми. Оскільки нічого подібного до цього ніхто не робив, довелося все починати з нуля. І Федеріко Фаджину це вдалося – він самостійно розробив чіп всього за 9 місяців 1970 р. Це фантастично короткий термін у порівнянні з процесорами «Інтел» наступних поколінь. Наприклад, для створення 32-розрядних чіпа вже знадобилося 100 людино-років.

Конструктивне виконання

Дизайн на основі кремнієвих затворів, створений Федеріко Фаджином, зробив перший мікропроцесор реальністю у 1971 р. Він був незвичайним, так як інтеграція такої складності ніколи раніше не досягалася. Фаджин зміг розробити процесор Intel 4004 тільки завдяки своїм інновацій в МОП-технології виробництва інтегральних схем (ІС). Початкова завантаження і прихований контакт стали ідеями, які лягли в основу вперше застосованої ним методології проектування, дозволили врятувати архітектуру Хоффа і реалізувати її у 1970 р. Без цього вона була б неможлива, тому що результат був би занадто повільним і дорогим, щоб мати практичне застосування. Таким чином, винахід не полягала в розробці моделі простого ЦПУ, нестачі в яких у той час не було, але у створенні та впровадженні технології, яка вперше дозволила розмістити на одному кристалі всі функціональні блоки процесора.


Тед Хофф сподівався, що запропонована ним архітектура і набір команд можуть бути розміщені на одному кристалі. Проте він не міг оцінити здійсненність проекту або втілити його, оскільки не був МОП-розробником. Саме Федеріко Фаджин винайшов дизайн і компонування 2300 транзисторів довільній логіки на кристалі розміром всього 3х4 мм, недорогому, з 5-кратною швидкістю роботи і удвічі більшою щільністю розміщення елементів, ніж у тієї, що існувала в той час технології МОП. Методологія Фаджина стала проривом і використовувалася у всіх ранніх мікропроцесорах компанії. Італійський інженер навів проект до успішного завершення і зіграв роль у просуванні нового процесору Intel, продемонструвавши керівництву компанії, що чіп може використовуватися не тільки в калькуляторах.

Технічні характеристики

Специфікації процесору Intel 4004 наступні: Площа кристала: 12 мм 2 . Максимальна тактова частота: 740 кГц. Час циклу: 108 мкс (8 тактів /цикл команди). Час виконання команди – 1 або 2 циклу команди (108 або 216 мкс), 46300-92600 команд в секунду. Додавання двох 8-значних чисел (по 32 біта кожне) займає 850 мкс, тобто 79 циклів команд, близько 10 циклів на десяткову цифру. Роздільне зберігання програм і даних. На відміну від дизайнів на основі гарвардської архітектури, що використовують окремі шини, в 4004 є одна мультиплексированная 4-бітна шина для передачі 12-розрядних адрес, 8-бітних команд і 4-бітних слів даних. Пряма адресація 51220 біт (640 байт) ОЗУ, організованого у вигляді 1280 4-розрядних «символів», з яких 1024 представляють дані і 256 – стан. Пряма адресація 32768 біт ПЗП (4096 байт). Набір із 46 команд (з яких 41 шириною 8 біт і 5 – 16 біт). 16 регістрів по 4 біта. Внутрішній стек підпрограм глибиною в 3 рівня.

Замовлення Busicom

Комп'ютер з збереженої програмою, що використовувався в якості калькулятора в 1950-х і 1960-х роках, був одним з кращих досягнень післявоєнної епохи і був знайомий всім інженерам, які працюють у напівпровідниковій промисловості. У 1969 р. японський виробник калькуляторів Busicom звернувся до компанії Intel, щоб втілити в кремнії їх логічний дизайн для серії калькуляторів. Їх підхід повторював реалізацію першого в світі настільного програмованого калькулятора Olivetti's Programma 101 представленого на Всесвітньому ярмарку в Нью-Йорку в 1965 р. і надійшов у продаж в тому ж році. Programma 101 мав ЦПУ (центральне процесорний пристрій) і ПЗУ (постійне запам'ятовуючий пристрій) з послідовним читанням і записом, які були виконані з дискретних компонентів. Компанія Busicom запропонувала аналогічну архітектуру, що передбачала реалізацію процесора на трьох МОП-мікросхемах ПЗУ і регістра ще на двох, з двома іншими чіпами вводу-виводу.

Архітектура MCS-4

Керівник відділу прикладних досліджень Тед Хофф визнав, що складність дизайну Busicom полягала у використанні послідовної пам'яті, і оскільки Intel розробляла своє перше динамічне ОЗП (оперативний запам'ятовуючий пристрій), він бачив, що конструкцію можна істотно спростити, використовуючи традиційну і більш універсальну комп'ютерну архітектуру, засновану на ОЗП. З допомогою Стена Мазора та завдяки взаємодії з інженерами Busicom, серед яких був Масатоші Сіма, Хофф сформулював архітектуру MCS-4 скоротивши дизайн з 7 до 4 чіпів. Хофф вважав, що ЦПУ можна було б реалізувати в одному 4-бітному мікропроцесорі, але ні він, ні Мазор не були МОП-розробниками, і у Intel не було фахівців, здатних створювати складні ІС з довільною логічною структурою. Тому пропозиція Хоффа простоювало близько 6 місяців, поки в квітні 1970 року не був прийнятий на роботу Федеріко Фаджін, який і очолив цей проект.

Інноваційна технологія

Федеріко Фаджин перейшов в Intel з Fairchild Semiconductor, де в 1968 р. він розробив МОП-технологію з кремнієвими затворами і створив на її основі першу в світі комерційну інтегральну схему 3708. Технологія була прийнята компанією Intel і згодом всієї світової напівпровідниковою промисловістю, і протягом 40 років була базовою структурою, яка використовувалася майже в усіх мікросхемах. Гордон Мур, співзасновник компанії «Інтел», визнав, що основним компонентом її раннього успіху став саме цей крок. МОП-технологія з кремнієвими затворами забезпечила конкурентоспроможні характеристики Intel 4004: чіп був приблизно в 5 разів швидше, мав у 100 разів меншу витік переходу і вміщував в 2 рази більше логічних транзисторів довільного типу порівняно з чіпом того ж розміру, виготовленого з алюмінієвими затворами, і розсіював рівну потужність. Це дозволило створювати перші комерційно успішні динамічні ОЗП, датчики зображення з ПЗС-матрицею (прилади із зарядовим зв'язком), енергонезалежні запам'ятовуючі пристрої та мікропроцесори. Вперше в історії процесор містив всі компоненти комп'ютера загального призначення.

Створення нового дизайну і розмічування

Тед Хофф не був конструктором МОП-схем. Його роль полягала у створенні архітектури і в подальшій підтримці продуктів. Після визначення набору команд проект був переданий команді МОП-розробників, очолюваної Федеріко Фаджином. Роботи велися дуже швидко, і приблизно за 9 місяців були створені 3 основних чіпа. Останнім з них у січні 1971 року з'явився мікропроцесор Intel 4004. За словами Стена Мазора, заслуга Фаджина полягала в тому, що він здійснив інженерний дизайн, а Хоффа – у створенні оригінальної концепції та архітектури. Сам Мазор був свого роду посередником, який допомагав, як міг, і робив те, що міг. Федеріко Фаджин розробив методологію проектування МДН-структур з кремнієвим затвором, що використовуються в довільних логічних схемах. Ця було необхідно, оскільки нова технологія вимагала іншого дизайну, і особливо макета. За словами Фаджина, він вирішив, що замість того, щоб проектувати окремо логіку, а потім схему, слід робити їх разом на одному аркуші. При цьому необхідно враховувати розташування, наскільки це можливо, щоб провідники і транзистори розташовувалися якомога ближче до остаточної компонуванні. Очевидно, для цього потрібно було попередньо провести загальне планування чіпа, щоб знати розміщення різних блоків. Саме тоді він і уточнив методологію створення такого типу схем. Проектування нового процесора Intel і керівництво проектом MCS-4 з початку розробки до виробництва міг осилити тільки той, хто був здатний впроваджувати інновації в технологію процесу, макетування мікросхем, схемотехніку, логічний дизайн і комп'ютерну архітектуру. Фаджин придбав такі навички та знання через свою освіту і досвід роботи до того, як він приєднався до Intel. Після закінчення технічного вузу в Віченца (Італія) він брав участь в розробці і створенні невеликого транзисторного експериментального комп'ютера з пам'яттю на магнітних сердечниках в компанії Olivetti в Борголомбардо (Італія) у віці 19 років. Потім він з відмінністю закінчив Університет Падуї і зайнявся розробкою технології МОП, створивши 2 комерційні мікросхеми, коли працював в SGS-Fairchild (тепер ST Micro). У 1968 р. він був направлений в Fairchild Semiconductor R&D в Пало-Альто (Каліфорнія), де створив технологію МОП з кремнієвим затвором і ін.

Реальні інновації

Концептуалізація першого процесора, що стала основним внеском Хоффа в проект 4004 відбувалася і в інших компаніях. До такого ж висновку прийшли кілька груп незалежно один від одного. Тому головним у винаході мікропроцесора було створення економічно обґрунтованого продукту. Тільки одна людина в світі знав, як зробити наступний крок і перевести архітектуру в робочий дизайн. Це був Федеріко Фаджин. Без нього перший мікропроцесор ніколи б не був побудований. Ще в Fairchild він винайшов технологію, яка лягла в основу майбутніх пристроїв. Після початку роботи в компанії «Інтел», він виправив помилки відсутнього Хоффа, а потім зробив перший чіп Intel 4004 після чого очолив розробку 8008 і був головним архітектором 8080. У той час інженери знали, як створювати невеликі комп'ютери, робити логічний дизайн ЦПУ і створювати програми. Ідея про мікропроцесорі, тобто про розміщення на одному кристалі універсального комп'ютера, теж витала в повітрі. Деякі архітектури вже були реалізовані на декількох МОП-мікросхемах. Тим не менше, ніхто не знав, як встановити 2300 транзисторів довільній логіки – мінімально необхідна кількість для простого процесора – мікросхему досить маленького розміру, щоб виробництво було дешевим, швидкість роботи була високою, а розсіює потужність достатньою для розміщення в існуючих корпусах. Таким чином, реальна інновація в мікропроцесорі полягала в його компонуванні на одному кремниевом чіпі, оскільки все інше було зроблено раніше. І це вдалося Фаджину без якої-небудь значущої допомоги з боку Теда Хоффа і Стена Мазора. Єдиний, хто йому допомагав, – це інженер Busicom Масатоші Сіма. Він прийшов до Intel, щоб перевірити прогрес виконання замовлення через пару днів після того, як Фаджин був найнятий на роботу. Він зрозумів, що за попередні 6 місяців не було досягнуто ніякого прогресу. Враховуючи затримку в проекті і відсутність будь-якого інженера Intel, здатного допомогти, Симе було дозволено залишитися на 6 місяців, щоб прискорити роботу. Однак він мало знав про інтегральних схемах і, хоча він був дуже корисним, всі творчі рішення приймав Фаджин. Начальник останнього, Леслі Вадаш, був так заклопотаний дизайном 1103 (першим 1024-бітових динамічних ОЗП, вважався майбутнім Intel), що не міг забезпечити технічний контроль над проектом MCS-4. Після успіху з 4004 Фаджин керував впровадженням 8008 а також задумав і визначив архітектури найуспішніших з усіх перших процесорів – 4040 і 8080.

Сумніви розробників

За словами Стена Мазора, він і Тед Хофф вважали, що Intel 4004 був надто агресивним. Вони не були впевнені, що його можна зробити, тому почали з іншого чіпа, названого 4005. Це був спільний проект з MIL, який був партнером Intel в Канаді. Вони визначили набагато більш просту архітектуру, ніж 4004. Канадська компанія повинна була розробити чіп, а Intel – надати пам'ять. Виявилося, що вона не змогла зробити 4005. Хофф і Мазор у 1994 р. не були впевнені в можливості реалізації 4004. Ось чому через кілька місяців після того, як Фаджин приєднався до Intel, вони створили більш просту архітектуру 4005 і віддали в канадську компанію MIL для розробки. Але інженерам MIL мікропроцесор зробити не вдалося. Стало зрозуміло, що навіть створення простого чіпа було далеко від рутинної роботи. Крім того, Хофф і Мазор сумнівалися, що 4004 може стати в нагоді для додатків, відмінних від калькуляторів, касових апаратів і т. п. Вони думали, що тільки 1201 а пізніше і 8008 будуть мати достатньо універсальну архітектуру, щоб використовуватися в різних додатках. Після завершення проекту 4004 Фаджин продемонстрував, що мікропроцесор може застосовуватися в різних системах управління і закликав керівництво вивести Intel 4004 на ринок.

Невдачі з 8008

Іншим прикладом, що доводить те, наскільки необхідною була методологія Фаджина, є Intel 8008 архітектура якого спочатку розроблялася компанією Computer Terminal Corporation (CTC). Робота над чіпом, спочатку названим 1201 почалася до того, як Фаджин приєднався до Intel, але проект, призначений розробника процесорів з довільною логікою, який перейшов з General Instrument, далеко не просунувся, тому що в той час була відсутня яка-небудь методологія та бібліотеки схем. Роботи над 8008 були припинені і поновилися лише рік випуску Intel 4004.

Мікропроцесор TI

Ще одним прикладом є перший одночіповий ЦПУ, який став другим джерелом для 8008 замовлених CTC у компанії Texas Instruments. Оголошений в пресі в середині 1971 року, всього через кілька місяців після успішного створення 4004 цей процесор так ніколи і не запрацював і ніколи не продавався. Він був створений з використанням МОП-технології з металевим затвором компанією, яка мала багаторічний досвід розробки ІС зі складною довільній логікою. У порівнянні з процесором «Інтел-8008», розмір чіпа ТІ був удвічі більше, забезпечуючи виконання тих же функцій. Швидкість роботи і розсіює потужність ніколи не оприлюднювалися.

Приклад для наслідування

Після того, як проект 4004 був завершений, інші інженери, як всередині, так і поза компанії Intel, змогли вивчити методи, використовувані Фаджином, дослідивши дизайн під мікроскопом. Цей же стиль використовувався у всіх інших ранніх мікропроцесорах Intel і Zilog.

На закінчення

4004 став першим в історії процесором, зробленим за технологією кремнієвого замка. Це була передова інтегральна мікросхема того часу. Її створення вимагало не тільки екстраординарних творчих здібностей і навичок від дизайнера, але і глибокого знання нової технології, яку міг мати тільки її розробник. Крім того, для успішного завершення проекту, який потрібно завершити за 10 місяців із-за попередніх невиконаних зобов'язань перед клієнтом, були необхідні велику мужність, мотивація, навички управління і стійка напружена робота.