Intel 4004: Төрт биттік микропроцессордың тарихы

Кіріспе

4 бит микропроцессор

Intel 4004 – Intel корпорациясының 1971 жылы шығарған 4 биттік орталық процессорлық құрылғысы (CPU). 60 АҚШ долларына сатылды (1971 жылы 60,0 АҚШ доллары қазіргі жылдарда шамамен <есептелген сомаға> тең), бұл коммерциялық өндірістегі алғашқы микропроцессор және Intel процессорларының ұзақ тізіміндегі біріншісі болды. 4004 – ірі масштабты интеграцияның алғашқы маңызды мысалы, ол MOS кремнийлі қақпа технологиясының (SGT) артықшылығын көрсетті. Қолданыстағы технологиямен салыстырғанда, SGT бір чип аймағында бес есе жылдамдықпен транзисторлардың санын екі есе арттырды. Бұл өнімділіктің күрт өсуі бір чиптік процессорды жасауға мүмкіндік берді, ол бұрынғы көп чиптік процессорларды алмастырды. 4004 инновациялық чип дизайны күрделі логикалық және жад схемалары үшін SGT-ді пайдаланудың үлгісі болды, соның арқасында әлемдік жартылай өткізгіш өнеркәсібінде SGT-ді қабылдау үдеді. Fairchild компаниясында бастапқы SGT-ді әзірлеуші – Федерико Фаггин, ол жаңа технологияны пайдаланған алғашқы коммерциялық интегралдық схеманы (IC) жобалап, оның аналогтық/цифрлық қолданыстар үшін артықшылығын дәлелдеді (Fairchild 3708, 1968 жыл). Кейін ол Intel-де SGT-ді 4004-ті жасау үшін қажетті бұрын-соңды болмаған интеграцияны алу үшін пайдаланды. Жобаның тарихы 1969 жылға дейін жетеді, ол кезде Busicom Corp. компаниясы Intel компаниясына электронды калькулятор үшін жеті чиптен тұратын отбасыны жобалауды ұсынды, олардың үшеуі әртүрлі есептеу машиналарын жасауға арналған CPU құрады. Процессор шифтілік тіркегіште сақталған деректерге және ROM-да (тек қана оқу жадында) сақталған нұсқауларға негізделген. Үш чиптік CPU логикалық дизайнының күрделілігі Марциан Хоффты RAM-да (кездейсоқ кіру жады) сақталған деректерге негізделген дәстүрлі CPU архитектурасын ұсынуға итермеледі. Бұл архитектура әлдеқайда қарапайым және жалпы мақсатты болды және бір чипке интеграциялануы мүмкін, соның арқасында шығындар азайтылып, жылдамдық арттырылды. 1970 жылдың сәуір айында Фаггин басшылығымен, Масатоси Шиманың көмегімен жобалау жұмысы басталды. Толыққанды жұмыс істейтін 4004 машинасының алғашқы жеткізілімі 1971 жылдың наурыз айында Busicom компаниясына 141 PF басып шығару калькуляторының инженерлік прототипі үшін жасалды (қазір Калифорния штатының Маунтин-Вью қаласындағы Компьютер тарихы мұражайында сақталады). Жалпы сатылым 1971 жылдың шілдесінде басталды. Фаггин Fairchild Semiconductor компаниясында жұмыс істеген кезде жасаған бірқатар инновациялар 4004-ті бір чиппен жасауға мүмкіндік берді. Негізгі тұжырымдама – металл емес, поликремнийден жасалған, өзін-өзі тегістететін қақпаны пайдалану, бұл компоненттердің бір-біріне жақын орналасуына және жоғары жылдамдықпен жұмыс істеуіне мүмкіндік берді. 4004-ті мүмкін ету үшін Фаггин кремний қақпасымен мүмкін емес деп саналған «bootstrap жүктемесін» және кремний қақпаларын металлсыз тікелей транзисторлардың көзіне және ағынына қосуға мүмкіндік беретін «жасырылған контактіні» әзірледі. Бұл инновациялар бірлесіп схема тығыздығын екі есе арттырып, шығындарды екі есеге төмендетті, бір чипке 2300 транзисторды орнатуға және алдыңғы MOS технологиясын алюминий қақпаларымен пайдаланудан бес есе жылдам жұмыс істеуге мүмкіндік берді. 4004 дизайнын кейіннен Фаггин 1974 жылы Intel 4040 ретінде жақсартты. Intel 8008 және 8080 ұқсас атауларға қарамастан, өзара байланысты емес дизайн болды.

The Intel 4004 is a 4 bit central processing unit (CPU) released by Intel Corporation in 1971. Sold for US$60 (60.0 in 1971 is equivalent to about <calculated amount> in recent years), it was the first commercially produced microprocessor, and the first in a long line of Intel CPUs. The 4004 was the first significant example of large scale integration, showcasing the superiority of the MOS silicon gate technology (SGT). Compared to the incumbent technology, the SGT integrated on the same chip area twice the number of transistors with five times the operating speed. This step function increase in performance made possible a single chip CPU, replacing the existing multi chip CPUs. The innovative 4004 chip design served as a model on how to use the SGT for complex logic and memory circuits, thus accelerating the adoption of the SGT by the world's semiconductor industry. The developer of the original SGT at Fairchild was Federico Faggin, who designed the first commercial integrated circuit (IC) that used the new technology, proving its superiority for analog/digital applications (Fairchild 3708 in 1968). He later used the SGT at Intel to obtain the unprecedented integration necessary to make the 4004. The project traces its history to 1969, when Busicom Corp. approached Intel to design a family of seven chips for an electronic calculator, three of which constituted a CPU specialized for making different calculating machines. The CPU was based on data stored on shift registers and instructions stored on ROM (read only memory). The complexity of the three chip CPU logic design led Marcian Hoff to propose a more conventional CPU architecture based on data stored on RAM (random access memory). This architecture was much simpler and more general purpose and could potentially be integrated into a single chip, thus reducing the cost and improving the speed. Design began in April 1970 under the direction of Faggin, aided by Masatoshi Shima, who contributed to the architecture and later to the logic design. The first delivery of a fully operational 4004 was in March 1971 to Busicom for its 141 PF printing calculator engineering prototype (now displayed in the Computer History Museum in Mountain View, California). General sales began July 1971. A number of innovations developed by Faggin while working at Fairchild Semiconductor allowed the 4004 to be produced on a single chip. The main concept was the use of the self aligned gate, made of polysilicon rather than metal, which allowed the components to be much closer together and work at higher speed. To make the 4004 possible, Faggin also developed the "bootstrap load", considered unfeasible with silicon gate, and the "buried contact" that allowed the silicon gates to be connected directly to the source and drain of the transistors without the use of metal. Together, these innovations doubled the circuit density, and thus halved cost, allowing a single chip to contain 2,300 transistors and run five times faster than designs using the previous MOS technology with aluminum gates. The 4004 design was later improved by Faggin as the Intel 4040 in 1974. The Intel 8008 and 8080 were unrelated designs in spite of the similar naming.

Бастапқы тұжырымдама

1969 жылдың сәуір айында Busicom компаниясы Intel компаниясына электрондық калькулятордың жаңа дизайнын жасауды тапсырды. Олар өз дизайнын 1965 жылғы Olivetti Programma 101 архитектурасына негіздеді – бұл әлемдегі алғашқы үстелдік бағдарламаланатын калькуляторлардың бірі болатын. Басты айырмашылық – Busicom дизайнында жеке компоненттермен толтырылған баспа тізбектерін алмастыру үшін интегралды схемалар, ал 101-дегі қымбат магнитострикциялық сымның орнына жад үшін қатты күйдегі ығысу тізілімдері қолданылатын болды. Бұрынғы калькуляторлардың дизайндарынан өзгеше, Busicom төменгі деңгейдегі үстелдік баспа калькуляторында енгізуді мақсат ететін жалпы мақсаттағы процессор тұжырымдамасын жасады, содан кейін сол дизайнды кассалық аппараттар мен банкоматтар сияқты басқа да салаларда пайдалануды жоспарлады. Компания бұрын TTL кіші масштабты интеграциялық логикалық микросхемаларын қолданып калькулятор жасаған және Intel-дің орта масштабты интеграция (MSI) техникасын пайдаланып микросхемалардың санын азайтуға мүдделі болды. Intel жақында жұмысқа алынған Марсиан Хоффты, қызметкер номері 12, екі компания арасындағы байланысқа жауапты етіп тағайындады. Маусымның соңында Busicom компаниясының үш инженері – Масатоси Шима және оның әріптестері Масуда мен Такаяма – дизайнды таныстыру үшін Intel компаниясына сапар шекті. Хофф инженерлермен байланыс жасау үшін ғана тағайындалған болса да, ол бұл тұжырымдаманы зерттеуге кірісті. Олардың алғашқы ұсынысында жеті микросхема болды: бағдарламаны басқару, арифметикалық құрылғы (ALU), уақыт, бағдарламалық ROM, уақытша жад үшін ығысу тізілімдері, принтерді басқару және кіріс/шығыс басқару. Хофф микросхемалардың саны мен олардың арасындағы қажетті байланыстардың Busicom-ның баға мақсаттарына жетуіне кедерілтіретінін білдірді. Микросхемаларды біріктіру күрделілікті және құнды азайтуға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, Intel-дің жеті түрлі микросхеманы бір уақытта жасауға жеткілікті жобалаушыларының жоқ екеніне қатысты алаңдаушылық білдірді. Ол бұл мәселелерді жоғары басшылыққа жеткізді, ал бас директор Боб Нойс Хоффқа, егер мүмкін болса, басқа тәсілді қолдайтынын айтты.

Қарапайым дизайн

Busicom дизайнының негізгі тұжырымы – бағдарламаны басқару және АЛУ калькулятор нарығына арнайы бағытталмағаны, оны калькуляторға айналдырған ROM-дағы бағдарлама болды. Бастапқы идея компанияның әртүрлі көлемдегі ауысу тіркегішті жады (RAM) және бағдарламалық ROM чиптерін пайдаланып, есептеу машиналарын өндіруі болатын. Хофф Busicom-ның нұсқаулар жиынтығы архитектурасының жалпы мақсаттағы компьютерлермен қаншалықты үйлесетіндігіне таң қалды. Ол, шын мәнінде, жалпы мақсаттағы процессорды калькуляторда пайдалануға жеткілікті арзанға жасауға бола ма деп ойлай бастады. Кейіннен, алғашқы микропроцессор архитектурасының идеясын қайдан алғанын сұрағанда, Хофф «британдық трактор компаниясы» Plessey Стэнфордқа миникомпьютер сыйлағанын және ол сол жерде «онымен аздап ойнағанын» айтты. Тадаси Сасаки калькуляторды төрт бөлікке бөлу идеясын Intel-мен алғашқы кездесуінен бұрын Жапонияда өткен идеялар жиналысында болған Нара әйелдер колледжінің аты-жөні белгісіз әйеліне жатқызады. Бұл дизайнды іс жүзіне асыруға мүмкіндік берген тағы бір даму – Intel компаниясының алғашқы динамикалық жад (DRAM) чиптеріндегі жұмысы болды. Сол кездегі ауысу тіркегіштер – ең арзан оқу және жазу жады құрылғыларының бірі еді. Олар тікелей қол жеткізуге мүмкіндік бермейді, керісінше, әрбір сағаттық импульспен сақталған деректерді жасушалар тізбегі бойынша бір жасушаға жылжытады. Кез келген деректі, мысалы, бір байтты алу уақыты сағаттың жылдамдығы мен тізбектегі жасушалар санына байланысты. Егер процессор әр битті тіркеу арқылы айналдыруды күтуге мәжбүр болса, нәтижедегі тиімді жылдамдық өте төмен болар еді. DRAM, керісінше, сақталған кез келген дерекке тікелей қол жеткізуге мүмкіндік берді, сонымен қатар сыйымдылығы шамамен екі есеге артты және осылайша арзан болды. Соңында, Хофф бағдарламаны басқару чипінің күрделілігінің көп бөлігі әрбір нұсқаудың жеке орындалуына байланысты екенін байқады. Ол чипке қосымша шақырулар мен нұсқауларды, мүмкіндігі болса, қосымша бағдарламалар ретінде жүзеге асыруды ұсынды. Қолданылуы табиғи түрде 4 биттік дизайнды ұсынды, өйткені бұл калькуляторларда қолданылатын бинарлық кодталған ондық (BCD) мәндерін тікелей өңдеуге мүмкіндік берді. Хофф 1969 жылдың шілде және тамыз айларында жалпы дизайн тұжырымдамасы бойынша жұмыс істеді, бірақ Busicom басшыларының оның ұсынысына қызығушылық танытпағанын байқады.

A key concept in the Busicom design was that the program control and ALU were not aimed specifically at the calculator market, it was the program in ROM that turned it into a calculator. The original idea was that the company could use the same chips with different amounts of shift register RAM and program ROM to produce a range of calculating machines. Hoff was struck by how closely the Busicom's instruction set architecture matched that of general purpose computers. He began to consider whether a truly general purpose processor could be made cheaply enough to be used in a calculator. When later asked where he got the ideas for the architecture of the first microprocessor, Hoff related that Plessey, "a British tractor company", had donated a minicomputer to Stanford, and he had "played with it some" while he was there. Tadashi Sasaki attributes the idea to break the calculator into four parts to an unnamed woman from the Nara Women's College present at a brainstorming meeting that was held in Japan prior to his first meeting with Intel. Another development that allowed this design to be made practical was Intel's work on the earliest dynamic RAM (DRAM) chips. Shift registers at that time were among the only low cost read and write memory devices. They do not allow random access, instead, with every clock pulse they move the stored data one cell along a chain of cells. The time to retrieve any given data, one byte for instance, is a function of the clock speed and the number of cells in a chain. If the processor had to wait for each bit to cycle through the register, the resulting effective speed would be far too low to be practical. DRAM, on the other hand, allowed random access to any data they stored, while also having roughly double the capacity and thus being less expensive. Finally, Hoff noticed that much of the complexity of the program control chip was due to every instruction being implemented separately. He suggested that the chip instead support subroutine calls and instructions be implemented as subroutines where possible. The application naturally suggested a 4 bit design, as this allowed direct manipulation of binary coded decimal (BCD) values used by calculators. Hoff worked on the overall design concept through July and August 1969 but found that the Busicom executives seemed uninterested in his proposal.

Мазор қосылды

Хоффтың білмегені, Busicom командасы оның ұсынысына қатты қызығушылық танытты. Дегенмен, оларды бірқатар нақты мәселелер алаңдатты. Бір маңызды мәселе – ондық реттеу және пернетақтамен жұмыс істеу сияқты кейбір процедуралар, егер олар ішкі процедуралар ретінде іске асырылса, үлкен көлемде ROM жадын пайдаланатын еді. Тағы бір мәселе – дизайнның үзіліс механизмі болмағандықтан, нақты уақыт оқиғаларын өңдеу қиын болар еді. Соңында, сандарды 4 биттік BCD форматында сақтау үшін таңба мен ондық нүктені сақтауға қосымша жад қажет болатын. 1969 жылдың қыркүйегінде Стэнли Мазор Fairchild компаниясынан Intel-ге қосылды. Хофф пен Мазор Busicom-ның алаңдаушылықтарын шешу үшін тез арада шешімдер тапты. Busicom дизайнында бастапқыда бір байттық макроинструкциялар мен күрделі декодерлік схемалар арқылы шешілген ішкі процедуралардың күрделілігін азайту үшін Мазор сол макроинструкцияларды орындайтын 20 байттық интерпретаторды жасады. Шима пернетақтадан инициирленетін жаңа үзіліс қосуды ұсынды, осылайша пернетақта үзіліс арқылы басқарылатын болар еді. Ол сондай-ақ, аккумуляторды тазалау үшін «Branch Back» (ішкі процедурадан қайту) командасын өзгертті. Баға мақсаттарына жету үшін чиптің мүмкіндігінше кіші болуы және ең аз сандағы қосылымдарды пайдалану маңызды болды. Деректер 4 биттік, ал адрестік кеңістік 12 биттік (4096 байт) болғандықтан, тікелей қол жеткізуді 24 қосылымнан кем ештеңемен ұйымдастыру мүмкін емес еді. Бұл жеткілікті кішкентай емес болғандықтан, дизайн 16 қосылымды екі қатарлы корпуста (DIP) орналасуды және 4 сымнан тұратын бір жиынтықты мультиплекстеуді пайдаланды. Бұл ROM-дағы қай адреске қол жеткізу үшін үш тактовый цикл және оны жадтан оқу үшін тағы екі циклді анықтауды білдірді. 1 МГц жиілікте жұмыс істеу BCD мәндерін сандық түрде өңдеуді шамамен 80 микросекундқа бір цифрден жүзеге асыруға мүмкіндік беретін еді. Intel және Busicom арасындағы талқылаулардың нәтижесі 7 чипті Busicom дизайнын CPU, ROM, RAM және кіріс-шығыс (I/O) құрылғыларынан тұратын 4 чипті Intel ұсынысына дейін азайтқан архитектура болды. Бұл ұсыныс 1969 жылдың қазан айында Busicom басшыларының тобына ұсынылды. Олар жаңа тұжырымдаманың артық екендігіне келісіп, Intel-ге оны әзірлеуді бастауға рұқсат берді. Хофф келісімшарт бойынша дизайнға барлық құқықтар Busicom-ға берілгенін білгенде ренжіді, тіпті оның толыққанды Intel-де жасалғанын ескергенде. Команда Жапонияға кетті, бірақ Шима желтоқсан айына дейін Калифорнияда қалып, көптеген ішкі процедураларды жасады.

Unknown to Hoff, the Busicom team were extremely interested in his proposal. However, there were a number of specific issues that they were concerned about. One key issue was that certain routines like decimal adjust and keyboard handling would use large amounts of ROM space if implemented as subroutines. Another was that the design did not feature any sort of interrupt, so dealing with real time events would be difficult. Finally, storing the numbers as 4 bit BCD would require additional memory to store the sign and decimal place. In September 1969, Stanley Mazor joined Intel from Fairchild. Hoff and Mazor quickly came up with solutions to the Busicom concerns. To address the complexity of the subroutines, originally solved in Busicom's design using one byte macroinstructions and complex decoder circuitry, Mazor developed a 20 byte long interpreter that executed the same macroinstructions. Shima suggested adding a new interrupt that would be triggered by a pin, thereby allowing the keyboard to be interrupt driven. He also modified the Branch Back (return from subroutine) instruction to clear the accumulator. To reach the price goals, it was important that the chip be as small as possible and use the fewest number of leads. As data was 4 bits and the address space was 12 bits (4096 bytes), there was no way direct access could be arranged with anything fewer than about 24 pins. This was not small enough, so the design would use a 16 pin dual in line package (DIP) layout and use multiplexing of a single set of 4 lines. This meant specifying which address in ROM to access required three clock cycles, and another two to read it from memory. Running at 1 MHz would allow it to perform math on the BCD values at about 80 microseconds per digit. The result of the discussions between Intel and Busicom was an architecture that reduced the 7 chip Busicom design to a 4 chip Intel proposal composed of CPU, ROM, RAM and I/O (input output) devices. The proposal was presented to a visiting team of Busicom executives in October 1969. They agreed that the new concept was superior and gave Intel the go ahead to begin development. Hoff was upset to learn that the contract assigned all rights to the design to Busicom, in spite of it being designed entirely within Intel. The team then left for Japan, but Shima remained in California until December, developing many of the subroutines.

Фэггин буындары

Хофф пен Мазор, Қолданбалық зерттеулер тобында жұмыс істеген, нақты кремнийді жобалау тәжірибесіне ие болмаған, ал жобалау тобы жад құрылғыларын әзірлеумен тым көп айналысқан еді. 1970 жылдың сәуір айында MOS дизайн тобының жетекшісі Лесли Вадас, жобаны басқару үшін Fairchild Semiconductor компаниясынан Федерико Фаггинді шақырды. Фаггин MOS кремнийлі қақпа технологиясын толыққанды дамытуға және осы технологиямен жасалған алғашқы коммерциялық интегралдық схеманы (IC) жобалауға жетекшілік етіп, өзіне есім шығарған болатын. Жаңа технология жартылай өткізгіш нарығын өзгертуге тиіс болды. Интегралдық схемалар транзисторлар мен резисторлар сияқты бірнеше жеке компоненттерден тұрады, олар кремнийдің негізін "допанттармен" араластыру арқылы жасалады. Әдетте, бұл чипті химиялық газдың қатысуымен қыздыру арқылы жүзеге асырылады, ол бетке сіңеді. Бұрын жеке компоненттер алюминий сымдары арқылы тізбек құру үшін бір-бірімен қосылатын. Алюминий 600 градуста, ал кремний 1000 градуста балқитындықтан, іздер әдетте соңғы қадам ретінде жасалатын, бұл өндіріс циклын жиі күрделендіретін. 1967 жылы Bell Labs металл емес, кремнийден жасалған өздігінен тегістелген қақпалары бар MOS транзисторларын жасау туралы мақала жариялады. Алайда, бұл құрылғылар идеяның дәлелі болды және оларды интегралдық схемалар жасау үшін қолдануға болмайтын. Фаггин мен Том Клейн бұл қызығушылықты пайдаланып, сенімді интегралдық схемаларды жасау үшін қажетті толық технологияны дамытты. Фаггин сондай-ақ Fairchild 3708-ді жобалап, өндірді, ол SGT технологиясымен жасалған алғашқы IC болды, алғаш рет 1968 жылдың соңында сатылды және 1969 жылдың қыркүйегінде Electronics журналының мұқабасында пайда болды. Кремнийлі қақпа технологиясы сонымен қатар ағып кету тогын 100 есеге дейін азайтып, DRAM (динамикалық кездейсоқ сәйкес естелік) сияқты күрделі динамикалық тізбектерді жасауға мүмкіндік берді. Бұл сонымен қатар қақпалар үшін қолданылатын жоғары допингті кремнийге өзара байланыстарды жасауға мүмкіндік берді, бұл микропроцессорлар сияқты кездейсоқ логикалық IC-тердің тізбек тығыздығын едәуір жақсартты. Бұл техника өзара байланыстарды процестің кез келген кезеңінде жасауға мүмкіндік берді. Ең маңыздысы, сымдар қалған компоненттерді жасаған жабдықпен орнатылды. Бұл әртүрлі машина түрлері арасындағы шағын айырмашылықтарды жойды. Бұрын алюминийдің кремний компоненттеріне тиюін қамтамасыз ету үшін өзара байланыстар қажетті өлшемнен әлдеқайда үлкен болуы керек еді, бұл машиналардағы қателіктерге байланысты өтелуі керек еді. Бұл мәселе шешілгеннен кейін тізбектерді бір-біріне жақындатуға болады, компоненттердің тығыздығын екі есеге арттырып, олардың құнын да сол деңгейде төмендетуге болады. Сонымен қатар, алюминий сымдары сигнал жылдамдығын шектейтін конденсаторлар ретінде әрекет ететін, оларды жою чиптердің жылдамдығын арттыруға мүмкіндік берді. Intel-де Фаггин осы өздігінен тегістелген қақпа процесін қолдана отырып, жаңа процессорды жобалауды бастады. Фаггин компанияға келгеннен кейін бірнеше күн өткен соң, Шима Жапониядан келді. Ол желтоқсан айында кеткеннен бері жоба бойынша ешқандай жұмыс жүргізілмегенін білгенде көңілі қалды және бастапқы кесте енді орындалуы мүмкін емес екенін айтты. Фаггин күнде түнгі уақытқа дейін жұмыс істеу арқылы жауап берді, ал Шима тағы алты ай көмектесу үшін қалды. Фаггиннің өзі аптасына 70-80 сағат жұмыс істеді. Қажетті тізбек тығыздығына жету үшін қосымша жетістіктер қажет болды. Осы жетістіктердің бірі - кремний қосылыс сымдарын компоненттерге тікелей қосуға мүмкіндік беретін "күмбезді контактілерді" пайдалану болды. Тағы бірі - "bootstrap жүктемелерін" кремний қақпасымен бір маскалық қадамның бөлігі ретінде жасау қалай екенін анықтау, бұл өңдеуден бір қадамды алып тастады. Фаггиннің осы екі жаңалығы болмаса, Хоффтың архитектурасын бір чипте жүзеге асыру мүмкін болмас еді.

Neither Hoff nor Mazor, who worked in the Applications Research group, had experience designing the actual silicon, and the design group was already overworked with the development of memory devices. In April 1970, Leslie Vadász, who ran the MOS design group, hired Federico Faggin from Fairchild Semiconductor to take over the project. Faggin had already made a name for himself by leading the entire development of the MOS silicon gate technology and the design of the first commercial integrated circuit (IC) made with it. The new technology was going to change the entire semiconductor market. Integrated circuits consist of a number of individual components like transistors and resistors that are produced by mixing the underlying silicon with "dopants". This is normally accomplished by heating the chip in the presence of a chemical gas, which diffuses into the surface. Previously, the individual components were connected together to make a circuit using aluminum wires deposited on the surface. As aluminum melts at 600 degrees and silicon at 1000, the traces typically had to be deposited as the last step, which often complicated the production cycle. In 1967, Bell Labs released a paper about making MOS transistors with self aligned gates made of silicon rather than metal. These devices, however, were a proof of concept and could not be used to make ICs. Faggin and Tom Klein had taken what was a curiosity and developed the entire process technology needed to fabricate reliable ICs. Faggin also designed and produced the Fairchild 3708, the first IC made with SGT, first sold at the end of 1968, and featured on the cover of Electronics in September 1969. The silicon gate technology also reduced the leakage current by more than 100 times, making possible sophisticated dynamic circuits like DRAMs (dynamic random access memories). It also allowed the highly doped silicon used for the gates to form the interconnections, greatly improving the circuit density of random logic ICs like microprocessors. This technique meant the interconnections could be performed at any time in the process. More importantly, the wiring was deposited using the same equipment that made the rest of the components. This meant that the slight differences in layout between different machine types was eliminated. Previously the interconnects had to be much larger than required in order to ensure the aluminum touched the silicon components which would be offset due to inaccuracies in the machinery. With this issue eliminated, the circuits could be placed much closer together, immediately doubling the density of the components, and thus reducing their cost by the same amount. Additionally, the aluminum wiring acted as capacitors which limited the signal speed; removing these allowed the chips to run at faster speeds. At Intel, Faggin began design of the new processor using this self aligned gate process. Only days after Faggin joined the company Intel, Shima arrived from Japan. He was disappointed to learn that no work on the project had taken place since he left in December, and expressed his concern original schedule was now impossible. Faggin responded by working well into the night every day, and Shima stayed on for another six months to help. Faggin himself immersed himself in workweeks that spanned 70 to 80 hours. Additional advances were needed to reach the required circuit density. One of these advances was the use of "buried contacts" that allowed the silicon connecting wires to be directly connected to the components. Another was figuring out how to make adding "bootstrap loads" with silicon gate as part of one of the masking steps, eliminating one step from the processing. Without these two innovations by Faggin, Hoff's architecture could not have been realized in a single chip.

Өндіріске енгізу

Intel-дің сол кездегі чип атау схемасы әр компонент үшін төрт таңбалы нөмірді пайдаланды. Бірінші таңба қолданылған технологияны, екіншісі – жалпы функцияны, ал соңғы екі таңба – осы компонент түрін әзірлеудегі реттік нөмірді көрсетті. Осы келісім бойынша чиптер 1302, 1105, 1507 және 1202 деп аталатын. Фэггин бұл олардың біртұтас жиынтық екенін жасырады деп ойлады және оларды "4000 отбасысы" деп атауға шешім қабылдады. Төрт чип келесідей болды: 4001, 256 байттық 4 биттік ROM; 4002, төрт 20 биттік регистрі бар DRAM; 4003, тізбектік және параллель шығыстары бар 10 биттік статикалық ығысу тіркегішін қамтитын I/O; және 4004 CPU. Толыққанды кеңейтілген жүйе 4 кБ ROM үшін 16 4001, 640 байт RAM үшін 16 4002 және шексіз 4003 чипін қолдауға мүмкіндік берді. 4003 чиптері тікелей CPU-ға емес, 4001-дегі бағдарламаланатын кіріс және шығыс тіректеріне, ал 4002-дегі шығыс тіректеріне қосылды. Дизайнды аяқтағаннан кейін Шима Жапонияға оралып, калькулятордың прототипін жасауға кірісті. 4001 чипінің алғашқы пластиналары 1970 жылдың қазан айында өңделді, ал 4003 және 4002 чиптері қарашада өңделді. 4002 чипінде оңай түзетілген шағын мәселе болды. 4004 чипінің алғашқы үлгілері желтоқсанның соңында келді, бірақ олар мүлдем жұмыс істемеді. Чипті тексерген Фэггин, жасырылған контактілерді жасау кезегінің өткізілмегенін анықтады. 1971 жылдың қаңтарында екінші партия жасалды, және 4004 екі шағын мәселеден басқа мүлдем жұмыс істеді. Фэггин Шимаға осы чиптердің үлгілерін жіберіп отырды. Сәуір айында олар калькулятор прототипінің жұмыс істеп жатқанын білді. Сол айдың соңында Шима Intel-ге 4001 ROM-ның соңғы маскаларын жіберді, енді дизайн аяқталды. Ол бір 4004, екі 4002, үш 4003 және төрт 4001 чипінен тұрады. Қосымша 4001 чипі квадрат түбір функциясын қосымша қамтамасыз етті. Фэггин 4001 чипінде, чиптер қызған кезде ғана пайда болатын қиындық тапқаннан кейін соңғы өзгеріс енгізілді. Фэггиннің шешімі – жаңа регистр декодерлік схемасын қосу болды. Осындай мәселе 4002 чипінде де байқалды және дәл сол шешім қолданылды. 1971 жылдың тамызында жапсарылымды өндіріс басталды.

Intel's chip naming scheme at that time used a four digit number for each component. The first digit indicated the process technology used, the second digit indicated the generic function, and the last two digits specified the sequential number in the development of that component type. Using this convention, the chips would have been known as the 1302, 1105, 1507, and 1202. Faggin felt this would obscure the fact that they formed a coherent set, and decided to name them as the "4000 family". The four chips were the following: the 4001, 256 byte 4 bit ROM; the 4002, DRAM with four 20 nibble registers; the 4003, I/O with a 10 bit static shift register with serial and parallel outputs; and the 4004 CPU. A fully expanded system could support 16 4001's for a total of 4 kB of ROM, 16 4002's for a total of 1,280 nibbles (640 bytes) of RAM, and an unlimited number of 4003's. The 4003's were connected to programmable input and output pins on the 4001 and to output pins on the 4002, not directly to the CPU. With the design complete, Shima returned to Japan to begin building a prototype of the calculator. The first wafers of the 4001 were processed in October 1970, followed by the 4003 and 4002 in November. The 4002 proved to have a minor problem that was easily corrected. The first 4004s arrived at the end of December, and were completely non functional. Probing the chip, Faggin found that the buried contact fabrication step had been left out. A second run was fabricated in January 1971 and the 4004 worked perfectly except for two minor problems. Faggin was sending samples of these chips to Shima as they arrived. In April, they learned the calculator prototype was operational. Later that month, Shima sent Intel the final masks for the 4001 ROMs, the design was now complete. It consisted of one 4004, two 4002, three 4003, and four 4001 chips. An additional 4001 supplied the optional square root function. One final change was added after Faggin found a frustrating problem in the 4001 that only occurred when the chips were hot. Adding a new register decoder circuit was Faggin's solution. The same problem was also seen in the 4002 and the same solution was used. Production began in quantity in August 1971.

4004-ті сату

Shima-ға қоңырау шалған кезде Faggin, Busicom компаниясы қаржылық қиындыққа тап болғанын және чип бағасы төмендетілмесе, банкротқа ұшырауы мүмкін екенін білді. Содан кейін Faggin, Noyce-ты бағаны төмендетуге көндірді, оның орнына Intel эксклюзивтілік келісімінен босатылды. 1971 жылдың мамырында Busicom осы шартқа келісті, бірақ оны басқа калькулятор жобаларында пайдаланбау және Intel олардың 60 000 долларлық әзірлеу шығындарын өтейтін болды. Маркетингтік бағыттың өзгеруіне байланысты чиптер отбасының атауы MCS 4 деп өзгертілді, яғни Micro Computer System, 4 бит дегеннің қысқартылған түрі. Hoff пен Mazor дизайнның шектеулері сол кезде нарыққа жаңадан енген 16 биттік миникомпьютерлерге үйренген пайдаланушылар үшін оны аз қызықты етеді деп алаңдады. Бұл 1971 жылдың жазында өзгерді, бұрын Texas Instruments компаниясында жұмыс істеген Эд Гелбах маркетинг бөлімінің басшысы болып тағайындалды және өнімді жариялау жоспарларын дереу бастады. Бұл 1971 жылдың қараша айында Intel компаниясы "Интеграцияланған электрониканың жаңа дәуірін жариялаймыз" деген жарнаманы шығарғанда болды, ол алғаш рет 15 қарашадағы Electronic News басылымында жарияланды.

8008 саны

4004 жалпы қолданысқа арналған алғашқы коммерциялық микропроцессор болды. Бұл орын алуға жақын емес еді. 1969 жылдың желтоқсан айында Computer Terminal Corporation (CTC) компаниясы Intel компаниясына өздері жобалап жатқан Datapoint 2200 компьютерлік терминалы үшін арнайы биполярлы жад чипін жасауды тапсырды. Мазор және Хофф өздерінің CPU дизайнын қарастырып, оның 4004-тен әлдеқайда күрделі емес екенін, және оны 8 биттік CPU ретінде бір чипке сыйыстыруға болатынына келісті. 1970 жылдың наурыз айында, Фэггинды жұмысқа алудан бірнеше апта бұрын, Intel Хал Финиді 8008 дизайнын жасауға шақырды, ол кезде Intel атау конвенциясына сәйкес 1201 деп аталды. Алайда, CTC бастапқыда өздерінің CPU-ын дәстүрлі TTL элементтерімен жасауды шешті, соның салдарынан жобаның маңыздылығы төмендетілді. Фини басқа жобаларға жұмсалды және ақырында Фэггинге 4000 отбасылық чиптерді сынауға көмектесті. 1971 жылдың қаңтарында Фини Фэггиннің жетекшілігімен 1201 жобасына қайта тағайындалды, ал 1972 жылдың наурыз айында өндіріс чиптері қолжетімді болды. Мамыр айында Хофф пен Мазор АҚШ бойынша екі CPU дизайнын таныстыру мақсатымен лекциялық турнеге шықты. Екі дизайн арасындағы айырмашылықтар мынадай: 4004 және оның жад және I/O чиптерімен толыққанды компьютер жүйесін құру әлдеқайда оңай болды, ал 8008 икемдірек, 16 кБ көлемдегі жад кеңістігіне ие және көбірек командаларды ұсынды. Маңызды айырмашылық – минималды 4004 жүйесін тек екі чиппен – бір 4004 және бір 4001 (256 байттық ROM) арқылы құруға болады, ал 8008 жад және I/O функцияларымен байланыс үшін кем дегенде 20 қосымша TTL компонентін қажет етеді. Екі дизайн да әртүрлі салаларда қолданыс тапты. 4004 іске асыру құны маңызды болған жағдайларда қолданылды және микротолқынды пештер, жол баяндамалары және осы сияқты қолданыстар үшін енгізілген контроллерлерде кеңінен таралды. Ал 8008 негізінен пайдаланушы бағдарламалай алатын қолданбаларда, мысалы компьютерлік терминалдар, микрокомпьютерлер және осыған ұқсас салаларда қолданылды. Бұл функционалдық бөлініс бүгінгі күнге дейін сақталып келеді, ал бұл дизайн микробасқарушы ретінде танымал.

The 4004 became the first commercial microprocessor available for general use. This was almost not the case. In December 1969, Intel was approached by Computer Terminal Corporation (CTC) to produce a custom bipolar memory chip for a computer terminal they were designing, the Datapoint 2200. Mazor and Hoff considered their CPU design and concluded it was not much more complicated than the 4004, and that it could be implemented as a single chip 8 bit CPU. A few weeks before they hired Faggin, in March 1970 Intel hired Hal Feeney to design the 8008, at that time called 1201 following Intel's naming convention. However, CTC decided to initially proceed with a conventional TTL implementation of their CPU and the project was lowered in priority. Feeney was assigned to other projects and ultimately ended up helping Faggin with testing the 4000 family chips. In January 1971, Feeney was reassigned back to the 1201 under Faggin's supervision and production chips were available in March 1972. In May, Hoff and Mazor went on a speaking tour to introduce the two CPU designs around the USA. The tradeoffs between the two designs were that with the 4004 and its memory and I/O chips it was much easier to build a complete computer system while the 8008 was more flexible, had a larger 16 kB address space, and offered more instructions. A significant difference is that while a minimal 4004 system could be built using only two chips, one 4004 and one 4001 (256 byte ROM), the 8008 would require at least 20 additional TTL components for interfacing with memory and I/O functions. The two designs found themselves being used in different roles. The 4004 was used where the cost of implementation was the major concern, and became widely used in embedded controllers for applications like microwave ovens or traffic lights and similar roles. The 8008 instead found itself mostly used in user programmable applications, such as computer terminals, microcomputers and similar roles. This split in functionality remains to this day, with the former being known as a microcontroller.

Қазіргі заманғы процессорлы микросхемалар

Басқа үш CPU чипі шамамен бір уақытта жасалды: Төрт фазалы жүйелер AL1, 1969 жылы дайын болды; MP944, 1970 жылы аяқталды және F-14 Tomcat истребителінде қолданылды; ал Texas Instruments TMS 0100 чипі 1971 жылдың 17 қыркүйегінде жарияланды. MP944 – бір процессорлық бірлік құрайтын алты чиптің жиынтығы. TMS0100 чипі бастапқыда TMS1802NC деген атаумен "чиптегі калькулятор" ретінде ұсынылды. Бұл чипте өте қарапайым процессор бар және оны тек қарапайым төрт амалға арналған калькуляторларды іске асыру үшін ғана пайдалануға болады. Ол 1974 жылы ұсынылған TMS1000-нің алдағысы, ол алғашқы микроконтроллер болып саналады, яғни CPU-дан басқа ROM, RAM және I/O функцияларын қамтитын чиптегі компьютер. Intel компаниясы жасаған MCS 4 отбасының төрт чипі, оның ішіндегі 4004 процессоры немесе микропроцессоры, TMS1000 бір чипіне қарағанда әлдеқайда әмбебап және қуатты болды, осы арқылы түрлі салаларда қолданылатын түрлі шағын компьютерлерді жасауға мүмкіндік берді. Zilog, микропроцессорлар мен микроконтроллерлерге толыққанды арналған алғашқы компания, 1974 жылдың соңында Федерико Фаггин мен Ральф Унгерманн құрды.

Сипаттама

4004 12 мм² өлшемінде 10 мкм процестік кремнийгейтті күшейту жүктемесі pMOS технологиясын қолданады және секундына шамамен 92 000 нұсқау орындай алады; бір нұсқау циклі 10,8 микросекундқа тең. Бастапқы сағат жылдамдығы 1 МГц, бұл IBM 1620 Model I-ге сәйкес келеді. Intel 4004 үлкен Rubylith фотосуретіне 500 есе үлкейтумен әрбір үлгіні физикалық түрде кесіп, маскалар жасау арқылы өндірілді, бұл процесс қазіргі компьютерлік графикалық мүмкіндіктермен ескірген. Өндірілген чиптерді сынау мақсатында Faggin, MCS 4 отбасының кремнийлі пластиналарын сынауға арналған, 4004 чипімен басқарылатын құралды жасады. Бұл тестер басшылыққа Intel 4004 микропроцессордың калькулятор сияқты өнімдерде ғана емес, басқару салаларында да қолданылатынын дәлелдеді. 4004 микропроцессор әдетте микропроцессорлармен шешілмейтін жад чиптерін тікелей таңдау және I/O басқару функцияларын қамтиды; алайда, оның мүмкіндігі RAM-нан кодты орындай алмауымен және ROM-да немесе ROM ретінде жұмыс істейтін дербес жүктелген RAM-да ұсынылған нұсқаулармен шектеледі (қай жағдайда болса да, процессор өзі орындалатын жад кеңістігіне дерек жаза алмайды немесе жібермейді). RAM және ROM чиптерінің I/O функцияларын негізгі жад функциясымен біріктіруі де ерекше. Бұл бөлу MCS 4 жүйесіндегі компоненттер санын азайтады, бірақ жад чиптерінде процессор сияқты логиканы енгізуді қажет етті, олар салыстырмалы түрде жоғары деңгейлі деректерді жіберу нұсқауларын қабылдау, декодтау және орындау үшін. 4004 жүйесінің стандартты конфигурациясы 16 × 4001 ROM чипінен (бір банкте) және 16 × 4002 RAM чипінен (төрттік банктерде) тұрады, олар 4 КБ бағдарламалық жадты, 1024 + 256 ниббл дерек/мәртебе сақтауды, сондай-ақ 64 шығыс және 64 кіріс/шығыс сыртқы дерек/басқару желілерін (мысалы, 4003-ті басқару үшін де қолданылуы мүмкін) қамтамасыз етеді. Intel-дің MCS 4 құжаттамасында, 48-ге дейін ROM және RAM чиптерін (барлығы 192 сыртқы басқару желісін қамтамасыз етеді) "кәдімгі қақпалы аппараттық құралдармен" 4004-ке "кәдімгідей қосуға" болады делінгенімен, мұны қалай жүзеге асыруға болатыны туралы егжей-тегжейлі ақпарат немесе мысалдар келтірмейді.

The 4004 employs an 10 μm process silicon gate enhancement load pMOS technology on a 12 mm2 die and can execute approximately 92,000 instructions per second; a single instruction cycle is 10.8 microseconds. The original clock rate design goal was 1 MHz, the same as the IBM 1620 Model I. The Intel 4004 was fabricated using masks produced by physically cutting each pattern at 500x magnification on a large sheet of Rubylith photo reducing it, and repeating, a process made obsolete by current computer graphic design capabilities. For the purpose of testing the produced chips, Faggin developed a tester for silicon wafers of MCS 4 family that was itself driven by 4004 chip. The tester also served as a proof for the management that Intel 4004 microprocessor could be used not only in calculator like products, but also for control applications. The 4004 includes functions for direct low level control of memory chip selection and I/O, which are not normally handled by the microprocessor; however, its functionality is limited in that it cannot execute code from RAM and is limited to whatever instructions are provided in ROM (or an independently loaded RAM working as ROM—in either case, the processor is itself unable to write or transfer data into an executable memory space). The RAM and ROM parts chips also unusual in their integration of I/O functions together with their primary memory function. This partitioning significantly reduced the minimum part count in an MCS 4 system, but required inclusion of a certain amount of processor like logic on the memory chips themselves to accept, decode and execute relatively high level data transfer instructions. The standard arrangement for a 4004 system is anything up to 16 × 4001 ROM chips (in a single bank) and 16 × 4002 RAM chips (in four banks of four), which together provide the 4 KB program storage, 1024 + 256 nibbles of data/status storage, plus 64 output and 64 input/output external data/control lines (which can themselves be used to operate, e. g. a 4003). Intel's MCS 4 documentation, however, claims that up to 48 ROM and RAM chips (providing up to 192 external control lines) "in any combination" can be connected to the 4004 "with simple gating hardware", but declines to give any further detail or examples of how this would actually be achieved.

Қаптама

Intel MCS 4 процессорлар желісінің көптеген нұсқалары өндірілді. Ең алғашқы нұсқалары, C (мысалы, C4004) деп белгіленген, керамикалық болды және чиптердің артқы жағында ақ және сұр түсті «зебра» өрнегі қолданылды, бұл көбінесе «сұр іздер» деп аталады. Чиптердің келесі буыны қарапайым ақ керамикадан (С белгісімен) жасалды, содан кейін қою сұр керамикадан (D). MCS 4 отбасының көптеген жаңа нұсқалары пластиктен (P) де өндірілді.

Қолдану

Микропроцессорды пайдаланған алғашқы коммерциялық өнім Busicom 141 PF калькуляторы болды. 4004 сонымен қатар алғашқы микропроцессормен басқарылатын пинбол ойынында, 1974 жылы Дейв Наттинг Ассошиэйтс компаниясы Балли үшін жасаған прототипінде қолданылған. 1996 жылы АҚШ Патенттік бюросы Гари У. Бун мен оның жұмыс берушісі Texas Instruments компаниясын бір чипті микроконтроллердің ойлап табушылары ретінде ресми мойындады, 1990 жылы Гилберт П. Хайаттке берілген патентті күштен шығарды. Патент мерзімі біткенімен, бұрынғы Гилберт Хайаттпен жасалған келісімшарттардың мәліметтеріне байланысты қаржылық салдары болуы мүмкін деп есептелді. Микропроцессорларды жобалаушы және Бун/Хайат патенттік ісіндегі сарапшы куәгер Ник Треденник айтқанынша:

Менің патенттік іс үшін жүргізген зерттеуімнен алынған пікірім: алғашқы коммерциялық өнімдегі микропроцессор Four Phase Systems AL1 болды. Коммерциялық саудаға шыққан алғашқы микропроцессор (жеке компонент ретінде сатылған) – Intel компаниясының 4004 микропроцессоры. Көпке тараған миф бойынша, Күн жүйесінен алғашқы болып ұшқан ғарыш кемесі Pioneer 10 Intel 4004 микропроцессорын пайдаланған. Алайда, Ames Research Center-дің докторы Ларри Лашердің сөзіне қарағанда, Pioneer тобы 4004-ті бағалаған, бірақ сол кезде Pioneer жобаларының біріне де қосу үшін ол тым жаңа деп шешкен. Бұл мифті 2006 жылы Компьютер тарихы мұражайындағы лекциясында Федерико Фаггин өзі қайталады.

Мұра және құндылығы

Федерико Фаггин 4004 чипіне өзінің инициалдарымен қол қойды, өйткені ол кремнийлі қақпасының дизайны "микропроцессордың мәнін" сақтайтынын білген. Чиптің бір бұрышында "F. F." деп жазылған. 2006 жылдың 15 қарашасында Intel, 4004 чипінің 35 жылдығын тойлап, чиптің сызбаларын, маскаларын және пайдаланушы нұсқаулығын жариялады. Дискретті транзисторлар қолданылып, Intel 4004 чипінің толыққанды жұмыс істейтін 41 × 58 см, 130 есе үлкейтілген көшірмесі жасалды және 2006 жылы Калифорния штатының Санта-Клара қаласындағы Intel мұражайында қойылды. 2010 жылдың 15 қазанында Фэггин, Хофф және Мазор 4004 чипі бойынша жасаған алғашқы жұмыстары үшін президент Барак Обамадан Ұлттық технология және инновация медалімен марапатталды.

Патенттер

1973 жылдың 14 тамызы. Фэггин, Федерико: Реттелетін екі тұрақты күйге ие қуат көзі тізбегі. 1974 жылдың 28 маусымы. Хофф, Марциан; Мазор, Стэнли; Фэггин, Федерико: Көп чипті цифрлық компьютер үшін жад жүйесі.

4004 интегралдық схемаларға арналған MOS кремнийлі қақпа технологиясы туралы алғашқы құжаттар

Faggin, F., Klein, T., және Vadasz, L.: Кремний қақпалары бар оқшауланған қақпалық өріс әсері транзисторларының интегралдық тізбектері. IEDM (Халықаралық электрондық құрылғылар жиыны) бағдарламасының мұқабасы және аннотациясы (1968 жылғы қазан). 1968 жылы Fairchild Semiconductor-де жасалған Кремний қақпалық технология (SGT) алғаш рет оның авторы және әзірлеушісі Федерико Фаггиннің 1968 жылғы 23 қазанда Вашингтон қаласында өткен IEDM-де жасаған баяндамасында ұсынылды. Бұл жартылай өткізгіш өнеркәсібі кейіннен толығымен қабылдаған, өзіндік реттелген қақпасы бар MOS интегралдық тізбектерін жасаудың жалғыз коммерциялық технологиясы болды. SGT коммерциялық динамикалық жадтарды (RAM), CCD бейне сенсорларын, ұшпайтын жадтарды және микропроцессорды жасауға мүмкіндік берген алғашқы технология болды, бұл LSI интегралдық тізбектері бар мақсаттық компьютердің барлық негізгі элементтерін алғаш рет қамтамасыз етті. Федерико Фаггин және Томас Клейн: "Төменгі шектік мәндері бар MOS құрылғыларының жаңа буыны жаңа толқынның шыңына көтерілуде, Кремний қақпалық интегралдық схемалар". "Электроника" журналының мұқабасы (1969 жылғы 29 қыркүйек). "Электроника" мақаласы 1968 жылы Федерико Фаггин жасаған Fairchild 3708-ді таныстырады. Бұл Кремний қақпалық технологиясын қолдана отырып жасалған әлемдегі алғашқы коммерциялық интегралдық схема болды, оның тиімділігін дәлелдеді және бұл жаңа технологияның алғашқы қолданылуы болды. Ф. Фаггин, Т. Клейн: Кремний қақпалық технологиясы. "Қатты күйдегі электроника", 1970, 13 том, 1125–1144 беттер.

Intel 4004 туралы алғашқы құжаттар

4004 жобасында F. F. (Федерико Фаггин) инициалдары (1971). 4004 чипінің бір бұрышына оның авторы, Федерико Фаггиннің F.F. инициалдары қашалып жазылған. Чипке қол қою – дизайнінің авторы болғандықтан туған мақтанышпен жасалған жеке әрекет еді, сондай-ақ көптеген Intel дизайнерлері еліктеген жаңа идея болды. Ф. Фаггин мен М. Э. Хофф: «Стандарттық бөліктер мен арнайы дизайн төрт чипті процессор жинағында біріктіріледі». Electronics/1972 жылғы 24 сәуір, 112–116 беттер. Intel Memory Design Handbook-тың 6–27-ден 6–31-ге дейінгі беттерінде қайта басылды, 1973 жылғы тамыз. Ф. Фаггин, М. Шима, М. Э. Хофф, Х. Фини, С. Мазор: «MCS 4—LSI микрокомпьютерлік жүйе». IEEE '72 аймақтық 6-шы конференциясы. Intel Memory Design Handbook-тың 6–32-ден 6–37-ге дейінгі беттерінде қайта басылды, 1973 жылғы тамыз. Busicom 141 PF баспа есептегішінің инженерлік прототипі (1971). (Федерико Фаггиннің Маунтин-Вью, Калифорниядағы Компьютер тарихы мұражайына сыйға бергені). CHM коллекциясының каталогында Busicom 141 PF үстел калькуляторының инженерлік прототипінің суреттері көрсетілген. Инженерлік прототипте әлемдегі алғашқы микропроцессор қолданылған. Бұл бірегей прототип Busicom президенті, мырза Йосио Кодзиманың 4004 және басқа үш жад және I/O чипін (MCS 4 чипсетін) жобалау мен әзірлеудегі табысты басшылығы үшін Федерико Фаггинге жасаған жеке сыйы болды. Оны 25 жыл бойы үйінде сақтағаннан кейін, Фаггин 1996 жылы оны CHM-ге сыйға тартты. Faggin, F.; Capocaccia, F. «Жаңа интеграцияланған MOS ауысу тізілімі», XV Халықаралық электроника ғылыми конгресінің материалдары, Рим, 1968 жылғы сәуір, 143–152 беттер. Бұл мақалада 1967 жылдың соңында SGS Fairchild (қазір ST Micro) компаниясында, Федерико Фаггин 1968 жылдың ақпан айында Пало-Альтодағы (Калифорния) Fairchild компаниясының ҒЗК-не келгенге дейін жасалған жаңа статикалық MOS ауысу тізілімі сипатталған. Кейін Фаггин бұл жаңа ауысу тізілімін MCS 4 чиптерінде, соның ішінде 4004 (1970) чипінде қолданды.