Intel 4004: Первый в мире 4-битный микропроцессор

Введение

4-битный микропроцессор

Intel 4004 — 4-битный центральный процессор (CPU), выпущенный корпорацией Intel в 1971 году. Продавался за 60 долларов США (60,0 в 1971 году эквивалентно приблизительно <расчетной сумме> в последние годы), он стал первым коммерчески производимым микропроцессором и первым в длинной линии процессоров Intel. 4004 был первым значительным примером крупномасштабной интеграции, демонстрируя превосходство технологии кремниевых затворов MOS (SGT). По сравнению с существующей технологией, SGT позволяла интегрировать на той же площади чипа в два раза больше транзисторов при пятикратной рабочей скорости. Это скачкообразное увеличение производительности сделало возможным создание однокристального процессора, заменив существующие многокристальные процессоры. Инновационная конструкция чипа 4004 послужила образцом для использования SGT в сложных логических и запоминающих схемах, тем самым ускорив внедрение SGT мировой полупроводниковой промышленностью. Разработчиком оригинальной SGT в Fairchild был Федерико Фаггин, который разработал первую коммерческую интегральную схему (ИС), использующую новую технологию, доказав её превосходство для аналого-цифровых приложений (Fairchild 3708 в 1968 году). Позже он использовал SGT в Intel для достижения беспрецедентной интеграции, необходимой для создания 4004. История проекта восходит к 1969 году, когда Busicom Corp. обратилась к Intel с просьбой разработать семейство из семи чипов для электронного калькулятора, три из которых составляли процессор, специализированный для различных вычислительных машин. Процессор был основан на данных, хранящихся в сдвиговых регистрах, и инструкциях, хранящихся в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве). Сложность логической схемы трехчипового процессора побудила Марциана Хоффа предложить более традиционную архитектуру процессора, основанную на данных, хранящихся в ОЗУ (оперативном запоминающем устройстве). Эта архитектура была намного проще и более универсальной и потенциально могла быть интегрирована в один чип, что позволило снизить стоимость и повысить скорость. Проектирование началось в апреле 1970 года под руководством Фаггина, при поддержке Масатоси Шимы, который внес вклад в архитектуру и впоследствии в логический дизайн. Первая поставка полностью работоспособного 4004 была осуществлена в марте 1971 года компании Busicom для инженерного прототипа печатного калькулятора 141 PF (в настоящее время экспонируется в Музее истории компьютеров в Маунтин-Вью, Калифорния). Общие продажи начались в июле 1971 года. Ряд инноваций, разработанных Фаггином во время работы в Fairchild Semiconductor, позволили произвести 4004 на одном чипе. Основной концепцией было использование самовыравнивающихся затворов, изготовленных из поликремния, а не металла, что позволяло размещать компоненты ближе друг к другу и работать на более высокой скорости. Для создания 4004 Фаггин также разработал "начальную загрузку" (bootstrap load), которая считалась невозможной при использовании кремниевых затворов, и "заглубленный контакт" (buried contact), который позволял напрямую соединять кремниевые затворы с истоком и стоком транзисторов без использования металла. Вместе эти инновации удвоили плотность схемы и, следовательно, снизили стоимость вдвое, позволив одному чипу содержать 2300 транзисторов и работать в пять раз быстрее, чем конструкции, использующие предыдущую технологию MOS с алюминиевыми затворами. В 1974 году Фаггин усовершенствовал конструкцию 4004, создав Intel 4040. Intel 8008 и 8080 были не связанными конструкциями, несмотря на схожесть в названии.

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.

Первоначальная концепция

В апреле 1969 года Busicom обратился к Intel с просьбой разработать новый дизайн электронного калькулятора. Их дизайн был основан на архитектуре Olivetti Programma 101, одного из первых в мире настольных программируемых калькуляторов. Ключевое отличие заключалось в том, что в конструкции Busicom планировалось использовать интегральные схемы вместо печатных плат, заполненных отдельными компонентами, и твердотельные сдвиговые регистры для памяти, вместо дорогостоящей магнитострикционной проволоки, использованной в 101. В отличие от предыдущих конструкций калькуляторов, Busicom разработал концепцию универсального процессора с целью внедрения его в недорогой настольный калькулятор с печатью, а затем использовать тот же дизайн для других задач, таких как кассовые аппараты и банкоматы. Компания уже выпустила калькулятор, использующий логические микросхемы малой степени интеграции (TTL), и была заинтересована в том, чтобы Intel уменьшил количество чипов, используя методы интеграции среднего масштаба (MSI) от Intel. Intel назначила недавно принятого на работу Марсиана Хоффа, сотрудника номер 12, в качестве связующего звена между двумя компаниями. В конце июня три инженера из Busicom, Масатоси Шима и его коллеги Масуда и Такаяма, приехали в Intel, чтобы представить дизайн. Хотя Хоффу было поручено только координировать работу инженеров, он начал изучать эту концепцию. Их первоначальное предложение включало семь микросхем: блок управления программой, арифметическое устройство (ALU), схему синхронизации, ПЗУ для программ, сдвиговые регистры для временной памяти, контроллер принтера и контроллер ввода/вывода. Хофф забеспокоился, что количество микросхем и необходимые соединения между ними сделают невозможным достижение ценовой цели Busicom. Объединение микросхем позволило бы снизить сложность и стоимость. Он также опасался, что у Intel, будучи еще небольшой компанией, не хватит конструкторов для одновременной разработки семи отдельных микросхем. Он сообщил об этих проблемах высшему руководству, и генеральный директор Боб Нойс сказал Хоффу, что поддержит другой подход, если он окажется осуществимым.

Упрощенный дизайн

Ключевой концепцией в дизайне Busicom было то, что органы управления программой и АЛУ не были ориентированы конкретно на рынок калькуляторов – именно программа в ПЗУ превращала устройство в калькулятор. Изначальная идея заключалась в том, что компания могла использовать одни и те же чипы с различным объемом оперативной памяти сдвиговых регистров и программной ПЗУ для производства целого ряда вычислительных машин. Хофф был удивлен тем, насколько архитектура набора команд Busicom соответствовала архитектуре компьютеров общего назначения. Он начал размышлять о том, можно ли создать действительно универсальный процессор достаточно дешево для использования в калькуляторе. Когда позже Хоффа спросили, откуда он почерпнул идеи для архитектуры первого микропроцессора, он рассказал, что компания Plessey, «британский производитель тракторов», пожертвовала Стэнфордскому университету миникомпьютер, и он «немного с ним поиграл», когда учился там. Тадаси Сасаки приписывает идею разделить калькулятор на четыре части неизвестной женщине из Женского колледжа Нара, присутствовавшей на мозговом штурме, который проходил в Японии до его первой встречи с Intel. Еще одним фактором, позволившим реализовать эту конструкцию, стала работа Intel над первыми чипами динамической ОЗУ (DRAM). В то время сдвиговые регистры были одними из немногих недорогих устройств памяти для чтения и записи. Они не обеспечивали произвольный доступ к памяти, а вместо этого с каждым тактовым импульсом перемещали сохраненные данные на одну ячейку вдоль цепочки ячеек. Время извлечения данных, например, одного байта, зависело от тактовой частоты и количества ячеек в цепочке. Если бы процессору приходилось ждать, пока каждый бит пройдет через регистр, результирующая эффективная скорость была бы слишком низкой для практического применения. DRAM, напротив, обеспечивала произвольный доступ к любым хранящимся данным, а также имела примерно вдвое большую емкость и, следовательно, была дешевле. В конечном итоге Хофф заметил, что значительная часть сложности чипа управления программой была связана с тем, что каждая инструкция выполнялась отдельно. Он предложил, чтобы чип вместо этого поддерживал вызовы подпрограмм, а инструкции реализовывались как подпрограммы, где это возможно. Область применения естественным образом подразумевала 4-битную конструкцию, поскольку это позволяло напрямую манипулировать двоично-десятичными (BCD) значениями, используемыми в калькуляторах. Хофф работал над общей концепцией дизайна в июле и августе 1969 года, но обнаружил, что руководство Busicom, казалось, не проявляло интереса к его предложению.

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 присоединяется .

Хофф не знал, что команда Busicom была очень заинтересована в его предложении. Однако у них возникло несколько конкретных вопросов. Одной из ключевых проблем было то, что определенные процедуры, такие как корректировка десятичных знаков и обработка клавиатуры, потребовали бы значительного объема памяти ROM при реализации в виде подпрограмм. Другой проблемой было отсутствие каких-либо прерываний в конструкции, что затруднило бы обработку событий в реальном времени. Наконец, хранение чисел в формате 4-битного BCD потребовало бы дополнительной памяти для хранения знака и десятичной точки. В сентябре 1969 года Стэнли Мазор перешел в Intel из Fairchild. Хофф и Мазор быстро нашли решения проблем, высказанных Busicom. Чтобы упростить сложные подпрограммы, которые изначально в конструкции Busicom решались с помощью однобайтовых макроинструкций и сложной схемы декодирования, Мазор разработал 20-байтовый интерпретатор, выполняющий те же макроинструкции. Шима предложил добавить новое прерывание, которое активировалось бы сигналом на выводе, что позволило бы организовать работу с клавиатурой по прерываниям. Он также модифицировал инструкцию возврата из подпрограммы (Branch Back) для очистки аккумулятора. Для достижения целевой цены было важно, чтобы чип был как можно меньше и имел минимальное количество выводов. Поскольку данные занимали 4 бита, а адресное пространство составляло 12 бит (4096 байт), прямой доступ был невозможен с использованием менее 24 выводов. Это было недостаточно мало, поэтому в конструкции был использован 16-выводной DIP-корпус и мультиплексирование одного набора из 4 линий. Это означало, что для указания адреса в ROM для доступа требовалось три тактовых цикла, а еще два – для чтения данных из памяти. Работа на частоте 1 МГц позволяла выполнять математические операции с BCD-значениями примерно за 80 микросекунд на цифру. В результате обсуждений между Intel и Busicom была разработана архитектура, которая сократила 7-чиповую конструкцию Busicom до 4-чипового предложения Intel, состоящего из центрального процессора, ПЗУ, ОЗУ и устройств ввода-вывода. Предложение было представлено группе руководителей Busicom в октябре 1969 года. Они согласились, что новая концепция превосходит существующие решения и дали Intel разрешение начать разработку. Хофф был расстроен, узнав, что контракт передавал все права на конструкцию Busicom, несмотря на то, что она была полностью разработана в Intel. Команда отправилась в Японию, но Шима остался в Калифорнии до декабря, разрабатывая многие подпрограммы.

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.

Стыки

Ни Хофф, ни Мазор, работавшие в группе прикладных исследований, не имели опыта проектирования непосредственно кремниевых пластин, а группа проектирования уже была перегружена разработкой устройств памяти. В апреле 1970 года Лесли Вадас, руководивший группой разработки МОП-структур, нанял Федерико Фаггина из Fairchild Semiconductor для руководства проектом. Фаггин уже зарекомендовал себя, возглавив всю разработку технологии кремниевых затворов МОП и разработку первой коммерческой интегральной схемы (ИС), изготовленной с ее использованием. Новая технология должна была изменить весь рынок полупроводников. Интегральные схемы состоят из множества отдельных компонентов, таких как транзисторы и резисторы, которые создаются путем добавления примесей ("допантов") в кремний. Обычно это достигается путем нагрева пластины в присутствии химического газа, который диффундирует в ее поверхность. Ранее отдельные компоненты соединялись в схему с помощью алюминиевых проводников, нанесенных на поверхность. Поскольку алюминий плавится при 600 градусах, а кремний при 1000, проводники обычно наносились на последнем этапе, что часто усложняло производственный цикл. В 1967 году Bell Labs опубликовала статью о создании МОП-транзисторов с самовыравнивающимися затворами из кремния, а не из металла. Однако эти устройства были лишь демонстрацией концепции и не могли быть использованы для производства ИС. Фаггин и Том Клейн взяли эту идею и разработали всю технологию процесса, необходимую для изготовления надежных ИС. Фаггин также спроектировал и выпустил Fairchild 3708, первую ИС, изготовленную с использованием технологии SGT, впервые поступившую в продажу в конце 1968 года и представленную на обложке журнала Electronics в сентябре 1969 года. Технология кремниевых затворов также более чем в 100 раз снизила ток утечки, что позволило создавать сложные динамические схемы, такие как DRAM (динамическая память с произвольным доступом). Она также позволила использовать сильнолегированный кремний, применяемый для затворов, для формирования межсоединений, значительно повысив плотность схем логических ИС, таких как микропроцессоры. Эта технология позволяла выполнять межсоединения на любом этапе процесса. Более того, проводники наносились с использованием того же оборудования, что и остальные компоненты. Это устранило незначительные различия в компоновке между различными типами устройств. Ранее межсоединения должны были быть значительно больше, чем требовалось, чтобы гарантировать контакт алюминия с кремниевыми компонентами, которые могли быть смещены из-за неточностей оборудования. Устранив эту проблему, схемы можно было размещать гораздо ближе друг к другу, что сразу же удвоило плотность компонентов и, соответственно, снизило их стоимость. Кроме того, алюминиевые проводники действовали как конденсаторы, ограничивавшие скорость передачи сигнала; их удаление позволило чипам работать на более высоких скоростях. В Intel Фаггин начал проектирование нового процессора с использованием этого процесса самовыравнивающихся затворов. Всего через несколько дней после прихода Фаггина в Intel прибыл Шима из Японии. Он был разочарован, узнав, что с момента его отъезда в декабре над проектом не велась работа, и выразил опасения, что первоначальный график теперь нереален. Фаггин ответил тем, что работал до поздней ночи каждый день, а Шима остался еще на полгода, чтобы помочь. Сам Фаггин погрузился в рабочие недели, которые длились от 70 до 80 часов. Для достижения необходимой плотности схемы требовались дополнительные усовершенствования. Одним из них было использование "погребенных контактов", которые позволяли напрямую соединять кремниевые соединительные провода с компонентами. Другим было решение о том, как включить добавление "загрузочных резисторов" с использованием кремниевых затворов в один из этапов маскирования, что позволило исключить один этап из технологического процесса. Без этих двух инноваций Фаггина архитектура Хоффа не могла быть реализована на одном чипе.

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.

В производство

В то время схема наименований Intel использовала четырехзначный номер для каждого компонента. Первая цифра указывала на используемую технологию производства, вторая – на общую функцию, а последние две цифры – на порядковый номер в разработке данного типа компонента. Придерживаясь этой схемы, чипы получили бы обозначения 1302, 1105, 1507 и 1202. Фэггин посчитал, что это скрывает тот факт, что они составляют единый набор, и решил назвать их «семейством 4000». Четыре чипа были следующими: 4001 – ПЗУ объемом 256 байт, 4-битная; 4002 – DRAM с четырьмя 20-разрядными регистрами; 4003 – интерфейс ввода/вывода со статическим 10-разрядным сдвиговым регистром с последовательным и параллельным выходами; и 4004 – процессор. Полностью расширенная система могла поддерживать 16 микросхем 4001, обеспечивая общий объем ПЗУ 4 кБ, 16 микросхем 4002, обеспечивая общий объем ОЗУ 1280 нибблов (640 байт), и неограниченное количество микросхем 4003. Микросхемы 4003 подключались к программируемым выводам ввода и вывода на 4001 и к выводам на 4002, а не напрямую к процессору. После завершения разработки Шима вернулся в Японию, чтобы начать создание прототипа калькулятора. Первые пластины с 4001 были обработаны в октябре 1970 года, затем в ноябре – 4003 и 4002. В 4002 обнаружилась незначительная проблема, которую легко удалось исправить. Первые экземпляры 4004 поступили в конце декабря, но оказались полностью неработоспособными. При исследовании чипа Фэггин обнаружил, что этап изготовления скрытых контактов был пропущен. Вторая партия была изготовлена в январе 1971 года, и 4004 работал идеально, за исключением двух незначительных проблем. Фэггин отправлял Шиме образцы этих чипов по мере их поступления. В апреле они узнали, что прототип калькулятора функционирует. Позже в том же месяце Шима отправил в Intel финальные фотошаблоны для ПЗУ 4001, и разработка была завершена. Она состояла из одного 4004, двух 4002, трех 4003 и четырех 4001. Дополнительный 4001 обеспечивал функцию вычисления квадратного корня. Одно последнее изменение было внесено после того, как Фэггин обнаружил досадную проблему в 4001, которая проявлялась только при нагреве чипа. Решением Фэггина стало добавление новой схемы декодера регистров. Та же проблема наблюдалась и в 4002, и было применено то же решение. Серийное производство началось в августе 1971 года.

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.

Маркетинг 4004

Во время разговора с Шимой Фэггин узнал, что Busicom испытывала финансовые трудности и, скорее всего, обанкротится, если цена чипов не будет снижена. Фэггин затем убедил Нойса снизить цену в обмен на отказ Intel от соглашения об эксклюзивности. В мае 1971 года Busicom согласилась на эти условия, при условии, что чип не будет использоваться ни в одном другом проекте калькулятора и что Intel возместит их затраты на разработку в размере 60 000 долларов. С этой сменой маркетинговой стратегии название семейства чипов было изменено на MCS 4, что расшифровывалось как Micro Computer System, 4-разрядный. Хофф и Мазор также опасались, что ограничения в конструкции сделают его менее привлекательным для пользователей, привыкших к новым 16-разрядным миникомпьютерам, появлявшимся на рынке в то время. Ситуация изменилась летом 1971 года, когда Эд Гелбах, ранее работавший в Texas Instruments, возглавил отдел маркетинга и немедленно начал готовить публичное объявление о продукте. Это произошло в ноябре 1971 года, когда Intel опубликовала рекламу с надписью "Объявляется новая эра интегрированной электроники", впервые появившуюся в выпуске Electronic News от 15 ноября.

8008 .

4004 стал первым коммерческим микропроцессором, доступным для общего использования. Это могло и не произойти. В декабре 1969 года корпорация Computer Terminal Corporation (CTC) обратилась к Intel с просьбой изготовить специализированный биполярный чип памяти для разрабатываемого ими компьютерного терминала Datapoint 2200. Мазор и Хофф рассмотрели свой проект процессора и пришли к выводу, что он не намного сложнее, чем 4004, и может быть реализован в виде 8-битного процессора на одном чипе. За несколько недель до найма Фэггина, в марте 1970 года Intel наняла Хала Фини для разработки 8008, который в то время назывался 1201 в соответствии с принятой в Intel системой наименований. Однако CTC решила первоначально реализовать свой процессор на стандартных TTL-компонентах, и приоритет проекта был снижен. Фини был переведен на другие проекты и в итоге помогал Фэггину в тестировании чипов семейства 4000. В январе 1971 года Фини был возвращен к работе над 1201 под руководством Фэггина, а первые образцы чипов были доступны в марте 1972 года. В мае Хофф и Мазор отправились в турне с лекциями, чтобы представить оба проекта процессоров по США. Основное различие между двумя проектами заключалось в том, что с 4004 и его чипами памяти и ввода-вывода было гораздо проще создать полноценную компьютерную систему, в то время как 8008 был более гибким, обладал большим 16-килобайтным адресным пространством и предлагал больше инструкций. Важное отличие состоит в том, что минимальная система на базе 4004 могла быть построена всего из двух чипов – одного 4004 и одного 4001 (256-байтовая ПЗУ), в то время как для работы с памятью и функциями ввода-вывода 8008 требовалось как минимум 20 дополнительных TTL-компонентов. В итоге оба проекта нашли применение в разных областях. 4004 использовался там, где ключевым фактором была стоимость реализации, и получил широкое распространение во встроенных контроллерах для таких приложений, как микроволновые печи или светофоры и подобные устройства. 8008 же в основном использовался в приложениях, программируемых пользователем, таких как компьютерные терминалы, микрокомпьютеры и аналогичные устройства. Такое разделение функциональности сохраняется и по сей день, при этом первый тип процессоров известен как микроконтроллер.

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.

Современные процессорные чипы

Примерно в то же время были разработаны три других конструкции процессоров: Four Phase Systems AL1, созданный в 1969 году; MP944, завершенный в 1970 году и использованный в истребителе F-14 Tomcat; и чип Texas Instruments TMS 0100, анонсированный 17 сентября 1971 года. MP944 представлял собой набор из шести чипов, формирующих единый процессорный блок. Чип TMS0100 был представлен как "калькулятор на чипе" под первоначальным обозначением TMS1802NC. Этот чип содержит крайне примитивный процессор и может использоваться лишь для реализации различных простых четырех арифметических операций. Он является предшественником TMS1000, представленного в 1974 году, который считается первым микроконтроллером – то есть компьютером на чипе, содержащим не только процессор, но и ПЗУ, ОЗУ и функции ввода-вывода. Семейство MCS 4, состоящее из четырех чипов, разработанных компанией Intel, в котором 4004 является центральным процессором или микропроцессором, было значительно более универсальным и мощным, чем чип TMS1000, что позволило создавать разнообразные малогабаритные компьютеры для различных применений. Zilog, первая компания, полностью специализирующаяся на микропроцессорах и микроконтроллерах, была основана Федерико Фаггином и Ральфом Унгерманном в конце 1974 года.

Описание

4004 использует технологию pMOS с кремниевыми затворами 10 мкм, изготовленную на кристалле площадью 12 мм2, и способен выполнять около 92 000 инструкций в секунду; один цикл выполнения инструкции занимает 10,8 микросекунд. Изначальной целью разработки тактовой частоты была 1 МГц, как у IBM 1620 Model I. Intel 4004 был изготовлен с использованием фотошаблонов, созданных путем физического вырезания каждого рисунка при увеличении 500x на большом листе рубилита, его уменьшения и повторения – процесс, устаревший благодаря современным возможностям компьютерного графического дизайна. Для тестирования изготовленных чипов Faggin разработал тестер для кремниевых пластин семейства MCS 4, который сам управлялся чипом 4004. Этот тестер также послужил доказательством для руководства, что микропроцессор Intel 4004 может использоваться не только в калькуляторах, но и в системах управления. 4004 включает функции для непосредственного управления низкоуровневым выбором микросхем памяти и вводом/выводом, которые обычно не обрабатываются микропроцессором; однако его функциональность ограничена тем, что он не может выполнять код из оперативной памяти и ограничен только теми инструкциями, которые содержатся в ПЗУ (или в оперативной памяти, загруженной как ПЗУ – в любом случае процессор не может записывать или передавать данные в область исполняемой памяти). Чипы оперативной и постоянной памяти также необычны интеграцией функций ввода/вывода с их основной функцией памяти. Такое разделение значительно уменьшило минимальное количество компонентов в системе MCS 4, но потребовало включения некоторой логики, подобной процессорной, непосредственно в микросхемы памяти для приема, декодирования и выполнения относительно высокоуровневых инструкций передачи данных. Стандартная конфигурация системы 4004 включает до 16 микросхем ROM 4001 (в одном банке) и 16 микросхем RAM 4002 (в четырех банках по четыре), которые вместе обеспечивают 4 КБ памяти программ, 1024 + 256 нибблов памяти для данных/статуса, а также 64 выходных и 64 линии ввода/вывода для внешних данных/управления (которые сами могут быть использованы, например, для управления 4003). В документации Intel MCS 4 утверждается, что к 4004 можно подключить до 48 микросхем ROM и RAM (обеспечивающих до 192 внешних линий управления) "в любой комбинации" "с помощью простой логической схемы", но не приводятся дополнительные сведения или примеры того, как это можно реализовать на практике.

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.

Упаковка

Были выпущены многочисленные версии процессоров линейки Intel MCS 4. Самые ранние версии, маркированные C (например, C4004), были выполнены из керамики и имели зеброподобный узор из белого и серого цветов на обратной стороне чипа, часто называемый "серыми дорожками". Следующее поколение чипов представляло собой простую белую керамику (также маркированную C), а затем – темно-серую керамику (D). Многие из более поздних версий семейства MCS 4 также производились с использованием пластика (P).

Использование

Первым коммерческим продуктом, использующим микропроцессор, был калькулятор Busicom 141 PF. 4004 также использовался в первой микропроцессорной игре в пинбол, прототипе, созданном Dave Nutting Associates для Bally в 1974 году. В 1996 году Патентное ведомство США официально признало г-на Гэри В. Буна и его работодателя, Texas Instruments, изобретателями микроконтроллера на одном чипе, отменив патент, выданный Гилберту П. Хайатту в 1990 году. Несмотря на то, что срок действия патента истек, считалось, что он может иметь финансовые последствия в зависимости от деталей предыдущих контрактов с Гилбертом Хайаттом. По словам Ника Треденника, разработчика микропроцессоров и эксперта-свидетеля по делу о патентах Буна/Хайатта:

Вот мои заключения, основанные на исследовании, которое я проводил для патентного дела. Первым микропроцессором, использованным в коммерческом продукте, была система Four Phase Systems AL1. Первым коммерчески доступным (продаваемым как компонент) микропроцессором был 4004 от Intel. Распространен миф о том, что "Пионер-10", первый космический аппарат, покинувший Солнечную систему, использовал микропроцессор Intel 4004. По словам доктора Ларри Лашера из Исследовательского центра Эймса, команда "Пионера" действительно рассматривала 4004, но сочла его в то время слишком новым для включения в какой-либо из проектов "Пионер". Этот миф был повторен самим Федерико Фаггином в лекции для Музея истории компьютеров в 2006 году.

Наследие и ценность

Федерико Фаггин подписал микросхему 4004 своими инициалами, потому что знал, что его конструкция кремниевого затвора воплощает в себе "сущность микропроцессора". В углу кристалла можно увидеть надпись "F. F.".

15 ноября 2006 года, в 35-ю годовщину 4004, Intel отметила это событие, опубликовав схемы, фотошаблоны и руководство пользователя. Полностью функциональная реплика Intel 4004 размером 41 × 58 см и в масштабе 130 × была создана с использованием дискретных транзисторов и выставлена в 2006 году в Музее Intel в Санта-Кларе, штат Калифорния. 15 октября 2010 года Фаггин, Хофф и Мазор были удостоены Национальной медали в области технологий и инноваций президентом Бараком Обамой за их новаторскую работу над 4004.

Патенты

14 августа 1973 года. Фэггин, Федерико: Настраиваемая схема питания для бистабильной схемы. 28 июня 1974 года. Хофф, Марциан; Мазор, Стэнли; Фэггин, Федерико: Система памяти для многочипового цифрового компьютера.

Ранние документы о технологии кремниевых ворот MOS для интегральных схем, которые позволили 4004

Faggin, F., Klein, T., и Vadasz, L.: Интегральные схемы на полевых транзисторах с изолированным затвором и кремниевыми затворами. Обложка и аннотация программы IEDM (Международной конференции по электронным устройствам) (октябрь 1968 г.). Технология Silicon Gate (SGT), разработанная в Fairchild Semiconductor в 1968 году, была впервые представлена ее соавтором и разработчиком Федерико Фаггином на IEDM 23 октября 1968 года в Вашингтоне, округ Колумбия. Это была единственная коммерчески доступная технология для производства интегральных схем MOS с самовыравнивающимися затворами, которая впоследствии была повсеместно принята полупроводниковой промышленностью. SGT стала первой технологией, позволившей создать коммерческие динамические оперативные памяти, ПЗС-матрицы, энергонезависимые памяти и микропроцессор, впервые предоставив все основные элементы компьютера общего назначения на основе интегральных схем LSI. Федерико Фаггин и Томас Клейн: "Новое поколение МОП-устройств с низким порогом напряжения на гребне волны, кремниевые затворные интегральные схемы". Обложка журнала Electronics Magazine (29 сентября 1969 г.). В статье журнала Electronics представлена Fairchild 3708, разработанная Федерико Фаггином в 1968 году. Это была первая в мире коммерческая интегральная схема, использующая технологию Silicon Gate, доказавшая ее работоспособность и ставшая первым применением новой технологии. Ф. Фаггин, Т. Клейн: Технология кремниевых затворов. "Solid State Electronics", 1970, Vol. 13, стр. 1125–1144.

Самые ранние документы на Intel 4004

Инициалы Ф. Ф. (Федерико Фаггин) на дизайне 4004 (1971). На кристалле 4004 выгравированы инициалы его создателя, Федерико Фаггина, – F. F. Подписание кристалла было спонтанным жестом гордости за авторство и оригинальной идеей, которой впоследствии подражали многие дизайнеры Intel. Ф. Фэггин и М. Э. Хофф: «Стандартные компоненты и специализированный дизайн объединяются в комплекте из четырех чипов-процессоров». Electronics/24 апреля 1972, стр. 112–116. Перепечатано на стр. 6–27–6–31 в «Руководстве по разработке памяти Intel»: август 1973 г. Ф. Фэггин, М. Шима, М. Э. Хофф-младший, Х. Фини, С. Мазор: «MCS 4 – Микрокомпьютерная система на основе интегральных схем (LSI)». Конференция IEEE '72, Регион Шесть. Перепечатано на стр. 6–32–6–37 в «Руководстве по разработке памяти Intel»: август 1973 г. Инженерный прототип печатной машинобумажной калькуляторной системы Busicom 141 PF (1971). (Подарок Федерико Фаггина Музею истории компьютеров, Маунтин-Вью, Калифорния). В каталоге коллекции CHM представлены фотографии инженерного прототипа настольного калькулятора Busicom 141 PF. В этом прототипе был использован первый в мире произведенный микропроцессор. Этот уникальный прототип был личным подарком президента Busicom, господина Йосио Кодзимы, Федерико Фаггину за его успешное руководство разработкой и созданием 4004 и трех других микросхем памяти и ввода-вывода (чипсета MCS 4). После 25 лет хранения дома, Фаггин передал его в CHM в 1996 году. Faggin, F.; Capocaccia, F. «Новый интегрированный МОП-сдвиговый регистр», Материалы XV Международного конгресса по электронике, Рим, апрель 1968 г., стр. 143–152. В этой статье описывается новый статический МОП-сдвиговый регистр, разработанный в SGS Fairchild (ныне ST Micro) в конце 1967 года, до того как Федерико Фаггин присоединился к отделу исследований и разработок Fairchild в Пало-Альто (Калифорния) в феврале 1968 года. Позже Фаггин использовал этот новый сдвиговый регистр в чипах MCS 4, включая 4004 (1970).