Intel 4004 микропроцессоры: сипаттамасы, техникалық сипаттамалары. Процессор тарихы

Федерико Фагин Тед Хоффтың көзқарасын кремний шындыққа айналдыру үшін Intel компаниясына қосылды. Бір жылдан аз уақыт өткен соң, ол және оның командасы 1971 жылдың қарашасында енгізілген 4004 микропроцессорын жасады. Фэйгиннің бірінші маңызды мәселесі кремний қақпасының жаңа технологиясын пайдалану әдістемесін әзірлеу болды. Бұл күрделі схемаларды басқа жолмен жасауға мүмкіндік берді. Бұрын мұндай әрекетті ешкім жасамағандықтан, бәрін нөлден бастауға тура келді. Федерико Фагин жетістікке жетті - ол 1970 жылы небәрі 9 айдың ішінде чипті өз бетінше жасады. Бұл кейінгі ұрпақтардың Intel процессорларымен салыстырғанда өте аз уақыт. Мысалы, 32-биттік чипті жасауға 100 адам-жыл қажет болды.

Дизайн

Федерико Фагин жасаған кремний қақпасының дизайны 1971 жылы бірінші микропроцессорды шындыққа айналдырды. Бұл ерекше болды, өйткені мұндай күрделіліктің интеграциясы бұрын-соңды болмаған. Фаггин Intel 4004 процессорын MOS өндіріс технологиясындағы инновацияларының арқасында ғана дамыта алды. Bootstrap және жасырын байланыс ол бастаған дизайн әдістемесінің негізін құрайтын идеялар болды, Хофф архитектурасын сақтап, 1970 жылы оны жүзеге асырды. бұл мүмкін емес еді, өйткені нәтиже практикалық пайдалану үшін тым баяу және қымбат болар еді. Осылайша, өнертабыс сол кезде жетіспейтін қарапайым процессорлық модельді жасаудан емес, процессордың барлық функционалды блоктарын бірінші рет орналастыруға мүмкіндік беретін технологияны жасау мен енгізуден тұрды. бір чипте.

Тед Хофф оның ұсынған архитектурасы мен нұсқаулар жинағын бір чипте орналастыруға болады деп үміттенді. Алайда, ол MOS әзірлеушісі болмағандықтан, жобаның орындылығын бағалай алмады немесе оны жүзеге асыра алмады. Дәл Федерико Фагин 2300 ерікті логикалық транзисторлардың дизайны мен орналасуын ойлап тапқан, ол бар болғаны 3x4 мм болатын, қымбат емес, жылдамдығы 5 есе жоғары және сол кездегі MOS технологиясының элементтерінің тығыздығын екі есе арттырды.

Феджиннің әдістемесі серпіліс болды және ол компанияның барлық алғашқы микропроцессорларында қолданылды. Итальяндық инженер жобаның сәтті аяқталуына әкелді және компания басшылығына чипті тек калькуляторлар үшін ғана емес қолдануға болатынын көрсетіп, Intel компаниясының жаңа процессорын алға жылжытуда рөл атқарды.

Техникалық сипаттама

Intel 4004 процессорының техникалық сипаттамалары төмендегідей:

• Кристалл ауданы: 12 мм 2 .
• Максималды тактілік жиілік: 740 кГц.
• Цикл уақыты: 10,8 мкс (8 цикл/нұсқау циклі).
• Команданың орындалу уақыты – 1 немесе 2 командалық цикл (10,8 немесе 21,6 мкс), секундына 46300-92600 пәрмен.
• Екі 8 таңбалы санды қосу (әрқайсысы 32 бит) 850 мкс, яғни 79 нұсқаулық циклі, ондық санға шамамен 10 цикл қажет.
• Бағдарламалар мен деректерді бөлек сақтау. Жеке автобустарға негізделген конструкциялардан айырмашылығы, 4004-де 12-биттік мекенжайларды, 8-биттік нұсқауларды және 4-биттік деректер сөздерін тасымалдау үшін бір мультиплексирленген 4-биттік шинасы бар.
• Тікелей адрестеу 51220 бит (640 байт) жедел жад 1280 4 разрядты «таңба» ретінде ұйымдастырылған, оның 1024-і деректерді және 256-сы күйді білдіреді.
• Тікелей адрестеу 32768 бит ROM (4096 байт).
• 46 командалар жинағы (оның 41 ені 8 бит және 5 ені 16 бит).
• 4 разрядты 16 регистр.
• Ішкі бағдарлама стек 3 деңгей тереңдігі.

Busicom тапсырысы

1950 және 1960 жылдары калькулятор ретінде пайдаланылған сақталған бағдарламалық компьютер соғыстан кейінгі дәуірдің ең жақсы жетістіктерінің бірі болды және жартылай өткізгіш өнеркәсібінде жұмыс істейтін барлық инженерлерге таныс болды.

1969 жылы жапондық калькулятор өндірушісі Busicom кремнийдегі калькуляторлар сериясының логикалық дизайнын енгізу үшін Intel-ге жүгінді. Олардың амалы 1965 жылы Нью-Йорктегі дүниежүзілік көрмеде ұсынылған және сол жылы сатылымға шыққан Olivetti компаниясының Programma 101 жұмыс үстеліндегі бағдарламаланатын калькуляторының орындалуын қайталады.Programma 101 процессоры (орталық өңдеу блогы) және дәйекті оқу және жазу мүмкіндігіне ие болды. , олар дискретті құрамдастардан жасалған. Busicom үш MOS чиптерінде процессорды, ROM және тағы екі енгізу-шығару чиптерімен тіркеуді қамтитын ұқсас архитектураны ұсынды.

MCS-4 архитектурасы

Қолданбалы зерттеулер жетекшісі Тед Хофф Busicom-тың дизайн мәселесі сериялық жадты пайдалану екенін мойындады және Intel өзінің алғашқы динамикалық жедел жадысын (кездейсоқ қол жеткізу жады) жасап жатқанда, ол дизайнды дәстүрлі және әмбебап компьютер архитектурасына негізделген айтарлықтай жеңілдетуге болатынын көрді. жедел жадта қосулы. Стэн Мазордың көмегімен және Масатоши Шима кіретін Busicom инженерлерімен өзара әрекеттесу арқылы Хофф дизайнды 7-ден 4 чипке дейін қысқартып, MCS-4 архитектурасын тұжырымдады. Хофф орталық процессорды бір 4-разрядты микропроцессорда іске асыруға болады деп есептеді, бірақ ол да, Мазор да MOS дизайнерлері емес, ал Intel-де ерікті логикалық құрылымы бар күрделі IC құруға қабілетті мамандар жоқ. Сондықтан Хоффтың ұсынысы 1970 жылдың сәуір айында осы жобаны басқарған Федерико Фагин жұмысқа қабылданғанға дейін шамамен 6 ай бойы бос болды.

инновациялық технология

Федерико Фагин Intel корпорациясына Fairchild Semiconductor компаниясынан келді, онда 1968 жылы ол кремний қақпасы MOS технологиясын әзірледі және оны әлемдегі бірінші коммерциялық интегралды схемаға, 3708-ге негіздеді. Технологияны Intel және кейіннен жаһандық жартылай өткізгіш өнеркәсібі қабылдады және 40 ішінде. жылдар барлық дерлік микросұлбаларда қолданылатын негізгі құрылым болды. Intel негізін қалаушы бұл қадам оның ерте табысының негізгі құрамдас бөлігі болғанын мойындады. Silicon Gate MOS технологиясы Intel 4004-тің бәсекеге қабілетті өнімділігін қамтамасыз етті: чип шамамен 5 есе жылдам болды, түйіспелердің ағуы 100 есе аз болды және алюминий қақпаларымен жасалған бірдей өлшемдегі чиппен салыстырғанда 2 есе көп еркін типті логикалық транзисторларды орналастырды, және бірдей қуатты таратады. Бұл бірінші коммерциялық табысты динамикалық жедел жадтарды, CCD (зарядтаумен байланысты құрылғы) кескін сенсорларын, тұрақты жад құрылғыларын және микропроцессорларды жасауға мүмкіндік берді. Тарихта бірінші рет процессор жалпы мақсаттағы компьютердің барлық құрамдастарын қамтыды.

Жаңа дизайн мен макет құру

Тад Хофф MOS схемасының дизайнері емес еді. Оның рөлі сәулет жасау және өнімдерді одан әрі қолдау болды. Командалар жиынтығын анықтағаннан кейін жоба Федерико Фагин басқаратын MOS әзірлеу тобына берілді. Жұмыс өте жылдам жүргізіліп, шамамен 9 айда 3 негізгі чип жасалды. Олардың соңғысы 1971 жылдың қаңтарында Intel 4004 микропроцессоры болды.

Стэн Мазордың айтуынша, Фэйгиннің еңбегі инженерлік дизайнды жүзеге асырды, ал Хофф - түпнұсқа тұжырымдама мен архитектураны жасауда. Мазордың өзі де қолдан келгенше көмектесіп, қолынан келгенін жасайтын делдал еді.

Федерико Фагин ерікті логикалық схемаларда қолданылатын кремний қақпасының MOS құрылымдарын жобалау әдістемесін әзірледі. Бұл қажет болды, өйткені жаңа технология басқа дизайнды, әсіресе орналасуды талап етті.

Фагиннің айтуынша, ол логиканы, содан кейін схеманы бөлек құрастырудың орнына, оларды бір парақта бірге орындау керек деп шешті. Бұл өткізгіштер мен транзисторлар соңғы орналасуға мүмкіндігінше жақын орналасуы үшін орналасуды мүмкіндігінше ескеру керек. Әлбетте, бұл үшін әртүрлі блоктардың орналасуын білу үшін алдын ала чиптің жалпы жоспарлауын жүзеге асыру қажет болды. Дәл сол кезде ол схемалардың осы түрін құру әдістемесін нақтылады.

Жаңа Intel процессорын жобалауды және MCS-4 жобасын әзірлеуден өндіріске дейін басқаруды тек процесс технологиясына, чиптің орналасуына, схемаға, логикалық дизайнға және компьютер архитектурасына жаңалық енгізе алатын адам ғана жасай алады. Фэйгин мұндай дағдылар мен білімді Intel-ге кірмес бұрын алған білімі мен жұмыс тәжірибесі арқылы алды. Виченцадағы (Италия) техникалық университетті бітіргеннен кейін ол 19 жасында Борголомбардодағы (Италия) Оливеттиде магниттік негізгі жады бар шағын транзисторлы эксперименттік компьютерді жобалауға және салуға қатысты. Содан кейін ол Падуа университетін жоғары бағамен бітірді және SGS-Fairchild (қазіргі ST Micro) компаниясында жұмыс істеген кезде 2 коммерциялық IC құрастырып, MOS технологиясын әзірлеуге кірісті. 1968 жылы ол Пало-Альтодағы (Калифорния) Fairchild Semiconductor R&D қызметіне тағайындалды, онда ол кремний қақпасы MOS технологиясын әзірледі және т.б.

Нағыз инновация

Хоффтың 4004 жобасына қосқан негізгі үлесі болған бірінші процессордың тұжырымдамасы басқа компанияларда да орын алды. Бірнеше топ өз бетінше бір қорытындыға келді. Сондықтан микропроцессорды ойлап шығаруда ең бастысы экономикалық тиімді өнімді жасау болды. Әлемде бір ғана адам келесі қадамды қалай жасау керектігін және архитектураны жұмыс дизайнына қалай аудару керектігін білді. Бұл Федерико Фагин болатын. Ол болмаса, бірінші микропроцессор ешқашан жасалмас еді. Фэйрчайлдта ол болашақ құрылғылардың негізін құрайтын технологияны ойлап тапты. Intel-де жұмыс істей бастағаннан кейін ол жетіспейтін Хоффты түзетіп, содан кейін бірінші Intel 4004 чипін жасады, содан кейін ол 8008-нің дамуын басқарды және 8080-нің бас сәулетшісі болды.

Ол кезде инженерлер шағын компьютерлерді құрастыруды, процессордың логикалық дизайнын жасауды және бағдарламаларды жасауды білді. Микропроцессор идеясы, яғни әмбебап компьютерді бір чипке орналастыру идеясы да ауада болды. Кейбір архитектуралар бірнеше MOS IC-де іске асырылған. Дегенмен, 2300 ерікті логикалық транзисторларды (қарапайым процессорға қажетті ең аз) чипке арзан өндіруге, жылдам жұмыс істеуге және бар пакеттерге сыйдыру үшін жеткілікті қуатты таратуға қалай салу керектігін ешкім білмеді.

Осылайша, микропроцессордағы нағыз жаңалық оның бір кремний чипіне орауында болды, өйткені қалғанының бәрі бұрын жасалған. Ал Феджин Тед Хофф пен Стэн Мазордың көмегінсіз табысқа жетті.

Оған жалғыз көмектескен – Busicom инженері Масатоши Шима. Ол Фэйгин жұмысқа қабылданғаннан кейін бірнеше күннен кейін тапсырыстың орындалу барысын тексеру үшін Intel-ге келді. Өткен 6 айда ешқандай ілгерілеушілік болмағанын түсінді. Жобаның кешігуін және көмектесуге дайын Intel инженерінің жоқтығын ескере отырып, Симаға жұмысты тездету үшін 6 ай тұруға рұқсат етілді. Дегенмен, ол туралы аз білді және ол өте пайдалы болғанымен, барлық шығармашылық шешімдерді Фагин қабылдады. Соңғысының бастығы Лесли Вадаш 1103 (Intel-тің болашағы деп саналған алғашқы 1024-биттік DRAM) дизайнымен айналысқаны сонша, ол MCS-4 жобасына техникалық бақылауды қамтамасыз ете алмады. 4004 жетістікке жеткеннен кейін Фэйгин 8008 енгізуді басқарды, сонымен қатар барлық ерте процессорлардың ең табыстысы 4040 және 8080 архитектурасын ойлап тапты және анықтады.

Әзірлеушінің күмәні

Стэн Мазордың айтуынша, ол Тед Хофф екеуі Intel 4004 тым агрессивті деп ойлаған. Олар мұны жасауға болатынына сенімді болмады, сондықтан олар 4005 деп аталатын басқа чиптен бастады. Бұл Канададағы Intel компаниясымен серіктес болған MIL-мен бірлескен жоба болды. Олар 4004-ке қарағанда әлдеқайда қарапайым архитектураны анықтады. Канадалық компания чипті әзірлеуі керек еді, ал Intel жадты қамтамасыз етеді. Ол 4005 жасай алмайтын болып шықты.

Хофф пен Мазор 1994 жылы 4004-тің орындылығына сенімсіз болды. Сондықтан Фагин Intel-ге қосылғаннан кейін бірнеше айдан кейін олар қарапайым 4005 архитектурасын жасап, оны канадалық MIL компаниясына әзірлеуге берді. Бірақ MIL инженерлері микропроцессор жасай алмады. Қарапайым чипті жасаудың өзі күнделікті жұмыстан алыс екені белгілі болды. Сонымен қатар, Хофф пен Мазор 4004 калькуляторлардан, кассалық машиналардан және т.б. басқа қолданбалар үшін пайдалы болатынына күмәнданды. Олар тек 1201 және кейінірек 8008 әртүрлі қолданбаларда қолданылатын жеткілікті әмбебап архитектураға ие болады деп ойлады. 4004 жобасы аяқталғаннан кейін Фэйгин микропроцессорды әртүрлі басқару жүйелерінде қолдануға болатынын көрсетті және басқаруды Intel 4004-ті нарыққа шығаруға шақырды.

8008 қателері

Фэйгин әдістемесінің қаншалықты қажет екендігінің тағы бір мысалы бастапқыда Computer Terminal Corporation (CTC) әзірлеген Intel 8008 болып табылады. Бастапқыда 1201 деп аталатын чиптегі жұмыс Фэйгин Intel-ге қосылғанға дейін басталды, бірақ General Instrument-тен келген ерікті логикалық процессор дизайнеріне тағайындалған жоба өте алысқа бармады, өйткені ол кезде кез келген әдістеме мен кітапханалар жоқ еді. схемалар. 8008 жұмысы тоқтатылды және тек Intel 4004 шығарылған жылы ғана қайта жалғасты.

TI микропроцессоры

Тағы бір мысал - Texas Instruments-тен CTC тапсырыс берген 8008-дің екінші көзі болған бірінші бір чипті процессор. 1971 жылдың ортасында баспасөзде жарияланған, 4004 сәтті жасалғаннан кейін бірнеше ай өткен соң, бұл процессор ешқашан жұмыс істемеді және ешқашан сатылмады. Оны күрделі ерікті логикалық IC жобалауда көп жылдық тәжірибесі бар компания металл қақпасы MOS технологиясын қолдана отырып жасаған. Intel 8008 процессорымен салыстырғанда, TI чипі бірдей функционалдылықты қамтамасыз ететін екі есе үлкен болды. Жұмыс жылдамдығы мен қуат шығыны ешқашан жарияланбаған.

Үлгі

4004 жобасы аяқталғаннан кейін Intel компаниясының ішіндегі және сыртындағы басқа инженерлер дизайнды микроскоппен зерттей отырып, Фагин әдістерін зерттей алды. Дәл осындай стиль барлық басқа ерте Intel және Zilog микропроцессорларында қолданылған.

Қорытындылай келе

4004 тарихтағы ең алғашқы кремний қақпасы процессоры болды. Бұл сол кездегі ең озық интегралдық схема болды. Оны жасау дизайнерден ерекше шығармашылық пен шеберлікті ғана емес, сонымен қатар оны жасаушыға ғана ие болатын жаңа технологияны терең білуді талап етті. Бұған қоса, тапсырыс берушінің алдындағы өте жақсы міндеттемелерге байланысты 10 айда аяқталуы қажет жоба жобаны сәтті аяқтау үшін үлкен батылдықты, мотивацияны, басқару дағдыларын және тұрақты қажырлы еңбекті қажет етті.