Fabuła

Mikroprocesor Intel 4004: opis, dane techniczne. Historia procesora

Federico Fagin dołączył do Intela, aby przekształcić wizję Teda Hoffa w krzemową rzeczywistość. Niecały rok później on i jego zespół stworzyli mikroprocesor 4004, który został wprowadzony w listopadzie 1971 roku. Pierwszym poważnym wyzwaniem Fagina było opracowanie metodologii wykorzystania nowej technologii bramek krzemowych. To pozwoliło nam na tworzenie złożonych obwodów w inny sposób. Ponieważ nikt wcześniej czegoś takiego nie zrobił, musiałem zacząć wszystko od zera. I Federico Fagin odniósł sukces - samodzielnie opracował chip w zaledwie 9 miesięcy w 1970 roku. To fantastycznie krótki czas w porównaniu z procesorami Intela następnych generacji. Na przykład stworzenie 32-bitowego chipa zajęło 100 osobo-lat.

Projekt

Projekt bramki krzemowej stworzony przez Federico Fagina sprawił, że pierwszy mikroprocesor stał się rzeczywistością w 1971 roku. Było to niezwykłe, ponieważ nigdy wcześniej nie osiągnięto integracji o takiej złożoności. Faggin był w stanie opracować procesor Intel 4004 tylko dzięki swoim innowacjom w technologii produkcji MOS. Bootstrap i ukryty kontakt stały się pomysłami, które stały się podstawą opracowanej przez niego metodologii projektowania, uratował architekturę Hoffa i wdrożył ją w 1970 roku. nie byłoby to wykonalne, ponieważ wynik byłby zbyt powolny i kosztowny, aby mógł być praktyczny. Wynalazek nie polegał więc na opracowaniu prostego modelu procesora, którego wówczas nie brakowało, ale na stworzeniu i wdrożeniu technologii, która po raz pierwszy umożliwiła umieszczenie wszystkich bloków funkcjonalnych procesora. na jednym chipie.

Ted Hoff miał nadzieję, że jego proponowana architektura i zestaw instrukcji można umieścić na tym samym chipie. Nie mógł jednak ocenić wykonalności projektu ani go wdrożyć, ponieważ nie był programistą MOS. To Federico Fagin wynalazł projekt i układ 2300 arbitralnych tranzystorów logicznych na chipie, który był tylko 3x4mm, niedrogi, pięciokrotnie szybszy i podwoił gęstość elementów istniejącej wówczas technologii MOS.

Metodologia Fagina była przełomem i była stosowana we wszystkich wczesnych mikroprocesorach firmy. Włoski inżynier doprowadził projekt do pomyślnego zakończenia i odegrał rolę w promowaniu nowego procesora Intela, demonstrując kierownictwu firmy, że chip może być używany nie tylko do kalkulatorów.

Specyfikacje

Specyfikacje procesora Intel 4004 są następujące:

Powierzchnia kryształu: 12 mm 2 .
Maksymalna częstotliwość zegara: 740 kHz.
Czas cyklu: 10,8 µs (8 cykli / cykl instrukcji).
Czas wykonania polecenia - 1 lub 2 cykle poleceń (10,8 lub 21,6 µs), 46300-92600 poleceń na sekundę.
Dodanie dwóch liczb 8-cyfrowych (każda po 32 bity) zajmuje 850 µs, tj. 79 cykli instrukcji, około 10 cykli na cyfrę dziesiętną.
Oddzielne przechowywanie programów i danych. W przeciwieństwie do projektów opartych na oddzielnych magistralach, 4004 ma pojedynczą multipleksowaną 4-bitową magistralę do przenoszenia 12-bitowych adresów, 8-bitowych instrukcji i 4-bitowych słów danych.
Adresowanie bezpośrednie 51220 bitów (640 bajtów) pamięci RAM zorganizowanej jako 1280 4-bitowych „znaków”, z których 1024 reprezentuje dane, a 256 reprezentuje stan.
Adresowanie bezpośrednie 32768 bitów ROM (4096 bajtów).
Zestaw 46 poleceń (z których 41 ma szerokość 8 bitów, a 5 ma szerokość 16 bitów).
16 rejestrów po 4 bity.
Wewnętrzny stos podprogramów o głębokości 3 poziomów.

Zamówienie Busicom

Używany jako kalkulator w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, komputer z programami pamięciowymi był jednym z najwspanialszych osiągnięć epoki powojennej i był znany wszystkim inżynierom pracującym w branży półprzewodników.

W 1969 roku japoński producent kalkulatorów Busicom zwrócił się do Intela o zaimplementowanie ich logiki dla serii kalkulatorów krzemowych. Ich podejście powtórzyło implementację programu Olivetti's Programma 101, pierwszego na świecie programowalnego kalkulatora biurkowego, zaprezentowanego na Targach Światowych w Nowym Jorku w 1965 roku i wprowadzonego do sprzedaży w tym samym roku. Programma 101 miał procesor (jednostkę centralną) oraz sekwencyjny odczyt i zapis , które zostały wykonane z elementów dyskretnych. Busicom zaproponował podobną architekturę, która obejmowała implementację procesora na trzech układach MOS, ROM i rejestr na dwóch kolejnych, z dwoma innymi układami I/O.

Architektura MCS-4

Kierownik Applied Research, Ted Hoff, przyznał, że wyzwaniem projektowym firmy Busicom było wykorzystanie pamięci szeregowej, a gdy Intel opracowywał swoją pierwszą dynamiczną pamięć RAM (pamięć o dostępie swobodnym), zauważył, że projekt można znacznie uprościć, stosując tradycyjną i bardziej wszechstronną architekturę komputerową opartą na na pamięci RAM. Z pomocą Stana Mazora i interakcji z inżynierami Busicom, wśród których był Masatoshi Shima, Hoff opracował architekturę MCS-4, redukując projekt z 7 do 4 chipów. Hoff wierzył, że procesor można zaimplementować w pojedynczym 4-bitowym mikroprocesorze, ale ani on, ani Mazor nie byli projektantami MOS, a Intel nie miał specjalistów zdolnych do tworzenia złożonych układów scalonych o dowolnej strukturze logicznej. Dlatego propozycja Hoffa pozostawała bezczynna przez około 6 miesięcy, dopóki w kwietniu 1970 r. nie zatrudniono Federico Fagina, który kierował tym projektem.

Innowacyjna technologia

Federico Fagin przeszedł do Intela z firmy Fairchild Semiconductor, gdzie w 1968 r. opracował technologię MOS z bramką krzemową i oparł ją na pierwszym na świecie komercyjnym układzie scalonym 3708. Technologia została przyjęta przez Intel, a następnie przez światowy przemysł półprzewodników, a w ciągu 40 lat lat była podstawową strukturą stosowaną w prawie wszystkich mikroukładach. współzałożyciel Intela, przyznał, że ten krok był głównym składnikiem jego wczesnego sukcesu. Technologia MOS z bramką krzemową zapewniła konkurencyjną wydajność procesora Intel 4004: chip był około 5 razy szybszy, miał 100 razy mniejszy wyciek na złączach i zawierał 2 razy więcej tranzystorów logicznych dowolnego typu w porównaniu z chipem tej samej wielkości wykonanym z aluminiowymi bramkami, i rozproszyć równą moc. Umożliwiło to opracowanie pierwszych udanych komercyjnie dynamicznych pamięci RAM, czujników obrazu CCD (Charge-Coupled Device), urządzeń pamięci nieulotnej i mikroprocesorów. Po raz pierwszy w historii procesor zawierał wszystkie elementy komputera ogólnego przeznaczenia.

Tworzenie nowego projektu i układu

Tad Hoff nie był projektantem obwodów MOS. Jego rolą było stworzenie architektury i dalsze wspieranie produktów. Po zdefiniowaniu zestawu poleceń projekt został przekazany zespołowi programistycznemu MOS kierowanemu przez Federico Fagina. Prace zostały wykonane bardzo szybko iw ciągu około 9 miesięcy powstały 3 główne chipy. Ostatnim z nich, w styczniu 1971, był mikroprocesor Intel 4004.

Według Stana Mazora, zasługą Fagina było to, że wykonał projekt inżynierski, a Hoff - w stworzeniu oryginalnej koncepcji i architektury. Sam Mazor był swego rodzaju pośrednikiem, który pomagał najlepiej jak potrafił i robił co mógł.

Federico Fagin opracował metodologię projektowania struktur MOS bramek krzemowych stosowanych w arbitralnych obwodach logicznych. Było to konieczne, ponieważ nowa technologia wymagała innego projektu, a zwłaszcza układu.

Według Fagina zdecydował, że zamiast projektować logikę, a potem obwód osobno, należy je wykonać razem na jednym arkuszu. Powinno to w miarę możliwości uwzględniać układ, tak aby przewody i tranzystory znajdowały się jak najbliżej ostatecznego układu. Oczywiście w tym celu konieczne było wcześniejsze ogólne planowanie chipa, aby poznać rozmieszczenie różnych bloków. To właśnie wtedy określił metodologię tworzenia tego typu obwodów.

Zaprojektowanie nowego procesora Intela i poprowadzenie projektu MCS-4 od etapu rozwoju do produkcji było możliwe tylko dla kogoś, kto potrafił wprowadzać innowacje w technologii procesu, układzie chipów, obwodach, projektowaniu logiki i architekturze komputera. Fagin zdobył takie umiejętności i wiedzę dzięki wykształceniu i doświadczeniu zawodowemu, zanim dołączył do Intela. Po ukończeniu politechniki w Vicenzy (Włochy), w wieku 19 lat brał udział w projektowaniu i budowie małego tranzystorowego eksperymentalnego komputera z pamięcią rdzenia magnetycznego w Olivetti w Borgolombardo (Włochy). Następnie ukończył z wyróżnieniem Uniwersytet w Padwie i zajął się rozwojem technologii MOS, budując 2 komercyjne układy scalone podczas pracy w SGS-Fairchild (obecnie ST Micro). W 1968 został przydzielony do Fairchild Semiconductor R&D w Palo Alto w Kalifornii, gdzie opracował technologię MOS z bramką krzemową itp.

Prawdziwa innowacja

Konceptualizacja pierwszego procesora, który był głównym wkładem Hoffa w projekt 4004, miała również miejsce w innych firmach. Kilka grup niezależnie doszło do tego samego wniosku. Dlatego najważniejszą rzeczą w wynalezieniu mikroprocesora było stworzenie ekonomicznie opłacalnego produktu. Tylko jedna osoba na świecie wiedziała, jak zrobić kolejny krok i przełożyć architekturę na działający projekt. To był Federico Fagin. Bez niego nigdy nie powstałby pierwszy mikroprocesor. W Fairchild wynalazł technologię, która stała się podstawą przyszłych urządzeń. Po rozpoczęciu pracy w Intelu poprawił brakujące błędy Hoffa, a następnie stworzył pierwszy układ Intel 4004, po czym kierował rozwojem 8008 i był głównym architektem 8080.

W tym czasie inżynierowie wiedzieli, jak budować małe komputery, projektować logikę procesora i tworzyć programy. W powietrzu pojawił się też pomysł mikroprocesora, czyli umieszczenia uniwersalnego komputera na jednym chipie. Niektóre architektury zostały już zaimplementowane na kilku układach scalonych MOS. Jednak nikt nie wiedział, jak zmieścić 2300 dowolnych tranzystorów logicznych — minimum wymagane dla prostego procesora — w chipie wystarczająco małym, aby produkować tanio, działać szybko i rozpraszać wystarczająco dużo energii, aby zmieścić się w istniejących obudowach.

Tak więc prawdziwą innowacją w mikroprocesorze było jego opakowanie na pojedynczym chipie krzemowym, ponieważ wszystko inne zostało zrobione wcześniej. A Fagin odniósł sukces bez znaczącej pomocy Teda Hoffa i Stana Mazora.

Jedynym, który mu pomógł, był inżynier Busicom, Masatoshi Shima. Kilka dni po zatrudnieniu Fagina przyszedł do Intela, aby sprawdzić postęp realizacji zamówienia. Zdał sobie sprawę, że w ciągu ostatnich 6 miesięcy nie poczyniono żadnych postępów. Biorąc pod uwagę opóźnienie w projekcie i brak inżyniera Intela, który mógłby pomóc, Sima mogła zostać przez 6 miesięcy, aby przyspieszyć działanie. Jednak niewiele wiedział i choć był bardzo pomocny, wszystkie decyzje twórcze podejmował Fagin. Szef tego ostatniego, Leslie Vadash, był tak zajęty projektowaniem 1103 (pierwszej 1024-bitowej pamięci DRAM, która była uważana za przyszłość Intela), że nie mógł zapewnić technicznej kontroli nad projektem MCS-4. Po sukcesie 4004 Fagin poprowadził implementację 8008, a także wymyślił i zdefiniował architektury najbardziej udanych spośród wszystkich wczesnych procesorów, 4040 i 8080.

Wątpliwości programistów

Według Stana Mazora, on i Ted Hoff uważali, że Intel 4004 jest zbyt agresywny. Nie byli pewni, czy da się to zrobić, więc zaczęli od innego układu o nazwie 4005. Był to wspólny projekt z MIL, który współpracował z Intelem w Kanadzie. Zdefiniowali znacznie prostszą architekturę niż 4004. Kanadyjska firma miała opracować chip, a Intel dostarczył pamięć. Okazało się, że nie może zrobić 4005.

Hoff i Mazor nie byli pewni wykonalności 4004 w 1994 roku. Dlatego kilka miesięcy po tym, jak Fagin dołączył do Intela, stworzyli prostszą architekturę 4005 i przekazali ją kanadyjskiej firmie MIL do opracowania. Ale inżynierom MIL nie udało się stworzyć mikroprocesora. Stało się jasne, że nawet stworzenie prostego chipa było dalekie od rutynowej pracy. Ponadto Hoff i Mazor wątpili, czy 4004 będzie przydatny w zastosowaniach innych niż kalkulatory, kasy fiskalne i tym podobne. Myśleli, że tylko 1201, a później 8008, będą miały wystarczająco wszechstronną architekturę, aby można ją było wykorzystać w różnych zastosowaniach. Po zakończeniu projektu 4004 Fagin wykazał, że mikroprocesor może być używany w różnych systemach sterowania i zachęcił kierownictwo do wprowadzenia Intel 4004 na rynek.

Awarie z 8008

Innym przykładem tego, jak potrzebna była metodologia Fagina, jest Intel 8008, pierwotnie zaprojektowany przez Computer Terminal Corporation (CTC). Prace nad chipem, pierwotnie nazwanym 1201, rozpoczęły się, zanim Fagin dołączył do Intela, ale projekt, przydzielony projektantowi procesorów arbitralnie logicznych, który przeniósł się z General Instrument, nie zaszedł zbyt daleko, ponieważ brakowało wówczas żadnej metodologii i bibliotek schematy. Prace nad 8008 zostały zawieszone i wznowione dopiero w roku wydania Intela 4004.

Mikroprocesor TI

Innym przykładem jest pierwszy jednoukładowy procesor, który był drugim źródłem dla 8008 zamówionych przez CTC w Texas Instruments. Ogłoszony w prasie w połowie 1971 roku, zaledwie kilka miesięcy po udanym stworzeniu 4004, ten procesor nigdy nie działał i nigdy nie został sprzedany. Został stworzony w technologii MOS z metalową bramką przez firmę, która ma wieloletnie doświadczenie w projektowaniu złożonych układów logicznych arbitralnych. W porównaniu z procesorem Intel 8008, układ TI był dwukrotnie większy, zapewniając taką samą funkcjonalność. Prędkość robocza i rozpraszanie mocy nigdy nie zostały podane do wiadomości publicznej.

Przykład do naśladowania

Po zakończeniu projektu 4004 inni inżynierowie, zarówno z firmy Intel, jak i spoza niej, mogli badać metody Fagina, badając projekt pod mikroskopem. Ten sam styl był używany we wszystkich innych wczesnych mikroprocesorach Intel i Zilog.

Wreszcie

4004 był pierwszym w historii procesorem z bramką krzemową. Był to najbardziej zaawansowany układ scalony tamtych czasów. Jego stworzenie wymagało od projektanta nie tylko niezwykłej kreatywności i umiejętności, ale także głębokiej znajomości nowej technologii, którą mógł posiadać tylko jej twórca. Ponadto projekt, który trzeba było ukończyć w ciągu 10 miesięcy ze względu na wcześniejsze zaległe zobowiązania wobec klienta, wymagał dużo odwagi, motywacji, umiejętności zarządzania i stałej ciężkiej pracy, aby pomyślnie zakończyć projekt.