Chip Intel 4004 ma 45 lat. Trochę historii IT
Bez nowoczesnej elektroniki życie człowieka jest już trudne do wyobrażenia. Oczywiście jest wiele miejsc, w których nowoczesne technologie nie były jeszcze słyszane, a co dopiero wykorzystywane. Mimo to zdecydowana większość światowej populacji jest w jakiś sposób związana z elektroniką, która stała się integralną częścią naszego życia i pracy.
Od najdawniejszych czasów człowiek wykorzystywał różne urządzenia, aby usprawnić niektóre procesy produkcyjne lub uczynić swoją egzystencję bardziej komfortową. Prawdziwy przełom nastąpił pod koniec lat 40. XX wieku, kiedy wynaleziono tranzystory. Pierwszymi były tranzystory bipolarne, używane do dziś. Za nimi pojawiły się tranzystory MOS (półprzewodnik z tlenku metalu).
Pierwsze tranzystory tego typu były droższe i mniej niezawodne od ich bipolarnych „krewnych”. Ale począwszy od 1964 roku w elektronice zaczęto stosować układy scalone, których podstawą były właśnie tranzystory MOS. To z kolei pozwoliło na obniżenie kosztów produkcji urządzeń elektronicznych i znaczne zmniejszenie rozmiarów gadżetów i systemów przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii. Z biegiem czasu mikroukłady stawały się coraz bardziej złożone i wyrafinowane, zastępując duże bloki tranzystorów, co otwierało możliwość zmniejszenia rozmiarów urządzeń elektronicznych.
Pod koniec lat 60. zaczęły się rozprzestrzeniać mikroukłady z dość dużą liczbą bramek logicznych (jak na tamte czasy dużą): 100 lub więcej. Pozwoliło to na wykorzystanie nowych elementów do tworzenia komputerów. Twórcy komputerów elektronicznych stosunkowo szybko zauważyli, że zwiększenie gęstości tranzystorów w mikroukładzie pozwoli ostatecznie stworzyć procesor komputerowy w postaci pojedynczego chipa. Początkowo do tworzenia terminali, kalkulatorów wykorzystywano układy scalone z tranzystorami MOS, zaczęto je wykorzystywać konstruktorów systemów pokładowych do pojazdów pasażerskich i wojskowych.
Kluczowy moment
Dzisiaj większość ekspertów w dziedzinie elektroniki uznaje, że początek jakościowo nowego etapu w rozwoju elektroniki rozpoczął się w 1971 roku, kiedy pojawił się 4-bitowy procesor 4004 firmy Intel, później zastąpiony przez 8-bitowy układ 8008. Pojawił się on po małym Japończyku firma o nazwie Nippon Calculating Machine Ltd. (później Busicom Corp.) zamówił w Intelu łącznie 12 chipów. Firma potrzebowała tych chipów do swoich kalkulatorów, a logiczny projekt chipów został opracowany przez pracownika firmy klienta). W tym czasie opracowano nowy zestaw chipów dla każdego urządzenia, które spełniało wysoce wyspecjalizowane funkcje.Realizując zamówienie, Marshian Edward Hoff zaproponował zmniejszenie liczby chipów dla nowego urządzenia japońskiej firmy poprzez wprowadzenie zastosowania centralnego procesora. To on w zamyśle inżyniera miał stać się centrum przetwarzania danych i pełnić funkcje arytmetyczne i logiczne. Procesor miał zastąpić kilka mikroukładów jednocześnie. Zarząd obu firm zaakceptował ten pomysł. Jesienią 1969 roku, z pomocą Stanleya Mazora, Hoff zaproponował nową architekturę mikroukładów, której liczba została zmniejszona do zaledwie 4. Niektóre z proponowanych elementów to 4-bitowa jednostka centralna, pamięć ROM i pamięć RAM.
Sam procesor mógł zostać zaprojektowany przez Federico Fagina, włoskiego fizyka, który został głównym projektantem rodziny MCS-4 w firmie Intel. To on dzięki znajomości technologii MOS mógł stworzyć procesor realizując pomysł Hoffa. Nawiasem mówiąc, opracował również pierwszy na świecie komercyjny mikroukład, który wykorzystywał technologię bramki krzemowej. Nazywała się Fairchild 3708.
Fagin, będąc pracownikiem Intela, był w stanie stworzyć nową metodę projektowania dowolnych układów logicznych. W jego pracy asystował mu Masatoshi Shima, który był wówczas inżynierem w Busicom. Fagin i Sima opracowali następnie mikroprocesor Zilog Z80, który, nawiasem mówiąc, jest nadal produkowany.
Architektura procesora Intel 4004
Ale najważniejsza rzecz wydarzyła się 15 listopada 1971 r. Jest to data wprowadzenia pierwszego mikroprocesora Intela, układu 4004. Jego koszt w tamtym czasie wynosił 200 dolarów. W jednym chipie zaimplementowano prawie wszystkie funkcje procesora mainframe. Zostało to ogłoszone w listopadzie 1971 w magazynie Electronic News.
Specyfikacje procesora:
- Data pojawienia się: 15 listopada 1971
- Liczba tranzystorów: 2300
- Powierzchnia kryształu: 12mm²
- Proces produkcyjny: 10 µm (technologia MOS z kanałem krzemowym typu P)
- Częstotliwość zegara: 740 kHz (dokładnie od 500 do 740.740 ... kHz, ponieważ okres zegara wynosi 2..1.35 µs (lub 92.6 kHz?)
- Szerokość rejestru: 4 bity
- Liczba rejestrów: 16 (16 cztery bity mogą być użyte jako 8 osiem bitów)
- Liczba portów: 16 4-bitowych wejść i 16 4-bitowych wyjść
- Szerokość magistrali danych: 4 bity
- Szerokość magistrali adresowej: 12 bitów
- Architektura Harvardu
- Stos: wewnętrzny 3-poziomowy
- Pamięć instrukcji (ROM/ROM): 4 kilobajty (32768 bitów)
- Pamięć adresowalna (RAM/RAM): 640 bajtów (5120 bitów)
- Liczba instrukcji: 46 (z czego 41 to instrukcje 8-bitowe, a 5 to instrukcje 16-bitowe)
- Cykl instrukcji: 10,8 mikrosekund
- Napięcie zasilania: -15 V (pMOS)
- Temperatura pracy: od 0 do +70C
- Warunki przechowywania i eksploatacji: od -40 do +85C
- Złącze: DIP16 (mikroukład został bezpośrednio wlutowany w płytkę drukowaną lub zainstalowany w specjalnym gnieździe)
- Obudowa: 16-pin DIP (1 plastikowy lub 3 ceramiczne, np. C4004(biała ceramika z szarymi paskami), C4004(biała ceramika), D4004(czarna/szara ceramika), P4004(czarny plastik))
- Rodzaj dostawy: osobno oraz w zestawach MCS-4 (ROM, RAM, I/O, CPU)
Procesor 4004 nie stał się zbyt popularny. Chip 8080., który można nazwać „prawnukiem” 4004., zaczął być używany wszędzie.
Kalkulatory i komputery
W 1971 Intel miał konkurentów. Na przykład firma Mostek, która opracowała półprzewodniki i oparte na nich urządzenia, stworzyła pierwszy na świecie „kalkulator na chipie”, MK6010.W czerwcu 1971 firma Texas Instruments rozpoczęła kampanię medialną podkreślającą zalety swojego procesora. W tamtym czasie Datapoint 2200 oparty na TMX 1795 był opisywany jako "potężny komputer, który przewyższa oryginał", co oznacza, że możliwości Datapoint 2200 opartego na TMX 1795 były znacznie lepsze niż Datapoint 2200 opartego na bipolarnym tranzystory. Ale STS, po sprawdzeniu działania nowego chipa, odrzucił go, kontynuując stosowanie chipów bipolarnych. Intel nadal pracował nad własnym procesorem.
Po pewnym czasie TI, przekonane, że nie ma zapotrzebowania na TMX 1795 (później TMC 1795), zakończyło kampanię medialną i wstrzymało produkcję systemu. Ale to właśnie ten układ przeszedł do historii jako pierwszy 8-bitowy procesor.
W 1971 roku CTC straciło zainteresowanie pojedynczym procesorem do swoich systemów, przenosząc wszystkie prawa do nowego układu na firmę Intel. Firma nie odrzuciła tej okazji i nadal rozwijała chip 8008, z powodzeniem oferując go wielu innym firmom. W kwietniu 1972 roku była w stanie dostarczyć setki tysięcy takich procesorów. Dwa lata później procesor 8008 został zastąpiony nowym 8080, po którym nadszedł 8086 i rozpoczęła się era systemów x86. Teraz, pracując na potężnym komputerze stacjonarnym lub laptopie, warto pamiętać, że architektura takiego systemu została opracowana wiele lat temu dla programowalnego terminala Datapoint 2200.
Intel zastosował wtedy bardziej zaawansowaną technologię, która zapewniła przewagę jego procesorom. Były szybkie i stosunkowo ekonomiczne pod względem zużycia energii. Dodatkowo gęstość tranzystorów w układach Intela była wyższa niż w układzie TI, co umożliwiło zmniejszenie rozmiarów procesorów. Ponadto ważną rolę odegrał również marketing, w tym obszarze Intel również wykonał szereg udanych kroków, które zapewniły popularność opracowaniom firmy.
Tak czy inaczej, sytuacja z wyższością w rozwoju pierwszych procesorów nie jest tak jednoznaczna, jak się powszechnie uważa. Było tu kilku pionierów na raz, ale później rozwój tylko jednego z nich stał się popularny. Właściwie ze zmodernizowanymi „potomkami” tej technologii wszyscy mamy do czynienia dzisiaj, w XXI wieku.
Tagi: Dodaj tagi
