Мікропроцесор Intel 4004: опис, характеристики. Історія процесорів

Федеріко Фаджін приєднався до компанії Intel, щоб перетворити бачення Теда Хоффа на кремнієву реальність. Менш ніж за рік він та його команда створили мікропроцесор 4004, який був представлений у листопаді 1971 р. Першою серйозною проблемою для Фаджіна стала розробка методології використання нової технології кремнієвих затворів. Це дозволило інакше створювати складні схеми. Оскільки нічого подібного раніше ніхто не робив, довелося все починати з нуля. І Федеріко Фаджін це вдалося - він самостійно розробив чіп всього за 9 місяців 1970 р. Це фантастично короткий термін порівняно з процесорами «Інтел» наступних поколінь. Наприклад, для створення 32-розрядного чіпа вже знадобилося 100 людино-років.

Конструктивне виконання

Дизайн на основі кремнієвих затворів, створений Федеріко Фаджіном, зробив перший мікропроцесор реальністю в 1971 р. Він був незвичайним, тому що інтеграція такої складності ніколи раніше не досягалася. Фаджин зміг розробити процесор Intel 4004 тільки завдяки своїм інноваціям у МОП-технології виробництва Початкове завантаження та прихований контакт стали ідеями, які лягли в основу вперше застосованої ним методології проектування, дозволили врятувати архітектуру Хоффа та реалізувати її в 1970 р. Без цього вона була б неможлива тому що результат був би занадто повільним і дорогим, щоб мати практичне застосування. Таким чином, винахід не полягало в розробці моделі простого ЦПУ, нестачі в яких на той час не було, але у створенні та впровадженні технології, яка вперше дозволила розмістити на одному кристалі всі функціональні блоки процесора.

Тед Хофф сподівався, що запропонована ним архітектура та набір команд можуть бути розміщені на одному кристалі. Однак він не міг оцінити здійсненність проекту або втілити його, оскільки не був МОП-розробником. Саме Федеріко Фаджін винайшов дизайн і компоновку 2300 транзисторів довільної логіки на кристалі розміром всього 3х4 мм, недорогим, з 5-кратною швидкістю роботи і вдвічі більшою щільністю розміщення елементів, ніж у технології МОП, що існувала на той час.

Методологія Фаджіна стала проривом та використовувалася у всіх ранніх мікропроцесорах компанії. Італійський інженер привів проект до успішного завершення та зіграв роль у просуванні нового процесора Intel, продемонструвавши керівництву компанії, що чіп може використовуватися не лише у калькуляторах.

Технічні характеристики

Специфікації процесора Intel 4004:

• Площа кристала: 12 мм2.
• Максимальна тактова частота: 740 кгц.
• Час циклу: 10,8 мкс (8 тактів/цикл команди).
• Час виконання команди - 1 або 2 цикли команди (10,8 або 21,6 мкс), 46300-92600 команд в секунду.
• Додавання двох 8-значних чисел (по 32 біти кожне) займає 850 мкс, тобто 79 циклів команд, близько 10 циклів на десяткову цифру.
• Роздільне зберігання програм та даних. На відміну від дизайнів на основі тих, що використовують окремі шини, в 4004 є одна мультиплексована 4-бітна шина для передачі 12-розрядних адрес, 8-бітних команд і 4-бітних слів даних.
• Пряма адресація 51220 біт (640 байт) ОЗУ, організованого у вигляді 1280 4-розрядних «символів», з яких 1024 представляють дані та 256 – стан.
• Пряма адресація 32768 біт ПЗП (4096 байт).
• Набір з 46 команд (з яких 41 шириною 8 біт та 5 - 16 біт).
• 16 регістрів по 4 біти.
• Внутрішній стек підпрограм завглибшки в 3 рівні.

Замовлення Busicom

Комп'ютер із збереженою програмою, що використовувався як калькулятор у 1950-х і 1960-х роках, був одним з кращих досягнень повоєнної епохи і був знайомий усім інженерам, що працюють у напівпровідниковій промисловості.

У 1969 р. японський виробник калькуляторів Busicom звернувся до компанії Intel, щоб втілити у кремнії їхній логічний дизайн для серії калькуляторів. Їх підхід повторював реалізацію першого у світі настільного програмованого калькулятора Olivetti's Programma 101, представленого на Всесвітньому ярмарку в Нью-Йорку в 1965 р., що надійшов у продаж у тому ж році. Programma 101 мав ЦПУ (центральний процесорний пристрій) і з послідовним читанням та записом, які були виконані з дискретних компонентів, компанія Busicom запропонувала аналогічну архітектуру, що передбачала реалізацію процесора на трьох МОП-мікросхемах, ПЗУ та регістру ще на двох, з двома іншими чіпами вводу-виводу.

Архітектура MCS-4

Керівник відділу прикладних досліджень Тед Хофф визнав, що складність дизайну Busicom полягала у використанні послідовної пам'яті, і оскільки Intel розробляла свою першу динамічну ОЗУ (оперативний пристрій), він бачив, що конструкцію можна суттєво спростити, використовуючи традиційну і більш універсальну комп'ютерну архітектуру, засновану на ОЗУ. За допомогою Стен Мазор і завдяки взаємодії з інженерами Busicom, серед яких був Масатоші Сіма, Хофф сформулював архітектуру MCS-4, скоротивши дизайн з 7 до 4 чіпів. Хофф вважав, що ЦПУ можна було б реалізувати в одному 4-бітному мікропроцесорі, але ні він, ні Мазор були МОП-розробниками, і у Intel не було фахівців, здатних створювати складні ІС з довільною логічною структурою. Тому пропозиція Хоффа простоювала близько 6 місяців, поки у квітні 1970 року не було прийнято на роботу Федеріко Фаджін, який і очолив цей проект.

Інноваційна технологія

Федеріко Фаджін перейшов в Intel з Fairchild Semiconductor, де в 1968 р. він розробив МОП-технологію з кремнієвими затворами і створив на її основі першу у світі комерційну інтегральну схему 3708. 40 років була базовою структурою, яка використовувалася майже у всіх мікросхемах. співзасновник компанії «Інтел» визнав, що основним компонентом її раннього успіху став саме цей крок. МОП-технологія з кремнієвими затворами забезпечила конкурентоспроможні характеристики Intel 4004: чіп був приблизно в 5 разів швидше, мав у 100 разів менший витік переходу і вміщував у 2 рази більше логічних транзисторів довільного типу порівняно з чіпом того ж розміру, виготовленого з алюмінієвими затворами і розсіював рівну потужність. Це дозволило створювати перші комерційно успішні динамічні ОЗУ, датчики зображення з ПЗЗ-матрицею (прилади із зарядним зв'язком), енергонезалежні пристрої та мікропроцесори. Вперше історія процесор містив всі компоненти комп'ютера загального призначення.

Створення нового дизайну та макету

Тед Хофф був конструктором МОП-схем. Його роль полягала у створенні архітектури та подальшій підтримці продуктів. Після визначення набору команд проект було передано команді МОП-розробників, яку очолює Федеріко Фаджін. Роботи велися дуже швидко, і приблизно за 9 місяців було створено 3 основні чіпи. Останнім із них у січні 1971 року з'явився мікропроцесор Intel 4004.

За словами Стен Мазор, заслуга Фаджіна полягала в тому, що він здійснив інженерний дизайн, а Хоффа - у створенні оригінальної концепції та архітектури. Сам Мазор був свого роду посередником, який допомагав як міг і робив те, що міг.

Федеріко Фаджін розробив методологію проектування МОП-структур із кремнієвим затвором, що використовується у довільних логічних схемах. Це було необхідно, оскільки нова технологія вимагала іншого дизайну, особливо макета.

За словами Фаджіна, він вирішив, що замість того, щоб окремо проектувати логіку, а потім схему, слід робити їх разом на одному аркуші. При цьому необхідно враховувати розташування, наскільки це можливо, щоб провідники та транзистори розташовувалися якомога ближче до остаточного компонування. Вочевидь, цього потрібно було попередньо провести загальне планування чіпа, щоб знати розміщення різних блоків. Саме тоді він і уточнив методологію створення такого типу схем.

Проектування нового процесора Intel та керівництво проектом MCS-4 з початку розробки до виробництва міг подужати лише той, хто був здатний впроваджувати інновації у технологію процесу, макетування мікросхем, схемотехніку, логічний дизайн та комп'ютерну архітектуру. Фаджин набув таких навичок та знань через свою освіту та досвід роботи до того, як він приєднався до Intel. Після закінчення технічного вишу у Віченці (Італія) він брав участь у розробці та створенні невеликого транзисторного експериментального комп'ютера з пам'яттю на магнітних сердечниках у компанії Olivetti у Борголомбардо (Італія) у віці 19 років. Потім він з відзнакою закінчив Університет Падуї і зайнявся розробкою технології МОП, створивши дві комерційні мікросхеми, коли працював у SGS-Fairchild (тепер ST Micro). У 1968 р. він був направлений у Fairchild Semiconductor R&D у Пало-Альто (Каліфорнія), де створив технологію МОП із кремнієвим затвором та ін.

Реальні інновації

Концептуалізація першого процесора, що стала основним внеском Хоффа у проект 4004, відбувалася й інших компаніях. Такого ж висновку дійшли кілька груп незалежно одна від одної. Тому головним у винаході мікропроцесора було створення економічно обґрунтованого продукту. Тільки одна людина у світі знала, як зробити наступний крок та перевести архітектуру у робочий дизайн. Це був Федеріко Фаджін. Без нього перший мікропроцесор ніколи не був побудований. Ще в Fairchild він винайшов технологію, що лягла в основу майбутніх пристроїв. Після початку роботи в компанії «Інтел» він виправив помилки відсутнього Хоффа, а потім зробив перший чіп Intel 4004, після чого очолив розробку 8008 і був головним архітектором 8080.

Тоді інженери знали, як створювати невеликі комп'ютери, робити логічний дизайн ЦПУ і створювати програми. Ідея про мікропроцесор, тобто про розміщення на одному кристалі універсального комп'ютера, теж витала в повітрі. Деякі архітектури вже були реалізовані на кількох МОП-мікросхемах. Тим не менш, ніхто не знав, як встановити 2300 транзисторів довільної логіки - мінімально необхідну кількість для простого процесора - в мікросхему досить маленького розміру, щоб виробництво було дешевим, швидкість роботи була високою, а потужність, що розсіюється, достатньою для розміщення в існуючих корпусах.

Таким чином, реальна інновація в процесорі полягала в його компонуванні на одному кремнієвому чіпі, оскільки все інше було зроблено раніше. І це вдалося Фаджіну без будь-якої значущої допомоги з боку Теда Хоффа та Стена Мазора.

Єдиний, хто йому допомагав, - це інженер Busicom Масатоші Сіма. Він прийшов у Intel, щоб перевірити прогрес виконання замовлення через пару днів після того, як Фаджін був найнятий на роботу. Він зрозумів, що за попередні 6 місяців не було досягнуто жодного прогресу. Враховуючи затримку в проекті та відсутність будь-якого інженера Intel, здатного допомогти, Сімі було дозволено залишитись на 6 місяців, щоб прискорити роботу. Однак він мало знав про і, хоча він був дуже корисним, всі творчі рішення приймав Фаджін. Начальник останнього, Леслі Вадаш, був такий стурбований дизайном 1103 (першим 1024-бітним динамічним ОЗУ, що вважалося майбутнім Intel), що не міг забезпечити технічний контроль над проектом MCS-4. Після успіху з 4004 Фаджин керував впровадженням 8008, а також задумав та визначив архітектури найуспішніших з усіх перших процесорів – 4040 та 8080.

Сумніви розробників

За словами Стен Мазор, він і Тед Хофф вважали, що Intel 4004 був занадто агресивним. Вони не були впевнені, що його можна зробити, тому почали з іншого чіпа, названого 4005. Це був спільний проект із MIL, який був партнером Intel у Канаді. Вони визначили набагато простішу архітектуру, ніж 4004. Канадська компанія мала розробити чіп, а Intel - надати пам'ять. Виявилося, що вона не змогла зробити 4005.

Хофф і Мазор у 1994 р. не були впевнені у можливості реалізації 4004. Ось чому через кілька місяців після того, як Фаджін приєднався до Intel, вони створили простішу архітектуру 4005 та віддали у канадську компанію MIL для розробки. Але інженерам MIL процесор зробити не вдалося. Стало зрозуміло, що навіть створення простого чіпа було далеким від рутинної роботи. Крім того, Хофф і Мазор сумнівалися, що 4004 може стати в нагоді для додатків, відмінних від калькуляторів, касових апаратів і т.п. Вони думали, що тільки 1201, а пізніше і 8008 будуть мати досить універсальну архітектуру, щоб використовуватись у різних додатках. Після завершення проекту 4004 Фаджін продемонстрував, що мікропроцесор може застосовуватися у різних системах управління та закликав керівництво вивести Intel 4004 на ринок.

Невдачі з 8008

Іншим прикладом, що доводить те, наскільки необхідною була методологія Фаджіна, є Intel 8008, архітектура якого спочатку розроблялася корпорацією Computer Terminal Corporation (CTC). Робота над чіпом, спочатку названим 1201, почалася до того, як Фаджин приєднався до Intel, але проект, призначений розробнику процесорів з довільною логікою, який перейшов з General Instrument, далеко не просунувся, тому що в той час була відсутня будь-яка методологія та бібліотеки схем. Роботи над 8008 були припинені та відновилися лише у рік випуску Intel 4004.

Мікропроцесор TI

Ще одним прикладом є перший одночиповий ЦПУ, який став другим джерелом для 8008 замовлених CTC у компанії Texas Instruments. Оголошений у пресі в середині 1971 року, лише через кілька місяців після успішного створення 4004, цей процесор так ніколи і не заробив і ніколи не продавався. Він був створений з використанням МОП-технології із металевим затвором компанією, яка мала багаторічний досвід розробки ІС зі складною довільною логікою. Порівняно з процесором «Інтел-8008», розмір чіпа ТІ був удвічі більшим, забезпечуючи виконання тих самих функцій. Швидкість роботи і потужність, що розсіюється, ніколи не оприлюднилися.

Приклад для наслідування

Після того, як проект 4004 був завершений, інші інженери, як усередині, так і поза компанією Intel, змогли вивчити методи, що використовуються Фаджином, дослідивши дизайн під мікроскопом. Цей стиль використовувався у всіх інших ранніх мікропроцесорах Intel і Zilog.

На закінчення

4004 став першим в історії процесором, зробленим за технологією кремнієвого затвора. Це була передова інтегральна мікросхема того часу. Її створення вимагало не лише екстраординарних творчих здібностей та навичок від дизайнера, а й глибокого знання нової технології, яке міг мати лише її розробник. Крім того, для успішного завершення проекту, який потрібно завершити за 10 місяців через попередні невиконані зобов'язання перед клієнтом, була потрібна велика мужність, мотивація, навички управління та стійка напружена робота.