Рождение микропроцессора

Intel 4004 считается первым микропроцессором, иными словами, первым универсальным компьютером на чипе, но его создание Intel сводилось к сочетанию тяжелой работы, правильного выбора времени и просто удачи.

История этого чипа действительно начинается в 1969 году, когда японская компания под названием Nippon Calculation Machine Corporation (но известная как Busicom, после названия ее калькуляторов) заключила контракт с Intel на создание чипов, необходимых для нового калькулятора. Busicom была сравнительно небольшой калькуляторной компанией, которая теряла долю на быстро консолидирующемся рынке и нуждалась в новом решении. И Intel был стартапом, основанным в 1968 году, в котором работало около 200 человек, и в основном он занимался созданием чипов памяти.

Оба нуждались в чем-то новом.

Сооснователь Intel, а затем генеральный директор Роберт Нойс посетил Японию в конце 1968 года в поисках клиентов. У Нойса была встреча с Sharp, тогда одним из лидеров в калькуляторах, но у Sharp уже были действующие контракты. Так, Тадаши Сасаки из Sharp говорит, что он представил Noyce президенту Busicom Йошио Кодзиму, и именно так Intel получила контракт на создание чипов для калькулятора Busicom.

Марсиану Эдварду «Теду» Хоффу, который присоединился к Intel в качестве сотрудника № 12 в 1968 году, было поручено создавать продукты, которые позволят людям переключаться со старой памяти ядра на новые чипы памяти Intel. По его словам, первый заказной проект Intel должен был быть реализован для компании, которую она назвала Electro Technical Industries, но которая больше всего называлась Busicom.

По словам Масатоши Шимы, молодого инженера в Busicom, которому суждено стать важной частью команды разработчиков, компания планировала создать серию микросхем общего назначения, которые будут использоваться не только для настольного калькулятора, но и для настольного компьютера. бизнес-автомат, такой как биллинг, кассовый аппарат и банкомат ". Но Busicom не сказал Intel об этом в то время, «потому что это был конфиденциальный вопрос между Busicom и NCR Japan», поэтому Intel решила, что цель состоит в том, чтобы просто создать более мощный калькулятор.

Первоначальный контракт был подписан в апреле 1969 года, а в конце июня Шима и два других инженера Busicom прибыли в Intel. В первоначальном плане инженеры Busicom разрабатывали серию микросхем LSI, а Intel - микросхемы, используя технологию MOS (металл-оксид-полупроводник). Intel должна была получить 100 000 долларов за создание наборов микросхем, а затем 50 долларов за каждый изготовленный набор, причем Busicom выделит не менее 60 000 единиц.

Шима говорит, что его команда предложила сделать девять видов микросхем LSI, но по большинству счетов это вскоре стало предложением с 12 микросхемами, при этом для некоторых микросхем требовалось от 3000 до 5000 транзисторов каждый - огромная сумма для 1969 года, когда в стандартном калькуляторе было шесть микросхем, каждый из которых имел от 600 до 1000 транзисторов. Хофф посмотрел на планы и подумал, что чипы слишком сложны, чтобы их изготовить, и «что мы не сможем изготовить эти вещи по ценам».

Хофф посмотрел на дизайн и имел множество концепций, включая переход от десятичной арифметики к двоичной арифметике с использованием более универсального чипа с простым набором инструкций.

Хофф подумал, что план Busicom был слишком сложным, и вместо этого предложил создать логическую микросхему общего назначения, в которой большая часть инструкций программного обеспечения хранится на микросхемах памяти. Как цитирует Лесли Берлина « Человек за микрочипом» (2006, Oxford University Press), Хофф обратился к генеральному директору Intel Нойсу и объяснил свою концепцию, которая будет состоять из одного микропроцессора, двух микросхем памяти и сдвигового регистра. «Я думаю, что мы можем сделать что-то, чтобы упростить это», сказал Хофф. «Я знаю, что это можно сделать. Это можно сделать, чтобы подражать компьютеру». Хотя ему официально не было поручено разрабатывать микросхемы для машины, Нойс дал ему разрешение продолжить работу над концепцией.

Хофф работал над концепциями летом, и вместе с инженером Стэнли Мазором Хофф создал блок-схему архитектуры. Это будет 4-битная двоичная логическая микросхема (в отличие от десятичной схемы Busicom), и она будет хранить программы для выполнения функций калькулятора на микросхеме памяти, что было специальностью Intel в то время.

Есть несколько разных воспоминаний о том, как Шима и команда Busicom отреагировали на эту концепцию. По словам Хоффа, цитируемой в книге Майкла С. Мэлоуна « Intel Trinity» (2014, HarperBusiness): «Поэтому я сделал несколько предложений японским инженерам, чтобы сделать что-то в этом направлении [архитектура общего назначения] - и они были не менее заинтересованы. Они сказали, что признали, что дизайн был слишком сложным, но они работали над упрощением, и они собирались разрабатывать калькуляторы и ничего больше. Они просто не были заинтересованы ».

Масатоши Сима из Busicom, который руководил проектом из кубика Busicom, вспоминает его немного по-другому. В устной истории он сказал: «Я чувствовал, что предложение Хоффа было хорошим, но если мы приняли предложение Хоффа таким, каким оно было, мы должны были снова выполнить проект с самого начала». Сима отметил все детали, которых у Хоффа еще не было.

В августе Нойс направил записку президенту Busicom Йоши Кодзиме, предупреждая его о том, что из-за сложности конструкции Busicom «не было никакой возможности, что мы могли бы изготовить эти устройства за 50 долл. / Комплект, даже для самого простого комплекта», и предположил, что фактическая стоимость будет быть около 300 долларов.

За этим последовало официальное письмо в Busicom и встреча двух компаний в октябре, на которой Busicom решил использовать дизайн Intel. Но для согласования официального контракта потребуется до февраля 1970 года.

Роль Фаггина

Busicom ожидал, что Intel работает над новым планом, и предложил, чтобы к тому времени, когда Шима, вернувшийся в Японию, прибыл с визитом 7 апреля 1970 года, у компании должна быть практически завершенная принципиальная схема. Но у Intel были проблемы с другие чипы и переживают спад в отрасли и не добились никакого прогресса. Другими словами, он имел концепцию микросхем, включая блок-схемы того, как чипы должны работать, а не фактическую конструкцию микросхем: технические детали того, как транзисторы будут совмещаться и могут быть изготовлены.

Чтобы возглавить этот процесс, Intel наняла Федерико Фаггина из Fairchild Semiconductor. Как он описывает это, он присоединился к компании на той неделе, и одной из его первых задач было встретиться с Шимой и объяснить, что у Intel не было готовых чипов. «Теперь у меня было задание, когда я опаздываю на шесть месяцев на следующий день после начала», - сказал он.

Как Фаггин описал это в своей истории о рождении микропроцессора: «Я работал не покладая рук, от 12 до 16 часов в день. Сначала я решил оставшиеся архитектурные проблемы, а затем заложил основы стиля дизайна, который я буду использовать для Набор микросхем. Наконец, я начал разработку логики и схем, а затем компоновку четырех микросхем. Мне нужно было разработать новую методологию для проектирования случайной логики с технологией кремниевых затворов; этого никогда не было ».

Он тесно сотрудничал с Шимой, который был новичком в разработке MOS, но работал над чипами LSI, и вместе они создали чипы, которые станут семейством MCS-4. Модель 4001 представляла собой 2048-битный чип памяти ПЗУ, предназначенный для программирования. 4002 был 320-битным чипом оперативной памяти, предназначенным для кэширования данных. 4003 был 10-битным регистром ввода-вывода для подачи данных в главный процессор и удаления результата. И, наконец, модель 4004 была 4-битным центральным логическим процессором.

По общему мнению, это была невероятная попытка: Фаггин и Шима разрабатывали чипы гораздо быстрее, чем обычно. Различные чипы были в разных частях процесса в разное время, и в конце декабря первые версии были готовы. Как обычно, для этого потребовалась некоторая доработка, но к марту Фаггин отправил первый полностью исправный 4004 Шиме, который к тому времени вернулся в Японию. В итоге 4004 был одним кремниевым чипом, который измерял одну восьмую на одну шестую дюйма с 2250 отдельными элементами схемы.

По словам Фаггина, «от идеи до полностью работающего продукта ушло чуть меньше года». По словам Шимы, «исходя из общей идеи Busicom, она [разработка] длилась около двух лет и трех месяцев. И в апреле 1971 года настольный калькулятор наконец-то заработал публично. Я был так взволнован!»

Intel получает права

В первоначальном контракте на чип, Busicom владел исключительными правами на 4004. Но к весне 1971 года рынок калькуляторов пришел в упадок, и Busicom захотел пересмотреть условия контракта. Хотя в Intel были некоторые опасения по поводу размера рынка и того факта, что Intel тогда была компанией, занимающейся производством памяти, а не компанией, занимающейся процессами, Faggin, Hoff и Mazor оказали давление на других сотрудников компании, чтобы те вернули себе права на продажу чипа. другим клиентам.

Как вспоминает Хофф: «Один из аргументов, которые я получил от маркетологов, касался того времени, когда я говорил:« Вы должны получить право продавать его », - сказал:« Послушайте, они продают только около 20 000 мини-компьютеров в год И мы опаздываем на рынок, и вам повезет получить 10 процентов от этого. Это 2000 фишек в год ». И они сказали: «Это просто не стоит головных болей поддержки и всего для рынка всего в 2000 фишек».

В конце концов Noyce подписал соглашение, и Intel законно смогла продать чип другим компаниям, за исключением конкурентов Busicom.

Но 4004 никогда не находил большой аудитории среди других клиентов, отчасти из-за своих ограничений - это был только четырехбитный процессор с ограниченной памятью. В то время как Intel официально анонсировала этот чип в выпуске « Электронных новостей» от 15 ноября 1971 года под заголовком «Новая эра в интегрированной электронике», в копии его было объявлено «микропрограммируемый компьютер на чипе». Но индустрия и сама Intel собирались перейти на более новые и лучшие процессоры.

8008 - переход на 8-битные вычисления

Вскоре после того, как Busicom обратился к Intel с просьбой изготовить микросхемы для своего калькулятора, Computer Terminals Corporation (CTC), позже получившая название Datapoint, запросила у Intel предложение по микросхемам для нового компьютерного терминала - экрана и клавиатуры, предназначенных для подключения к удаленному компьютеру., И снова Хофф и Мазор предложили микропроцессор для обработки логики.

Между 4004 и 8008 было несколько существенных различий, хотя они появились совсем недавно. Начнем с того, что 8008 был 8-битным микропроцессором, который сделал его достаточно большим, чтобы работать с 8 битами данных - достаточно для одного «байта» или одного символа - за один раз. Кроме того, в отличие от 4004, для которого требовались собственные специальные микросхемы памяти, 1201 был разработан для использования стандартной памяти.

Проект начался в декабре 1969 года со встречи с Эндрю Гроувом, на которой Datapoint попросил чипы для 8-битного компьютера. По словам Мазора, он сделал три предложения для Datapoint - два варианта 8-разрядного «стека регистров» и «весь 8-разрядный процессор на одной микросхеме». К этому моменту Мазор и Хофф уже работали над проектом Busicom, который будет включать 4004.

Примерно в то же время Datapoint, по-видимому, обратился к Texas Instruments за аналогичным дизайном. В некоторых высказываниях Datapoint перенес схему Хоффа и Мазора в Даллас, где идея начала превращаться в программу развития в полупроводниковой лаборатории TI.

Мазор говорит, что, по его мнению, весьма вероятно, что TI изначально предложила мультичиповый набор, а затем Datapoint представила предложение Intel для TI, поэтому TI попыталась создать чип с этой спецификацией. Но Мазор говорит, что чип TI не мог работать, потому что его спецификация имела «дефект».

Intel наняла Хэла Фини в марте 1970 года для работы над конкретным дизайном чипа, тогда известного как 1201, так же, как Фаггин работал над 4004; и действительно, каждый помог на другом проекте. Работа над 1201 продолжалась до середины 1970-х, но тогда Intel беспокоился о том, будет ли Datapoint действительно использовать этот чип, поэтому работа была приостановлена, в то время как Mazor и другие работали больше над 4004.

Texas Instruments разработала чип в марте 1971 года, который должен был пройти за пару месяцев до того, как 4004 заработал, и фактически анонсировала свой чип в июле 1971 года, за несколько месяцев до объявления 4004. Но этот чип, видимо, никогда не поставляется.

Но объявление TI подтолкнуло Intel, и в частности Grove, удвоить свои усилия на 1201. В конце концов, Datapoint не использовал ни чипы Intel, ни TI. Вместо этого, к тому времени, когда Intel завершила разработку, Datapoint 2200 был представлен с использованием традиционных чипов TTL.

Даже если Datapoint не интересовался, Intel начал интересоваться другими компаниями, такими как Seiko, которые хотели создать 8-битный научный калькулятор.

Примерно в этот момент Intel стала более серьезно задумываться о наименовании. Первоначальная схема именования Intel была основана на различных видах деталей, которые она создавала, поэтому у каждого чипа в семействе были разные номера. Фаггин говорит, что он придумал название для семьи 4000, потому что оно было более последовательным. Таким образом, после введения 4004, отдел маркетинга изменил 1201 на 8008, чтобы отразить его как 8-битный чип, и именно так назывался 8008, когда он был представлен в апреле 1972 года. Эти 8008 привели к большим усилиям Intel по маркетингу микропроцессоров. и привел к созданию группы микрокомпьютерных систем и созданию плат и систем разработки. Это, в свою очередь, безусловно, помогло ускорить создание ряда 8-битных устройств, в том числе некоторых машин, которые были ранними микрокомпьютерами.

Кто заслуживает кредита?

За прошедшие годы было много споров о 4004, его месте в качестве первого микропроцессора и о заслугах, которых заслуживал каждый из участников.

История интегральных микросхем - это история дальнейшей и дальнейшей интеграции, поэтому идея о том, что в конечном итоге вы могли бы поместить все нужные функции в «процессор на кристалле», наверняка была к концу 1960-х годов.

Корпорация Intel не была одинока в признании необходимости в процессоре общего назначения, так как было слишком много клиентов, которые хотели, чтобы процессоры разработали собственный чип для каждого из них. Позже Хофф и Нойс писали бы: «Если бы это продолжалось… количество необходимых цепей увеличилось бы за пределы числа конструкторов схем. В то же время относительное использование каждой схемы упало бы…. Повышенная стоимость конструкции и уменьшенное использование помешали бы производителям амортизация затрат для большого числа пользователей и устранение преимуществ кривой обучения ".

«Люди говорили о компьютере на чипе в течение многих лет, - сказал соучредитель Intel Гордон Мур, - но это всегда было в будущем. То, что увидел Тед, было то, с какой сложностью мы уже работали, вы может на самом деле сделать интегральную схему, как это сейчас. Это был настоящий концептуальный прорыв ".

И даже Тед Хофф иногда преуменьшал важность концепции. «Фактическое изобретение микропроцессора было не так важно, как просто понимание того, что для такой вещи существует рынок».

Но были и другие претенденты на звание первого микропроцессора. Texas Instruments фактически анонсировала «CPU-on-a-chip» в апреле 1971 года, изначально разработанный как контрактный чип для Computer Terminal Corporation (позже Datapoint). Это, очевидно, никогда не работало, и на самом деле Intel работала над чипом для CTC с той же спецификацией; это было известно как 1201 и в конечном итоге было переименовано в 8008. Возможно, что еще более важно, к концу 1971 года инженер по приборам из Техаса Гэри Бун и Майкл Кокрейн изготовили первый прототип интегральной схемы, которая включала в себя схему ввода-вывода, память и центральное устройство. Процессор все в одном чипе, в отличие от четырехчипового набора MCS-4. Известный как TMS1000, он первоначально использовался в калькуляторе TI и стал коммерчески доступным в 1974 году. Бун получил патент на свой процессор в 1973 году, а позже Бун и Кокран получили патент на компьютер на чипе.

Патентный поверенный Intel скептически относился к крупным претензиям и сопротивлялся желанию Хоффа запатентовать произведение как «компьютер», потому что это было бы очень сложно и потому что у других была идея поставить компьютер на чип. По словам Хоффа, «он сказал, что они того не стоят, и, по сути, в то время он отказался писать патент». Вместо этого они подали более конкретные и более ограниченные патенты. Intel получила два патента: Хофф, Мазор и Фаггин получили один на «Систему памяти для многочипового цифрового компьютера», охватывающую организацию внешней шины и схему адресации памяти чипсета Intel MCS-4, в то время как Фаггин получил один для цепи, которая могла бы сбросить процессор при включении питания.

Спустя годы изобретателю Гилберту Хайятту будет выдан патент на микропроцессор, который он подал в 1970 году на основании изобретения, которое, по его словам, он сделал в 1968 году в своей компании Microcomputer Inc. Но, похоже, это не было сделано. Тем временем, Fairchild, IBM, Signetics, Four-Phase и RCA также работали над микропроцессорными устройствами. Тем не менее, 4004 почти всегда считается первым микропроцессором.

Среди команды Intel также были разногласия по поводу разделения кредита. Большинство наблюдателей считают, что все четверо участвовали в создании чипсета, но это не всегда так.

Фаггин должен был покинуть Intel в конце 1974 года, всего через несколько месяцев после выпуска 8080 года, чтобы запустить Zilog, взяв с собой Шиму и других инженеров Intel, и, по словам Фаггина, этот разгневанный Энди Гроув из Intel. Мэлоун цитирует Фаггина, говоря: «Я помню, как он говорил мне:« Ты никогда не добьешься успеха, независимо от того, что ты собираешься делать. Тебе нечего будет сказать своим детям и внукам ». В этих словах подразумевалось, что у меня не будет никакого наследия в полупроводниках. Мне никогда не будут отдавать должное за то, что я сделал в Intel. Это было похоже на то, что он наложил на меня проклятие ».

Независимо от того, было ли это настолько драматично, похоже, что Intel отдает должное Хоффу, и это продолжается во многих историях. Например, как Т. Р. Рейд в «Чипе» (2001 г., «Случайные книги в мягкой обложке»), так и « Новые алхимики» Дирка Хансена (1983 г., «The Book Service Ltd») почти единолично доверяют Хоффу, как и биограф Grove Ричард Тедлоу. Действительно, Мэлоун говорит, что с тех пор Intel полностью отдала должное микропроцессору Хоффу, а Фаггину - всего лишь до 2009 года с премьерой «Настоящих революционеров» (2012, Diamond Docs, iLine Entertainment), документального фильма об основании Силиконовой долины., Но есть и другие истории, которые указывают на роль Фаггина (а также роли Шимы и Мазора, о которых все чаще забывают), возвращаясь к интервью, которое Хофф дал в 1980-х годах. В 1993 году в издании Intel, посвященном 25-летию компании, Хофф отдает должное этому решению и дает ему почти полное изображение страницы, но Фаггин был признан за то, что превратил «видение Хоффа в кремниевую реальность». В 1996 году, когда мы отмечали 25-летие микропроцессора на мероприятии в Comdex, Intel помогла мне связаться со всеми четырьмя создателями, которые получили награду PC Magazine Lifetime Achievement.

Действительно, кажется важным отдать должное всем четырем людям - Хоффу за его видение и основные концепции, Мазору за программирование и работу над блок-схемами, Шиму за создание логического дизайна и Фаггину за создание впечатляющего кремниевого дизайна для чипов. Вместе они создали первый микропроцессор общего назначения и тем самым создали основу не только для того, что станет индустрией персональных компьютеров, но также и для бесчисленного множества других электронных устройств. Буквально миллиарды микропроцессоров продаются каждый год - все гораздо сложнее, чем первоначальные 4004 - и без них наш современный электронный мир был бы невозможен.