Это был первый «настоящий» микропроцессор общего назначения, с возможностью программирования под любые вещи, и созданный на одном кристалле в виде микрочипа. Микропроцессор содержит в себе многие тысячи отдельных радиоэлементов. Идея объединить несколько дискретных элементов в единую схему пришла в 1958 году в голову сразу двум инженерам. Одного из них звали Роберт Нойс (позднее – вместе с Гордоном Муром в 1968 году основал фирму Intel, покинув свою предыдущую компанию) и он трудился директором Fairchild Semiconductors. Независимо от него Джек Килби (позднее – в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике за изобретение интегральной схемы) из Texas Instruments также придумал нечто, называемое интегральной схемой. В 1961 году компанией Fairchild Semiconductor Corporation было начато массовое производство микросхем. История микропроцессора 4004 фактически открывает историю Intel.
Немного истории
В конце 60-х годов многие талантливые инженеры уходили из Fairchild Semiconductor (впоследствии все эти фирмы-потомки Fairchild именовались не иначе как Fairchildren). В последнее время положение дел в Fairchild Semiconductor не нравилось многим её сотрудникам. Даже самые лучшие специалисты уходили из компании. Роберт Нойс и Гордон Мур 18 июля 1968 года основали свою компанию – Intel, став её первыми сотрудниками. Отцы-основатели не были новичками в полупроводниковой промышленности, ведь именно Роберт Нойс изобрел первую интегральную микросхему в 1959 году, а Гордон Мур возглавлял научные исследования и конструкторские разработки в фирме Fairchild Semiconductor. Хотя и Роберт Нойс, и Гордон Мур входили в число 8 основателей фирмы Fairchild, оба покинули эту фирму, когда она превратилась, по их мнению, в «погрязшую в бюрократизме и чинопочитании коммерческую структуру».Вскоре из Fairchild в новую фирму перешел и Энди Гроув, который стал четвертым по счету сотрудником компании. В то время Нойсу «меньше всего хотелось бы, чтобы структура Intel выглядела в глазах её сотрудников как неуклюжее сооружение, состоящее из искусственно возведённых барьеров и рогаток. Само собой подразумевалось, что в Intel не будет ни иерархической лестницы, ни роскошных кабинетов для начальства, ни знаков различия, ни автостоянок, закрытых для простых смертных, — словом, никаких символов избранности».
Именно эти люди наиболее известны и внесли большой вклад в становление процессоров. «Когда мы в Intel только начинали, я представлял себе будущую корпорацию как группу людей, объединенных общими интересами, — вспоминал Нойс в интервью, данном в 1988 г. — Это было предприятие, основанное на принципах сотрудничества, а не принуждения, сообщество единомышленников, а не армейское подразделение. Люди приходили к нам, чувствуя в себе определенные способности, при этом все прекрасно понимали, что вместе мы либо достигнем процветания, либо потерпим крах». Всё это, впрочем, не помешало Нойсу и Муру, уставшими от постоянных опозданий сотрудников к началу рабочего дня, ввести в 1971 году обязательную регистрацию тех, кто задерживался больше, чем на 4 минуты.
В начале своих славных подвигов, основателей Intel беспокоили те же проблемы, что и многие другие начинающие компании, а именно, где взять деньги на развитие. Для развития компании нужны были инвесторы. А для этого требовался бизнес-план фирмы. Это был, кстати говоря, один из самых интересных моментов в истории Intel: Нойс, будучи дома за пишущей машинкой, смог всего лишь на одной странице напечатать бизнес-план и в течение двух дней получить ни много ни мало – 2,5 миллиона долларов! Финансиста из Сан-Франциско, который ранее помогал создать Fairchild Semiconductor, а теперь поддержал и новое предприятие Нойса и Мура, звали Артур Рок.
Компания не сразу была названа как «Intel». К выбору имени будущей компании изначально подошли просто: назвать её в честь её же основателей, т.е. «Moore Noyce». Однако позже этот вариант сразу отпал: будущее имя компании уж слишком похоже на «more noise» («больше шума»), что больше подойдёт для компании аттракционов. В результате фирма получила название «MN Electronics». Позже было рассмотрено множество имён, вот некоторые из них:
- CALEX (California Electronics);
- ELCAL (Electronics of California);
- CALECOM (California Electronic Computer);
- ELCOM (Electronic Computer);
- CALCOMP (California Computer);
- DIGICOMP (Digital Computer);
- COMPTEK (Computer Technology);
- COMPUTEK (Computer Technology);
- ESSCOTEK (Electronic Solid State Computer Technology);
- ECTEK (Electronic Computer Technology);
- DISTEK (Digital Solid State Technology);
Изначальной целью основателей Intel было создание на базе полупроводниковых технологий более дешёвой и качественной альтернативы запоминающим устройствам на магнитных носителях. Задача была не из легких, так как в то время удельная стоимость памяти на транзисторах была примерно в 100 раз выше, чем на магнитных носителях. В апреле 1969 года на свет появилось первое детище Intel — биполярная микросхема ОЗУ емкостью 64 бита, которая пользовалась определенным успехом и была выполнена по 12-микронной технологии. В апреле 1970 года растущая компания приобретает для своей штаб-квартиры засаженные грушевыми деревьями 10 га земли в Сана Кларе (Калифорния). Новый адрес звучал достаточно зловеще: Гробовая улица (Coffin Road). Несмотря на это, в один прекрасный день 1969 года небольшая японская компания Busicom, занимающаяся производством калькуляторов, заказала у Intel 12 микросхем для своего нового продукта. Японцы прослышали, что у Intel самая передовая технология производства микросхем. Логический дизайн системы был разработан одним из сотрудников этой компании — Масатоси Симой. Такие микросхемы всегда предназначались для выполнения определённой работы, заложенной на аппаратном уровне. Для иных задач требовалось разрабатывать весь набор микросхем по новой схеме. Такой подход группе разработчиков Intel показался невыгодным.
Более того, в те старые времена, когда большинство читателей этой статьи ещё даже не родились, такие весьма трудоёмкие операции, как проектирование и тестирование схемы, выполнялись вручную. Инженеры вычерчивали различные варианты на миллиметровке, а чертёжники переносили их на специальную вощеную бумагу (восковку). Прототип маски изготовляли путем ручного нанесения линий на огромные листы лавсановой плёнки. Никаких компьютерных программ обсчёта схемы и её узлов еще не было. Проверка правильности производилась путём обвода всех «дорожек» схемы зеленым или желтым фломастером. Сама маска изготавливалась путем переноса чертежа с лавсановой пленки на «рубилит» — это огромные двухслойные листы рубинового цвета. Гравировка на рубилите тоже осуществлялась при помощи рук. Затем несколько дней приходилось перепроверять точность гравировки. В том случае, если необходимо было убрать или добавить какие-то транзисторы, это делалось опять-таки вручную, с использованием скальпеля (всё как у хирургов при вырезании опухоли мозга).
Только после тщательной проверки лист рубилита передавался изготовителю маски. Малейшая ошибка на любом этапе – и все этапы разработки приходилось откатывать назад, начинать всё сначала. Intel в то время физически просто не могла потянуть такой заказ.
Но терять его не хотелось. Тогда один из инженеров Intel, 32-летний Тед Хофф, не без участия Стэнли Мэйзор, предложил новую архитектуру микросхем, число которых было сокращено до 4-х, включая центральный процессор: 4-разрядный центральный процессор (ЦПУ), ПЗУ для хранения программ, ОЗУ для хранения данных пользователя и микросхема реестров сдвига для порта ввода/вывода… Более того, процессор можно было легко программировать под любые задачи, а это экономило кучу времени и средств. Как оказалось, это решение изменит историю, позволив сделать программируемый интеллект настолько дешёвым, что его можно применить для бытовых целей, и столь универсальным, что каждый может иметь свой индивидуальный компьютер. Идея получила поддержку как у руководства Intel, так и со стороны заказчика, в результате чего через 9 месяцев напряжённой работы Хофф, Федерико Фаджин и Стэнли Мейзор разработали набор из четырех микросхем под названием MCS-4 (Micro Computer Set 4-bit). Фаджину, благодаря глубокому знанию технологии MOS silicon gate, разработанной им в Fairchild в 1968 году, и большому опыту, полученному в 1961 году в итальянской фирме Olivetti в области логического проектирования компьютеров, удалось разработать в одном-единственном чипе целый программируемый процессор. В 1968 году, когда он ещё работал в фирме Fairchild, он также реализовал первую в мире коммерческую микросхему, которая использовала технологию silicon gate: Fairchild 3708. В фирме Intel Фаджин придумал новый, до тех пор не существующий метод проектирования для логических микросхем и внёс свой вклад во многие нововведения по разработке процессов и микросхем, весьма важные для реализации микропроцессора в одном чипе (Масатоси Сима, который не имел никакого опыта в конструировании устройств MOS, помог Фаджину в разработке MCS-4, а позже стал работать с ним в фирме Zilog, созданной в конце 1974 года Фаджином и Ральфом Унгерманном и полностью посвящённой микропроцессорам. Фаджин и Сима вместе разработали микропроцессор Zilog Z80, который производится до сих пор). Intel поставила четыре микросхемы японской компании, которая впоследствии продала около 100000 калькуляторов.
Права на новую микросхему принадлежали фирме Busicom, поэтому Тед Хофф и его коллеги, понимая, что новая разработка имеет неограниченную сферу применения и очень важна, настоятельно предлагали выкупить права на неё у фирмы Busicom. В то время как основатели Intel Гордон Мур и Роберт Нойс были сторонниками новой микросхемы, другая часть руководителей корпорации опасалась, что она будет отвлекать внимание Intel от работ в области компьютерной памяти. Но, в конце концов, сомневавшиеся уступили. И произошло это благодаря тому, что каждый набор из четырех микросхем для микрокомпьютера включал в себя те самые два модуля памяти, являющимися первыми детищами Intel. Человек, бывший в то время директором по маркетингу, вспоминает: «Первоначально я смотрел на это как на способ увеличения продаж микросхем памяти, и на этом основании мы решились пойти на соответствующие расходы». Intel предложила компании Busicom вернуть ей первоначально вложенные в разработку продукта 60 тысяч долларов в обмен на право распоряжаться ею. Столкнувшаяся с финансовыми проблемами Busicom это предложение приняла. Intel предугадала решающее значение микропроцессоров в миниатюризации компьютеров. Несколько позже компания Busicom всё же была признана банкротом, а микропроцессор был назван величайшим изобретением, на ряду с лампочкой или телефоном.
Intel 4004
В выпуске журнала Electronic News от 15 ноября 1971 года скромная реклама оповестила своих читателей о появлении первой в истории микрокомпьютерной интегральной схемы (термина «микропроцессор», кстати говоря, тогда ещё не было). Intel представила свой микропроцессор 4004 и объявила о начале новой эры в микроэлектронике. Микросхема 4004 содержала 2300 транзисторов и имела быстродействие несколько десятков тысяч операций в секунду. Сейчас такие показатели выглядят весьма скромно (современные компьютеры и миллион операций щёлкают как семечки), а тогда это был революционный шаг вперёд: микросхема стоимостью около 200 долларов по своей мощности была сравнима с первым американским компьютером ENIAC, собранным на 18000 ламп и имевшим объём 85 м3. Вообще мы все уже достаточно хорошо привыкли к темпам прогресса в области компьютеров, и школьник, играющий на своем ПК в современные игрушки, даже не задумывается, что в его распоряжении находится больше вычислительной мощности, чем имело правительство США при выполнении программы по освоению Луны.Во времена появления первого микропроцессора программисты не встречались на каждом шагу и надо было ещё как-то убедить заказчиков использовать новые микросхемы. Intel начинает активную работу по разъяснению инженерному сообществу преимуществ новой технологии. Наряду с проведением семинаров и рекламной кампании начинается широкая продажа справочных руководств по микропроцессорам. Один из сотрудников Intel вспоминает: «Бывали недели, за которые Intel продавала больше справочной документации, чем самих микропроцессоров». С течением времени затраты Intel на исследования и маркетинг стали окупаться...
Процессор Intel 4004 стал первым микропроцессором общего назначения на рынке, компонентом, который инженеры могут приобретать и дополнять программным обеспечением для выполнения различных функций в разнообразных электронных устройствах. Это готовый удобный продукт. Впрочем, процессор так и не смог стать хитом продаж. В любом случае, стратегия фирмы Intel была направлена на то, что сбыт 4004 привлечёт больше внимания к их микросхемам памяти 1101/1103, так что ничего особенного они не теряли. Намного большей популярностью стали пользоваться микропроцессоры, начиная с линейки 8080. Процессор i8080 уже был более «правдоподобной» версия тех процессоров, которых мы знаем сегодня.
История происхождения имени
Первыми технологическими процессами, взятыми на вооружение Intel, стал поликристаллический кремниевый логический элемент PMOS и биполярный барьерный диод Шоттки (Schottky). Первой задачей, стоявших тогда в гениальных головах разработчиков, была замена запоминающих устройств ЭВМ на магнитных сердечниках кремниевой памятью. Поэтому первыми изделиями Intel стали два вида микросхем памяти: 64-разрядные биполярные и 256-разрядные PMOS-чипы. Последним была присвоена нумерация, начиная с 1xxx, а биполярной памяти - начиная с 3xxx. Вторая цифра в именованиях xxxx обозначала тип продукции: 0 — процессоры, 1— память с произвольным доступом (т.е. RAM), 2 — контроллеры, 3 — микросхемы ROM, 4 — сдвиговые регистры, 5 — микросхемы EPLD, 6 — микросхемы PROM, 7 — микросхемы EPROM, 8 — чипы наблюдения и схемы синхронизации в генераторах импульсов, 9 — чипы для телекоммуникаций.Последние две цифры соответствовали порядковому номеру изделия, начиная с «01», а так как для работы первого процессора требовалось ещё три специализированные микросхемы (микросхемы ROM, RAM и расширитель ввода/вывода), которые были выпущены раньше процессора 4004, то микропроцессор получил имя 4004. Первая микросхема памяти типа PMOS RAM получила наименование 1101. В серии 2xxx разрабатывались микросхемы NMOS. А 4-разрядные микропроцессоры получили обозначение 4xxx. Микросхемы CMOS получили обозначение 5xxx, память на магнитных доменах — 7xxx, 8-ми и более разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры принадлежали к серии 8xxx. Серии 6xxx и 9xxx не использовались. Возможно, это и к лучшему, ибо плата под кодовым названием «6669» вряд ли бы радовала своего покупателя.
Micro Computer Set 4-bit
Процессор 4004 поставлялся с 3-мя специализированными микросхемами: микросхемы ROM, RAM и расширитель ввода-вывода. И хотя у этих микросхем была своя система обозначений (серии 1xxx, 2xxx и 3xxx), они получили второе наименование в категории 4xxx, которое стало обозначаться рядом с их обычной нумерацией. Рассмотрим их:- 4001: 256-байтовое ПЗУ (256 8-битовых программных инструкций), и один встроенный 4-битный порт ввода-вывода;
- 4002: 40-байтовое ОЗУ (80 4-битных ячеек), и один встроенный 4-битный выходной порт; RAM в чипе организована в 4 «регистра» из двадцати 4-битных ячеек (16 ячеек данных (в оригинальном калькуляторе использовались для цифр мантиссы) и 4 ячейки состояния (в оригинальном калькуляторе использовались для цифр экспоненты и знаков));
- 4003: 10-битный «расширитель ввода-вывода» (сдвиговый регистр, преобразующий последовательный код в параллельный).
- 4008: 8-битный фиксатор адреса для доступа к стандартным чипам памяти, и один встроенный порт ввода-вывода;
- преобразователь доступа ввода-вывода к стандартной памяти и чипам ввода-вывода.
Также компания Intel продавала Intellec-4 — систему разработки и тестирования программ для своего детища. Фактически, это была одна из первых микроЭВМ, собранная на основе серии 4xxx (чипы 4004, 4201, 4001x4 и 4002x2). Лишь большая цена (5 тыс. долларов) не позволяла назвать её персональным компьютером. Компьютер стал персональным лишь с рождением компании Apple в гараже двух друзей, но это уже другая история, с которой можно познакомиться в другой нашей статье.
Постскриптум: интересные факты (найдено на сайте Intel)
- Мощный и компактный
Этот революционный микропроцессор, имеющий размеры 1/8 дюйма на 1/6 дюйма (размер ногтя), имел такую же вычислительную мощность, как первый электронный компьютер ENIAC, созданный в 1946 году, занимавший целую комнату, использовавший 18000 вакуумных трубок и весящий несколько тонн. - Количество транзисторов
Многоядерные микропроцессоры Intel® Core™2 Duo содержат более 291 миллиона транзисторов. Это в 100000 раз больше, чем в процессорах 4004 (2300 транзисторов), которые впервые появились в далёком 1971 году. - Человеческий волос
Ширина линии соединения цепи в микропроцессорах Intel 4004 составляла 10 микрон или 10000 нанометров. В современных микропроцессорах Intel ширина линии соединения цепи составляет 0,065 микрон или 65 нанометров (и эти размеры постоянно уменьшаются с выходом новых процессоров). Нанометр – это одна миллиардная часть метра. Для сравнения: диаметр человеческого волоса составляет примерно 100 микрон или 100000 нанометров. - Производство
Микропроцессоры Intel 4004 первоначально изготавливались на двухдюймовых, а позднее - на трехдюймовых подложках. Современные микропроцессоры изготавливаются на 12-дюймовых или 300-миллиметровых подложках. Микропроцессор Intel 4004 уникален тем, что является одним из самых миниатюрных микропроцессоров, когда-либо выпускавшихся для коммерческих целей.