Юбилей первого микропроцессора: история Intel 4004

Пятьдесят лет назад, 15 ноября 1971 года, в журнале Electronic News – еженедельном издании, посвященном новостям из жизни бурно развивающейся IT-индустрии, – было опубликовано рекламное объявление сравнительно небольшой и не самой известной на то время компании Intel, провозглашающее «новую эпоху интегрированной электроники». Именно этот день считается датой рождения первого микропроцессора, созданного на одной микросхеме и доступного в продаже: Intel 4004.

Идея подобного устройства в то время как раз «витала в воздухе», но добиться успеха удалось Intel, а не более крупным и опытным компаниям. Несмотря на некоторый пафос, авторы объявления оказались правы насчёт начала новой эпохи. Благодаря появлению микропроцессоров для широкой публики сперва стали доступны, электронные калькуляторы, а вскоре и появились настоящие персональные компьютеры, юбилей самого знаменитого из которых мы тоже отмечали совсем недавно.

Кратко вспоминаем историю Intel и её судьбоносного продукта.

Компания Intel была основана 18 июля 1968 года в городке Маунтин-Вью в Калифорнии, в сердце региона, который чуть позднее получит название «Кремниевой долины». Ее основатели – химик Гордон Мур и физик Роберт Нойс, два выходца из Fairchild Semiconductor, в создании которой они также участвовали одиннадцатью годами ранее. Оба основателя к тому времени уже были известными специалистами в своей области: Мур – как автор знаменитого закона названного его именем, а Нойс – как один из изобретателей интегральной микросхемы. Они  считали, что материнская компания Fairchild Camera and Instrument, не вкладывает достаточно средств в полупроводниковое подразделение, особенно по части исследования новых технологий. Примечательно, что третьим и четвёртым сотрудниками новой организации, уже не принадлежавшими к числу отцов-основателей, но в дальнейшем немало проработавшими на посту её руководителей, стали двое венгерских иммигрантов – Андраш Гроф (Энди Гроув) и Лесли Вадас.

Компания задумывалась создателями как независимая и маленькая, чья деятельность была бы посвящена преимущественно созданию новых продуктов. Над названием пришлось немного поразмыслить: рабочая вывеска «N.M. Electronics» или «M.N. Electronics» выглядела невыразительно, а сочетание «Moore – Noyce» слишком уж напоминало англоязычное выражение «много шума». К концу первого месяца существования был найден вариант Intel – как сокращение от «интегрированной электроники» (и одновременно – неформальный термин для обозначения секретной разведывательной информации), – Нойс с Муром даже не поскупились на выкуп права на схожую торговую марку у сети гостиниц Intelco за 15 тыс. долларов.

Ещё одной интересной новацией был качественно иной подход к организации труда: вместо жёсткой иерархии, строгой формы одежды и практически «феодальных» отношений, характерных для традиционных корпораций восточной части США, Роберт Нойс стремился построить сообщество единомышленников, – впрочем, демократичная атмосфера ничуть не исключала установку на напряжённую сверхурочную работу и увеличенный рабочий день.

Трое первых сотрудников Intel в день десятилетия компании (1978 г.). Слева направо: Энди Гроув, Роберт Нойс и Гордон Мур

К концу 1960-х наиболее актуальным и перспективным в индустрии являлось направление миниатюризации ЭВМ – превращение «мейнфреймов» в аналогичные, а то и превосходящие по мощности «персональные» компьютеры. Благодаря успешному созданию в США в самом конце 1950-х годов интегральных схем – авторство этого изобретения разделили Джек Килби из Texas Instruments, чешский иммигрант Курт Леговец из Sprague Electric Company и, конечно же, Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor, – на кристалле кремния площадью всего лишь в несколько десятков квадратных миллиметров стало возможным разместить тысячи транзисторов, ранее занимавших отдельные многокилограммовые блоки.

Следующим по счёту препятствием на пути создания мини-компьютеров стала оперативная память: в 1960-х годах её продолжали конструировать в виде магнитных ферритовых колец-сердечников, они были весьма трудоёмкими в производстве и требовали мощного источника питания. Как раз решению этой проблемы и созданию ОЗУ на основе полупроводниковых микросхем и была посвящена деятельность коллектива из примерно дюжины инженеров свежеобразованной в августе 1968 года Intel.

В результате уже в апреле следующего года был представлен первый готовый продукт: модуль SRAM, получивший обозначение 3101. Аббревиатура расшифровывалась как «статическая память с произвольным доступом»: в отличие от ферритовых сердечников, ячейка такой памяти основывалась на триггерах (электронных ключах) из двух транзисторов, – подобное устройство давало возможность быстрого и произвольного доступа к любой ячейке, но сохранять данные без перезаписи SRAM могла только при наличии питания.

Обратной стороной отличной скорости оказывался крайне малый объём даже по меркам того времени – всего 64 бит на одну микросхему (что эквивалентно шестнадцати цифрам или восьми буквам), с ценой в 99 с лишним долларов за экземпляр. Технология такой памяти на биполярных транзисторах вовсе не была изобретением Intel, но её доведение до уровня готового коммерческого продукта всё же потребовало немало сил и времени, – впрочем, в том же 1969 году компания успела представить уже и полностью собственный проект: модуль SRAM под названием 1101, первую коммерческую микросхему на основе метал-оксидного полупроводникового (МОП) процесса и с использованием кремниевого затвора, объёмом уже в 256 бит.

Кристалл модуля памяти SRAM от микросхемы Intel 1101, которая надолго стала не только стандартом индустрии, но и основным источником дохода для компании

Однако в том же апреле 1969 года, когда Intel только-только показывала миру свой первый продукт, японская компания Busicom обратилась к американской корпорации с необычным заказом: разработать и выпустить набор интегральных схем для программируемого настольного калькулятора.

Нойс с Муром хоть и хотели сфокусироваться на разработке и производстве микросхем памяти, но до успешных продаж на то время было ещё далеко, и молодой организации всё же не хотелось упустить шанс подработать «на стороне». Разобраться с вопросом японцев было поручено Маршиану Эдварду Хоффу-младшему, двенадцатому по счёту сотруднику Intel, числившемуся тогда менеджером по прикладным исследованиям и более известному под прозвищем «Тед».

Посмотрев на предложенный дизайн калькулятора, Хофф нашёл его чересчур усложнённым: предполагалось использовать целых двенадцать связанных между собой микросхем по 3–5 тысяч транзисторов в каждой. Дело в том, что первые БИС (большие интегральные схемы) были до предела узкоспециализированными – предназначенными каждая для решения одной определённой задачи, от управления светофором до цифрового вольтметра. Создание такой схемы оказывалось слишком дорогостоящим и могло окупиться лишь при производстве десятков или сотен тысяч экземпляров, на что Intel рассчитывать никак не могла.

С одобрения руководства, Тед Хофф решил пойти по пути больших ЭВМ, способных решать задачи любого типа, – таких как универсальный мини-компьютер PDP-8, на котором он работал ранее, – и значительно упростить устройство калькулятора, создав для него универсальную микросхему.

Основной идеей Хоффа было вынесение функций составных частей калькулятора Busicom из физического исполнения в логическое, путём замены двенадцати микросхем с однозначно определённой архитектурой на меньшее число универсальных, которые можно было бы программировать и перепрограммировать сообразно их назначению, – что сделало бы всю конструкцию не только более простой и дешёвой, но и намного более быстродейственной.

В октябре 1969 г. Хофф вместе со своим коллегой Стэнли Мэйзором и представителем заказчика Масатоси Сима представил свой проект устройства, получивший обозначение MCS-4 и состоявший из всего лишь четырёх микросхем. Сообразно традициям Intel эти детали именовались исключительно цифрами: 4001 представляла собой ПЗУ на 2048 бит, 4002 – динамическую оперативную память DRAM размером в 320 бит, 4003 являлась модулем ввода-вывода, ну а венчала всю конструкцию та самая микросхема 4004 – 4-битный процессор [https://hackaday.com/2018/01/29/inventing-the-microprocessor-the-intel-4004/].

Первая цифра обозначала категорию продукта (4-разрядные микропроцессоры были именно четвёртым по счёту семейством Intel), вторая символизировала тип продукции (0 – процессоры), тогда как две оставшиеся служили порядковым номером в соответствующем модельном ряду.

То самое объявление из журнала «Electronic News» от 15 ноября 1971 года рекламировало собственно весь комплекс MCS-4 в составе четырёх микросхем; главная изюминка и юбиляр изображён крайним справа, ничуть не отличающимся по внешнему виду от остальных своих братьев

Процессорами в больших ЭВМ назывались те части, которые работали под управлением внешней программы, – по этой аналогии микросхема 4004, предназначенная для всего лишь калькулятора, получила название «микропроцессор». Строго говоря, продукт Intel не был первым таким устройством: в том же 1969 году ещё две команды американских электронщиков представили готовые аналогичные работы, претендовавшие в последствие на звание «первого микропроцессора», – Раймонд Холт со своими коллегами создал подобное устройство для реактивного истребителя F-14A по заказу военного флота США, а Ли Бойсел, ещё один выходец из Fairchild Semiconductor, основавший собственную компанию Four-Phase Systems, разработал схожую конструкцию под названием AL1.

Однако ключевая фишка этих двух изобретений заключалась в том, что функции ЦПУ выполняла не одна микросхема, а две или три, – да и микропроцессорами их тогда ещё никто не называл, и сам вопрос о первенстве возник уже позднее, в середине 1990-х, когда популярность продукции Intel привела к очередной «патентной войне» со стороны Texas Instruments. Как бы то ни было, ключевая технология, которая позволяла реализовать все функции микропроцессора в одной-единственной БИС, появилась только в следующем, 1970 году.

Именно по этой причине дело несколько застопорилось и у Intel: спроектировав дизайн, Хофф и Мэйзор не могли заниматься собственно воплощением его на практике. В начале апреля 1970 г. Нойс нанял для этой цели четвёртого из «отцов микропроцессора» – Федерико Фаджина, только за два года до этого приехавшего из Италии в США, но уже успевшего принять решающее участие в разработке для Fairchild Semiconductor технологии самосовмещённого кремниевого затвора, значительно упростившей архитектуру МОП-транзисторов: такие устройства могли теперь работать в 3–5 раза быстрее, их размер уменьшался на 30–50 %, а надёжность значительно возрастала.

По иронии судьбы, едва ли не на следующий же рабочий день в Intel снова появился и Масатоси Сима, присланный из Японии для проверки состояния готовности заказанного его компанией продукта – и был крайне недоволен тем, что работы над конструированием и выпуском микросхем даже и не начинались. Фаджину в итоге пришлось работать по 70–80 часов в неделю, воплощая – при помощи Симы, которого он привлёк к работе для ускорения дела, – один за другим все четыре детали MCS-4. В итоге Busicom получила готовый рабочий набор микросхем в марте 1971 г.

Федерико Фаджин у витрины с Intel 4004 на мероприятии, посвящённом 40-й годовщине первого микропроцессора (2011 г.). На кристалле устройства в правом нижнем углу можно увидеть подпись – инициалы автора: «FF»

Intel 4004 насчитывал в своём составе 2238 транзисторов с площадью кристалла в 12 мм2, создавался по техпроцессу в 10 мкм, мог адресоваться к 640 байтам памяти и работал с опорной частотой 740 кГц (при тактовой в 92,6 кГц). Как сообщало 175-страничное руководство пользователя, операцию по сложению двух восьмизначных чисел ЦПУ выполнял за 850 микросекунд.

Правда, по изначальному контракту с Busicom исключительными правами на этот микропроцессор обладала японская компания, целью которой было создание прежде всего настольного калькулятора с встроенным принтером. Получив наконец-то от Intel готовые микросхемы, Масатоси Сима смог сконструировать в апреле 1971 года рабочую модель, получившую обозначение 141-PF: помимо одного 4004, устройство насчитывало также два модуля ОЗУ 4002 , четыре модуля ПЗУ 4001 и три сдвигателя регистра на основе 4003. Для энтузиастов в сети был представлен даже эмулятор Busicom 141-PF: обратите только внимание, что никакого дисплея у данного устройства не было, так что набираемые символы выводятся на виртуальный «принтер» только после нажатия клавиши с каким-либо арифметическим действием.

Как ни странно, руководство Busicom было не в восторге от пионерского достижения: полный цикл создания её калькулятора розничной стоимостью около тысячи долларов с учётом времени выполнения заказа со стороны Intel занял в итоге более двух лет, – к тому времени успели уже появиться гораздо более дешёвые карманные электронные счётные машинки, чья стоимость на начало 1971 года составляла примерно 150 долл. за штуку, так что места на рынке для дорогостоящих настольных моделей оставалось не так уж и много. Японцы обратились к Роберту Нойсу с просьбой о снижении цены на комплект MCS-4 – и в итоге Intel по настоянию команды разработчиков первого микропроцессора вернула Busicom вложенные ею в создание этого устройства 60 тыс. долл. в обмен на право продавать 4004 любым другим клиентам – при одном только условии, что таковые не будут заниматься производством калькуляторов.

Масатоси Сима и его настольный калькулятор Busicom 141-PF – первое устройство с микропроцессором на борту

Однако и руководство Intel поначалу не видело особых перспектив в приобретении собственного же проекта. По воспоминаниям Фаджина, сам Гордон Мур совсем не интересовался судьбой 4004, считая рынок микрокомпьютеров слишком уж незначительным для масштабного производства микропроцессоров, – и только осенью 1971 года с приходом нового главы отдела продаж и маркетинга, Эдварда Гельбаха, разработчикам удалось убедить руководство попытать счастья на рынке.

Благодаря этому 15 ноября и появилось то самое рекламное объявление, сделавшее Intel 4004 не только первым в мире микропроцессором на одной микросхеме, но и первым коммерчески доступным. К сентябрю следующего года эта модель предлагалась по розничной цене в $60 (партия от 1 до 24 штуки включительно), – сообщается, что всего было произведено около миллиона экземпляров ЦПУ, которые использовались в самых различных устройствах, от аркадных игровых автоматов и светофоров до банковских терминалов и медицинских приборов для анализа крови. И если Busicom обанкротилась уже в 1974 году, то Intel превратился в итоге в один из гигантов IT-индустрии, чьим основным продуктом оказались-таки микропроцессоры.

Разумеется, дело при этом и близко не ограничилось моделью 4004. Пока Фаджин корпел над воплощением первого процессора в кремнии, Тед Хофф и Стэн Мэйзор занимались уже новым проектом. Ибо следом за японцами в 1970 г. к компании Нойса и Мура обратилась Computer Terminal Corporation (CTC), поручив за $50 тыс. разработку микросхем для своего терминала Datapoint 2200. Хофф и его коллеги и здесь решили упростить схему и сконструировать микропроцессор – на этот раз уже восьмибитный, – однако CTC в конце концов от сделки отказалась из-за затянувшихся сроков выпуска готового продукта, так что Datapoint 2200 пусть и оказался одним из спорных кандидатов на звание «первого персонального компьютера», но был построен всё же на основании дискретных микросхем, а не ЦПУ.

Как и в случае с Busicom, Intel выкупила все права на новый процессор, вернув CTC её деньги, – и в апреле 1971 года в продажу по цене в $120 за штуку поступил микропроцессор 8008 (а точнее – такое же семейство микросхем под общим названием MCS-8). Новинка могла адресовать уже 16 КБ памяти и работала на частоте от 200 до 800 кГц. Несмотря на схожесть названия и архитектуры, 8008 не был восьмибитной версией 4004, радикально отличаясь от своего предшественника, – именно с этого продукта 1972 года ведёт свой отсчёт революция в IT-технологии, которая привела к появлению прямых наследников – сначала 8080, а затем и 8086. Хотя и на основе 8008 появились уже настоящие персональные компьютеры – такие, как французский Micral N и американский SCELBI.

К тому времени двое из создателей 4004, покинувший ушедший из Intel в 1974 году Федерико Фаджин и Масатоси Сима, сконструировали свой собственный процессор – усовершенствованный и намного более дешёвый: Zilog Z80. В свою очередь, он стал основой для огромного количества домашних персональных компьютеров конца 1970-х и начала 1980-х годов. Но это уже совсем другая история!

Disqus Comments Loading...