Mikroprocesor Intel 4004: opis, značilnosti. Zgodovina procesorjev

Federico Fagin se je pridružil Intelu, da je vizijo Teda Hoffa spremenil v silikonsko realnost. Manj kot eno leto kasneje je on in njegova ekipa ustvarila mikroprocesorja 4004, ki je bila uvedena novembra 1971. Prvi resni problem za Fagina je bil razvoj metodologije za uporabo nove tehnologije silikonskih vrat. To je omogočilo drugačen način ustvarjanja različnih shem. Ker nič takega prej nihče ni storil, je bilo potrebno začeti vse od začetka. Federico Fajin je uspel - samostojno je razvil čip v samo devetih mesecih leta 1970. To je fantastično kratko obdobje v primerjavi z Intelovimi procesorji naslednje generacije. Na primer, za izdelavo 32-bitnega čipa je bilo potrebno 100 človek-let.

Strukturna zasnova

Zasnova silicijevih vrat, ki jo je ustvaril Federico Fagin, je prvi mikroprocesor postal resničnost leta 1971. Bilo je nenavadno, saj integracija takšne kompleksnosti še nikoli ni bila dosežena. Fagin je bil sposoben razviti procesor Intel 4004 samo zaradi svojih inovacij v tehnologiji proizvodnje MOS integrirana vezja (IP). Metodo vezanja in skrito dotik postal ideje, ki so bile podlaga za prvič uporabljena njihova metodologija oblikovanja je bilo mogoče rešiti arhitekturo Hoff in jo izvajati leta 1970. Brez tega, da bi bilo izvedljivo, ker bi bila posledica preveč počasen in drag, da je za praktično uporabo . Tako izum ni razviti preprost model procesorja, katerega pomanjkanje je ni bilo že nekaj časa, vendar se pri oblikovanju in izvajanju tehnologije, ki prvič dovoljeno, da se na enem čipu vsi procesor funkcionalnih blokov.

Ted Hoff je upal, da bo njegova predlagana arhitektura in niz ukazov lahko postavljena na en čip. Vendar pa ni mogel oceniti izvedljivosti projekta ali ga izvajati, ker ni bil razvijalec MOS. To Federico Faggin izumil obliko in izgled tranzistorjev 2300 poljubna logika na čipu merjenje samo 3x4 mm, poceni, s 5-kratno hitrostjo in dvakrat gostote postavitev elementov od tiste, ki je obstajala v času MOS.

Faginova metodologija je bila preboj in je bila uporabljena v vseh zgodnjih mikroprocesorjih podjetja. Italijanski inženir je vodil projekt k uspešnemu zaključku in imel vlogo pri promociji novega Intelovega procesorja, ki je vodstvu podjetja pokazal, da se čip lahko uporablja ne le v kalkulatorjih.

Tehnične specifikacije

Specifikacije procesorja Intel 4004 so naslednje:

• Kristalno območje: 12 mm².
• Največja hitrost: 740 kHz.
• Čas cikla: 10,8 μs (8 ciklov / ukazni cikel).
• Čas izvedbe ukaza je 1 ali 2 ukaznega cikla (10,8 ali 21,6 μs), 46300-92600 ukazov na sekundo.
• Dodajanje dveh 8-mestnih številk (32 bitov) traja 850 μs, to je 79 navodil, približno 10 ciklov na decimalno mesto.
• Ločeno shranjevanje programov in podatkov. Za razliko od Harvardovih modelov, ki uporabljajo ločene avtobuse, ima 4004 en multipleksni 4-bitni vodnik za prenos 12-bitnih naslovov, 8-bitnih navodil in 4-bitnih podatkovnih besed.
• Neposredno naslavljanje 51220 bitov (640 bytov) RAM-a, organizirano v obliki 1280 4-bitnih "simbolov", od katerih 1024 predstavlja podatke in 256-stanje.
• Neposreden naslov 32768 bitov ROM-a (4096 bajtov).
• Skupina 46 ukazov (od katerih jih je 41 širok 8 bitov in 5 - 16 bitov široko).
• 16 registrov s po 4 bita.
• Notranji sklop podprogramov je globok globok.

Naročite Busicom

Računalnik s shranjenim programom, ki se je uporabljal kot kalkulator v 50. in 60. letih prejšnjega stoletja, je bil eden najboljših dosežkov v povojnem obdobju in je bil znan vsem inženirjem, ki delujejo v industriji polprevodnikov.

Leta 1969 se je japonski proizvajalec kalkulatorjev Busicom obrnil k Intelu, da bi v silikon v svoji logični obliki predstavil vrsto kalkulatorjev. Njihov pristop je ponovil izvajanje prvega svetovnega namiznega programirljivega kalkulatorja Olivetti`s Programma 101, ki je bil predstavljen na svetovnem sejmu v New Yorku leta 1965 in se je začel prodajati istega leta. Programma 101 je imela CPU (centralno procesno enoto) in ROM (samo za branje) z zaporednim branjem in pisanjem, ki je bil sestavljen iz diskretnih komponent. Podjetje Busicom je ponudilo podobno arhitekturo, ki je zagotovila izvajanje procesorja na treh MOS čipih, ROM in se registrirala za še dva, z dvema druga I / O čipa.

MCS-4 arhitektura

Vodja oddelka za aplikativne raziskave, Ted Hoff priznala, da je kompleksnost Busicom oblikovanja uporabiti zaporedno spomin, in ker je Intel razvil prvi dinamični RAM (Random Access Memory), je razvidno, da se gradnja lahko močno poenostaviti z uporabo tradicionalnih in bolj univerzalno računalniške arhitekture, ki temelji na RAM-u. Z Stan Mazor in preko interakcije z Busicom inženirjev, med njimi Masatoshi Shima, Hoff formuliramo MCS-4 arhitekture, oblikovanja nižjo od 7 do 4 žetonov. Hoff domneva, da bi lahko CPU izvaja v eni 4-bitni mikroprocesor, vendar niti on niti Mazor bili MOS razvijalci in Intel ni bilo strokovnjakov sposobne ustvariti kompleksno IC s poljubnim logično strukturo. Zato je bil predlog Hoffa neomejen približno 6 mesecev, dokler ni bil zaposlen Federico Fagin aprila 1970, ki je vodil projekt.

Inovativna tehnologija

Federico Faggin pridružil Intel v od Fairchild Semiconductor, kjer je leta 1968 je razvil tehnologijo MOS s silikonskim vrata in ustvaril na podlagi prve svetovne trgovinske integrirano vezje 3708. Tehnologija je bil sprejet s strani Intela in kasneje v celotni globalni industriji polprevodnikov, in za Že 40 let je bila osnovna struktura v skoraj vseh mikrovezjih. Gordon Moore, soustanovitelj podjetja Intel, je priznala, da je bila to glavni sestavni del njenega zgodnjega uspeha. MOS s silicijevimi vrati če konkurenčni značilnosti Intel 4004: čip je približno 5-krat hitreje, katero je 100-krat manjše uhajanje prehoda in lahko vsebuje 2 krat več logičnih tranzistorjev katere koli vrste v primerjavi s čipom enake velikosti, ki z aluminijastimi zapirali in razpadel enako moč. Dovoljeno je ustvariti prvo komercialno uspešno dinamični RAM, slikovni senzorji CCD (charge-coupled devices), neizbrisljiv pomnilniške naprave in mikroprocesorji. Prvič v zgodovini je procesor vseboval vse komponente računalnika splošnega namena.

Ustvarjanje novega dizajna in postavitve

Ted Hoff ni bil oblikovalec MOSFET-ov. Njegova vloga je bila ustvariti arhitekturo in še naprej podpirati izdelke. Po določitvi sklopa ukazov je bil projekt prenesen v skupino razvijalcev MOP, ki jo vodi Federico Fagin. Delo je bilo izvedeno zelo hitro in v približno 9 mesecih so nastali 3 glavne žetone. Zadnji v januarju 1971 se je pojavil mikroprocesor Intel 4004.

Po mnenju Stan Mazorja je Fajinova zasluga bila, da je izvedel inženirsko zasnovo, Hoff pa ustvaril originalni koncept in arhitekturo. Sam Mazor je bil nekakšen posrednik, ki je kar najbolje pomagal in naredil kar je mogel.

Federico Fagin je razvil metodologijo za oblikovanje MOSFET s silikonskim vhodom, ki se uporablja v poljubnih logičnih vezjih. To je bilo potrebno, ker je nova tehnologija zahtevala drugačno obliko, še posebej postavitev.

Po besedah ​​Fagina se je odločil, da namesto ločenega oblikovanja logike, nato pa sheme, jih naredite skupaj na enem listu. V tem primeru je treba, kolikor je to mogoče, upoštevati lokacijo, da so vodniki in tranzistorji čim bližje končnemu dogovoru. Očitno je bilo za to potrebno predhodno načrtovati celoten dizajn čipa, da bi vedeli o lokaciji različnih blokov. Takrat je pojasnil metodologijo za oblikovanje te vrste sheme.

Zasnovo novega procesorja Intel in upravljanje projekta MCS-4 od začetka razvoja do proizvodnje lahko obvladajo le tisti, ki so lahko inovirali v procesni tehnologiji, načrtovanju vezja, vezja, logike in računalniške arhitekture. Fajin je s svojim izobraževanjem in delovnimi izkušnjami pridobil tako spretnosti in znanje, preden se je pridružil Intelu. Po diplomi na tehnični univerzi v Vicenzi (Italija) je sodeloval pri razvoju in izdelavi majhnega tranzistorskega eksperimentalnega računalnika z magnetnim pomnilnikom v podjetju Olivetti v Borgholombardu (Italija) v starosti 19 let. Potem je z odliko diplomiral na univerzi v Padovi in ​​začel razvijati MOS tehnologijo, pri čemer je delal pri SGS-Fairchildu (zdaj ST Micro). Leta 1968 je bil poslan v Fairchild Semiconductor RD v Palo Alto (Kalifornija), kjer je ustvaril tehnologijo MOS s silikonskimi vrati itd.

Realne inovacije

Konceptualizacija prvega procesorja, ki je postal Hoffov glavni prispevek k projektu 4004, je potekala tudi v drugih podjetjih. Do istega zaključka je prišlo do več skupin, neodvisno drug od drugega. Zato je bila v izumu mikroprocesorja glavna stvar ustvarjanje ekonomsko upravičenega proizvoda. Le ena oseba na svetu je znala narediti naslednji korak in prevajati arhitekturo v delovni načrt. Bilo je Federico Fagin. Brez njega prvi mikroprocesor nikoli ne bi bil zgrajen. V Fairchildu je izumil tehnologijo, ki je bila osnova prihodnjih naprav. Po delu v Intelu je popravil napake manjkajočega Hoffa in nato naredil prvi čip Intel 4004, nato pa je vodil razvoj 8008 in bil glavni arhitekt 8080.

V tistem času so inženirji vedeli, kako ustvariti majhne računalnike, narediti logično obliko CPU in ustvariti programe. Zamisel o mikroprocesorju, to je namestitvi univerzalnega računalnika na en kristal, je prav tako visela v zraku. Nekatere arhitekture so že bile izvedene na več čipov MOS. Vendar pa nihče ni vedel, kako namestiti 2300 tranzistorjev poljubno logiko - minimalno število za preprost procesor - čip dovolj majhen, da je proizvodnja je poceni, je bila uspešnost visoka, in izgube moči je dovolj velik za namestitev v obstoječih stavbah.

Tako je bila resnična inovacija v mikroprocesorju njegova postavitev na enojnem silikonskem čipu, saj je bilo vse prej storjeno. In Fagin je to uspelo brez kakršne koli pomembne pomoči Ted Hoffa in Stan Mazorja.

Edini, ki mu je pomagal, je inženir Busicom Masatoshi Sima. Prišel je v Intel, da preveri napredek v naročilu nekaj dni po najemanju Fajina. Zavedal se je, da v zadnjih 6 mesecih ni bilo napredka. Glede na zamudo v projektu in odsotnost katerega koli inženirja Intelja, ki bi lahko pomagal, je Sima dovolil, da ostane 6 mesecev, da pospeši delo. Vendar pa ni vedel veliko o integriranih vezjih in, čeprav je bil zelo uporaben, je Fagin sprejel vse ustvarjalne odločitve. Vodja slednjega, Vadas, Leslie, je bil tako zaskrbljen zaradi oblikovanja 1103 (prvi 1024-bitni dinamični RAM, ki je veljalo prihodnost Intel), ki ne more zagotoviti tehnično kontrolo projekta MCS-4. Po uspehu 4004 z uvedbo nadzorovanega Fadzhin 8008, kot tudi zasnovano in definirali arhitekturo najuspešnejši vseh prvih predelovalcev - 4040 in 8080.

Razvijalci dvoma

Po mnenju Stan Mazorja sta on in Ted Hoff verjela, da je Intel 4004 preveč agresiven. Niso bili prepričani, da bi bilo to mogoče, zato so začeli z drugim čipom, imenovanim 4005. To je bil skupni projekt z MIL, ki je bil Intelov partner v Kanadi. Opredelili so veliko preprostejšo arhitekturo od 4004. Kanadsko podjetje je moralo razviti čip, Intel pa je moral zagotoviti spomin. Izkazalo se je, da 4005 ni mogla narediti.

Hoff in Mazor v letu 1994 niso bili prepričani v izvedljivost 4004. To je zato nekaj mesecev po Fadzhin pridružila Intel, so ustvarili bolj preprosto arhitekturo 4005 in je bil poslan na kanadsko podjetje za razvoj MIL. Toda inženirjev MIL mikroprocesorja ni bilo mogoče storiti. Jasno je bilo, da je tudi ustvarjanje preprostega čipa daleč od rutinskega dela. Poleg tega sta Hoff in Mazor dvomila, da je 4004 koristen za aplikacije, ki niso kalkulatorji, blagajne itd. Mislili so, da bi le 1201, in kasneje 8008 imelo dovolj univerzalne arhitekture za uporabo v različnih aplikacijah. Po zaključku projekta 4004 Fadzhin so pokazale, da se mikroprocesor lahko uporablja v različnih nadzornih sistemov in pozval upravljanju umakniti Intel 4004 na trg.

Napake z 8008

Še en primer, ki kaže, v kolikšni meri je bila potrebna metodologija Fadzhina, je Intel 8008, arhitektura, ki je bil prvotno razvit Računalniška Terminal Corporation Corporation (CTC). Delo na čipu, prvotno imenovan 1201 se je začela pred Fadzhin pridružil Intel, vendar je projekt dodeljena razvijalec procesorje z arbitrarno logiko, ki so se z Generalne instrumenta, ne bom se preselil, ker v tistem času ni bilo katerokoli metodologijo in knjižnica sheme. Delo na 8008 je bilo prekinjeno in nadaljevalo le v letu izdaje Intel 4004.

TI mikroprocesor

Drug primer je prvi enocevni CPU, ki je postal drugi vir za 8008, ki ga je naročil CTC iz Texas Instruments. Napovedan v tisku sredi leta 1971, le nekaj mesecev po uspešni izdelavi 4004, ta procesor nikoli ni zaslužil in nikoli ni prodal. Ustvarjen je bil s tehnologijo MOS s kovinsko loputo, ki je imela dolgoletne izkušnje z razvojem IC s kompleksno samovoljno logiko. V primerjavi s procesorjem Intel-8008 je bila velikost čipa TI dvakrat večja, z istimi funkcijami. Hitrost in poraba energije nikoli niso bili objavljeni.

Primer, ki sledi

Po končanem projektu 4004 so drugi inženirji znotraj in zunaj Intela lahko preučevali metode, ki jih je uporabil Fagin, potem ko so projektirali mikroskop. Enak slog je bil uporabljen pri vseh drugih zgodnjih mikroprocesorjih Intel in Zilog.

Na koncu

4004 je postal prvi predelovalec, ki je bil izdelan s tehnologijo silikonskega zaklopa. To je bilo najnaprednejše integrirano vezje tistega časa. Njegovo oblikovanje je zahtevalo ne samo izredne ustvarjalne sposobnosti in veščine oblikovalca, temveč tudi globoko poznavanje nove tehnologije, ki bi jo lahko imel samo njegov razvijalec. Poleg tega je bilo za uspešen zaključek projekta, ki ga je bilo treba izpolniti v 10 mesecih zaradi prejšnjih neizpolnjenih obveznosti do stranke, potreben velik pogum, motivacija, vodstvene sposobnosti in stalno trdo delo.