Microprocesor Intel 4004: descriere, caracteristici. Istoricul procesatorilor

Federico Fagin sa alăturat Intel pentru a transforma viziunea lui Ted Hoff într-o realitate de siliciu. Mai puțin de un an mai târziu, el și echipa sa au creat microprocesorul 4004, introdus în noiembrie 1971. Prima problemă serioasă pentru Fagin a fost dezvoltarea unei metodologii de utilizare a noii tehnologii a porților de siliciu. Acest lucru a permis crearea de scheme diferite într-un mod diferit. Din moment ce nimic de genul acesta nu a făcut nimeni, a fost necesar să înceapă totul de la zero. Și Federico Fajin a reușit - a dezvoltat independent cipul în doar 9 luni din 1970. Aceasta este o perioadă extrem de scurtă în comparație cu procesoarele Intel din generația următoare. De exemplu, a fost nevoie de 100 man-ani pentru a crea un cip pe 32 de biți.

Proiectare structurală

Designul poarta de siliciu, creat de Federico Fagin, a făcut ca primul microprocesor să devină realitate în 1971. Era neobișnuit, deoarece integrarea unei astfel de complexități nu a fost realizată niciodată. Fagin a reușit să dezvolte procesorul Intel 4004 numai datorită inovațiilor sale în tehnologia de producție MOS circuite integrate (ICS). Bootstrapping și atinge ascunse a devenit ideile care au stat la baza pentru prima dată aplicat metodologia lor de proiectare a făcut posibilă pentru a salva arhitectura Hoff și aplicarea acesteia în 1970. Fără acest lucru, ar fi fezabil, pentru că rezultatul ar fi fost prea lente și costisitoare pentru a fi de folos în practică . Astfel, invenția nu este de a dezvolta un model simplu de CPU, lipsa de care nu a fost într-o vreme, dar în crearea și punerea în aplicare a tehnologiei, care, pentru prima dată a permis să plaseze pe un singur cip toate blocurile funcționale ale procesorului.

Ted Hoff speră că arhitectura propusă și setul de comenzi pot fi plasate pe un singur chip. Cu toate acestea, el nu a putut evalua fezabilitatea proiectului, sau să-l pună, pentru că nu un dezvoltator MOS. Acesta Federico Faggin inventat designul și dispunerea de tranzistori 2300 logic arbitrar pe un cip masoara numai mm 3x4, ieftin, cu o viteză de 5 ori și de două ori densitatea plasarea elementelor decât cea care a existat la timp tehnologia MOS.

Metodologia lui Fagin a fost un progres și a fost folosită în toate microprocesoarele timpurii ale companiei. Inginerul italian a condus proiectul la o concluzie reușită și a jucat un rol în promovarea noului procesor Intel, demonstrând conducerii companiei că chipul poate fi folosit nu numai în calculatoare.

Specificații tehnice

Specificațiile procesorului Intel 4004 sunt următoarele:

• Suprafața cristalului: 12 mm².
• Viteza maximă a ceasului: 740 kHz.
• Timp ciclu: 10,8 μs (8 cicluri / ciclu de comandă).
• Durata de execuție a comenzii este 1 sau 2 cicluri de comandă (10,8 sau 21,6 μs), comenzi 46300-92600 pe secundă.
• Adăugarea a două numere de 8 cifre (câte 32 biți fiecare) necesită 850 μs, adică 79 cicluri de instrucțiuni, aproximativ 10 cicluri pe zecimală.
• Separarea separată a programelor și a datelor. Spre deosebire de modele bazate pe arhitectura Harvard cu autobuz separat, în 4004, există un autobuz 4 biți multiplexate pentru transmiterea de 12 bit adrese, comandă de 8 biți și cuvinte de date de 4 biți.
• Adresarea directă a 51220 biți (640 octeți) de RAM, organizată sub forma a "simbolurilor" pe 4 biți pe 4 biți, dintre care 1024 reprezintă date și 256 de stare.
• Adresarea directă a 32768 biți de ROM (4096 octeți).
• Un set de 46 de comenzi (dintre care 41 sunt de 8 biți și 5 - 16 biți lățime).
• 16 registre cu câte 4 biți fiecare.
• Stack-ul intern al subprogramelor este de 3 niveluri adânci.

Comandați Busicom

Un computer cu un program stocat, utilizat ca calculator în anii 1950 și 1960, a fost una dintre cele mai bune realizări ale erei postbelice și a fost familiar tuturor inginerilor care lucrează în industria semiconductorilor.

În 1969, producătorul japonez de calculatoare Busicom a apelat la Intel pentru a întruchipa în siliciu designul lor logic pentru o serie de calculatoare. Abordarea lor se repetă realizarea lume primul calculator de birou programabil Olivetti lui Programma 101, prezentat la Târgul Mondial de la New York, în 1965 și a intrat în vânzare în același an. Programul 101 avea un procesor (unitate centrală de procesare) și ROM (memorie numai pentru citire) cu lectură și scriere secvențială, care erau realizate din componente discrete. Compania Busicom a oferit o arhitectură similară, care a asigurat implementarea procesorului pe trei chips-uri MOS, ROM și se înregistrează pentru încă două, cu alte două chips-uri I / O.

Arhitectura MCS-4

Șef al departamentului de cercetare aplicată, Ted Hoff a recunoscut că complexitatea designului BUSICOM a fost de a utiliza memoria secvențială, și din moment ce Intel a dezvoltat primul RAM dinamic (memorie cu acces aleator), se observă că construcția poate fi mult simplificată prin utilizarea arhitecturii tradiționale și mai universale bazate pe calculator pe RAM. Cu Stan Mazor și prin interacțiunea cu inginerii BUSICOM, printre ei Masatoshi Shima, Hoff formulat MCS-4 arhitectura, design redus de la 7 la 4 cipuri. Hoff a presupus că procesorul ar putea fi puse în aplicare într-un singur microprocesor de 4 biți, dar nici el, nici Mazor au fost dezvoltatori MOS, iar Intel nu au avut profesioniști capabile să creeze IC complexe, cu o structură logică arbitrară. Prin urmare, în timp ce în aprilie 1970, o propunere Hoff inactiv timp de aproximativ 6 luni ale anului nu a fost angajat Federico Faggin, care a condus proiectul.

Tehnologie inovatoare

Federico Faggin sa alaturat Intel de Fairchild Semiconductor, unde, în 1968 a dezvoltat tehnologia MOS cu poarta de siliciu și creat pe baza sa din lume primul circuit integrat comercial 3708. Tehnologia a fost adoptată de Intel și mai târziu în întreaga industria de semiconductori la nivel mondial, cât și pentru Timp de 40 de ani, a fost structura de bază utilizată în aproape toate microcircuitele. Gordon Moore, co-fondator al Intel, a recunoscut că aceasta a fost principala componentă a succesului său timpuriu. Tehnologia MOS cu porți de siliciu furnizat caracteristici competitive Intel 4004: cip a fost de aproximativ 5 ori mai rapid, a avut 100 de ori scurgere de tranziție mai mici și pot conține de 2 ori mai multe tranzistori logica de orice tip, în comparație cu un cip de aceeași dimensiune realizate cu închidere din aluminiu și a disipat puterea egală. Este permis să creeze primul RAM dinamic de succes comercial, senzori de imagine CCD (taxa dispozitive cuplate), dispozitive de memorie nevolatile și microprocesoare. Pentru prima dată în istorie, procesorul conținea toate componentele unui computer cu scop general.

Crearea unui nou design și aspect

Ted Hoff nu a fost un designer al MOSFET-urilor. Rolul său era de a crea arhitectura și de a susține în continuare produsele. După ce a determinat setul de comenzi, proiectul a fost transferat echipei de dezvoltatori MOP, condusă de Federico Fagin. Lucrarea a fost efectuată foarte rapid, iar în aproximativ 9 luni au fost create 3 jetoane principale. Ultima dintre ele în ianuarie 1971 a aparut microprocesorul Intel 4004.

Potrivit lui Stan Mazor, meritul lui Fajin a fost că el a realizat un design ingineresc, iar Hoff - în crearea unui concept original și a unei arhitecturi. Mazor însuși a fost un fel de intermediar, care a ajutat cât de mult a putut și a făcut ce a putut.

Federico Fagin a elaborat o metodologie pentru proiectarea MOSFET-urilor cu o poartă de siliciu utilizată în circuite logice arbitrare. Acest lucru a fost necesar, pentru că noua tehnologie necesită un design diferit, și mai ales aspectul.

Potrivit lui Fagin, el a decis că, în loc să proiecteze separat logica și apoi schema, ar trebui să le faceți împreună pe o singură coală. În acest caz, este necesar să se țină seama, în măsura posibilului, de amplasarea conductorilor și a tranzistorilor cât mai aproape de aranjamentul final. Evident, pentru acest lucru a fost necesar să se pre-programarea design-ul global chip pentru a cunoaște locația diferitelor blocuri. Atunci a clarificat metodologia de creare a acestui tip de schemă.

Proiectarea noului procesor Intel și proiect de management al MCS-4 de la începutul dezvoltării producției ar putea învinge singurul care a fost capabil de a introduce inovații în tehnologie de proces, circuite de aspect, circuite, logica de proiectare si arhitectura de calculator. Fajin a dobândit astfel de abilități și cunoștințe prin educația și experiența sa de lucru înainte de a se alătura Intel. Dupa ce a absolvit un colegiu tehnic din Vicenza (Italia), a participat la dezvoltarea și construirea unui mic pilot de tranzistor de memorie de bază de calculator în Olivetti compania Borgolombardo (Italia), la vârsta de 19 ani. Apoi a absolvit Universitatea din Padova, și angajate în dezvoltarea tehnologiei MOS, creând un cip comercial 2, atunci când a lucrat la SGS-Fairchild (acum ST Micro). În 1968, a fost trimis la Fairchild Semiconductor RD din Palo Alto (California), unde a creat tehnologia MOS cu o poartă de siliciu etc.

Inovații reale

Conceptualizarea primului procesor, care a devenit principala contribuție a lui Hoff la proiectul 4004, a avut loc și în alte companii. La aceeași concluzie au apărut mai multe grupuri, independent una de cealaltă. Prin urmare, principala problemă în invenția microprocesorului a fost crearea unui produs justificat din punct de vedere economic. Numai o singură persoană din lume a știut să facă următorul pas și să traducă arhitectura într-un design de lucru. A fost Federico Fagin. Fără ea, primul microprocesor nu ar fi fost construit niciodată. Înapoi în Fairchild, el a inventat tehnologia care a constituit baza unor dispozitive viitoare. După ce a lucrat la Intel, a corectat erorile lui Hoff lipsă și apoi a făcut primul chip Intel 4004, după care a condus dezvoltarea modelului 8008 și a fost arhitectul principal al modelului 8080.

In timp ce inginerii știu cum să construiască un mic computer pentru a face un design CPU logic și de a crea programe. Ideea a microprocesorului, adică. E. Pentru a plasa pe un singur computer cip mainframe, de asemenea, a fost în aer. Unele arhitecturi au fost deja implementate pe mai multe jetoane MOS. Cu toate acestea, nimeni nu știa cum se instalează 2.300 de tranzistori logica arbitrare - numărul minim de un procesor simplu - cip suficient de mici încât producția a fost ieftin, performanța a fost ridicată, iar disiparea de putere este suficient de mare pentru a găzdui în clădiri existente.

Astfel, inovația reală a microprocesorului a fost structura sa pe un singur cip de siliciu, deoarece totul a fost făcut înainte. Și Fagin a reușit să facă acest lucru fără nici un ajutor semnificativ din partea lui Ted Hoff și a lui Stan Mazor.

Singurul care la ajutat este inginerul Busicom Masatoshi Sima. El a venit la Intel pentru a verifica progresul ordinului la câteva zile după ce Fajin a fost angajat. El a realizat că nu s-au făcut progrese în ultimele 6 luni. Având în vedere întârzierea în proiect și absența oricărui inginer Intel, capabil să ajute, Sime a fost lăsat să rămână timp de 6 luni pentru a accelera munca. Cu toate acestea, el nu știa prea multe despre circuitele integrate și, deși era foarte util, Fagin a luat toate deciziile creative. Șeful acesteia din urmă, Leslie Vadash, a fost atât de preocupat de proiectarea modelului 1103 (primul RAM dinamic de 1024 de biți considerat a fi viitorul Intel), care nu a putut oferi control tehnic asupra proiectului MCS-4. După succesul cu 4004, Fajin a supravegheat implementarea modelului 8008 și, de asemenea, a conceput și a determinat arhitectura celui mai reușit dintre toți primii procesoare - 4040 și 8080.

Se îndoiește de dezvoltatori

Potrivit lui Stan Mazor, el și Ted Hoff au crezut că Intel 4004 era prea agresiv. Nu erau siguri că s-ar putea face acest lucru, așa că au început cu un alt chip numit 4005. A fost un proiect comun cu MIL, partener al Intel în Canada. Ei au definit o arhitectură mult mai simplă decât 4004. O companie canadiană a trebuit să dezvolte un chip, iar Intel a trebuit să ofere o amintire. Sa dovedit că nu a putut să facă 4005.

Hoff și Mazor în 1994 nu au fost siguri de posibilitatea de a implementa 4004. De aceea, la câteva luni după ce Fajin sa alăturat Intel, au creat o arhitectură mai simplă pentru 4005 și l-au acordat MIL canadian pentru dezvoltare. Dar microprocesorul inginerilor MIL nu a putut fi făcut. A devenit clar că chiar și crearea unui cip simplu era departe de locul de muncă de rutină. În plus, Hoff și Mazor au pus la îndoială faptul că modelul 4004 ar putea fi util pentru alte aplicații decât calculatoarele, casele de marcat etc. Ei au crezut că numai 1201, iar mai târziu 8008 ar avea suficientă arhitectură universală pentru a fi folosită în diverse aplicații. După finalizarea proiectului 4004, Fagin a demonstrat că microprocesorul poate fi utilizat în diferite sisteme de control și a cerut conducerii să aducă Intel 4004 pe piață.

Eșecuri cu 8008

Un alt exemplu care demonstrează măsura în care metodologia necesară a fost Fadzhina, este Intel 8008, arhitectura, care a fost dezvoltat inițial Computer Corporation Terminal Corporation (CTC). Lucrul pe cip, inițial numit 1201, a început înainte ca Fajin să se alăture Intel, dar proiectul atribuit dezvoltatorului de procesoare logice arbitrare, care sa mutat de la General Instrument, nu a mers prea departe, deoarece la acel moment nu exista o metodologie și biblioteci scheme. Lucrul la 8008 a fost suspendat și reluat numai în anul lansării Intel 4004.

Microprocesor TI

Un alt exemplu este primul CPU cu un singur chip, care a devenit a doua sursă pentru 8008 comandat de CTC de la Texas Instruments. Anunțat în presă la mijlocul anului 1971, la doar câteva luni după crearea cu succes a modelului 4004, acest procesor nu a câștigat și nu a vândut niciodată. Acesta a fost creat folosind tehnologia MOS cu o firma de shutter metalic care a avut multi ani de experienta in dezvoltarea IC cu logica arbitrara complexa. Comparativ cu procesorul Intel-8008, dimensiunea chip-ului TI a fost de două ori mai mare, oferind aceleași funcții. Viteza și disiparea puterii nu au fost niciodată făcute publice.

Exemplu de urmat

După ce proiectul 4004 a fost finalizat, alți ingineri, atât din interiorul, cât și din exteriorul Intel, au putut studia metodele folosite de Fagin, examinând designul sub microscop. Același stil a fost folosit în toate celelalte microprocesoare ale Intel și Zilog.

În concluzie

4004 a devenit primul procesor realizat vreodată folosind tehnologia de închidere cu silicon. Acesta a fost cel mai avansat circuit integrat de atunci. Crearea sa necesară nu numai pentru creativitatea extraordinară și abilitățile de designer, dar, de asemenea, o cunoaștere profundă a noilor tehnologii, care ar putea avea doar dezvoltator. În plus, pentru finalizarea cu succes a proiectului, care trebuia să se finalizeze în 10 luni datorită obligațiilor anterioare neîndeplinite față de client, au fost necesare un mare curaj, motivație, abilități manageriale și muncă grea.