Микропроцесор Intel 4004: описание, характеристики. История на процесорите

Федерико Фагин се присъедини към Intel, за да превърне визията на Тед Хоф в силиконова реалност. По-малко от година по-късно той и неговият екип създадоха микропроцесор 4004, въведен през ноември 1971 г. Първият сериозен проблем за Фагин бе разработването на методология за използване на новата технология на силиконовите порти. Това позволи да се създадат различни схеми по различен начин. Тъй като нищо подобно преди, никой не го направи, беше необходимо да се започне всичко от нулата. И Федерико Фейдин успя - той разработи самостоятелно чипа само за 9 месеца от 1970 г. Това е фантастично кратък период в сравнение с процесорите на Intel от следващото поколение. Например, са необходими 100 човека-години, за да се създаде 32-битов чип.

Структурен дизайн

Проектът на силиконовата порта, създаден от Федерико Фагин, направи първия микропроцесор реалност през 1971 г. Това беше необичайно, тъй като интеграцията на такава сложност никога не бе постигната досега. Fagin успя да развие процесора Intel 4004 само благодарение на иновациите си в технологията за производство на MOS интегрални схеми (ICS). Bootstrapping и скрити докосване стана идеите, които формират основата за първи път прилага методологията им дизайн позволява да се спести архитектурата Hoff и да го приложи през 1970 г. Без това, че би било възможно, тъй като резултатът щеше да е твърде бавен и скъп, за да бъде от практическа полза , По този начин, изобретението не е да се разработи прост модел на процесора, липсата на която не е била в последно време, но в създаването и прилагането на технологии, които за първи път могат да се поставят в един чип всички процесорни функционални блокове.

Тед Хоф се надява, че предложената му архитектура и набор от команди могат да бъдат поставени на един чип. Той обаче не можа да оцени осъществимостта на проекта или да го приложи, тъй като не беше разработчик на MOS. Тя Федерико Faggin изобретил дизайн и оформление на транзистори 2300 произволна логика в чип с размери само 3х4 мм, евтин, с 5-кратно скорост и два пъти плътността на разполагането на елементи от тази, която е съществувала към момента, когато технологията MOS.

Методологията на Fagin е пробив и е използвана във всички ранни микропроцесори на компанията. Италиански инженер донесе на проекта до успешен край, и играе роля в насърчаването на новия процесор Intel, демонстрирайки ръководството на компанията, че чип може да се използва не само в калкулатори.

Технически спецификации

Спецификациите на процесора Intel 4004 са както следва:

• Кристална площ: 12 мм².
• Максимална скорост на часовника: 740 kHz.
• Циклично време: 10,8 μs (8 цикъла / цикъл на команда).
• Времето за изпълнение на командата е 1 или 2 командни цикъла (10,8 или 21,6 μs), 46300-92600 команди в секунда.
• Добавянето на две 8 двуцифрени числа (32 бита всяка) се 850 мсек, т.е.. Д. 79 инструкции цикли, около 10 цикли за десетичната цифра.
• Отделно съхранение на програми и данни. За разлика от дизайни, базирани на Харвард, които използват отделни автобуси, 4004 има една мултиплексирана 4-битова шина за предаване на 12-битови адреси, 8-битови инструкции и 4-битови думи за данни.
• Директни Посрещане 51220 бита (640 байта) оперативна памет, организирани като 4-битов 1280 на "символи", от които 1024 са данни и 256 - държавна.
• Директно адресиране на 32768 бита на ROM (4096 байта).
• Комплект от 46 команди (от които 41 са 8 битови ширини и 5 - 16 бита широки).
• 16 регистри с по 4 бита всеки.
• Вътрешният стек на подпрограмите е дълбок 3 нива.

Поръчайте Busicom

Компютър със запазена програма, използван като калкулатор през 50-те и 60-те години, беше едно от най-добрите постижения на следвоенната епоха и беше познат на всички инженери, работещи в производството на полупроводници.

През 1969 г. японският производител на калкулатори Busicom се обърна към Intel, за да олицетвори в силиций логическия си дизайн за поредица калкулатори. Техният подход повтори изпълнението на първия в света програмируем калкулатор Olivetti`s Programma 101, представен на Световния панаир в Ню Йорк през 1965 г. и пуснат в продажба през същата година. Програмата 101 има CPU (централен процесор) и ROM (памет само за четене) с последователно четене и запис, направени от отделни компоненти. Busicom предлага подобна архитектура, която осигурява изпълнението на процесора на три MOS чипа, ROM и се регистрира за още два, с още два I / O чипа.

MCS-4 Архитектура

Началник отдел на приложните научни изследвания, Тед Хоф признава, че сложността на Busicom дизайн е да се използват последователно памет, а от Intel разработката на първия динамична RAM (оперативна памет), се вижда, че строителството може да бъде значително опростено чрез използване на традиционни и по-универсална компютърна архитектура, базирана на RAM. С Стан Mazor и чрез взаимодействие с инженери Busicom, сред тях Масатоши Shima, Hoff формулирани MCS-4 архитектура, дизайн намалява от 7 до 4 чипа. Hoff Предполага се, че процесорът може да се осъществи в един 4-битов микропроцесор, но нито той, нито Mazor бяха MOS разработчици, както и на Intel не са имали професионалисти в състояние да създадат комплекс IC с произволна логическа структура. Ето защо предложението на Хоф беше неактивно за около 6 месеца, докато Федерико Фагин беше нает през април 1970 г., който ръководи проекта.

Иновативна технология

Федерико Faggin присъедини Intel в от Fairchild Semiconductor, където през 1968 г. той развива технологията MOS със силикон порта и е създаден въз основа на нея на първия в света търговски интегрална схема 3708. Технологията е приет от Intel и по-късно по време на глобалната полупроводниковата индустрия, както и за В продължение на 40 години тя е основната структура, използвана в почти всички микроциркули. Гордън Мур, съосновател на Intel, признава, че това е основният компонент на нейния ранен успех. MOS технология с силициеви порти условие конкурентни характеристики Intel 4004: чип е около 5 пъти по-бързо, има 100 пъти по-малък преход течове и може да съдържа 2 пъти повече логически транзистори от всякакъв вид, в сравнение с чип със същия размер прави с алуминиеви капачки и разсейва равна сила. Това позволи създаването на първата комерсиално успешна динамична RAM, сензори за изображения с CCD масив (зарядни устройства), енергонезависими памети и микропроцесори. За първи път в историята процесорът съдържаше всички компоненти на компютър с общо предназначение.

Създаване на нов дизайн и оформление

Тед Хоф не беше дизайнер на MOSFET. Неговата роля е да създава архитектурата и да подкрепя продуктите. След определянето на набор от команди, проектът беше прехвърлен на екипа на разработчиците на MOP, начело с Федерико Фагин. Работата беше извършена много бързо и за около 9 месеца бяха създадени 3 основни чипа. Последният от тях през януари 1971 г. се появи микропроцесор Intel 4004.

Според Сант Мазор, заслугата на Фаджин е, че той извършва инженерно проектиране, а Хоф - в създаването на оригинална концепция и архитектура. Самият Мазор беше някакъв посредник, който помогнал възможно най-добре и направил каквото може.

Федерико Фагин разработи методология за проектиране на MOSFET със силиконова порта, използвана в произволни логически схеми. Това беше необходимо, защото новата технология изискваше различен дизайн и особено оформлението.

Според Фагин той реши, че вместо отделно да се проектира логиката, а след това и схемата, трябва да ги направите заедно на един лист. В този случай е необходимо да се вземе предвид мястото, доколкото е възможно, че проводниците и транзисторите са разположени възможно най-близо до окончателното устройство. Очевидно е, че за това е необходимо предварително да се планира цялостния чип дизайн, за да се знае местоположението на различните блокове. Тогава той изясни методологията за създаването на този тип схема.

Дизайн на новата Intel процесор и управление на проекти MCS-4 от началото на развитие на производството може да надделее над единственият, който е в състояние да въведе иновации в технологичния процес, оформление вериги, вериги, логика дизайн и компютърна архитектура. Fajin придобива такива умения и знания чрез своето образование и професионален опит, преди да се присъедини към Intel. След като се дипломира от техническа колеж във Виченца (Италия), той участва в развитието и изграждането на малък пилотен транзистор компютър ядро ​​памет в Olivetti компания Borgolombardo на (Италия) на възраст от 19 години. След това завършва с отличие от университета в Падуа и започва да развива MOS технология, като създава 2 търговски чипа, когато работи в SGS-Fairchild (сега ST Micro). През 1968 г. той е изпратен в Fairchild Semiconductor RD в Пало Алто (Калифорния), където създава MOS технологията със силиконова порта и т.н.

Истинските нововъведения

Концептуализацията на първия преработвател, който стана основен принос на Hoff за проекта 4004, се осъществява и в други компании. За същото заключение дойдоха няколко групи независимо един от друг. Поради това основното нещо в изобретението на микропроцесора е създаването на икономически обоснован продукт. Само един човек в света знаеше как да направи следващата стъпка и превръща архитектурата в работещ дизайн. Това беше Федерико Фагин. Без него първият микропроцесор никога нямаше да бъде построен. Назад във Феърчайлд той изобретил технологията, която формира основата на бъдещите устройства. След присъединяването си към фирмата "Intel", той коригира грешката Не Хофа, а след това направи първата Intel 4004 чипа, а след това ръководи разработката на 8008 и е бил главен архитект на 8080.

По това време инженерите са знаели как да създават малки компютри, да правят логически дизайн на процесора и да създават програми. Идеята за микропроцесор, т.е. поставянето на универсален компютър на един кристал, също висеше във въздуха. Някои архитектури вече са реализирани на няколко MOS чипа. Въпреки това, никой не знаеше как да инсталирате 2300 транзистори произволна логика - минималният брой за един прост процесор - чип достатъчно малък, че производството е евтин, работата е била висока и разсейване на енергия е достатъчно голяма, за да побере в съществуващи сгради.

По този начин истинската иновация в микропроцесора беше оформлението му на един силициев чип, тъй като всичко останало беше направено преди. И Фагин успя да направи това без значителна помощ от Тед Хоф и Стан Мазор.

Единственият, който му помогна, е инженерът Busicom Masatoshi Sima. Той дойде при Intel, за да провери напредъка на поръчката няколко дни след назначаването на Фаджин. Той осъзна, че през последните 6 месеца не е постигнат напредък. Като се има предвид забавянето на проекта и отсъствието на инженер от Intel, който може да помогне, Sima получи разрешение да остане в продължение на 6 месеца, за да ускори работата. Въпреки това, той не знаеше много за интегралните схеми и въпреки че беше много полезен, Фагин взе всички творчески решения. Ръководителят на последния Лесли Вадаш беше толкова загрижен за дизайна на 1103 (първата 1024-битова динамична RAM, считана за бъдещето на Intel), която не можа да осигури технически контрол върху проекта MCS-4. След успеха с 4004 Fajin наблюдава изпълнението на 8008, а също така замисля и определя архитектурата на най-успешния от всички първи процесори - 4040 и 8080.

Съмнява разработчиците

Според Стан Мазур, той и Тед Хоф вярват, че Intel 4004 е твърде агресивен. Те не бяха сигурни, че може да се направи, така че те започнаха с друг чип, наречен 4005. Това беше съвместен проект с MIL, който беше партньор на Intel в Канада. Те определиха много по-проста архитектура от 4004. Канадска компания трябваше да разработи чип и Intel трябваше да осигури памет. Оказа се, че не може да направи 4005.

Hoff и Mazor през 1994 г. не са уверени в осъществимостта на 4004. Ето защо няколко месеца след Fadzhin присъедини към Intel, те създават по-проста архитектура на 4005 и се изпращат на канадска компания за развитие на MIL. Но инженери MIL микропроцесор не може да бъде направено. Стана ясно, че дори създаването на прост чип е далеч от обичайната работа. Освен това, Hoff и Mazor Съмнявам се, че 4004 може да бъде полезна за приложения, различни от калкулатори, касови апарати и т.н. Те смятаха, че само 1201, а по-късно 8008, ще имат достатъчно универсална архитектура, която да се използва в различни приложения. След приключване на проекта 4004 Fadzhin демонстрира, че микропроцесора може да се използва в различни системи за контрол и призова ръководството да оттегли Intel 4004 на пазара.

Неизправности с 8008

Друг пример, който показва степента, в която необходимата методология беше Fadzhina, е Intel 8008, архитектурата на които първоначално е бил разработен компютърен терминал Corporation Corporation (CTC). Работата по чипа, първоначално наречен 1201 започна преди Fadzhin присъедини към Intel, но проектът се определя на разработчик на процесори с произволна логика, които се преместили от Общото инструмент, аз не съм се мести, защото по това време не е имало някакъв методология и библиотека схеми. Работата по 8008 бе спряна и възобновена едва през годината на пускане на Intel 4004.

TI микропроцесор

Друг пример е първият CPU с един чип, който стана вторият източник за 8008 поръчан от CTC от Texas Instruments. Обявена в пресата в средата на 1971 г., само няколко месеца след успешното създаване на 4004, този процесор никога не е печелил и никога не продавал. Тя е създадена с помощта на MOS технология с метална обтураторна компания, която има многогодишен опит в разработването на IC с комплексна произволна логика. В сравнение с процесора Intel-8008, размерът на чиповете TI е два пъти по-голям, като осигурява същите функции. Разсейването на скоростта и мощността никога не е било оповестено.

Пример за следване

След като проектът 4004 приключи, други инженери, както вътре, така и извън Intel, успяха да изучат методите, използвани от Фагин, след като прегледаха дизайна под микроскоп. Същият стил беше използван във всички други ранни микропроцесори на Intel и Zilog.

В заключение

4004 стана първият процесор, произведен по технология със силиконов затвор. Това беше най-модерната интегрална схема на това време. Неговото създаване изисква не само изключителни творчески способности и умения от дизайнера, но и задълбочено познаване на новата технология, която само разработчикът може да има. Освен това за успешното завършване на проекта, който трябваше да бъде завършен в рамките на 10 месеца поради неизпълнени задължения към клиента, бяха необходими много смелост, мотивация, управленски умения и постоянна упорита работа.