Chip Hall of Fame: Intel 4004 Mikroprozessor

Die erste CPU-on-a-Chip war ein Shoestring-Crash-Projekt

Der Intel 4004 war der erste Mikroprozessor der Welt – eine komplette Allzweck-CPU auf einem einzigen Chip. Der 4004, der im März 1971 auf den Markt kam und modernste Silizium-Gate-Technologie verwendete, markierte den Beginn von Intels Aufstieg zur weltweiten Dominanz in der Prozessorindustrie. Man könnte also annehmen, dass die gesamten Ressourcen von Intel – damals noch ein junges Unternehmen – in dieses bahnbrechende Projekt gesteckt wurden. Tatsächlich aber war der 4004 ein unterbesetztes Nebenprojekt, ein Crash-Job, der beinahe gescheitert wäre, ein Projekt, das lediglich dazu diente, etwas Geld zu verdienen, während Intel seine eigentliche Produktlinie, die Speicherchips, entwickelte.

Wie Ken Shirriff in einem Beitrag für IEEE Spectrum vom Juli 2016 beschreibt, bedeutete die zunehmende Anzahl von Transistoren und die steigende Komplexität integrierter Schaltkreise in den 1960er Jahren, dass um 1970 mehrere Organisationen auf dem Weg zum Mikroprozessor waren. Einige von ihnen, wie Texas Instruments, hatten viel mehr Ressourcen als Intel. Warum also überquerte Intel, das nur ein paar Jahre zuvor, 1968, gegründet worden war, die Ziellinie als erstes? Das war vor allem das Verdienst von vier Ingenieuren, von denen einer nicht einmal für das Unternehmen arbeitete. (Für eine ausführliche Version dieser Geschichte von den Ingenieuren selbst, können Sie ihre mündliche Geschichte lesen, die vom Computer History Museum aufgezeichnet wurde).

Der erste der vier Ingenieure ist Masatoshi Shima, der für die japanische Firma Busicom arbeitete, die einen neuen computerisierten Taschenrechner entwickeln wollte. Im April 1969 unterzeichneten Busicom und Intel eine vorläufige Vereinbarung, nach der Intel einen eigenen Satz Chips für den Taschenrechner entwickeln sollte. Daraufhin reisten Shima und andere im Juni 1969 zu Intel, um die Pläne im Detail zu besprechen. Shima schlug ein Acht-Chip-System vor: drei Chips als Schnittstelle zu Peripheriegeräten wie Tastatur und Drucker, ein Chip zum Speichern von Daten, ein Chip zum Speichern von Programmcode und zwei Chips, die zusammen die CPU bilden würden.

Ted Hoff ist der zweite Ingenieur in unserer Geschichte und war der Leiter der Intel-Anwendungsabteilung, die mit Busicom verhandelte. Hoff war besorgt, dass Intel Schwierigkeiten haben würde, so viele Chips zu produzieren, vor allem, weil das System viele Pins pro Chip für die Verbindung benötigen würde, was die Grenzen der Keramik-Packungstechnologie, die Intel verwendete, sprengen würde. Er schlug vor, die Anzahl der Chips zu halbieren: ein 256-Byte-Programmspeicherchip, der 4001, ein 40-Byte-Datenspeicherchip, der 4002, ein Peripherie-Schnittstellenchip, der 4003, und ein CPU-Chip, der 4004. Das ganze System – MCS-4 genannt – sollte 4-Bit sein, was die Anzahl der Pins, die für die Verbindung der Chips benötigt wurden, erheblich reduzierte. Hoff holte Ingenieur Nr. 3, Stanley Mazor von Intel, hinzu. Gemeinsam stellten Hoff und Mazor eine Reihe von Spezifikationen für jeden Chip und einen Vorschlag für den Produktionsplan zusammen.

Bei einem Folgetreffen im Oktober 1969 machte Intel einen Gegenvorschlag. Busicom war interessiert und Shima kehrte nach Japan zurück, um einen Software-Prototyp für den neuen Rechner zu entwickeln, um sicherzustellen, dass die MCS-4-Architektur die Anforderungen von Busicom erfüllen würde. Im Februar 1970 wurde eine Vereinbarung getroffen, und Busicom plante die Einführung des Rechners auf der Grundlage des Zeitplans von Hoff und Mazor. Es wurde beschlossen, dass Shima im April 1970 zurück nach Kalifornien kommen würde, um den Fortschritt zu überprüfen. Die Chips sollten gestaffelt von Juli bis Oktober 1970 in Produktion gehen, beginnend mit dem 4001 und endend mit dem 4004.

Doch ohne Wissen von Shima und Busicom war das 4004-Projekt bei Intel Anfang 1970 ins Stocken geraten. Das Problem war, dass Hoff und Mazor keine Chipdesigner waren – jene Leute, die Spezifikationen nehmen und detaillierte Logik-Gate-Diagramme erstellen können. Diese Diagramme wiederum werden verwendet, um genau auszuarbeiten, wie und wo Transistoren und andere Komponenten auf dem physischen Chip angeordnet werden sollen.

Eigentlich gab es bei Intel niemanden, der diese Aufgabe übernehmen konnte, da sich das Unternehmen damals auf die Entwicklung von Speicherchips konzentrierte. Schließlich tätigte Intel eine der größten Anstellungen aller Zeiten und stellte die vierte entscheidende Person in dieser Geschichte vor: Frederico Faggin, ein junger Ingenieur, der für diese Aufgabe wie geschaffen war. Zu Beginn seiner Karriere hatte Faggin einen Computer von Grund auf für Olivetti in Italien entworfen und gebaut. In den späten 1960er Jahren kam er dann zu Fairchild Semiconductor im Silicon Valley, wo er wichtige Beiträge zur fortschrittlichen Metalloxid-Halbleitertechnologie (MOS) leistete, auf der die Chips von Intel basierten. Faggin wollte in einer unternehmerischeren Umgebung als Fairchild arbeiten und nahm daher im April 1970 ein Angebot von Intel an.

An Faggins erstem Arbeitstag informierte Mazor ihn über das Busicom-Projekt. Wie Faggin in seinem persönlichen Bericht über die Entwicklung des 4004 für die Winterausgabe 2009 des IEEE Solid-State Circuits Magazine schrieb, sah er den Zeitplan: „Mir fiel die Kinnlade herunter: Ich hatte weniger als sechs Monate Zeit, um vier Chips zu entwickeln, von denen einer, die CPU, an der Grenze des Möglichen lag.“

Die ursprünglichen Zeitpläne basierten auf Schätzungen, die für die Entwicklung von Speicherchips geeignet waren – die viele sich wiederholende Elemente verwenden – und nicht für Prozessorchips, die komplexe und vielfältige Logikschaltungen verwenden. Außerdem hatte Faggin kein Support-Personal und keine der Werkzeuge und Infrastrukturen, die andere Unternehmen zur Verfügung hatten, um digitale Logikdesigns zu erstellen und zu testen.

Ein paar Tage nach dem Start von Faggin landete Shima in den Staaten, um seinen Fortschritt zu überprüfen. Mazor und Faggin holten ihn vom Flughafen ab und brachten ihn zurück zu Intel. Shima erwartete, einen Plan auf Logikebene für die Chips zu sehen, den er mit den vereinbarten Spezifikationen abgleichen konnte. „Shima war wütend, als er herausfand, dass in den fünf Monaten keine Arbeit geleistet worden war, und er wurde sehr wütend auf mich…. Es dauerte fast eine Woche, bis sich Shima beruhigte“, schrieb Faggin.

Faggin arbeitete einen neuen Zeitplan aus, und es wurde vereinbart, dass Shima sechs Monate lang beim Design helfen würde, während Intel weitere Mitarbeiter für das Projekt einstellte. Faggin selbst tauchte in 70- bis 80-Stunden-Wochen ein.

Faggin arbeitete sich durch die Chips in der Reihenfolge ihrer Komplexität: der 4001 ROM, gefolgt vom 4003 Schnittstellen-Chip, dann der 4002 RAM, schließlich gefolgt von der 4004 CPU. Shima überprüfte die Logik der Chips und gab Rückmeldung, wie sie in das größere Rechendesign von Busicom passen würden. Ende 1970 war das Chipdesign abgeschlossen. Faggin fügte dem Layout der CPU eine persönliche Note hinzu: Er platzierte seine Initialen entlang der Kante des Prozessors, ein mikroskopisch kleines „F.F.“, das in jeden hergestellten 4004 geätzt wurde. Busicom hatte schließlich im März 1971 einen kompletten Satz MCS-4-Chips.

Da Busicom den Chipsatz in Auftrag gegeben hatte, besaß es die Exklusivrechte an dem Design, was Intel daran hinderte, den 4004 an jemand anderen zu verkaufen. Nachdem Hoff und andere das Potenzial des Prozessors erkannt hatten, bot Intel Busicom einen Preisnachlass für die Chips an, wenn Intel die 4000er-Familie auch für andere Anwendungen als Rechner verkaufen könnte. Busicom stimmte zu, und Intel begann im November 1971 mit der Werbung für den 4004: „Wir kündigen eine neue Ära der integrierten Elektronik an“, lautete der Werbetext – ein seltener Fall von absoluter Wahrheit in der Werbung.