Hall of Fame dei chip: Microprocessore Intel 4004

L’Intel 4004 è stato il primo microprocessore al mondo, una CPU completa per uso generale su un singolo chip. Rilasciato nel marzo 1971, e utilizzando la tecnologia all’avanguardia dei silicon-gate, il 4004 ha segnato l’inizio dell’ascesa di Intel al dominio globale nell’industria dei processori. Quindi si potrebbe immaginare che tutte le risorse di Intel – all’epoca ancora una società alle prime armi – siano state dedicate a questo progetto innovativo. Ma in realtà, il 4004 era un progetto secondario con poco personale, un lavoro di fortuna che quasi si è schiantato, uno destinato semplicemente a raccogliere un po’ di denaro mentre Intel sviluppava la sua vera linea di prodotti, i chip di memoria.

Come descritto da Ken Shirriff in un articolo del luglio 2016 per IEEE Spectrum, il crescente numero di transistor e la complessità dei circuiti integrati negli anni ’60 significava che nel 1970, più organizzazioni erano sulla buona strada per il microprocessore. Alcune di queste, come Texas Instruments, avevano molte più risorse di Intel. Allora perché Intel, fondata solo pochi anni prima, nel 1968, tagliò per prima il traguardo? In gran parte grazie a quattro ingegneri, uno dei quali non lavorava nemmeno per l’azienda. (Per una lunga versione di questa storia dagli stessi ingegneri, potete leggere il loro pannello di storia orale, come catturato dal Computer History Museum).

Il primo dei quattro ingegneri è Masatoshi Shima, che lavorava per la società giapponese di calcolatrici da ufficio Busicom, che voleva creare una nuova calcolatrice computerizzata. Nell’aprile 1969, Busicom e Intel firmarono un accordo provvisorio affinché Intel sviluppasse un set di chip personalizzato per la calcolatrice. Di conseguenza, nel giugno 1969 Shima e altri si recarono da Intel per discutere i piani in modo più dettagliato. Shima propose un sistema a otto chip: tre chip per interfacciarsi con le periferiche come la tastiera e la stampante, un chip per memorizzare i dati, un chip per memorizzare il codice del programma e due chip che insieme avrebbero costituito la CPU.

Ted Hoff è il secondo ingegnere del nostro racconto ed era il capo del dipartimento applicazioni di Intel che stava negoziando con Busicom. Hoff era preoccupato che Intel avrebbe fatto fatica a produrre così tanti chip, soprattutto perché il sistema avrebbe richiesto molti pin per chip da interconnettere, il che avrebbe spinto i limiti della tecnologia di imballaggio in ceramica che Intel stava usando. Propose di dimezzare il numero di chip: un chip di memoria programma da 256 byte, chiamato 4001, un chip di memoria dati da 40 byte, il 4002, un chip di interfaccia periferica, il 4003, e un chip CPU, il 4004. L’intero sistema, chiamato MCS-4, sarebbe stato a 4 bit, riducendo significativamente il numero di pin necessari per interconnettere i chip. Hoff portò l’ingegnere n. 3, Stanley Mazor di Intel. Insieme Hoff e Mazor misero insieme una serie di specifiche per ogni chip e un programma di produzione proposto.

In una riunione successiva nell’ottobre del 1969, Intel fece la sua controproposta. Busicom era interessata e Shima tornò in Giappone per prototipare il software per il nuovo calcolatore per assicurarsi che l’architettura MCS-4 avrebbe supportato le esigenze di Busicom. Un accordo fu fatto nel febbraio 1970, con Busicom che pianificava il lancio del suo calcolatore sulla base del programma di Hoff e Mazor. Fu deciso che Shima sarebbe tornato in California per controllare i progressi nell’aprile 1970. I chip dovevano essere messi in produzione con un programma scaglionato da luglio a ottobre 1970, iniziando con il 4001 e finendo con il 4004.

Tuttavia, all’insaputa di Shima e Busicom, il progetto 4004 si era fermato all’interno di Intel all’inizio del 1970. Il problema era che Hoff e Mazor non erano progettisti di chip – quelle persone che possono prendere le specifiche e creare diagrammi dettagliati delle porte logiche. Questi diagrammi, a loro volta, sono usati per capire esattamente come e dove i transistor e altri componenti devono essere modellati sul chip fisico.

In effetti, alla Intel non c’era nessuno che potesse assumere questo compito, dato che l’azienda era allora concentrata sullo sviluppo di chip di memoria. Infine, Intel fece una delle grandi assunzioni di tutti i tempi e introdusse la quarta persona critica in questa storia: Frederico Faggin, un giovane ingegnere particolarmente adatto al lavoro. All’inizio della sua carriera, Faggin aveva progettato e costruito un computer da zero per Olivetti, in Italia. Poi, alla fine degli anni ’60, si era unito alla Fairchild Semiconductor, nella Silicon Valley, dove ha dato contributi chiave alla tecnologia avanzata dei semiconduttori ad ossido di metallo (MOS) su cui si basavano i chip della Intel. Faggin voleva lavorare in un ambiente più imprenditoriale di Fairchild, e così accettò un’offerta da Intel nell’aprile 1970.

Il primo giorno di lavoro di Faggin, Mazor lo informò sul progetto Busicom. Come Faggin ha scritto nel suo resoconto personale dello sviluppo del 4004 per il numero invernale 2009 della rivista IEEE Solid-State Circuits, quando ha visto il programma: “Mi è caduta la mascella: Avevo meno di sei mesi per progettare quattro chip, uno dei quali, la CPU, era al limite del possibile.”

I programmi originali erano basati su stime adatte alla progettazione di chip di memoria – che utilizzano molti elementi ripetitivi – piuttosto che chip di processori, che utilizzano circuiti logici complessi e vari. Inoltre, Faggin non aveva personale di supporto e nessuno degli strumenti e delle infrastrutture che altre aziende avevano per aiutare a creare e testare i progetti di logica digitale.

Alcuni giorni dopo l’inizio di Faggin, Shima atterrò negli Stati Uniti per il suo controllo dei progressi. Mazor e Faggin andarono a prenderlo all’aeroporto e lo riportarono alla Intel. Shima si aspettava di vedere un piano a livello logico per i chip che poteva controllare rispetto alle specifiche concordate. “Shima era furioso quando scoprì che non era stato fatto alcun lavoro nei cinque mesi e si arrabbiò molto con me…. Ci volle quasi una settimana perché Shima si calmasse”, ha scritto Faggin.

Faggin elaborò un nuovo programma, e fu concordato che mentre Intel assumeva altre persone per il progetto, Shima sarebbe rimasto per sei mesi per aiutare nella progettazione. Faggin stesso si immerse in settimane di lavoro da 70 a 80 ore.

Faggin lavorò sui chip in ordine di complessità: la ROM 4001, seguita dal chip di interfaccia 4003, poi la RAM 4002, seguita infine dalla CPU 4004. Shima controllava la logica dei chip e forniva un feedback su come si sarebbero inseriti nel progetto più ampio della calcolatrice di Busicom. Alla fine del 1970, il design del chip era completo. Faggin aggiunse un tocco personale al layout della CPU: Mise le sue iniziali lungo il bordo del processore, un microscopico “F.F.” inciso in ogni 4004 prodotto. Busicom ebbe finalmente un set completo e funzionante di chip MCS-4 nel marzo 1971.

Come Busicom aveva commissionato il chipset, aveva diritti esclusivi sul progetto, impedendo a Intel di vendere il 4004 a chiunque altro. Ma dopo alcune sollecitazioni da parte di Hoff e altri sul potenziale del processore, Intel si offrì di dare a Busicom una pausa sul costo dei chip se Intel avesse potuto vendere la famiglia 4000 per applicazioni non calcolatrici. Busicom accettò, e Intel iniziò a pubblicizzare il 4004 nel novembre 1971: “Annunciando una nuova era dell’elettronica integrata”, recitava la copia dell’annuncio – un raro caso di verità assoluta nella pubblicità.