Chip Hall of Fame: Intel 4004 Microprocessor

De eerste CPU-on-a-chip was een shoestring crash project

De Intel 4004 was ’s werelds eerste microprocessor-een complete general-purpose CPU op een enkele chip. De 4004, die in maart 1971 op de markt kwam en gebruik maakte van de allernieuwste silicium-gate-technologie, markeerde het begin van Intels opmars naar een wereldwijde dominante positie in de processorindustrie. Je zou je dus kunnen voorstellen dat alle middelen van Intel – toen nog een jonge onderneming – werden ingezet voor dit baanbrekende project. Maar in feite was de 4004 een onderbemand nevenproject, een crashjob die bijna crashte, een gewoon bedoeld om wat geld op te trommelen terwijl Intel zijn echte productlijn ontwikkelde, geheugenchips.

Zoals beschreven door Ken Shirriff in een artikel van juli 2016 voor IEEE Spectrum, betekende het toenemende aantal transistors en de complexiteit van geïntegreerde circuits in de jaren zestig dat tegen 1970 meerdere organisaties hot waren op het pad naar de microprocessor. Sommige van deze, zoals Texas Instruments, hadden veel meer middelen dan Intel. Waarom kwam Intel, dat slechts een paar jaar eerder, in 1968, was opgericht, dan als eerste over de eindstreep? Dat was grotendeels te danken aan vier ingenieurs, van wie er één niet eens voor het bedrijf werkte. (Voor een uitgebreide versie van dit verhaal van de ingenieurs zelf, kunt u hun mondelinge geschiedenispanel lezen, zoals vastgelegd door het Computer History Museum).

De eerste van de vier ingenieurs is Masatoshi Shima, die voor het Japanse kantoorrekenmachinebedrijf Busicom werkte, dat een nieuwe gecomputeriseerde rekenmachine wilde maken. In april 1969 tekenden Busicom en Intel een voorlopige overeenkomst voor Intel om een aangepaste set chips voor de rekenmachine te ontwikkelen. Daarom reisden Shima en anderen in juni 1969 naar Intel om de plannen nader te bespreken. Shima stelde een systeem met acht chips voor: drie chips voor de interface met randapparatuur zoals het toetsenbord en de printer, een chip voor de opslag van gegevens, een chip voor de opslag van programmacode, en twee chips die samen de CPU zouden vormen.

Ted Hoff is de tweede ingenieur in ons verhaal en was het hoofd van de afdeling toepassingen van Intel die met Busicom onderhandelde. Hoff was bezorgd dat Intel moeite zou hebben om zoveel chips te produceren, vooral omdat het systeem veel pinnen per chip nodig zou hebben voor de interconnectie, wat de grenzen zou verleggen van de keramische verpakkingstechnologie die Intel gebruikte. Hij stelde voor het aantal chips te halveren: één chip met een programmageheugen van 256 bytes, de 4001, één chip met een datageheugen van 40 bytes, de 4002, een interfacechip voor randapparatuur, de 4003, en één CPU-chip, de 4004. Het hele systeem, de MCS-4 genaamd, zou 4-bit zijn, waardoor het aantal pinnen dat nodig was om de chips met elkaar te verbinden aanzienlijk werd verminderd. Hoff haalde ingenieur nr. 3, Intel’s Stanley Mazor, erbij. Samen stelden Hoff en Mazor een reeks specificaties op voor elke chip en een voorstel voor een productieschema.

Tijdens een vervolgbijeenkomst in oktober 1969 deed Intel een tegenvoorstel. Busicom was geïnteresseerd en Shima keerde terug naar Japan om een prototype te maken van de software voor de nieuwe rekenmachine, om er zeker van te zijn dat de MCS-4 architectuur zou voldoen aan de behoeften van Busicom. In februari 1970 werd een overeenkomst gesloten, waarbij Busicom de uitrol van de rekenmachine plande op basis van het schema van Hoff en Mazor. Besloten werd dat Shima in april 1970 terug zou komen naar Californië om de voortgang te controleren. De chips zouden volgens een gespreid schema van juli tot oktober 1970 in productie worden genomen, te beginnen met de 4001 en eindigend met de 4004.

Het 4004-project was echter begin 1970 binnen Intel tot stilstand gekomen, zonder dat Shima en Busicom het wisten. Het probleem was dat Hoff en Mazor geen chipontwerpers waren – mensen die specificaties kunnen gebruiken en gedetailleerde logische-poortdiagrammen kunnen maken. Die diagrammen worden op hun beurt gebruikt om precies uit te werken hoe en waar transistors en andere componenten op de fysieke chip moeten worden ingepast.

Eigenlijk was er niemand bij Intel die deze taak op zich kon nemen, omdat het bedrijf zich toen concentreerde op de ontwikkeling van geheugenchips. Uiteindelijk maakte Intel een van de grootste aanwervingen aller tijden en introduceerde de vierde cruciale persoon in dit verhaal: Frederico Faggin, een jonge ingenieur die bij uitstek geschikt was voor de baan. Aan het begin van zijn carrière had Faggin een computer van de grond af aan ontworpen en gebouwd voor Olivetti, in Italië. Aan het eind van de jaren zestig ging hij aan de slag bij Fairchild Semiconductor in Silicon Valley, waar hij belangrijke bijdragen leverde aan de geavanceerde metaaloxidehalfgeleidertechnologie (MOS) waarop de chips van Intel berustten. Faggin wilde werken in een meer ondernemende omgeving dan Fairchild en accepteerde daarom in april 1970 een aanbod van Intel.

Op Faggin’s eerste werkdag informeerde Mazor hem over het Busicom-project. Toen Faggin het schema zag, schreef hij in zijn persoonlijke verslag over de ontwikkeling van de 4004 voor het winternummer 2009 van IEEE Solid-State Circuits Magazine: “Mijn kaak viel open: Ik had minder dan zes maanden om vier chips te ontwerpen, waarvan er één, de CPU, op de grens zat van wat mogelijk was.”

De oorspronkelijke schema’s waren gebaseerd op schattingen die geschikt waren voor het ontwerpen van geheugenchips – die veel herhalende elementen gebruiken – in plaats van processorchips, die complexe en gevarieerde logische circuits gebruiken. Bovendien had Faggin geen ondersteunend personeel en geen van de gereedschappen en infrastructuur die andere bedrijven hadden om te helpen bij het maken en testen van digitale logische ontwerpen.

Een paar dagen na de start van Faggin landde Shima in de Verenigde Staten voor zijn voortgangscontrole. Mazor en Faggin haalden hem op van het vliegveld en brachten hem terug naar Intel. Shima verwachtte een plan op logicaniveau voor de chips te zien dat hij kon toetsen aan de overeengekomen specificaties. “Shima was woedend toen hij ontdekte dat er in de vijf maanden geen werk was verricht en hij werd erg boos op mij…. Het duurde bijna een week voordat Shima gekalmeerd was,” schreef Faggin.

Faggin werkte een nieuw schema uit, en er werd afgesproken dat terwijl Intel meer mensen voor het project ging inhuren, Shima zes maanden zou blijven om te helpen met het ontwerp. Faggin zelf dook in werkweken van 70 tot 80 uur.

Faggin werkte de chips af in volgorde van complexiteit: de 4001 ROM, gevolgd door de 4003 interface chip, dan de 4002 RAM, en tenslotte de 4004 CPU. Shima controleerde de logica van de chips en gaf feedback over hoe ze zouden passen in het grotere ontwerp van de rekenmachine van Busicom. Aan het eind van 1970 was het chipontwerp voltooid. Faggin voegde een persoonlijk tintje toe aan de lay-out van de CPU: Hij plaatste zijn initialen langs de rand van de processor, een microscopisch klein “F.F.” geëtst in elke 4004 die gemaakt werd. In maart 1971 had Busicom eindelijk een complete werkende set MCS-4 chips.

Aangezien Busicom de chipset in opdracht had gegeven, had het exclusieve rechten op het ontwerp, waardoor Intel de 4004 niet aan iemand anders kon verkopen. Maar na enig aandringen van Hoff en anderen over het potentieel van de processor, bood Intel aan om Busicom een korting te geven op de kosten van de chips als Intel de 4000-familie kon verkopen voor niet-calculatortoepassingen. Busicom ging akkoord en Intel begon in november 1971 met het adverteren van de 4004: “Een nieuw tijdperk van geïntegreerde elektronica”, luidde de advertentie – een zeldzaam geval van absolute waarheid in reclame.