Chip Hall of Fame: Mikroprocesor Intel 4004

Pierwszy CPU-on-a-chip był projektem typu shoestring crash

Intel 4004 był pierwszym na świecie mikroprocesorem – kompletnym procesorem ogólnego przeznaczenia na jednym układzie scalonym. Wydany w marcu 1971 r. i wykorzystujący najnowocześniejszą technologię bramek krzemowych, 4004 zapoczątkował wzrost globalnej dominacji Intela w branży procesorów. Można więc sobie wyobrazić, że wszystkie zasoby Intela – wówczas jeszcze młodej firmy – zostały przeznaczone na ten przełomowy projekt. W rzeczywistości jednak 4004 był projektem pobocznym, na który nie było wystarczającej liczby pracowników, który prawie się nie powiódł, a który miał na celu zdobycie pieniędzy, podczas gdy Intel rozwijał swoją prawdziwą linię produktów – układy pamięci.

Jak opisał Ken Shirriff w artykule dla IEEE Spectrum z lipca 2016 r., rosnąca liczba tranzystorów i złożoność układów scalonych w latach 60. oznaczały, że do 1970 r. wiele organizacji było na dobrej drodze do mikroprocesora. Niektóre z nich, jak Texas Instruments, miały o wiele większe zasoby niż Intel. Dlaczego więc Intel, założony zaledwie kilka lat wcześniej, w 1968 roku, przekroczył linię mety jako pierwszy? W dużej mierze dzięki czterem inżynierom, z których jeden nawet nie pracował dla firmy. (Aby poznać dłuższą wersję tej historii od samych inżynierów, można przeczytać ich panel historii mówionej, przechwycony przez Computer History Museum).

Pierwszym z czterech inżynierów jest Masatoshi Shima, który pracował dla japońskiej firmy Busicom, zajmującej się produkcją kalkulatorów biurowych, która chciała stworzyć nowy komputerowy kalkulator. W kwietniu 1969 r. firmy Busicom i Intel podpisały tymczasowe porozumienie, na mocy którego Intel miał opracować własny zestaw układów scalonych do kalkulatora. W związku z tym w czerwcu 1969 r. Shima i inni pracownicy firmy udali się do Intela, aby bardziej szczegółowo omówić plany. Shima zaproponował system ośmioukładowy: trzy układy do współpracy z urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak klawiatura i drukarka, jeden układ do przechowywania danych, jeden układ do przechowywania kodu programu oraz dwa układy, które razem tworzyłyby procesor.

Ted Hoff jest drugim inżynierem w naszej opowieści i był szefem działu aplikacji Intela, który negocjował z Busicomem. Hoff obawiał się, że Intel będzie miał problemy z wyprodukowaniem tak dużej liczby chipów, zwłaszcza że system wymagałby wielu pinów na chip do połączeń, co przesunęłoby granice technologii pakowania ceramicznego, którą stosował Intel. Zaproponował zmniejszenie liczby układów o połowę: jeden 256-bajtowy układ pamięci programu, nazwany 4001, jeden 40-bajtowy układ pamięci danych, 4002, układ interfejsu peryferyjnego, 4003, i jeden układ procesora, 4004. Cały system, nazwany MCS-4, miał być 4-bitowy, co znacznie zmniejszyło liczbę pinów potrzebnych do połączenia układów. Hoff zatrudnił inżyniera nr 3, Stanleya Mazora z Intela. Razem Hoff i Mazor przygotowali zestaw specyfikacji dla każdego układu scalonego oraz proponowany harmonogram produkcji.

Na kolejnym spotkaniu w październiku 1969 r. Intel przedstawił swoją kontrpropozycję. Busicom był zainteresowany i Shima wrócił do Japonii, aby wykonać prototyp oprogramowania dla nowego kalkulatora i upewnić się, że architektura MCS-4 spełni potrzeby Busicomu. W lutym 1970 r. zawarto porozumienie, na mocy którego Busicom zaplanował wprowadzenie kalkulatora na rynek na podstawie harmonogramu Hoffa i Mazora. Postanowiono, że Shima przyjedzie do Kalifornii, aby sprawdzić postępy w kwietniu 1970 roku. Chipy miały być wprowadzane do produkcji według rozłożonego w czasie harmonogramu od lipca do października 1970 roku, zaczynając od 4001, a kończąc na 4004.

Jednakże, nie wiedząc o tym ani Shima, ani Busicom, na początku 1970 roku projekt 4004 stanął w Intelu w miejscu. Problem polegał na tym, że Hoff i Mazor nie byli projektantami układów scalonych – ludźmi, którzy potrafią wziąć specyfikacje i stworzyć szczegółowe diagramy bramek logicznych. Diagramy te są z kolei wykorzystywane do opracowania dokładnego sposobu i miejsca rozmieszczenia tranzystorów i innych elementów na fizycznym układzie scalonym.

W rzeczywistości w Intelu nie było nikogo, kto mógłby podjąć się tego zadania, ponieważ firma koncentrowała się wtedy na opracowywaniu układów pamięci. W końcu Intel dokonał jednej z największych rekrutacji wszechczasów i wprowadził czwartą kluczową osobę w tej historii: Frederico Faggina, młodego inżyniera wyjątkowo nadającego się do tej pracy. Na początku swojej kariery Faggin zaprojektował i zbudował od podstaw komputer dla włoskiej firmy Olivetti. Następnie w późnych latach 60. dołączył do Fairchild Semiconductor w Dolinie Krzemowej, gdzie wniósł kluczowy wkład w zaawansowaną technologię półprzewodników z tlenków metali (MOS), na której opierały się układy Intela. Faggin chciał pracować w bardziej przedsiębiorczym środowisku niż Fairchild, dlatego w kwietniu 1970 roku przyjął ofertę od Intela.

W pierwszym dniu pracy Mazor przedstawił mu projekt Busicom. Jak napisał Faggin w swojej osobistej relacji z rozwoju 4004 w zimowym wydaniu IEEE Solid-State Circuits Magazine z 2009 roku, kiedy zobaczył harmonogram: „Szczęka mi opadła: Miałem mniej niż sześć miesięcy na zaprojektowanie czterech układów, z których jeden, procesor, był na granicy tego, co było możliwe.”

Pierwotne harmonogramy opierały się na szacunkach odpowiednich do projektowania układów pamięciowych – które wykorzystują wiele powtarzających się elementów – a nie układów procesorowych, które wykorzystują złożone i zróżnicowane obwody logiczne. Ponadto Faggin nie dysponował personelem pomocniczym, ani narzędziami i infrastrukturą, którą dysponowały inne firmy, aby pomóc w tworzeniu i testowaniu projektów logiki cyfrowej.

Kilka dni po rozpoczęciu pracy przez Faggina, Shima wylądował w Stanach Zjednoczonych w celu sprawdzenia postępów. Mazor i Faggin pojechali odebrać go z lotniska i przywieźć do Intela. Shima oczekiwał, że zobaczy plan poziomu logicznego chipów, który będzie mógł sprawdzić pod kątem uzgodnionych specyfikacji. „Shima był wściekły, gdy dowiedział się, że w ciągu pięciu miesięcy nie wykonano żadnej pracy i bardzo się na mnie rozgniewał…. Prawie tydzień zajęło Shimie uspokojenie się” – napisał Faggin.

Faggin opracował nowy harmonogram i uzgodniono, że podczas gdy Intel zajmie się zatrudnianiem kolejnych osób do projektu, Shima zostanie na sześć miesięcy, aby pomóc w projektowaniu. Sam Faggin zanurzył się w 70- lub 80-godzinnych tygodniach pracy.

Faggin pracował nad układami w kolejności ich złożoności: 4001 ROM, następnie układ interfejsu 4003, potem 4002 RAM, a na końcu 4004 CPU. Shima sprawdził logikę układów i przekazał informacje zwrotne na temat tego, jak będą one pasować do projektu większego kalkulatora firmy Busicom. Pod koniec 1970 roku projekt układu był ukończony. Faggin dodał osobisty akcent do układu procesora: Umieścił swoje inicjały wzdłuż krawędzi procesora, mikroskopijne „F.F.” wyryte na każdym wyprodukowanym 4004. Busicom w końcu miał kompletny zestaw układów MCS-4 w marcu 1971 roku.

Jako że Busicom zlecił wykonanie chipsetu, miał wyłączne prawa do projektu, uniemożliwiając Intelowi sprzedaż 4004 komukolwiek innemu. Jednak po pewnych sugestiach ze strony Hoffa i innych osób, dotyczących potencjału procesora, Intel zaproponował firmie Busicom obniżenie kosztów układów, jeśli Intel będzie mógł sprzedawać rodzinę 4000 do zastosowań innych niż obliczeniowe. Busicom zgodził się, a Intel rozpoczął reklamę 4004 w listopadzie 1971 roku: „Ogłaszając nową erę zintegrowanej elektroniki”, głosiła kopia reklamy – rzadki przypadek absolutnej prawdy w reklamie.