Salão da Fama do Chip: Microprocessador Intel 4004

O primeiro CPU-on-a-chip foi um projecto de colapso de um shoestring crash

O Intel 4004 foi o primeiro microprocessador do mundo – um CPU completo de uso geral num único chip. Lançado em Março de 1971, e utilizando tecnologia de ponta de porta de silício, o 4004 marcou o início da ascensão da Intel ao domínio global na indústria de processadores. Assim, pode imaginar que todos os recursos da Intel – ainda uma empresa inexperiente na altura – foram dedicados a este projecto pioneiro. Mas, de facto, o 4004 foi um projecto lateral com falta de pessoal, um trabalho de crash que quase se despenhou, um projecto que pretendia simplesmente angariar algum dinheiro enquanto a Intel desenvolvia a sua verdadeira linha de produtos, chips de memória.

Como descrito por Ken Shirriff numa característica de Julho de 2016 para o IEEE Spectrum, a crescente contagem de transístores e a complexidade dos circuitos integrados nos anos 60 significava que, por volta de 1970, múltiplas organizações estavam no bom caminho para o microprocessador. Algumas destas, como a Texas Instruments, tinham muito mais recursos do que a Intel. Então, porque é que a Intel, fundada apenas alguns anos antes, em 1968, atravessou primeiro a linha de chegada? Foi em grande parte graças a quatro engenheiros, um dos quais nem sequer trabalhava para a empresa. (Para uma versão longa desta história dos próprios engenheiros, pode ler o seu painel de história oral, tal como capturado pelo Museu de História Informática).

O primeiro dos quatro engenheiros é Masatoshi Shima, que trabalhava para a empresa japonesa Busicom, que queria criar uma nova calculadora computorizada. Em Abril de 1969, a Busicom e a Intel assinaram um acordo provisório para a Intel desenvolver um conjunto personalizado de chips para a calculadora. Consequentemente, em Junho de 1969, Shima e outros viajaram para a Intel para discutir os planos em mais pormenor. Shima propôs um sistema de oito chips: três chips para interface com periféricos como o teclado e a impressora, um chip para armazenar dados, um chip para armazenar o código do programa, e dois chips que juntos constituiriam o CPU.

Ted Hoff é o segundo engenheiro no nosso conto e foi o chefe do departamento de aplicações Intel que estava a negociar com a Busicom. Hoff estava preocupado que a Intel lutaria para produzir tantos chips, especialmente porque o sistema exigiria muitos pinos por chip para interconectar, o que iria empurrar os limites da tecnologia de embalagem cerâmica que a Intel estava a utilizar. Ele propôs reduzir para metade a contagem do chip: um chip de memória de programa de 256 bytes, apelidado de 4001, um chip de memória de dados de 40 bytes, o 4002, um chip de interface periférico, o 4003, e um chip de CPU, o 4004. Todo o sistema – chamado MCS-4 – seria de 4 bits, reduzindo significativamente o número de pinos necessários para interligar os chips. Hoff trouxe o engenheiro nº 3, Stanley Mazor da Intel. Juntos, Hoff e Mazor reuniram um conjunto de especificações para cada chip e um calendário de produção proposto.

Numa reunião de acompanhamento em Outubro de 1969, a Intel fez a sua contraproposta. A Busicom estava interessada e Shima regressou ao Japão para o protótipo de software para a nova calculadora, a fim de garantir que a arquitectura MCS-4 suportaria as necessidades da Busicom. Foi feito um acordo em Fevereiro de 1970, com a Busicom a planear o lançamento da sua calculadora com base no calendário da Hoff’s e da Mazor. Foi decidido que Shima regressaria à Califórnia para verificar o progresso em Abril de 1970. As fichas seriam colocadas em produção num calendário escalonado de Julho a Outubro de 1970, começando com o 4001 e terminando com o 4004.

No entanto, sem que Shima e Busicom tivessem conhecimento, o projecto 4004 parou dentro da Intel no início de 1970. O problema era que Hoff e Mazor não eram desenhadores de chips – aquelas pessoas que podem tomar especificações e criar diagramas lógico-detalhados. Estes diagramas, por sua vez, são utilizados para determinar exactamente como e onde os transístores e outros componentes devem ser modelados no chip físico.

Na verdade, não havia ninguém na Intel que pudesse assumir o trabalho, uma vez que a empresa estava então concentrada no desenvolvimento de chips de memória. Finalmente, a Intel fez uma das grandes contratações de todos os tempos e introduziu a quarta pessoa crítica nesta história: Frederico Faggin, um jovem engenheiro unicamente adequado para o trabalho. No início da sua carreira, Faggin tinha concebido e construído um computador a partir do zero para a Olivetti, em Itália. Depois, no final dos anos 60, juntou-se à Fairchild Semiconductor, em Silicon Valley, onde fez contribuições fundamentais para a tecnologia avançada de semicondutores de óxido metálico (MOS), na qual os chips da Intel confiavam. Faggin queria trabalhar num ambiente mais empreendedor do que Fairchild, e assim aceitou uma oferta da Intel em Abril de 1970.

p>No primeiro dia de trabalho de Faggin, Mazor informou-o sobre o projecto Busicom. Como Faggin escreveu no seu relato pessoal sobre o desenvolvimento do 4004 para a edição de Inverno 2009 da revista IEEE Solid-State Circuits Magazine, quando viu a programação: “O meu maxilar caiu: Tive menos de seis meses para conceber quatro chips, um dos quais, o CPU, estava no limite do que era possível”

As programações originais foram baseadas em estimativas adequadas para a concepção de chips de memória – que utilizam muitos elementos de repetição – do que chips de processador, que utilizam circuitos lógicos complexos e variados. Além disso, Faggin não tinha pessoal de apoio e nenhuma das ferramentas e infra-estruturas que outras empresas tinham para ajudar a criar e testar desenhos lógicos digitais.

Poucos dias após o início de Faggin, Shima aterrou nos Estados Unidos para a sua verificação do progresso. Mazor e Faggin foram buscá-lo ao aeroporto e trazê-lo de volta à Intel. Shima esperava ver um plano de nível lógico para os chips que pudesse verificar em função das especificações acordadas. “Shima ficou furioso quando descobriu que nenhum trabalho tinha sido feito nos cinco meses e ficou muito zangado comigo…. Demorou quase uma semana para Shima se acalmar”, escreveu Faggin.

Faggin elaborou um novo cronograma, e foi acordado que enquanto a Intel se propunha a contratar mais pessoas para o projecto, Shima ficaria por seis meses para ajudar na concepção. O próprio Faggin mergulhou em 70 a 80 horas semanais de trabalho.

Faggin trabalhou através dos chips em ordem de complexidade: a ROM 4001, seguida do chip de interface 4003, depois a RAM 4002, seguida finalmente pelo CPU 4004. Shima verificou a lógica dos chips e forneceu feedback sobre como eles se encaixariam no desenho da calculadora maior da Busicom. No final de 1970, o desenho do chip estava completo. Faggin acrescentou um florescimento pessoal ao desenho do CPU: Ele colocou as suas iniciais ao longo da borda do processador, um microscópico “F.F.” gravado em cada 4004 feitos. Busicom teve finalmente um conjunto completo de chips MCS-4 em Março de 1971.

Como a Busicom tinha encomendado o chipset, tinha direitos exclusivos sobre o desenho, impedindo a Intel de vender o 4004 a qualquer outra pessoa. Mas depois de alguns pedidos da Hoff e outros sobre o potencial do processador, a Intel ofereceu-se para dar à Busicom uma pausa no custo dos chips se a Intel pudesse vender a família 4000 para aplicações não calculadoras. A Busicom concordou, e a Intel começou a anunciar o 4004 em Novembro de 1971: “Anunciando uma nova era de electrónica integrada”, declarou o anúncio – um caso raro de verdade absoluta na publicidade.