Белый керамический микропроцессор Intel C4004 с серыми полосами | |
Общая информация | |
---|---|
Запущен | конец 1971 года |
Снято с производства | 1981 |
Обычный производитель (-ы) |
|
Производительность | |
Макс. CPU тактовая частота | 740-750 кГц |
Ширина данных | 4 бита |
Ширина адреса | 12 (мультиплексированный) |
Архитектура и классификация | |
Приложение | Калькулятор Busicom, арифметические операции |
Мин. размер элемента | 10 мкм |
Набор команд | 4-битный BCD ориентированный |
Физические характеристики | |
Транзисторы |
|
Упаковка (и) |
|
Разъем (ы) | |
История | |
Преемник | Intel 4040 |
Intel 4004 - это 4-битный центральный процессор (CPU), выпущенный Intel Corporation в 1971 году. Это был первый серийно производимый микропроцессор и первый в серии Линия процессоров Intel.
Разработка микросхемы, реализованная с использованием технологии кремниевого затвора MOS, началась в апреле 1970 года и была создана Федерико Фаггин, который руководил проектом от начала до завершения в 1971 году. Марсиан Хофф сформулировал и возглавил архитектурное предложение в 1969 году, и Масатоши Шима внес вклад в архитектуру, а затем в логический дизайн. Первая поставка полностью работоспособного 4004 произошла в марте 1971 года для Busicom Corp. из Японии для своего инженерного прототипа печатного калькулятора 141-PF (теперь выставленного в Музее компьютерной истории - Маунтин-Вью, Калифорния) [1]. Этот калькулятор, для которого 4004 был первоначально разработан и построен как индивидуальный чип, был впервые коммерчески доступен в июле 1971 года.
4004 был первой схемой случайной логики, интегрированной в один чип с использованием MOS (металл – оксид – полупроводник) кремниевый затвор технология (SGT). Это была самая передовая конструкция интегральной схемы (ИС), разработанная до того момента. Хофф, глава отдела исследований приложений Intel, сформулировал архитектурное предложение, состоящее из блочной архитектуры с набором инструкций, в 1969 году, разговаривая с инженерами Busicom во главе с Шимой и с помощью Стэна Мазора. Хофф и Мазор не были разработчиками микросхем MOS и не участвовали в фактическом проектировании или разработке 4004.
Дизайн микросхемы был реализован независимо в отделе MOS, в отличие от исследований приложений. Это могло быть реализовано только дизайнером, обладающим глубокими знаниями в области технологии МОП-процесса и нового SGT. Фаггин был нанят в Intel в апреле 1970 года из Fairchild Semiconductor в качестве руководителя проекта и разработчика 4004, и в марте 1971 года он перешел на производство полнофункционального чипа. Фаггин передал Intel свое мастерство в SGT, которое он изобрел его в Fairchild (в 1968 году) и использовал его для разработки своей новой методологии случайного проектирования микросхем, которая была ключом к созданию первых и всех ранних микропроцессоров Intel. Шима, представлявший компанию Busicom, сотрудничал с Хоффом и Мазором на этапе проектирования архитектуры в течение 1969 года, а также помогал Фаггину с окончательным логическим дизайном в течение 6 месяцев в 1970 году. новая эра в интегрированной электронике », 4004 стал коммерчески доступным для широкого рынка. 4004 был первым монолитным процессором, полностью интегрированным в один небольшой чип. Такой подвиг интеграции стал возможным благодаря использованию новой технологии кремниевого затвора для интегральных схем, первоначально разработанной Фаггином (с Томом Кляйном) в Fairchild Semiconductor в 1968 году, что позволило вдвое большее количество транзисторов со случайной логикой и увеличение скорости в пять раз по сравнению с существующей технологией MOS с алюминиевым затвором. Фаггин также изобрел загрузочную загрузку с кремниевым затвором и «скрытым контактом», улучшив скорость и плотность схемы по сравнению с алюминиевым затвором.
Микропроцессор 4004, ПЗУ 4001, ОЗУ 4002 и регистр сдвига 4003 составили четыре микросхемы в наборе микросхем Intel MCS-4 . С помощью этих компонентов можно было построить небольшие компьютеры с различным объемом памяти и средствами ввода-вывода.
Три других дизайна микросхемы ЦП были произведены примерно в то же время: Четырехфазные системы AL1, выпущенные в 1969 году; MP944, построенный в 1970 году и использовавшийся в истребителе F-14 Tomcat; и микросхема Texas Instruments TMS-0100, анонсированная 17 сентября 1971 г. MP944 представлял собой набор из шести микросхем, образующих единый процессор. Микросхема TMS0100 была представлена как «калькулятор на микросхеме» с оригинальным обозначением TMS1802NC. Этот чип содержит очень примитивный процессор и может использоваться только для реализации различных простых четырехфункциональных калькуляторов. Это предшественник TMS1000, представленный в 1974 году, который считается первым микроконтроллером, то есть компьютером на микросхеме, содержащим не только ЦП, но также ПЗУ, ОЗУ и функции ввода-вывода.. Семейство MCS-4 из четырех микросхем, разработанное Intel, из которых 4004 - это ЦП или микропроцессор, было гораздо более универсальным и мощным, чем однокристальный TMS1000, что позволило создавать множество небольших компьютеров для различных приложений.
Zilog, первая компания, полностью посвященная микропроцессорам и микроконтроллерам, была основана Федерико Фаггин и Ральфом Унгерманом в конце 1974 года.
Первым публичным упоминанием 4004 было объявление в выпуске Electronic News от 15 ноября 1971 года. Первая поставка компании Busicom для их инженерного прототипа калькулятора состоялась в марте 1971 года, за ней последовал их прототип калькулятора 141-PF, коммерчески доступный на рынке в июле 1971 года. Упакованный в керамический 16-контактный корпус с двумя линиями., 4004 был первым коммерчески доступным компьютерным процессором, разработанным и произведенным производителем микросхем Intel, который ранее производил полупроводниковые микросхемы памяти. Главными разработчиками чипа были Федерико Фаггин, руководитель проекта после того, как архитектурное определение было окончательно согласовано с Busicom, который разработал методологию проектирования и дизайн чипа на основе кремния; Тед Хофф, который сформулировал архитектуру, как Intel, так и Масатоши Шима из Busicom, который помогал в разработке.
Фаггин, единственный разработчик микросхем среди инженеров проекта MCS-4, был единственным, кто имел опыт металлооксидной полупроводниковой (МОП) случайной логики и проектирования схем. Он также обладал важнейшими знаниями в области новой технологии процесса кремниевого затвора с самовыравнивающимися затворами, которую он создал в Fairchild в 1968 году. В Fairchild в 1968 году Фаггин также разработал и изготовил первая в мире коммерческая ИС с использованием SGT, Fairchild 3708, которая была изображена на обложке журнала Electronics (29 сентября 1969 г.). Как только он присоединился к отделу Intel MOS, он создал новую методологию проектирования случайной логики на основе кремниевого затвора и внес множество изобретений в области технологий и схемотехники, которые позволили их однокристальному микропроцессору стать реальностью. Его методология установила стиль дизайна для всех ранних микропроцессоров Intel, а затем и для Zilog Z80. Он также руководил проектом MCS-4 и отвечал за его успешный результат (1970–1971). Марсиан «Тед» Хофф, руководитель отдела исследований приложений, внес архитектурное предложение для Busicom, работая с Стэнли Мазором в 1969 году, затем он перешел к другим проектам. Когда его спросили, откуда у него идеи для архитектуры первого микропроцессора, Хофф ответил, что Plessey, «британская тракторная компания», подарила Стэнфорду миникомпьютер, а у него « поигрался с ней «пока был там. Шима разработал прошивку калькулятора Busicom и помогал Фаггину в течение первых шести месяцев внедрения. Руководителем отдела проектирования MOS компании Intel был Лесли Л. Вадас. Во время разработки MCS-4 внимание Вадаша было полностью сосредоточено на основном бизнесе полупроводниковых запоминающих устройств, и он оставил руководство и управление проектом MCS-4 Фаггину.
Компания Busicom разработала собственный специализированный набор микросхем LSI для использования в калькуляторе Busicom 141-PF со встроенным принтером. В основе их конструкции лежит архитектура Olivetti Programma 101, одного из первых в мире настольных программируемых калькуляторов, который Olivetti представил в 1965 году. Busicom поручил Intel разработать их дизайн для производства. Как и Olivetti Programma 101, в конструкции Busicom использовалась последовательная память чтения-записи. Память Busicom была основана на регистрах сдвига MOS, а не на дорогостоящей памяти Olivetti на основе магнитострикционной проволоки.
Intel определила, что конструкция Busicom слишком сложна, поскольку последовательная память требует большего количества компонентов и будет использовать 40-контактный стандарт упаковки, отличный от собственного 16-контактного стандарта Intel. Intel предложила разработать новую конструкцию, которая могла бы производиться в стандартной 16-контактной DIP упаковке и имела бы сокращенный набор команд. Упрощение памяти будет происходить за счет использования недавно разработанной Intel динамической памяти RAM. Этой новой конструкцией стала микросхема 4004, которая является одной из четырех микросхем, вместе с ПЗУ, DRAM и микросхемами последовательно-параллельного регистра сдвига. Впоследствии 4004 был разработан Федерико Фаггином с использованием технологии кремниевого затвора и состоял примерно из 2300 транзисторов, а в следующем году за ним последовал первый в истории 8-битный микропроцессор, 3500 транзисторов 8008 ( и 4040, переработанный и улучшенный 4004). Лишь в 1974 году был разработан 40-контактный 8080, проект, задуманный и направленный Фаггином, в котором шины адреса и данных были разделены, что обеспечивало более быстрый и простой доступ к памяти.
В 4004 используется процесс 10 мкм кремниевый затвор с усилением нагрузки pMOS на кристалле 12 мм² и он может выполнять приблизительно 92 000 инструкций в секунду ; один цикл команды составляет 10,8 микросекунд. Первоначальная цель разработки тактовой частоты составляла 1 МГц, как и для IBM 1620 Model I.
Intel 4004 был разработан путем физического разрезания листов Rubylith на тонкие полосы. для компоновки печатных схем, этот процесс устарел из-за современных возможностей компьютерного графического дизайна.
С целью тестирования произведенных микросхем Фаггин разработал тестер для кремниевых пластин MCS -4 семья, которая сама была на 4004 микросхеме. Тестер также послужил доказательством для руководства, что микропроцессор Intel 4004 может использоваться не только в продуктах, подобных калькуляторам, но и для управляющих приложений.
Когда Фаггин проектировал семейство MCS-4, он также окрестил микросхемы разными именами: 4001, 4002, 4003 и 4004, отказавшись от схемы нумерации, используемой Intel в то время, которая потребовала бы имена 1302, 1105, 1507 и 1202 соответственно. Если бы он следовал порядку номеров Intel, идея о том, что микросхемы были частью семейства компонентов, предназначенных для бесперебойной работы, была бы потеряна. В ранней схеме нумерации интегральных схем Intel использовалось четырехзначное число для каждого компонента. Первая цифра указывает на используемый технологический процесс, вторая цифра указывает на общую функцию, а последние две цифры номера используются для обозначения порядкового номера при разработке компонента. Микропроцессор 8008 первоначально назывался 1201 в соответствии с соглашениями об именах Intel. Перед выходом на рынок модель 1201 была переименована в 8008 в соответствии с новым соглашением об именах, начатым с 4001/4002/4003/4004.
Тадаши Сасаки приписывает основное изобретение, чтобы разбить калькулятор на четыре части с ROM (4001), RAM (4002), регистрами сдвига (4003) и CPU (4004) неназванной женщине из женского колледжа Нара, присутствовавшей на собрании мозгового штурма, которое проводилось в Японии перед его первой встречей с Робертом Нойсом из Intel, перед сделкой с Busicom.
4004 является частью семейства микросхем LSI MCS-4, которые можно использовать для создания цифровых компьютеров с различным объемом памяти. Другими членами семейства MCS-4 являются запоминающие устройства и схемы ввода / вывода, которые необходимы для создания полноценного компьютера. 4001 - это ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) с четырьмя строками вывода; 4002 - это RAM (оперативная память) с четырьмя линиями ввода / вывода. 4003 - это статический сдвиговый регистр, который используется для расширения строк ввода / вывода; например, для сканирования клавиатуры или управления принтером.
4004 включает в себя функции для прямого низкоуровневого управления выбором микросхемы памяти и вводом-выводом, которые обычно не обрабатываются микропроцессором; однако его функциональность ограничена тем, что он не может выполнять код из ОЗУ и ограничивается любыми инструкциями, предоставленными в ПЗУ (или независимо загруженным ОЗУ, работающим как ПЗУ - в любом случае, процессор сам не может записывать или передавать данные в исполняемое пространство памяти). Части ОЗУ и ПЗУ также были необычны в их интеграции портов вывода (а в ПЗУ - ввода) портов, что значительно уменьшило минимальное количество деталей в системе MCS-4, но потребовало включения определенного количества логики, подобной процессору, на сами микросхемы для приема, декодирования и выполнения инструкций передачи данных относительно высокого уровня.
Стандартная конфигурация для системы 4004 - это что угодно, до 16 × 4001 микросхем ПЗУ (в одном банке) и 16 × 4002 микросхем ОЗУ (в четырех банках по четыре), которые вместе обеспечивают хранилище программ размером 4 КБ, 1024 + 256 полубайтов хранения данных / состояния, плюс 64 вывода и 64 линии ввода / вывода внешних данных / управления (которые сами могут использоваться для работы, например, 4003). Однако в документации Intel MCS-4 утверждается, что до 48 микросхем ПЗУ и ОЗУ (обеспечивающих до 192 внешних линий управления) «в любой комбинации» могут быть подключены к 4004 «с помощью простого стробирующего оборудования», но отказывается давать какие-либо дополнительные сведения. подробности или примеры того, как это на самом деле будет достигнуто.
Регистры Intel 4004 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Символ | Мин. | Макс | Единица |
---|---|---|---|
VSS-DD | +15-5% | + 15 + 5% | V |
VIL | VDD | VSS−5,5 | V |
VIH | VSS−1,5 | VSS+0,3 | V |
VOL | VSS−12 | VSS−6,5 | V |
VOH | VSS−0,5 | VSS | V |
Минимальная системная спецификация, описанная Intel, состоит из 4004 с одним 256-байтовым программным ПЗУ 4001; нет явной потребности в отдельной оперативной памяти в приложениях минимальной сложности благодаря большому количеству встроенных индексных регистров 4004, которые представляют собой эквивалент 16 × 4-битных или 8 × 8-битных символов (или смесь) рабочей RAM, а также для простых интерфейсных микросхем благодаря встроенным линиям ввода-вывода ПЗУ. Однако по мере увеличения сложности проекта начинают использоваться различные другие микросхемы поддержки.
Было выпущено множество версий процессоров Intel MCS-4. Самые ранние версии, отмеченные буквой C (например, C4004), были керамическими и использовали белый и серый узор в виде зебры на обратной стороне чипов, часто называемый «серыми следами». Следующее поколение микросхем было простой белой керамикой (также отмеченной C), а затем темно-серой керамикой (D). Многие из более поздних версий семейства MCS-4 также производились из пластика (P).
Керамический вариант C4004 без серых следов. | Керамический вариант D4004. | Пластиковый вариант P4004. |
Первым коммерческим продуктом, в котором использовался микропроцессор, был Вычислитель Busicom 141-ПФ. 4004 также использовался в первой управляемой микропроцессором игре в пинбол, прототипе, выпущенной Dave Nutting Associates для Bally в 1974 году.
По словам Ника Треденника, разработчика микропроцессоров и свидетеля-эксперта по делу о патенте Boone / Hyatt:
Вот мои заключения из [исследования], которое я провел для патентного дела. Первым микропроцессором в коммерческом продукте был Four Phase Systems AL1. Первым коммерчески доступным (продаваемым как компонент) микропроцессором был микропроцессор 4004 от Intel.
Популярный миф гласит, что Pioneer 10, первый космический корабль, покинувший солнечную систему, использовал микропроцессор Intel 4004. По словам доктора Ларри Лашера из Исследовательского центра Эймса, команда Pioneer действительно оценила 4004, но решила, что в то время он был слишком новым, чтобы включать его в какой-либо из проектов Pioneer. Миф повторил сам Федерико Фаггин на лекции для Музея компьютерной истории в 2006 году.
Федерико Фаггин подписал 4004 своими инициалами, потому что он знал, что его кремниевый затвор воплощает" сущность микропроцессора ". В углу матрицы написано «FF»
15 ноября 2006 года, 35-ю годовщину 4004, Intel отметила выпуском схем, масок, и руководство пользователя. Полнофункциональная копия Intel 4004 размером 41 × 58 см и масштабом 130 × была построена с использованием дискретных транзисторов и выставлена в 2006 году в Музее Intel в Санта-Кларе, Калифорния.
15 октября 2010 года Фаггин, Хофф и Мазор были награждены Национальной медалью технологий и инноваций президентом Бараком Обамой за их новаторские работа на 4004.