Mikroprocesor Intel 4004: popis, vlastnosti. Historie procesorů

Federico Fagin se připojil k společnosti Intel, aby změnil vizi Teda Hoffa na silikonovou realitu. Méně než o rok později, on a jeho tým vytvořili mikroprocesor 4004, který byl předložen v listopadu 1971, první hlavní problém pro Fadzhina byl vývoj metodiky pomocí nové technologie křemíkových hradel. To umožnilo vytvořit různé schémata jiným způsobem. Vzhledem k tomu, že nic takového dřív, nikdo neudělal, bylo nutné začít všechno od začátku. A Federico Faggin je to možné - to je self-vyvinutý čip za pouhých 9 měsíců roku 1970 je fantastický krátkodobý ve srovnání s procesory Intel „“ dalším generacím. Například to trvalo 100 man-years vytvořit 32bitový čip.

Konstrukční návrh

Design vychází z křemíku bránou, vytvořený Federico Faggin, první mikroprocesor stala skutečností v roce 1971. To bylo neobvyklé, protože integrace takové složitosti nikdy předtím dosaženo. Fagin dokázal vyvinout procesor Intel 4004 pouze díky inovacím v produkční technologii MOS integrované obvody (IP). Bootstrapping a skryté touch stal myšlenky, které tvořily základ poprvé použita jejich design metodika umožnila zachránit architekturu Hoff a realizovat jej v roce 1970. Bez toho, že by bylo možné, protože výsledek by bylo příliš pomalé a drahé mít praktické využití . To znamená, že vynález není vyvinout jednoduchý model CPU, nedostatek, které nebylo v době, ale na tvorbě a realizaci technologie, která poprvé umožněno umístit na jediném čipu všechny procesory funkčních bloků.

Ted Hoff doufal, že jeho navrhovaná architektura a sada příkazů mohou být umístěny na jediném čipu. Nicméně nemohl posoudit proveditelnost projektu ani jeho implementaci, protože nebyl vývojářem MOS. To Federico Faggin vynalezeno design a uspořádání tranzistorů 2300 libovolný logiky na čipu měří pouze 3x4 mm, levný, s 5-násobným rychlost a dvakrát hustotě umístění prvků, než té, která existovala v době technologie MOS.

Faginova metodika byla průlomem a byla použita ve všech časných mikroprocesorech společnosti. Italský inženýr vedl projekt k úspěšnému závěru a hrál roli při podpoře nového procesoru Intel, což dokazuje vedení společnosti, že čip může být použit nejen v kalkulačkách.

Technické specifikace

Specifikace procesoru Intel 4004 jsou následující:

• Plocha krystalu: 12 mm².
• Maximální rychlost hodin: 740 kHz.
• Doba cyklu: 10,8 μs (8 cyklů / příkazový cyklus).
• Doba provedení příkazu je 1 nebo 2 příkazové cykly (10,8 nebo 21,6 μs), příkazy 46300-92600 za sekundu.
• Přidání dvou osmimístných čísel (32 bitů) trvá 850 μs, tj. 79 instrukčních cyklů, asi 10 cyklů na desetinnou číslici.
• Samostatné ukládání programů a dat. Na rozdíl od návrhů založených na Harvardské architektuře se samostatným autobusem, v 4004, je tam jeden 4-bit multiplexed bus pro přenos 12 bitů adresy, 8-bit velení a 4-bitová datová slova.
• Přímé adresování 51220 bitů (640 bajtů) paměti RAM, organizované ve formě 1280 čtyřbitových "symbolů", z nichž 1024 představuje data a 256 - stav.
• Přímé adresování 32768 bitů ROM (4096 bajtů).
• Sada 46 příkazů (z nichž 41 je 8 bitů široké a 5 až 16 bitů široké).
• 16 registrů se čtyřmi bitami.
• Vnitřní zásobník podprogramů je 3 úrovně hluboké.

Objednat Busicom

Počítač s uloženým programem, používaný jako kalkulačka v padesátých a šedesátých letech, byl jedním z nejlepších úspěchů poválečné éry a byl znám všem inženýrům pracujícím v oboru polovodičů.

V roce 1969 se japonský výrobce kalkulaček Busicom obrátil na Intel, aby ztělesnil v křemíku svůj logický návrh pro řadu kalkulaček. Jejich přístup zopakoval realizaci první počítačové programovatelné kalkulačky Olivetti`s Programma 101, která byla představena na Světové veletrži v New Yorku v roce 1965 a která proběhla ve stejném roce. Programma 101 měla CPU (centrální procesorovou jednotku) a ROM (read-only memory) se sekvenčním čtením a zápisem, které byly vyrobeny z diskrétních komponent. Společnost Busicom nabídla podobnou architekturu, která zajišťovala implementaci procesoru na tři čipy MOS ROM a zaregistrovala se ještě dvěma dalšími dvěma I / O čipy.

Architektura MCS-4

Vedoucí oddělení aplikovaného výzkumu, Ted Hoff uznává, že složitost Busicom návrhu bylo použít sekvenční paměť, a protože Intel vyvinula svůj první dynamické RAM (random access memory), je zřejmé, že stavba může být značně zjednodušeno pomocí tradiční a univerzálnější počítačová architektura na bázi na RAM. S Stan Mazor a prostřednictvím interakce s inženýry Busicom, mezi nimi Masatoshi Shima, Hoff formulovány MCS-4 architektura, design sníženou 7 až 4 čipů. Hoff Předpokládá se, že procesor by mohly být realizovány v jednom 4-bitovým mikroprocesorem, ale ani on, ani Mazor byli vývojáři MOS a Intel neměl odborníků schopných vytvářet komplex IC s libovolnou logickou strukturou. Proto, zatímco v dubnu 1970 návrh Hoff volnoběh po dobu asi 6 měsíců v roce nebyl přijat Federico Faggin, který stál v čele projektu.

Inovační technologie

Federico Faggin připojila Intel od Fairchild Semiconductor, kde v roce 1968 vyvinul technologii MOS s křemičitým bráně a vytvořené na jejím základě první komerční integrovaný obvod světové 3708. Tato technologie byla přijata společností Intel a později v průběhu globální polovodičovém průmyslu, a pro 40 let je základní struktura používá téměř ve všech žetonů. Gordon Moore, spoluzakladatel společnosti „Intel“, uznal, že hlavní složkou jeho časný úspěch právě tento krok. technologie MOS s křemíkovými brány za předpokladu, konkurenční charakteristiky Intel 4004: čip byl asi 5 krát více, měla 100 krát menší únik přechod a může obsahovat 2 krát více logických tranzistorů jakéhokoliv typu, ve srovnání s čipem stejné velikosti vyrobené s hliníkovými uzávěry a rozptýlit stejnou pravomoc. To může vytvořit první komerčně úspěšný dynamické RAM, obrazové senzory CCD (charge-coupled device), energeticky nezávislá paměť zařízení a mikroprocesory. Poprvé v historii procesor obsahuje všechny komponenty pro obecné použití počítače.

Vytvoření nového návrhu a rozvržení

Ted Hoff nebyl designér MOSFET. Jeho úlohou bylo vytvořit architekturu a dále podporovat produkty. Po určení sady příkazů byl projekt převeden do týmu vývojářů MOP pod vedením Federica Fagina. Práce byla provedena velmi rychle a za 9 měsíců byly vytvořeny 3 hlavní čipy. Poslední z nich v lednu 1971 se objevil mikroprocesor Intel 4004.

Podle Stan Mazora, Fajinova zásluha spočívala v tom, že provedl inženýrský design, a Hoff - při vytváření originální koncepce a architektury. Mazor sám byl jakýmsi zprostředkovatelem, který pomáhal co nejlépe mohl a dělal, co mohl.

Federico Fagin vyvinul metodiku pro navrhování MOSFETs s křemíkovou branou používanou v libovolných logických obvodech. To bylo nutné, protože nová technologie vyžadovala jiný design a zejména rozložení.

Podle Fagina se rozhodl, že namísto odděleného návrhu logiky a pak schématu byste je měli udělat společně na jednom listu. V takovém případě je třeba co nejvíce vzít v úvahu umístění vodičů a tranzistorů, které se nacházejí co nejblíže konečnému uspořádání. Je zřejmé, že pro to bylo nutné předběžně plánovat celkový návrh čipu, aby bylo známo umístění jednotlivých bloků. Právě tehdy objasnil metodiku vytvoření tohoto typu schématu.

Návrh nového procesoru Intel a řízení projektu MCS-4 od počátku vývoje až po výrobu mohli zvládnout pouze ti, kteří dokázali inovovat procesní technologie, návrh obvodů, obvody, logický design a počítačovou architekturu. Fajin získal takové dovednosti a znalosti prostřednictvím svých vzdělávacích a pracovních zkušeností před tím, než vstoupil do společnosti Intel. Po absolvování technické univerzity v Vicenza (Itálie) se podílel na vývoji a vytvoření malého tranzistorového experimentálního počítače s magnetickou jádrovou pamětí ve společnosti Olivetti v Borgholombardo (Itálie) ve věku 19 let. Poté vystudoval na univerzitě v Padově, a zabývající se vývojem technologií MOS, vytvářet obchodní čip 2, když působil v SGS-Fairchild (nyní ST Micro). V roce 1968 byl poslán do Fairchild Semiconductor RD v Palo Alto (Kalifornie), kde vytvořil technologii MOS s křemičitým brány a další.

Skutečné inovace

Kontceptualizatcija první zpracovatel, který se stal významným příspěvkem k projektu Hoff 4004, k nimž došlo v jiných společnostech. Ke stejnému závěru přišlo několik skupin nezávisle na sobě. Hlavním úkolem vynálezu v mikroprocesoru bylo tedy vytvoření ekonomicky odůvodněného produktu. Pouze jedna osoba na světě věděla, jak udělat další krok a přeložit architekturu do pracovního návrhu. Byl to Federico Fagin. Bez ní by první mikroprocesor nikdy nebyl vybudován. Ve společnosti Fairchild vynalezl technologii, která byla základem budoucích zařízení. Po vstupu do společnosti „Intel“, opravil chybu No Hoffa, a pak dělal první Intel 4004 čip, a pak vedl vývoj 8008 a byl hlavním architektem 8080.

V té době inženýři věděli, jak vytvářet malé počítače, vytvářet logický návrh CPU a vytvářet programy. Myšlenka mikroprocesoru, tedy umístění univerzálního počítače na jeden krystal, visel také ve vzduchu. Některé architektury byly již implementovány na několika čipových kartách MOS. Nicméně, nikdo nevěděl, jak nainstalovat 2300 tranzistory libovolný logiku - minimální počet pro jednoduchý procesor - čip dostatečně malé, aby výroba byla levná, výkonnost byla vysoká, a ztrátový výkon je dostatečně velké, aby ve stávajících budovách.

Reálná inovace v mikroprocesoru tak byla jeho uspořádáním na jediném křemíkovém čipu, protože vše bylo dříve provedeno. A Fagin to dokázal bez významné pomoci od Teda Hoffa a Stan Mazora.

Jediný, kdo mu pomohl, je inženýr Busicom Masatoshi Sima. Přišel do společnosti Intel, aby zkontroloval pokrok objednávky několik dní poté, co byl Fajin najat. Uvědomil si, že v předchozích 6 měsících nebyl dosažen žádný pokrok. Vzhledem k prodlení v projektu a nepřítomnosti jakéhokoli inženýra společnosti Intel, který by mohl pomoci, mohla Sima zůstat po dobu 6 měsíců, aby urychlila práci. Nicméně ví o integračních obvodech málo a, i když byl velmi užitečný, Fagin učinil všechna tvůrčí rozhodnutí. Vedoucí druhé, Vadaš, Leslie, byl tak znepokojen návrhem 1103 (první 1024 bitů dynamické paměti RAM, který byl považován za budoucí Intel), které nemohly poskytnout technickou kontrolu projektu MCS-4. Po úspěchu 4004 se zavedením kontrolovaného Fadzhin 8008, stejně jako koncipovaný a definoval architekturu nejúspěšnější ze všech prvních zpracovatelů - 4040 a 8080.

Pochybuje vývojáři

Podle Stan Mazora, on a Ted Hoff věřili, že Intel 4004 je příliš agresivní. Nevěděli, že by to mohlo být provedeno, a tak začali s dalším čipem zvaným 4005. Byl to společný projekt s MIL, který byl partnerem společnosti Intel v Kanadě. Definovali mnohem jednodušší architekturu než 4004. Kanadská společnost musela vyvinout čip a společnost Intel musela poskytnout paměť. Ukázalo se, že nemůže udělat 4005.

Hoff a Mazor v roce 1994 nebyli přesvědčeni o možnosti 4004. To je důvod, proč několik měsíců poté, co se připojil Fadzhin Intel, oni vytvořili jednodušší architekturu 4005 a byl poslán do kanadské společnosti pro rozvoj MIL. Ale mikroprocesor inženýrů MIL se nedá udělat. Bylo jasné, že i vytvoření jednoduchého čipu bylo daleko od běžné práce. Navíc Hoff a Mazor pochybovali o tom, že model 4004 může být užitečný pro jiné aplikace než kalkulačky, pokladny apod. Mysleli si, že pouze 1201 a později 8008 budou mít dostatečnou univerzální architekturu pro použití v různých aplikacích. Po dokončení projektu 4004 Fadzhin prokázáno, že mikroprocesor může být použit v různých řídicích systémů a vyzval vedení odejmout Intel 4004 na trh.

Selhání s 8008

Další příklad, který ukazuje, do jaké míry potřebné metodologie byla Fadzhina, je Intel 8008, architektura, která byla původně vyvinuta Computer Terminal Corporation Corporation (CTC). Práce na čipu, původně pojmenovaný 1201 začalo před Fadzhin připojila Intel, ale projekt je přiřazen k developer procesorů s libovolným logika, který se pohyboval od General Instrument, jsem nepohnul, protože v té době nebylo některý metodika a knihovna schématu. Práce na 8008 byla pozastavena a obnovena až v roce vydání Intel 4004.

TI mikroprocesor

Dalším příkladem je první jednočipový procesor, který se stal druhým zdrojem pro 8008 objednaným společností CTC od společnosti Texas Instruments. Ohlášený v médiích v polovině roku 1971, jen pár měsíců po úspěšném vytvoření modelu 4004, tento procesor nikdy nezískal a nikdy se neprodával. Byla vytvořena pomocí technologie MOS s kovovou uzávěrkou, která měla mnoholetou zkušenost s vývojem integrovaného obvodu se složitou libovolnou logikou. Ve srovnání s procesorem Intel-8008 byla velikost čipu TI dvakrát větší, což zajišťovalo stejné funkce. Rychlost a ztráta energie nebyla nikdy zveřejněna.

Příklad, který následuje

Po ukončení projektu 4004 byli jiní inženýři, a to jak uvnitř, tak i mimo Intel, schopni studovat metody používané Faginem a zkoumaly návrh pod mikroskopem. Stejný styl byl použit ve všech ostatních časných mikroprocesorech Intel a Zilog.

Na závěr

4004 se stal prvním procesorem vyráběným technologií křemíkového uzávěru. Byl to nejvyspělejší integrovaný okruh té doby. Jeho tvorba vyžadovala od tvůrce nejen mimořádné tvůrčí schopnosti a dovednosti, ale i hlubokou znalost nové technologie, kterou by mohl mít pouze její vývojář. Kromě toho, pro úspěšné dokončení projektu, který je nutný, aby být dokončen do 10 měsíců vzhledem k předchozím nesplněných závazků, aby zákazník byl požadovaných velkou dávku odvahy, motivace, manažerských dovedností a stabilní tvrdé práce.