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对微处理器说50岁生日快乐,第一部分

1971年,我开始在凯斯西储大学申请BSEE,同年,有人在电子工程系的布告栏上贴了一张开创性的广告影印本。

这是广告:

这则广告刊登在1971年11月15日的电子新闻,这是当时电子行业的出版记录。(如果你认为那将是EE倍你错了。该报纸于1972年创刊。)这则广告宣布了英特尔4位4004微处理器的诞生,这是世界上第一个商用微处理器。通过这则广告,英特尔(Intel)向设计工程师和电子行业发出了一个即将颠覆世界的警告。

在这则广告出现之前,数字设计围绕着使用大量SSI和MSI逻辑芯片开发逻辑电路。到1971年,这些逻辑芯片大多是TTL器件。RTL和DTL逻辑芯片比TTL品种早了一两年,但很快就被更快、更强大的TTL品种所取代。即便如此,1971年英特尔为4004微处理器做广告时,基于ttl的逻辑设计仍处于起步阶段。

TTL芯片最早于1963年以SUHL (Sylvania通用高级逻辑)器件的形式出现,1964年德克萨斯仪器公司推出了陶瓷封装的SN5400系列,1966年又推出了成本更低的塑料封装的SN7400系列。(同样的半导体芯片,更便宜的包装。)国家半导体公司很快成为TI TTL家族的第二个来源。随后,摩托罗拉、Signetics、Sprague和Fairchild也纷纷效仿(但这是在TI从Fairchild的9300逻辑家族中挑选了许多成员来发展自己的7400系列逻辑家族之后)。

根据计算机历史博物馆的TTL网页“TTL的崛起:费尔柴尔德如何赢得一场战役却输掉了这场战争“TI仍然是全球TTL市场的主导和最赚钱的参与者,占全球市场的50%以上。到1975年,该市场的年销售额达到了75亿美元。

1971年Intel 4004发布时,基于ttl的重型设计还不到10年。在接下来的十年里,微处理器将彻底改变逻辑设计,从硬件设计实践转变为软件设计实践。这一切都始于半个世纪前的今天。从那时起,电子世界就发生了翻天覆地的变化。

差点就没发生,第一轮

羽翼未丰的英特尔公司在1968年举步维艰。罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔创立了英特尔公司,开发和制造半导体存储器:sram和dram。然而,内存芯片投产缓慢,公司需要立即获得收入才能在早期生存下去,因此英特尔接受了定制IC设计工作,以帮助支付费用。

是的,英特尔早在50多年前的20世纪60年代就开始从事代工业务。最近成立的英特尔代工服务公司更多的是回归英特尔的起源,而不是公司芯片制造的全新方法。

一个潜在的客户是一家名为商业计算机公司(Business Computer Corporation,简称Busicom)的日本计算器制造商,该公司有一个精心设计的大型复杂芯片组计划,用于构建模块化桌面计算器系列。Busicom已经与Mostek签署了一项协议,为一个简单的4倍计算器开发定制计算器芯片,最终被命名为Busicom Junior。那个计算器芯片是Mostek MK6010。这是当时出现的几个这样的芯片之一,可能是第一个这样的芯片。单片计算器芯片是20世纪60年代末大规模集成电路设计的顶峰,许多芯片供应商开发了它们。

不过,Busicom还有更大的计划,要开发一种高性能的可编程计算器。它将被称为141-PF。Busicom公司的Masatoshi Shima为141-PF计算器开发了一个精心设计的、详细的、模块化的芯片组。他的设计提出了12个不同的LSI芯片,包括3片CPU、增加可选功能的只读存储器、键盘控制器、打印机控制器和显示控制器。芯片组使用十进制运算代替二进制运算,这是Busicom早期机械计算器的基础。

1969年,岛摩向英特尔提交了他的芯片组方案。每个芯片需要3000到4000个晶体管,每个封装36到40个引脚来实现12个芯片之间所需的互连。英特尔的第12名员工,Marcian“Ted”Hoff,评估了这个提议,并得出结论,英特尔不能开发或制造岛马设计的芯片组。

英特尔无法实现岛渚的初始设计有三个原因。首先,英特尔最近开发的硅门MOS工艺技术可能会在一块芯片上塞进2000个左右的晶体管,但岛渚的设计需要两倍于此的数量。其次,由于英特尔本质上是一家存储芯片公司,它手头唯一的IC封装是狭窄的16针和18针陶瓷dip,远远低于岛渚设计所需的针数。第三,英特尔只有两个芯片设计师。他们不可能在合理的时间内设计出所需的12个芯片。

根据罗伯特·诺伊斯和泰德·霍夫的一篇题为"英特尔微处理器开发的历史,发表在《IEEE微在1981年的杂志上,Hoff指出了hima设计中三个重要的复杂性来源,这些复杂性阻碍了使用英特尔当时可用的资源来实现:

  1. 操作计算器键盘、显示器和打印机所需的大部分外围控制逻辑都是使用单独的芯片实现的,这使得所需的晶体管数量和芯片数量激增。
  2. 所提出的移位寄存器存储器(在当时的电子计算器中非常常见)需要相当复杂的计时。霍夫认为英特尔可以利用DRAM简化内存设计。
  3. 提出的十进制CPU指令相当复杂。许多方法需要一个或多个数据通过寄存器来改变浮点数的尾数和指数。尽管在Shima的设计中,一些提议的CPU逻辑已经使用ROM实现,但大部分仍然需要随机逻辑电路。

霍夫熟悉数字设备公司的PDP-8小型计算机。他意识到,他可以通过将更多的计算转移到在更通用的二进制CPU上运行的软件上来降低Shima设计中的逻辑复杂性。然而,12位PDP-8小型机架构的单芯片版本在1969年同样超出了英特尔的集成能力。霍夫知道这个设计问题的解决方案需要更简单的东西。(注:Intersil确实在1975年在一个芯片上安装了PDP-8 CPU——Intersil 6100——使用了4000个晶体管。)

在他们的IEEE微文章中,诺伊斯和霍夫写道:

对于BCD算法来说,4位数据量似乎很自然。使用4位二进制和单独的指令将结果转换回BCD,最多可以保留16位位置的寻址。计算器家族的成员在功能和所需寄存器的数量上都有所不同。为了满足这种灵活性的需求,英特尔团队决定采用三芯片设计:CPU, ROM用于程序存储器,RAM用于数据存储器。“(Shima随后在芯片组中添加了I/O扩展器芯片。)

英特尔对霍夫提出的处理器架构的分析表明,该设计将满足Busicom计划的141-PF计算器家族的需求。英特尔需要回答的下一个问题是,该公司能否以经济有效的方式生产这种芯片组。英特尔MOS设计团队的负责人莱斯·瓦达兹(Les Vadasz)与霍夫(Hoff)和斯坦·马佐(Stan Mazor)合作开发了芯片尺寸估算。该团队最初估计每个芯片大约需要1900个晶体管,这在英特尔当时的制造能力范围内。(最终,英特尔4004 CPU需要超过2100个晶体管。)

最终,这4个芯片组被称为MCS-4。它包括:

  • 4001,一个256字节的ROM
  • 4002是一个320位内存,能够存储4个20位数字
  • 4003,一个10位I/O扩展器(本质上是一个移位寄存器,用于将4004 CPU复杂的多路复用总线转换为并行I/O端口)
  • 4004,一个4位CPU

这四种设备都将被封装在一个16针的陶瓷DIP中。为了减少引脚数,MCS-4芯片组采用了一种相对复杂的多路总线协议,该协议使用多个时钟周期通过4位总线在MCS-4芯片之间传输地址和CPU指令。例如,一条指令获取需要5个时钟周期:3个周期从CPU传输12位地址,2个周期从内存检索8位指令。没有足够的引脚来拥有独立的地址和数据总线。

MCS-4芯片组中的每个芯片都需要合并处理该总线协议的逻辑。该逻辑包括计时和控制电路,地址寄存器,以及每个芯片中集成I/O端口的数据寄存器。MCS-4 RAM和ROM芯片还集成了I/O端口,以减少构建系统所需的芯片数量,因此这些芯片监控系统总线,识别和解码I/O指令,并相应地做出响应。这意味着CPU不需要运行显式的I/O周期。这种分布式指令解码能力是不寻常的,并强调MCS-4是专门为嵌入式设计开发的集成芯片组,而不仅仅是通用计算机芯片的集合。

与此同时,Busicom的设计团队致力于简化Shima的原始计算器芯片组设计,但即使是简化版本仍然需要12个芯片。虽然现在修改后的设计平均每个芯片有2000多个晶体管,但设计中的每个芯片仍然需要36到40个引脚。

1969年9月或10月,Shima与Busicom的高管一起访问了英特尔,在两种设计中做出最终选择。Shima在Hoff的方案中看到了希望,但并没有给他留下深刻的印象,因为方案包含了非常高级的架构描述,缺乏实现细节。尽管霍夫的设计方案完全不同,而且是以软件为中心的架构,但Busicom的高管们最终还是在1969年10月21日批准了霍夫的设计方案,因为它似乎提供了一个成本更低的解决方案。Busicom同意向英特尔支付一大笔开发费用,以创建构建141-PF计算器所需的专有芯片组。

岛渚回到日本,在接下来的几个月里,他为计算器开发思路,用提出的指令集编写了几个初步的固件程序,并利用工作的结果来改进CPU的指令集。与此同时,英特尔在MCS-4芯片组设计上没有取得任何进展。

请继续关注本文的第2部分,了解原因。

引用:

注:由于英特尔4004在半导体历史上扮演着如此巨大的角色,在过去的50年里,它的起源一直是许多文章的主题。这些文章中的一些信息是准确的。有些似乎不太准确。本文基于参与项目的校长所写的主要参考资料和校长口述的历史。它也是基于著名硅谷历史学家、作家、斯坦福大学硅谷档案馆项目历史学家莱斯利·柏林博士所著的罗伯特·诺伊斯传记。在我看来,这是讲述这个故事最准确的方式。

诺伊斯和霍夫"英特尔微处理器开发的历史,“在IEEE微,第1卷,no。1, pp. 8-21, 1981年2月,doi: 10.1109/MM.1981.290812。

Masatoshi Shima, 1994年由美国新泽西州皮斯卡塔韦IEEE历史中心的William Aspray进行的口述历史。https://ethw.org/Oral-History:Masatoshi_Shima#Tedd_Hoff.27s_Initial_LSI_Design

英特尔4004微处理器口述历史面板,计算机历史博物馆,2007年4月25日。https://www.computerhistory.org/collections/catalog/102658187

柏林,莱斯利。微芯片背后的人:罗伯特·诺伊斯和硅谷的发明.牛津:牛津大学出版社,2005年。

关于“向微处理器说50岁生日快乐,第一部分”的3个想法

  1. 你好史蒂夫-我读了很多关于4004(我有一个原始的陶瓷包装设备在我的小收藏)-大部分是相当准确的,但一些细节在边缘有点蓬松-所以我真的很喜欢读你的“从马的嘴里”的文章-麦克斯

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