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向微处理器说快乐50岁生日,一部分

1971年,就在我开始在凯斯西储大学(Case Western Reserve University)申请BSEE的同一年,有人在电子工程系的布告栏上贴了一份开创性的广告。

广告是这样的:

这则广告刊登在1971年11月15日的电子新闻,这是电子行业当时的纪录的出版。(如果你认为这是ee时,你是不正确的。那份报纸的第一期出版于1972年。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,英特尔发出了一个通知:它即将颠覆设计工程师和电子行业的世界。

在这则广告出现之前,数字设计一直围绕着使用大量的SSI和MSI逻辑芯片开发逻辑电路。到1971年,这些逻辑芯片基本上都是TTL器件。RTL和DTL逻辑芯片比TTL变种早一两年,但很快就被速度更快、功能更强的TTL变种所取代。即便如此,当英特尔在1971年发布4004微处理器的广告时,基于ttl的逻辑设计仍处于起步阶段。

1963年,TTL芯片首次作为SUHL (Sylvania Universal High-Level Logic)器件出现,1964年,德州仪器(Texas Instruments)推出陶瓷封装SN5400系列,然后在1966年推出成本更低的塑料封装SN7400系列。(同样的半导体模具,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。然后摩托罗拉,Signetics, Sprague,最后仙童也效仿了(但只是在TI吸收了仙童的9300逻辑家族的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网页标题为“《TTL的崛起:仙童如何赢得一场战斗却输掉了战争》(The Rise of TTL: How Fairchild Won a Battle But Lost The War)“TI仍然是TTL市场的主导和最赚钱的公司,占据了全球市场的50%以上。到1975年,这个市场的年销售额达到了7.5亿美元。

1971年英特尔发布4004时,基于ttl的重型设计还不到10年。在接下来的十年里,微处理器将带来革命性的变化,并将逻辑设计从硬件设计练习转变为主要的软件练习。这一切都始于半个世纪前的今天。从那以后,电子业的面貌就大不相同了。

这几乎没有发生,在第一轮

刚起步的英特尔(intc . o:行情)在1968年陷入困境。罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔创立了英特尔,开发和制造半导体存储器:sram和dram。然而,存储芯片的生产速度很慢,公司在早期需要立即获得收入才能生存,因此英特尔接受了定制IC设计工作,以帮助满足开支。

是的,英特尔早在20世纪60年代就从事代工业务,那是50多年前的事了。最近成立的英特尔代工服务公司(Intel Foundry Services)更像是对英特尔起源的回归,而不是为该公司提供全新的芯片制造方法。

一个潜在的客户是一家名为商业计算机公司(Busicom)的日本计算器制造商,该公司对一个大型而复杂的芯片组有一个详尽的计划,它将用来构建一个模块化的桌面计算器系列。Busicom已经和Mostek签署了一项协议,为一个简单的4-bang计算器开发一个定制的计算器芯片,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,而且可能是第一个这样的芯片。在20世纪60年代末,单片机是大规模集成电路设计的巅峰,许多芯片供应商都开发了它们。

然而,Busicom也有更大的计划开发高性能,可编程计算器。它将被称为141-pf。Busicom的Masatoshi Shima为141-PF计算器开发了一个精心制作的,详细的模块化芯片组。他的设计提出了12种不同的LSI芯片,包括3芯片CPU,将添加可选功能,键盘控制器,打印机控制器和显示控制器。代替二进制,芯片组使用小数算法计算,这是BusiCom早期机械计算器的基础。

1969年,志摩向英特尔公司提出了他的芯片组方案。每个芯片需要3000到4000个晶体管,每个封装需要36到40个引脚来实现12个芯片之间所需的互连。英特尔的12号员工,Marcian“Ted”Hoff,评估了该提议,并得出结论,英特尔不能像Shima设计的那样开发或制造芯片组。

英特尔无法实现Shima的最初设计有三个原因。首先,英特尔最近开发的硅栅MOS工艺技术可以在一块芯片上容纳2000个左右的晶体管,但Shima的设计需要两倍于此。其次,因为英特尔本质上是一家存储芯片公司,它手头上仅有的集成电路封装是狭窄的16和18针陶瓷dip,远远低于Shima设计所需的引脚数。第三,英特尔只有两名芯片设计师。他们不可能在任何合理的时间内设计出所需的12块芯片。

根据罗伯特诺伊斯和泰德霍夫的一篇文章标题为“英特尔微处理器发展史的首期ieee micro.在1981年的杂志上,Hoff指出,在Shima的设计中,有三个重要的复杂性来源,阻碍了英特尔当时可用的资源的实现:

  1. 操作计算器的键盘、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,这就增加了所需的晶体管数量和芯片数量。
  2. 提议的移位寄存器存储器(在当时的电子计算器中很常见)需要相当复杂的时间。Hoff认为英特尔可以使用DRAM简化内存设计。
  3. 提出的十进制CPU指令非常复杂。许多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。尽管一些提议的CPU逻辑已经在Shima设计中使用ROM实施,但主要部分仍然需要随机逻辑电路。

Hoff熟悉数字设备公司的PDP-8 Minicomuer。他意识到他可以通过将更多的计算转换为更通用的二进制CPU运行的软件来降低Shima设计的逻辑复杂性。然而,12位PDP-8 Minicomuer架构的单芯片版本在1969年同样超出英特尔的集成功能。Hoff知道设计问题的解决方案将需要一些更简单的东西。(注意:Intersil于1975年在一芯片上安装了PDP-8 CPU - Intersil 6100 - 使用4000个晶体管。)

在他们的ieee micro.文章,Noyce和Hoff写道:

对于BCD算法来说,4位数据量似乎是很自然的。用四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是不同的。为了满足这种灵活性的需求,英特尔团队决定采用三片芯片设计:CPU、用于程序存储的ROM和用于数据存储的RAM。[Shima随后在芯片组中添加了一个I/O扩展芯片。]

英特尔对Hoff的提出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。接下来的问题是英特尔所需的答案是公司是否可以以成本效益的方式制造这款芯片组。Les Vadasz,英特尔MOS设计团队负责人,与霍夫和斯坦司机合作,开发芯片大小的估计。该团队最初估计芯片需要大约1900个晶体管,这是当时的英特尔制造能力。(以最终形式为单位,英特尔4004 CPU需要超过2100个晶体管。)

最终,4芯片组被称为MCS-4。它包括:

  • 4001,一个256字节的ROM
  • 4002是一个320位的随机存储器,能够存储4个20位的数字
  • 4003,一个10位I / O膨胀机(基本上是用于将4004 CPU复杂的多路复用总线转换为并行I / O端口的移位寄存器)
  • 4004, 4位CPU

这四个设备中的每一个都将封装在一个16针陶瓷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复用总线协议,通过使用多个时钟周期的4位总线在MCS-4芯片之间传输地址和CPU指令。例如,取一条指令需要5个时钟周期:3个周期从CPU传输12位地址,2个周期从内存中检索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逻辑来处理该总线协议。该逻辑包括定时和控制电路,地址寄存器和每个芯片中集成I / O端口的数据寄存器。MCS-4 RAM和ROM芯片还包含集成I / O端口,以减少构建系统所需的芯片数量,因此这些芯片监控了系统总线,识别和解码的I / O指令,并相应地响应。这意味着CPU不需要运行显式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是一个专门设计的集成芯片组,用于嵌入式设计,而不仅仅是一系列通用电脑芯片。

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。虽然修改后的设计现在平均每个芯片上有2000多个晶体管,但每个芯片仍然需要36到40个引脚。

1969年9月或10月,Shima与Busicom高管一起访问了英特尔,在两种设计中做出了最终选择。Shima在Hoff的提案中看到了希望,但并没有给他留下太深刻的印象,因为该提案包含了非常高级的架构描述,缺乏实现细节。尽管Busicom有着完全不同的、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Hoff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,以制造141-PF计算器所需的专有芯片组。

Shima返回日本并花了未来几个月的几个月为计算器开发了思想,使用所提出的指令集编写几个初步固件程序,并使用该工作的结果来改进CPU的指令集。同时,英特尔在MCS-4芯片组设计上没有取得进展。

请继续关注本文的第2部分,了解其中的原因。

引用:

注:由于英特尔4004在半导体历史上扮演着如此重要的角色,它的起源在过去50年里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。本文是基于参与该项目的负责人所写的主要参考文献和负责人所讲述的口述历史。它也是基于著名硅谷历史学家、作者、斯坦福大学硅谷档案项目历史学家莱斯利·柏林博士所写的罗伯特·诺伊斯传记。在我看来,这是讲述这个故事最准确的方式。

N. Noyce和M. E. Hoff,“英特尔微处理器发展史,“在ieee micro.,卷。1,不。1,pp。8-21,1981年2月,DOI:10.1109 / mm.1981.290812。

Masatoshi Shima, 1994年由William Aspray编写的口述历史,IEEE历史中心,美国新泽西州皮斯卡塔韦。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.computerhisterory.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》(The Man Behind The Microchip: Robert Noyce and The Invention of Silicon Valley)。牛津:牛津大学出版社,2005年。

2关于“向微处理器说快乐的50岁生日,第一部分”

  1. 你好史蒂夫-我读了很多关于4004(我有一个最初的陶瓷包装设备在我的小集合)——其中大部分是合理准确,但一些细节有点蓬松的边缘,所以我很享受阅读你的“可靠的”文章,马克斯

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