4004

Intel 4004   >> Центральный процессор
Микропроцессор Intel 4004
Производство:	15 ноября 1971
Производитель:	Intel Corp.
Частота ЦП:	92,6—200 КГц
Технология производства:	10 мкм
Наборы инструкций:	46 инструкций
Разъём:	DIP16

Intel 4004 — 4-битный микропроцессор, разработанный Intel Corp. и выпущенный 15 ноября 1971 года. Эта микросхема считается первым в мире коммерчески доступным однокристальным микропроцессором. Однако, в 1970 году, более чем за год до выхода чипа i4004, был изготовлен военный микропроцессор F14 CADC(en), который был засекречен до 1998 года^[1].

История

В 1969 году небольшая японская компания Nippon Calculating Machine, Ltd. (впоследствии Busicom Corp.), занимающаяся производством калькуляторов, заказала у Intel 12 микросхем (логический дизайн системы был разработан сотрудником Busicom — Масатоси Сима (嶋正利)), которые должны были использоваться в новом настольном калькуляторе. Такие микросхемы всегда характеризовались узкоспециализированными функциями и предназначались для выполнения строго определённой работы, поэтому для каждого нового применения приходилось заново разрабатывать весь набор микросхем. Такой подход сотрудникам Intel показался невыгодным. 32-летний Маршиан Эдвард (Тед) Хофф (Ted Hoff) предлагает руководству Intel и Busicom уменьшить число микросхем, используя центральный процессор, который должен будет выполнять арифметические и логические функции, один вместо нескольких микросхем. Идея была принята «на ура» руководством обеих фирм. В течение осени 1969 года Тэд Хофф, с помощью Стэнли Мэйзор предложил новую архитектуру микросхем, число которых было сокращено до 4-х, включая центральный процессор: 4-разрядный центральный процессор (ЦПУ), ПЗУ для хранения ПО, и ОЗУ для хранения данных пользователя. Развитие микропроцессора началось только в апреле 1970 года когда Федерико Фаджин (Federico Faggin), физик из Италии, начал работать в Intel главным проектировщиком семьи MCS-4. Фаджину, благодаря глубокому знанию технологии MOS silicon gate, разработанной им в Fairchild в 1968 году, и большому опыту, полученному в 1961 году в итальянской фирме Olivetti в области логического проектирования компьютеров, удалось свести микропроцессор CPU в один единственный чип. В 1968 году, когда работал в фирме Fairchild, он также реализовал первую в мире коммерческую микросхему, которая использовала технологию silicon gate: Fairchild 3708. В фирме Intel Фаджин разработал новый, до тех пор не существующий метод проектирования схем произвольной логики и внёс свой вклад во многие нововведения по разработке процессов и микросхем, весьма важные для реализации микропроцессора в одном чипе. Масатоси Сима, который работал инженером по программному обеспечению в фирме Busicom и не имел никакого опыта в конструировании устройств MOS, помог Фаджину в разработке MCS-4, а позже стал работать с ним в фирме Zilog, созданной в конце 1974 года Фаджином и Ральфом Унгерманном и полностью посвящённой микропроцессорам. Фаджин и Сима вместе разработали микропроцессор Zilog Z80, который производится до сих пор.

Почему 4004?

Дело всё в том, что каждой категории продукции была присвоена своя цифра. Первыми изделиями Intel стали микросхемы памяти (PMOS-чипы), которым была присвоена нумерация 1xxx. В серии 2xxx разрабатывались микросхемы NMOS. Биполярные микросхемы были отнесены к серии 3xxx. 4-разрядные микропроцессоры получили обозначение 4xxx. Микросхемы CMOS получили обозначение 5xxx, память на магнитных доменах — 7xxx, 8-ми и более разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры принадлежали к серии 8xxx. Серии 6xxx и 9xxx не использовались. Вторая цифра обозначала тип продукции: 0 — процессоры, 1— микросхемы RAM, 2 — контроллеры, 3 — микросхемы ROM, 4 — сдвиговые регистры, 5 — микросхемы EPLD, 6 — микросхемы PROM, 7 — микросхемы EPROM, 8 — чипы наблюдения и схемы синхронизации в генераторах импульсов, 9 — чипы для телекоммуникаций. Третья и четвёртая цифра соответствовали порядковому номеру изделия, а так как для работы первого процессора требовалось ещё три специализированные микросхемы (микросхемы ROM, RAM и расширитель ввода/вывода), которые выпущены раньше чем 4004, то микропроцессор получил имя 4004.

15 ноября 1971 года выходит микросхема 4004 — первый микропроцессор, который при стоимости 200 долларов реализовывал на одном кристалле все функции процессора большой ЭВМ. Первый в мире микропроцессор был анонсирован в ноябре 1971 года в журнале «Electronic News» (en:Electronic News).

Микропроцессор 4004 выпускался в 16-контактном корпусе типа DIP, размеры кристалла были 12  мм² (3х4 мм). Процессор мог выполнять 60 000 (в среднем, максимально до 93 000) инструкций в секунду. (Для сравнения, один из первых полностью электронных компьютеров — американский ЭНИАК — выполнял только 5000 (максимально) инструкций в секунду, занимал площади в 278,7 кв. м. и весил 30 тонн.) Фирма Intel предугадала решающее значение микропроцессоров в миниатюризации компьютеров, и поэтому выкупила за $60 тыс. у фирмы Busicom авторские права на микропроцессор 4004 и его усовершенствованные версии.

Впрочем, в 1971 году процессор так и не стал хитом продаж. Стратегия фирмы Intel была направлена на то, что сбыт 4004 расширяет рынок намного более популярных микросхем памяти 1101/1103. Заслуженной популярностью стал пользоваться только микропроцессор 8080, электронный «правнук» 4004.

Распространена легенда, что данный процессор использовался в бортовой аппаратуре межпланетного зонда Пионер-10. Однако, в действительности компьютеры Пионера-10 имели другую разрядность (18 и 16 бит)^[2].

Специализированные микросхемы серии 4xxx

Чип 4004 поставлялся с 3-мя специализированными микросхемами: микросхемы ROM, RAM и расширитель ввода-вывода. И хотя у этих микросхем была своя система обозначений (серии 1xxx, 2xxx и 3xxx), они получили второе наименование в категории 4xxx, которое стало обозначаться рядом с их обычной нумерацией.

• 4001*. 256-байтовое ПЗУ (256 8-битовых программных инструкций), и один встроенный 4-битный порт ввода-вывода.
• 4002. 40-байтовое ОЗУ (80 4-битных ячеек), и один встроенный 4-битный выходной порт; RAM в чипе организована в 4 «регистра» из двадцати 4-битных ячеек:
  • 16 ячеек данных (в оригинальном калькуляторе использовались для цифр мантиссы)
  • 4 ячейки состояния (в оригинальном калькуляторе использовались для цифр экспоненты и знаков)
• 4003. 10-битный «расширитель ввода-вывода» (сдвиговый регистр, преобразующий последовательный код в параллельный)

Помимо этого в семействе 4xxx были выпущены микросхемы 4008 и 4009, которые также могли поставляться с 4004.

• 4008*. 8-битный фиксатор адреса для доступа к стандартным чипам памяти, и один встроенный порт ввода-вывода
• 4009*. преобразователь доступа ввода-вывода к стандартной памяти и чипам ввода-вывода

(*) Замечание: микросхема 4001 не могла использоваться в системе наряду с парой микросхем 4008/4009

Семейство 400x также именовали как MCS-4 (Micro Computer Set 4-bit).

Также фирма Интел продавала Intellec-4 (большие синие коробки) — систему разработки и тестирования программ для 4004. Фактически это была одна из первых микро-ЭВМ, собранная на основе серии 4xxx (чипы 4004, 4201, 4001x4 и 4002x2). Лишь большая цена (5 тыс. дол.) не позволяла назвать её персональным компьютером.

Коллекционирование

Intel 4004, естественно, является одной из наиболее популярных микросхем в плане коллекционирования. Наиболее высоко ценятся бело-золотые микросхемы Intel 4004 с видимыми серыми следами на белой части (оригинальный тип корпуса). Так в 2004 году, такая микросхема, на on-line аукционе eBay, оценивалась примерно в $400. Немного менее ценными являются микросхемы без серых следов на корпусе, обычно их стоимость составляет порядка $200-$300. Те чипы (с серыми следами) без даты выпуска снизу микросхемы и выпущены раньше, поэтому их ценность выше.

Технические характеристики

• Дата анонса: 15 ноября 1971 года
• Тактовая частота: 108 кГц^[3] (на самом деле 92,6 кГц, согласно документу^[4] где сказано, что цикл инструкции длится 10,8 микросекунд, отсюда и путаница маркетологов Intel — первая в истории ошибка Intel)
• Частота синхронизации: 740 кГц (делится на 8 до тактовой, в описании указана как минимальный период тактирования (clock period) 1,35 микросекунд)
• Гарвардская архитектура
• Внутренний 3-уровневый стек
• Разрядность шины: 4 бит
• Память команд (ПЗУ): 4 Кбайт
• Объём адресуемой памяти: 640 байт
• Количество регистров: 16 4-битных (могут быть использованы, как 8 8-битных)
• Количество транзисторов: 2250
• Площадь кристалла (кв. мм): 12
• Техпроцесс (нм): 10000 (10 мкм)
• Напряжение питания: −15 В (pMOS)
• Разъём: микросхема непосредственно впаивалась в печатную плату либо устанавливалась в специальный слот;
• Корпус: 16-контактный: plastic DIP, ceramic DIP
• Поддерживаемые технологии: 46 инструкций (из которых 41 — 8-разрядные и 5 — 16-разрядные)

Блок-схема процессора

Назначение выводов

Примечания

1. ↑ «The World’s First Microprocessor Chip Set» (англ.)
2. ↑ Voyager FAQ (англ.)
3. ↑ INTEL HIGH-PERFORMANCE CONSUMER DESKTOP MICROPROCESSOR TIMELINE  (англ.) (.pdf). Проверено 4 октября 2009.
4. ↑ Intel’s museum archive i4004 datasheet

Ссылки

• Как разрабатывались первые микросхемы Intel  (рус.)
• История мирового процессоростроения от 4004 до Nehalem. 2008-03-17.  (рус.)
• Ранние документы o технологии MOS silicon gate и микропроцессор. 1968—1972.  (англ.)
• Руководитель проекта и конструктор первого микропроцессора: Федерико Фаджин
• Разработчик архитектуры первого микропроцессора: Тед Хофф  (рус.)
• Онлайн ассемблер Intel 4004  (англ.)
• Intel отметила 40-летие первого микропроцессора. 2011-11-15.  (рус.)