Как процессор Intel 4004 изменил мир микроэлектроники и отправился в дальний космос

Проект стартовал в 1969 году. Японская Busicom Corp. предложила Intel разработать семейство из семи микросхем для электронного калькулятора. Три из них должны были выполнять роль CPU для различных вычислительных операций, оперировать хранящимися в сдвиговых регистрах данными и командами в ROM. Еще четыре микросхемы предназначались для вспомогательных функций, таких как хранение данных и операции ввода-вывода.

Тед Хофф и его коллега, Стенли Мейзор, справедливо решили, что логическая схема CPU на трех микропроцессорах, созданная японским инженером Масатоси Сима из Busicom, слишком сложная и дорогая в производстве. И предложили использовать более традиционную архитектуру, где данные хранятся в оперативной памяти. Она была значительно проще и могла быть интегрирована в одну микросхему, что позволило бы снизить стоимость и повысить производительность.

В итоге вместо узкоспециализированных микросхем инженеры Intel предложили использовать универсальный 4-разрядный CPU, ROM для программного обеспечения и RAM с пользовательскими данными. Но разработка Intel 4004 началась не сразу.

В апреле 1970 года в Intel пришел Федерико Фаджин, итальянский физик, занявший пост главного проектировщика систем семейства MCS-4. Еще в Италии он разработал технологию МОП с кремниевым затвором (SGT) и даже реализовал первую в мире коммерческую микросхему на базе кремниевых затворов.

Именно Фаджин, благодаря своей солидной экспертизе в разработке микросхем и создании технологии МОП c SGT, смог воплотить архитектуру Теда Хоффа и Стенли Мейзора в физическом продукте. Масатоси Сима из Busicom помогал с архитектурой и логическим дизайном Intel 4004.

Основной концепцией было использование самосовмещенного затвора, выполненного из поликристаллического кремния, а не металла. Это позволило размещать компоненты гораздо ближе друг к другу и обеспечивать более высокую скорость работы. Для реализации 4004 Фаджин также разработал технологию нагрузочного каскада с вольтодобавкой (bootstrap load), считавшуюся ранее невозможной для кремниевого затвора, и заглубленного контакта (buried contact), которая позволила соединять кремниевые затворы напрямую с истоком и стоком транзисторов без использования металла.

Все эти инновации удвоили плотность схемы и, следовательно, вдвое снизили стоимость. На одном кристалле размером 3×4 миллиметра команда Хоффа смогла уместить более 2 300 транзисторов. Скорость работы выросла в пять раз по сравнению с предыдущими архитектурами на МОП с алюминиевыми затворами.

Итоговый набор микросхем для электронного калькулятора Busicom включал:

• 4004 CPU — центральный процессор на одном чипе.
• 4001 ROM — для хранения программного обеспечения.
• 4002 RAM — для пользовательских данных.
• 4003 Shift Register — расширение ввода-вывода.

Максимальная тактовая частота первого универсального 4-разрядного CPU на одной микросхеме составляла 740 кГц, количество инструкций — 46, а цикл — 10,8 микросекунды. Intel 4004 мог выполнять до 93 000 инструкций в секунду. Производитель использовал 10 мкм (10 000 нм) техпроцесс.

Для сравнения, сегодня, полвека спустя, флагманский 64-разрядный Intel Core Ultra 9 285K содержит 13,1 млрд транзисторов, имеет 24 ядра, тактовую частоту до 5,7 ГГц в режиме Turbo Boost, а при производстве используется 3 нм техпроцесс.А если говорить о современных потенциально революционных процессорах, то на ум приходит нейроморфный процессор Intel Loihi 2. Это крошечный чип с 2,3 млрд транзисторов и миллионами нейронов. Рекомендуем прочитать о нем и нейроморфных вычислениях в статье Юлии Сандамирской, руководителя научной группы лаборатории нейроморфных вычислений Intel.

Первая партия Intel 4004 прибыла в Японию для производства прототипа электронного калькулятора Busicom 141-PF с функцией печати в марте 1971 года. Продажи революционного процессора начались в июле и продолжались десять лет.

В рекламе Intel гордо называл 4004-й «компьютером на одной микросхеме» всего за 60 долларов (около 450 долларов сейчас, с учетом инфляции). «Дешевле, чем ужин со стейком в ресторане», уверяли объявления. Сегодня за рабочий экземпляр процессора коллекционеры выкладывают несколько тысяч долларов.

Процессор у Intel получился по-настоящему универсальным. Он использовался в электронном музыкальном оборудовании, промышленных контроллерах, системах управления спутниками, телекоме, микрокомпьютерах и даже космических зондах.

Несколько интересных устройств на базе Intel 4004:

• Серия научных и бизнес-калькуляторов Wang 1200. Умели работать с логарифмами и производить тригонометрические вычисления.
• Микрокомпьютер Micral N, один из первых персональных компьютеров. Был первым в истории ПК с микропроцессором, вышел в 1973 году. Позже производитель перешел на Intel 8008.
• Программно-вычислительные системы Telefunken. Ранние попытки применить микропроцессоры в телеком-инфраструктуре.
• Платформа разработки Intel SIM4. Использовалась программистами для создания и тестирования приложений с помощью Intel 4004.
• Управление спутниками NASA. Эксперименты с применением 4004-го в исследовании космоса. Процессор был по тем временам крошечным и требовал мало энергии.

Наконец, самое классное, на наш взгляд, устройство с Intel 4004 на борту — «Пионер-10», космический зонд NASA. Он покинул Землю 3 марта 1972 года и стал первым космическим кораблем, который вошел в главный пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. А 4004-й, в свою очередь, стал первым микропроцессором в этой отдаленной области Солнечной системы. Более того, зонд считается первым аппаратом, который развил достаточную скорость для преодоления силы притяжения Солнца.

Последний сеанс связи с «Пионером-10» состоялся в 2003 году, когда он был на расстоянии 82,19 а. е. от Солнца. Предположительно, аппарат продолжает полет и скоро покинет Солнечную систему, направляясь в сторону звезды Альдебаран.

Команда Хоффа полвека назад совершила революцию, придумав и реализовав первый в истории коммерческий CPU на одной микросхеме.

Именно Intel 4004 на МОП с кремниевым затвором дал толчок к развитию современной архитектуры компьютеров и мало-мальски сложных электронных устройств. Сейчас вы читаете этот текст в том числе благодаря усилиям команды Хоффа.