Mikroprocesor Intel 4004: opis, karakteristike. Povijest procesora

Federico Fagin pridružio se Intelu kako bi promijenio viziju Ted Hoffa u silicijsku stvarnost. Manje od godinu dana kasnije, on i njegov tim stvorili mikroprocesor 4004, koji je predstavljen u studenom 1971., prvi veliki problem za Fadzhina je razvoj metodologije pomoću nove tehnologije silicija vrata. To je omogućilo stvaranje različitih shema na drugačiji način. Budući da prije toga ništa nije bilo, nitko nije učinio, bilo je potrebno početi sve od nule. Federico Faggin je moguće - to je self-razvio čip u samo 9 mjeseci 1970. je fantastičan kratkoročni usporedbi s procesorima „Intel” Sljedeće generacije. Na primjer, trebalo je 100 godina da stvorite 32-bitni čip.

Strukturni dizajn

Dizajn se temelji na silicij vrata, stvorio Federico Faggin, prvi mikroprocesor se ostvariti u 1971. To je neobično, kao integraciju takve složenosti nikad prije dosegnute. Fagin je uspio razviti procesor Intel 4004 samo zahvaljujući svojim inovacijama u proizvodnoj tehnologiji MOS integrirani krugovi (ICS). Pokretački i skrivene dodir postao ideje koje čine osnovu za prvi put primijenjena njihova metodologija dizajn omogućio je da se spasi arhitekturu Hoff i provesti ga u 1970. Bez toga, to bi bilo moguće, jer je rezultat bio bi prespor i skupo biti od praktične primjene , Dakle, izum nije razviti jednostavni model CPU, nedostatak koji nije bio u neko vrijeme, ali u kreiranju i provedbi tehnologije koja se prvi put dopušteno stavljati na jednom čipu svi procesor funkcionalnih blokova.

Ted Hoff se nadao da je arhitektura i skup instrukcija koje nudi im se može staviti na jednom čipu. Međutim, on nije mogao procijeniti izvedivost projekta, ili da ga stavi, jer nisu MOS programeru. To je Federico Faggin izumio dizajn i izgled tranzistora 2300 proizvoljan logika na čip za mjerenje samo 3x4 mm, jeftin, s 5 puta brzinu i dvostruko gustoće plasman elemenata od onog koji je postojao u vrijeme MOS tehnologije.

Faginova metodologija bila je proboj i koristila se u svim ranim mikroprocesorima tvrtke. Talijanski inženjer vodio je projekt uspješnim zaključkom i igrao ulogu u promicanju novog Intel procesora, pokazujući upravitelju tvrtke da se čip može koristiti ne samo u kalkulatorima.

Tehničke specifikacije

Specifikacije Intel 4004 procesora su kako slijedi:

• Kristalna površina: 12 mm².
• Maksimalna brzina sata: 740 kHz.
• Vrijeme ciklusa: 10.8 μs (8 ciklusa / ciklus komandiranja).
• Vrijeme izvršavanja naredbe je 1 ili 2 naredbeni ciklus (10,8 ili 21,6 μs), 46300-92600 naredbi u sekundi.
• Dodavanje dva 8-znamenkastog broja (32 bita svaki) traje 850 μs, odnosno 79 ciklusa instrukcija, oko 10 ciklusa po decimalnom broju.
• Odvojena pohrana programa i podataka. Za razliku od dizajna na bazi Harvarda koji koriste zasebne autobuse, 4004 ima jednu multipleksiranu 4-bitnu sabirnicu za prijenos 12-bitnih adresa, 8-bitne upute i 4-bitne podatkovne riječi.
• Izravno adresiranje 51220 bita (640 bajta) RAM-a, organizirano u obliku 1280 4-bitnih "simbola" od kojih 1024 predstavljaju podatke i 256-stanje.
• Izravan adresiranje 32768 bita ROM-a (4096 bajta).
• Skup od 46 naredbi (od kojih je 41 širine 8 bitova i širok 5 do 16 bita).
• 16 registara sa po 4 bitova.
• Unutarnji sloj podprogramova duboko je 3 razine.

Naručite Busic

Računalo sa pohranjenim programom, korištenim kao kalkulator u pedesetim i šezdesetim godinama, bilo je jedno od najboljih postignuća poslijeratne ere i poznato je svim inženjerima koji rade u poluvodičkoj industriji.

Godine 1969. japanski proizvođač kalkulata Busicom se okrenuo Intelu da utjelovljuje u siliciju njihov logički dizajn za niz kalkulatora. Njihov je pristup ponovio provedbu prve programske kalkulatora Olivetti`s Programme 101 na svijetu, predstavljenog na Svjetskom sajmu u New Yorku 1965. godine i prodano u istoj godini. Programma 101 imao je procesor (centralna procesorska jedinica) i ROM (samo memorijska memorija) s nizom čitanja i pisanja, koji su izrađeni od diskretnih komponenti. Tvrtka Busicom ponudila je sličnu arhitekturu, koja je omogućila implementaciju procesora na tri MOS čipa, ROM i registrirala se za još dvije, s još dva I / O čipa.

MCS-4 arhitektura

Voditelj odjela za primijenjeno istraživanje, Ted Hoff priznaje da je složenost Busicom dizajn je koristiti sekvencijalni memorije, a budući da je Intel razvio svoj prvi dinamički RAM (Random Access Memory), vidi se da je izgradnja može biti vrlo pojednostavljeno korištenjem tradicionalne i univerzalni računalni arhitekturu koja se temelji na RAM-u. Uz Stan Mazor i kroz interakciju s Busicom inženjera, među njima Masatoshi Shima, Hoff formuliran MCS-4 arhitekturu, dizajn smanjen sa 7 na 4 žetona. Hoff pretpostavlja da CPU se može provoditi u jednoj 4-bitni mikroprocesor, ali ni on ni Mazor su MOS programeri, i Intel nisu imali stručnjake u stanju stvoriti složene IC s proizvoljnim logičke strukture. Dakle, dok je u travnju 1970. godine prijedlog Hoff praznom hodu otprilike šest mjeseci ove godine nije bio angažiran Federico Faggin, koji je na čelu projekta.

Inovativna tehnologija

Federico Faggin pridružio Intelu iz Fairchild Semiconductor, gdje je 1968. godine razvio je MOS tehnologije sa silikonskom vrata i stvorio na njegovu temelju prvi svjetski komercijalni integrirani krug 3708. Tehnologija je usvojen od strane Intela, a kasnije tijekom globalne poluvodičke industrije, te za Već 40 godina osnovna je struktura korištena u gotovo svim mikrokriževima. Gordon Moore, suosnivač Intelova, priznao je da je to glavna komponenta njezinog ranog uspjeha. MOS tehnologija sa silikonskim vratima uvjetom konkurentna svojstva Intel 4004: čip je oko 5 puta brže, imali 100 puta manji curenje tranzicije i mogu sadržavati 2 puta više logičkih tranzistora bilo koje vrste u usporedbi s čipom iste veličine napravio sa aluminijskim zatvaračima i raspršili jednaku snagu. To je dopušteno stvoriti prvi komercijalno uspješan dinamički RAM-a, senzora CCD (Charge Coupled Devices), stalna memorija uređaja i mikroprocesora. Po prvi put u povijesti, procesor je sadržavao sve komponente računala opće namjene.

Izrada novog dizajna i izgleda

Ted Hoff nije bio dizajner MOSFET-a. Njegova je uloga bila stvoriti arhitekturu i dalje podupirati proizvode. Nakon što je odredio skup naredbi, projekt je prebačen u tim MOP-developera, na čelu s Federico Fagin. Radovi su izvršeni vrlo brzo, a oko 9 mjeseci stvoreni su 3 glavna čipa. Posljednji od njih u siječnju 1971. pojavio se mikroprocesor Intel 4004.

Prema Stan Mazoru, Fajinova je zasluga bila da je proveo inženjerski dizajn, a Hoff - stvarajući izvorni koncept i arhitekturu. Sam Mazor bio je posrednik koji je pomagao što je bolje mogao i učinio sve što je mogao.

Federico Fagin razvio je metodologiju za projektiranje MOSFETa silicijskim vratima koji se koriste u proizvoljnim logičkim krugovima. To je bilo nužno jer je nova tehnologija zahtijevala drugačiji dizajn, a posebno izgled.

Prema Faginu, odlučio je da umjesto da zasebno oblikuju logiku, a zatim shemu, trebali biste ih učiniti zajedno na jednom listu. U tom slučaju, potrebno je uzeti u obzir mjesto, koliko god je to moguće, da su vodiči i tranzistori smješteni što bliže konačnom rasporedu. Očito je, za to je bilo potrebno unaprijed planirati cjelokupni dizajn čipa kako bi se znalo mjesto različitih blokova. Tada je pojasnio metodologiju za stvaranje ove vrste sheme.

Dizajn novog procesora i upravljanje projektima Intel MCS-4 s početka razvoja do proizvodnje mogli nadjačati jedini koji je u stanju uvesti inovacije u procesne tehnologije, izgleda krugova, sklopovima, logika dizajn i računalne arhitekture. Fadzhin stekao takvo znanje i vještine kroz obrazovanje i radno iskustvo prije nego što se pridružio Intel. Nakon završenog tehničkog učilišta u Vicenzi (Italija), sudjelovao je u razvoju i izgradnji malog pilot tranzistora računala osnovne memorije u OLIVETTI tvrtke Borgolombardo (Italija) u dobi od 19 godina. Zatim je diplomirao na Sveučilištu u Padovi, i sudjelovali u razvoju MOS tehnologije, stvaranje komercijalnog chip 2, kada je radio na SGS-Fairchild (sada ST Micro). Godine 1968. poslan je u Fairchild Semiconductor RD u Palo Altu (California), gdje je stvorio MOS tehnologije sa silikonskom vrata i drugima.

Stvarne inovacije

Konceptualizacija prvog procesora, koji je postao Hoffov glavni doprinos projektu 4004, također se odvijao u drugim tvrtkama. Na isti je zaključak nekoliko skupina nezavisno jedna od druge. Stoga je glavna stvar u izumu mikroprocesora bila stvaranje ekonomski opravdanih proizvoda. Samo je jedna osoba na svijetu znala poduzeti sljedeći korak i prevesti arhitekturu u radni dizajn. Bio je to Federico Fagin. Bez nje, prvi mikroprocesor nikada ne bi bio izgrađen. Natrag u Fairchildu, izumio je tehnologiju koja je stvorila temelje budućih uređaja. Nakon što je radio u Intelu, ispravio je pogreške nestalog Hoffa, a potom napravio prvi čip Intel 4004, nakon čega je vodio razvoj 8008 i bio glavni arhitekt 8080.

Dok inženjeri znaju kako izgraditi mali računalo kako bi logično CPU dizajn i stvaranje programa. Ideja mikroprocesora, tj. E. staviti na jednom čipu mainframe računala, također, bio u zraku. Neki arhitekture su već provedene u nekoliko MOS čips. Međutim, nitko nije znao kako instalirati 2.300 tranzistori proizvoljnog logiku - minimalni broj za jednostavnu obradu - čip dovoljno mali da je proizvodnja bila jeftina, izvedba bila visoka, a gubitak snage je dovoljno velik za smještaj u postojećim zgradama.

Dakle, stvarna inovacija u mikroprocesoru bila je njezin izgled na jednom silicijskom čipu, jer je sve ostalo bilo učinjeno prije. A Fagin je uspio to učiniti bez ikakve značajne pomoći Teda Hoffa i Stan Mazora.

Jedini koji mu je pomogao je inženjer Busicom Masatoshi Sima. Došao je u Intel kako bi provjerio napredak reda nekoliko dana nakon što je Fajin bio angažiran. Shvatio je da nije postignut napredak u proteklih šest mjeseci. S obzirom na kašnjenje u projektu i odsutnost bilo kojeg Intelovog inženjera koji je u stanju pomoći, Sima je ostao 6 mjeseci da bi ubrzao rad. Međutim, malo je znao o integriranim krugovima i, iako je bio vrlo koristan, Fagin je poduzeo sve kreativne odluke. Šef potonje, Vadas, Leslie, bio toliko zabrinut o dizajnu 1103 (prvi 1024-bitnog dinamičke RAM, koji se smatrao budućnost Intel), koji nije mogao pružiti tehničku kontrolu projekta MCS-4. Nakon uspjeha 4004. s uvođenjem nadzirane Fadzhin 8008, kao i zamišljeni i definira arhitekturu najuspješniji od svih prvih procesora - 4040 i 8080.

Sumnja na programere

Prema Stan Mazoru, on i Ted Hoff vjerovali su da je Intel 4004 previše agresivan. Nisu bili sigurni da se to može učiniti, pa su počeli s drugim čipom pod nazivom 4005. To je bio zajednički projekt s MIL-om, koji je Intelov partner u Kanadi. Definirali su mnogo jednostavniju arhitekturu od 4004. Kanadska tvrtka morala je razviti čip, a Intel je morao dati memoriju. Ispalo je da ne može napraviti 4005.

Hoff i Mazor 1994. nisu bili sigurni u izvedivost 4004. Zato je nekoliko mjeseci nakon Fadzhin pridružio Intel, stvorili su više jednostavnu arhitekturu 4005 i bio je poslan kanadska tvrtka za razvoj MIL. Ali inženjeri MIL mikroprocesora nisu mogli biti učinjeni. Postalo je jasno da je čak i stvaranje jednostavnog čipa daleko od rutinskog rada. Osim toga, Hoff i Mazor sumnjaju da bi 4004 mogao biti koristan za aplikacije osim kalkulatora, blagajni itd. Mislili su da će samo 1201, a kasnije i 8008 imati dovoljno univerzalne arhitekture koja će se koristiti u raznim aplikacijama. Nakon završetka projekta 4004. Fadzhin pokazala da je mikroprocesor može koristiti u raznim sustavima kontrole i pozvao na upravljanje povući Intel 4004 na tržište.

Neuspjesi s 8008

Drugi primjer koji pokazuje koliko je Faginova metodologija neophodna je Intel 8008, arhitektura koju je izvorno razvila Computer Terminal Corporation (CTC). Rad na čipu, izvorno nazvan 1201 je počela prije Fadzhin pridružio Intel, no projekt je dodijeljen programer procesora s proizvoljnim logika, koji je preselio iz General Instrument, nisam preselio, jer u to vrijeme nije bilo bilo metodologija i knjižnica sheme. Rad na 8008 obustavljen je i nastavljen samo u godini izdavanja Intel 4004.

TI mikroprocesor

Drugi je primjer prva CPU s jednim čipom, koji je postao drugi izvor za 8008 koji je naručio CTC iz Texas Instrumentsa. Najavljen u tisku sredinom 1971., samo nekoliko mjeseci nakon uspješnog stvaranja 4004, ovaj procesor nikada nije zaradio i nikad nije prodao. Izrađen je pomoću MOS tehnologije s metalnim zatvaračem koji je dugogodišnje iskustvo razvio IC s složenom proizvoljnom logikom. U usporedbi s procesorom Intel-8008, veličina TI čipa bila je dvostruko veća, pružajući iste funkcije. Brzina i rasipanje snage nikada nisu objavljeni.

Primjer slijediti

Nakon završetka projekta 4004, drugi inženjeri, kako unutar tako i izvan Intelove, bili su u stanju proučavati metode koje je koristio Fagin, nakon što je pregledao dizajn pod mikroskopom. Isti stil je korišten u svim ostalim ranim mikroprocesorima Intel i Zilog.

U zaključku

4004 postao je prvi procesor izrađen pomoću tehnologije silikonskog zatvarača. To je bio najnapredniji integrirani krug tog vremena. Njegovo stvaranje zahtijevalo je ne samo izvanredne kreativne sposobnosti i vještine dizajnerice, nego i duboko poznavanje nove tehnologije koju samo njezin programer može imati. Nadalje, za uspješan završetak projekta, koji je potreban da će biti dovršen u roku od 10 mjeseci zbog ranijih neispunjenih obveza da kupac su potrebni velika hrabrost, motivaciju, vještine upravljanja i stalni trud.