К 40-летию процессора Intel 4004

Сергей Пахомов

15 ноября исполнилось ровно 40 лет со дня выпуска первого микропроцессора Intel 4004, который не только стал первым процессором для массового рынка и поступил в продажу как стандартная электронная деталь, но и совершил настоящую революцию в электронной промышленности. Этот процессор 15 лет использовался в компьютерной индустрии, и его производство прекратилось лишь в 1986 году.

А история создания этого микропроцессора началась задолго до 1971 года, когда он был официально анонсирован, и неразрывно связана с историей самой компании Intel.

В 1955 году Уильям Брэдфорд Шокли, один из изобретателей биполярного транзистора, основал в США компанию и назвал ее в честь самого себя — Shockley Semiconductor Laboratory (Лаборатория полупроводников Шокли). До 1955 года Шокли являлся сотрудником американской лаборатории Bell Labs, где совместно с физиками Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном занимался разработкой транзистора, за что в 1956 году получил Нобелевскую премию (совместно с Бардиным и Браттейном).

В компанию Shockley Semiconductor Laboratory Шокли не удалось привлечь своих бывших сотрудников из Bell Labs, и он нанял группу молодых талантливых ученых, которые продолжили работу над так называемыми четырехслойными диодами.

В сентябре 1957 года из-за конфликта с Шокли, который решил прекратить дальнейшие исследования кремниевых полупроводников, восемь инженеров уволились из его компании и основали новую американскую компанию Fairchild Semiconductor.

Уже в 1959 году Роберт Нойс, один из восьми основателей Fairchild Semiconductor, и независимо от него Джек Килби из компании Texas Instruments предложили способ объединения большого числа транзисторов в одну интегральную схему. Нужно отметить, что способ Нойса отличался от способа Килби и оказался более подходящим для массового производства. Так в 1960 году компания Fairchild Semiconductor стала одним из ведущих поставщиков интегральных микросхем. Но к 1968 году из-за конфликтов с управляющей венчурной компанией, которой принадлежала компания Fairchild Semiconductor, сотрудники стали увольняться. Роберт Нойс и Гордон Мур, покинувшие компанию Fairchild Semiconductor, совместно с примкнувшим к ним менеджером Энди Гроувом основали новую компанию, которую первоначально решили назвать N M Electronics, но это название просуществовало недолго. Поняв его бесперспективность, они решили дать своему детищу имя Intel (как производное от Integrated Electronics). Примечательно, что в то время на территории CША уже была зарегистрирована компания Intel (сеть недорогих отелей). Но вскоре все права на использование этого имени стали принадлежать именно той компании, которую мы сегодня знаем как Intel.

Понятно, что любой новой компании нужен стартовый капитал. Первым инвестором Intel стал финансист Артур Крок (Arthur Kroc). Первый бизнес-план компании состоял из одной страницы и был напечатан на пишущей машинке. Однако Артур Крок поверил в амбициозные планы основателей Intel и вложил в компанию 2,5 млн долл.

Первоначально компания Intel занималась производством микросхем оперативной памяти, однако прибыли этот бизнес не приносил.

В 1969 году японская корпорация Nippon Calculating Machine отправила в корпорацию Intel заявку на проектирование 12 специализированных микросхем для нового печатающего калькулятора Busicom 141-PF.

Но вместо разработки и создания дюжины микросхем для калькулятора инженеры Intel предложили принципиально иной подход — объединить несколько отдельных микросхем в одну и заменить 12 микросхем на набор всего из четырех микросхем, одну из которых можно было программировать для использования в устройствах различного назначения. В результате через год инженеры Intel Федерико Фаджин (Federico Faggin), Тед Хофф (Ted Hoff), Стэнли Мэйзор (Stanley Mazor), Лес Вадас (Les Vadasz) и представляющий компанию-заказчика Масатоши Сима (Masatoshi Shima) разработали проект набора из четырех микросхем под названием MCS-4 (Micro Computer Set 4-bit). В него входили центральный процессор 4004, микросхема 4001, состоящая из 256-байтного ПЗУ для прикладных программ (256 8-битовых программных инструкций) и одного встроенного 4-битного порта ввода­вывода, микросхема 4002, включающая 40-байтовое ОЗУ (80 4-битных ячеек) для обработки данных и один встроенный 4-битный выходной порт, а также микросхема 4003, представляющая собой 10-битный «расширитель ввода­вывода», то есть сдвиговый регистр, преобразующий последовательный код в параллельный.

 

Процессор Intel 4004

Процессор Intel 4004

Результат этого проекта превзошел все ожидания — он открывал новое направление в микроэлектронике. Понятно, что отдавать все права на MCS-4 было неразумным, поэтому компания Intel предложила компании Nippon Calculating Machine заниженную цену на микросхемы в обмен на сохранение прав на конструкцию микропроцессоров и их маркетинговое продвижение в других областях помимо калькуляторов. Компания Nippon Calculating Machine, испытывавшая финансовые трудности, согласилась на это предложение, а впоследствии продала около 100 000 калькуляторов с набором микросхем MCS-4.

В выпуске журнала Electronic News от 15 ноября 1971 года корпорация Intel представила микропроцессор 4004 и объявила о начале новой эры в микроэлектронике. Процессор Intel 4004 стал первым микропроцессором общего назначения на рынке — компонентом, который инженеры могут приобретать и дополнять программным обеспечением для выполнения различных функций в разнообразных электронных устройствах.

Процессоры Intel 4004 первоначально изготавливались на двухдюймовых, а позднее — на трехдюймовых подложках. Для сравнения укажем, что современные процессоры Intel изготавливаются на 12-дюймовых подложках по 32-нм техпроцессу.

Процессор Intel 4004 имел размеры 1/8 на 1/6 дюйма и обеспечивал такую же вычислительную мощность, как и созданный в 1946 году первый электронный компьютер ENIAC, занимавший целую комнату и использовавший 18 тыс. ламп.

Процессор Intel 4004 содержал 2250 транзисторов и выпускался в 16-контактном корпусе. Для сравнения: современный процессор Intel Core второго поколения, выпущенный в 2011 году, содержит почти миллиард транзисторов — примерно в 400 тыс. раз больше. Величина транзисторов в современных процессорах примерно в 300 раз меньше.

Процессор Intel 4004 имел гарвардскую архитектуру с разрядностью шины 4 бита. Память команд (ПЗУ) этого процессора составляла 4 Кбайт, а объем адресуемой памяти — 640 байт.

Процессор Intel 4004 содержал шестнадцать 4-битных регистров (могли применяться как восемь 8-битных), а его тактовая частота составляла 92,6 кГц. Добавим также, что этот процессор мог выполнять 46 инструкций, из которых 41 инструкция — 8-разрядные, а пять — 16-разрядные.

По оценке Intel, вычислительная мощность процессоров Intel Core второго поколения не менее чем в 350 тыс. раз превосходит мощность первого процессора Intel. Однако для своего времени процессор Intel 4004 был очень производительным и представлял собой высокотехнологическое устройство. Фактически, после выпуска процессора Intel 4004 компания Intel перепрофилировалась на выпуск исключительно микропроцессоров.

1 апреля 1972 года компания Intel выпустила 8-битную версию процессора 4004 — процессор 8008.

 

Процессор Intel 8008

Процессор Intel 8008

Впрочем, говорить о том, что данный процессор стал логическим продолжением процессора Intel 4004 — не совсем верно. Разработка этого процессора началась еще в 1969 году и велась параллельно с работой над набором микросхем MCS-4.

Компания Computer Terminal Corporation (CTC) разместила заказ в компании Intel на разработку нескольких микросхем, которые намеревалась использовать в своих терминалах. Инженеры компании Intel предложили применять вместо нескольких микросхем одну и, получив согласие со стороны заказчика, приступили к разработке микросхемы с рабочим названием 1210. Собственно, эта история очень напоминает процесс разработки набора микросхем MCS-4, но за одним исключением. Компания CTC отказалась от разработанной для них микросхемы, которая фактически была готова в 1970 году, ссылаясь на то, что микросхему предоставили поздно, а характеристики микросхемы не удовлетворяли CTC.

Договор между Intel и CTC был расторгнут, что позволяло продавать эту микросхему другим компаниям. Впоследствии, после некоторой модификации, интегральная микросхема 1210 превратилась в микропроцессор Intel 8008, который положил начало новому семейству MCS-8.

Микропроцессор Intel 8008 архитектурно был очень похож на 4004. ОН имел 18 контактов, производился по 10-мкм техпроцессу и содержал уже 3500 транзисторов.

Размер регистров этого процессора составлял 8 бит. В процессоре использовалась 14-битная адресация памяти, в результате чего процессор мог адресовать до 16 Кбайт внешней памяти. Процессор Intel 8008 мог обращаться к восьми портам ввода и 24 портам вывода.

Данные о тактовой частоте этого процессора противоречивы. Можно найти указания, что он работал на частоте 200 кГц, но есть источники, указывающие на частоту 500 кГц.

Производительность процессора Intel 8008 вдвое превышала производительность Intel 4004. Изначально планировалось, что этот процессор будет применяться в калькуляторах, однако в 1974 году на базе микропроцессора Intel 8008 стали производиться два персональных компьютера: Mark-8 и Scelbi-8N. Процессор Intel 8008 выпускался вплоть до 1983 года.

В 1974 году компания Intel представила новый восьмибитный микропроцессор общего назначения Intel 8080.

 

Процессор Intel 8080

Процессор Intel 8080

Новый процессор выпускался по техпроцессу 6-мкм, что позволило разместить на кристалле 6 тыс. транзисторов. Будучи усовершенствованной версией процессора 8008, он обладал на порядок большей производительностью. Процессор 8080 имел кристалл площадью 20 мм2.

В новом процессоре поддерживалось большое количество команд: 16 команд передачи данных, 31 команда для их обработки, 28 команд для перехода (с прямой адресацией), пять команд управления. В микропроцессоре Intel 8080 не было команд умножения и деления — их реализация обычно осуществлялась с помощью подпрограмм. Благодаря 16-разрядной адресной шине процессор позволял производить адресацию 64 Кбайт памяти, которая не разделялась на память команд и данных. Хотя процессор был 8-разрядным и содержал семь 8-битных регистров, он имел ограниченные возможности обработки 16-разрядных чисел, для чего регистры объединялись в пары.

Первоначальный вариант процессора 8080 имел 48-контактный корпус с шагом выводов 1/20 дюйма и тактовую частоту 2 МГц. Однако этот процессор содержал и одну довольно серьезную ошибку, которая теоретически могла привести процессор в состояние, из которого он выводился только сигналом Reset. Улучшенный вариант 8080А, выпущенный через полгода, имел 40-контактный корпус с шагом выводов 1/10 дюйма и тактовую частоту 2,5 МГц. Ну и, естественно, в процессоре 8080А была исправлена ошибка.

Если предыдущие микропроцессоры Intel использовались в «некомпьютерных» устройствах, то 8080 получил достаточно широкое применение в компьютерах, например в первом персональном компьютере Altair 8800. Комплект для его сборки можно было заказать по рекламе в журналах (Popular Electronics, Radio-Electronics и т.д.) с доставкой по почте за 439 долл. Первоначальные расчеты на продажу лишь нескольких сотен таких комплектов не оправдались — уже в первый месяц их стали заказывать тысячами.

Помимо Altair-8800 микропроцессор Intel 8080 применялся в устройствах управления уличным освещением и светофорами, а также в другом оборудовании.

Вскоре у процессора Intel 8080 появились как конкуренты — Motorola 6800, Zilog Z80, так и клоны — AMD AM9080, NEC 8080AF. В Советском Союзе выпускался аналог Intel 8080 под обозначением KP580ИK80, который лег в основу сверхпопулярного любительского компьютера «Радио 86РК», схемы для изготовления которого были опубликованы в журнале «Радио» в 1986 году.

Свой первый полностью шестнадцатибитный процессор 8086 компания Intel выпустила 8 июня 1978 года, и вскоре он стал стандартом для индустрии. Этот процессор разрабатывался с весны 1976 года.

 

Процессор Intel 8086

Процессор Intel 8086

Процессор 8086 содержал 29 тыс. транзисторов, работал на частотах от 5 до 10 МГц и явился основоположником архитектуры x86, используемой с тех пор в процессорах Intel. Первые процессоры 8086 изготавливались по техпроцессу 3,2 мкм. Клоны этого чипа производились многими компаниями. В СССР на его отечественном аналоге К1810ВМ86 были построены ППЭВМ ЕС1840 (1986 г.) и ЕС1841 (1987 г.).

Процессор 8086 представлял собой модернизированный вариант процессора 8080, и хотя не ставилась задача достичь полной совместимости на программном уровне между процессорами 8080 и 8086, большинство программ, написанных для 8080, после перекомпиляции были способны выполняться и на 8086.

Всего в процессоре 8086 было четырнадцать 16-разрядных регистров: четыре регистра общего назначения, два индексных регистра, два указательных, четыре сегментных регистра, программный счетчик или указатель команды и регистр флагов. При этом регистры данных допускали адресацию не только целых регистров, но и их младшей и старшей половины, что не только позволяло использовать новое 16-разрядное ПО, но и сохраняло совместимость со старыми программами (правда, их необходимо было, по крайней мере, перекомпилировать).

Размер шины адреса был увеличен с 16 до 20 бит, что позволило адресовать 1 Мбайт памяти. Шина данных была 16-разрядной.

Процессор 8086 мог выполнять до 98 команд: 19 команд передачи данных, 38 команд их обработки, 24 команды перехода и 17 команд управления процессором. Микропроцессор не содержал команды для работы с числами с плавающей запятой. Данная возможность реализовывалась отдельной микросхемой, называемой математическим сопроцессором (модель Intel 8087), который устанавливался на материнской плате.

В процессоре 8086 применялась примитивная форма конвейерной обработки. Блок интерфейса с шиной подавал поток команд к исполнительному устройству через 6-байтовую очередь команд. Таким образом, выборка и выполнение новых команд могли происходить одновременно. Это заметно увеличивало пропускную способность процессора и исключало необходимость считывать команды из медленной памяти.

Основная проблема 16-битного процессора Intel 8086, препятствующая его широкому распространению, заключалась в том, что он требовал 16-разрядных микросхем «обвязки», которые были в то время очень дороги. Поэтому уже в 1979 году компания Intel выпустила упрощенный вариант этого процессора — процессор Intel 8088 с восьмибитной внешней шиной. Благодаря восьмибитной шине процессор 8088 мог использовать достаточно распространенные наборы микросхем, выпускавшиеся для «обвязки» процессора 8080, чем сразу завоевал любовь производителей компьютеров.

 

Процессор Intel 8088

Процессор Intel 8088

Именно на основе процессора Intel 8088 спустя два года начала выпускать свои персональные компьютеры компания IBM, совершив настоящую революцию на достаточно скромном до тех пор рынке.

В 1982 году Intel выпустила быстродействующий 16-битный процессор 80286, содержавший 134 тыс. транзисторов и работавший на частотах от 6 до 25 МГц. В нем впервые был реализован защищенный режим работы с памятью, реальный объем которой достигал 16 Мбайт, и поддерживалась адресация до 1 Гбайт виртуальной памяти.

 

Процессор Intel 80286

Процессор Intel 80286

Процессоры Intel 80286 производились по техпроцессу 1,5 мкм, а площадь кристалла составляла 49 мм2. В 1984 году компания IBM стала выпускать на базе процессора Intel 80286 персональные компьютеры семейства PC/AT.

В 1985 году компания Intel выпустила первый 32-битный процессор Intel 386, который содержал 275 тыс. транзисторов и сначала производился по техпроцессу 1,5 мкм, а затем — по техпроцессу 1 мкм. Примечательно, что в этом процессоре впервые была реализована многозадачность.

 

Процессор Intel 386

Процессор Intel 386

Процессоры Intel 386 выпускались вплоть до сентября 2007 года, поскольку нашли широкое применение не только в персональных компьютерах, но и в качестве встраиваемых решений.

Наверное, можно еще долго рассказывать о различных моделях процессоров Intel, коих с 1985 года было выпущено немало. Каждый их этих процессоров оставил свой неизгладимый след в истории компьютерной индустрии, но всё началось с идеи объединить несколько отдельных микросхем в одну, получившую воплощение в первом микропроцессоре Intel 4004.

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 12'2011

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует