Intel отмечает полувековой юбилей микропроцессора 4004

Сегодня исполнилось ровно полвека с момента анонса микропроцессора Intel 4004, который открыл новую эру в электронной промышленности. Фактически это был первый микропроцессор для массового рынка. Он не только использовался в различных устройствах, выпускавшихся на протяжении полутора десятков лет, но и поступил в свободную продажу как стандартная электронная деталь. Серийное производство Intel 4004 было прекращено лишь в 1986 году.

Микропроцессор Intel 4004

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

В 1955 году один из изобретателей биполярного транзистора — Уильям Брэдфорд Шокли — основал в США компанию и назвал ее в свою честь Shockley Semiconductor Laboratory (дословно — «Лаборатория полупроводников Шокли»). Ранее Шокли был сотрудником американской лаборатории Bell Labs, где совместно с физиками Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном занимался разработкой транзистора, за что в 1956 году вместе с ними получил Нобелевскую премию.

Не сумев привлечь в собственную компанию бывших сотрудников из Bell Labs, Шокли 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 и основали новую компанию Fairchild Semiconductor.

Генеральный директор корпорации Intel Патрик Гелсингер (Patrick Gelsinger) демонстрирует процессор Intel 4004 в ходе выступления на мероприятии Intel Innovation в октябре 2021 года (изображение Intel Corporation)

В 1959 году Роберт Нойс, входивший в число 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. Таким образом в 1960 году компания Fairchild Semiconductor стала одним из ведущих поставщиков интегральных микросхем. Однако к 1968 году из-за конфликтов с управляющей венчурной компанией, которой принадлежала Fairchild Semiconductor, сотрудники последней стали увольняться. Покинувшие ее Роберт Нойс и Гордон Мур вмести с примкнувшим к ним менеджером Энди Гроувом основали новую компанию, которую сначала решили назвать N M Electronics. Это название просуществовало недолго и вскоре было изменено на Intel, составленное из начальных букв слов Integrated Electronics. Примечательно, что в то время на территории CША уже была зарегистрирована компания Intel, владевшая сетью недорогих отелей. Впрочем, вскоре вопрос удалось урегулировать, и все права на использование этого наименования стали принадлежать именно той компании, которую мы сегодня знаем как Intel.

Первым инвестором Intel стал финансист Артур Крок (Arthur Kroc). Первый бизнес-план компании состоял из одной страницы, отпечатанной на пишущей машинке. Однако Артур Крок поверил в амбициозные планы основателей Intel и вложил в компанию 2,5 млн долл.

Печатающий калькулятор Busicom 141-PF на базе процессора Intel 4004 (изображение Intel Corporation)

Изначально компания Intel специализировалась на производстве микросхем оперативной памяти, однако прибыли этот бизнес не приносил. В 1969 году японская корпорация Nippon Calculating Machine отправила в корпорацию Intel заявку на проектирование дюжины специализированных микросхем для нового печатающего калькулятора Busicom 141-PF. Однако вместо разработки и создания дюжины микросхем для калькулятора инженеры Intel предложили японцам принципиально иной подход — объединить несколько отдельных микросхем в одну, сократив количество этих компонентов с 12 до четырех. При этом одну из этих микросхем можно было программировать, что давало возможность использовать этот набор в устройствах различного назначения.

Инженер компании Intel Федерико Фаджин (Federico Faggin) (изображение Intel Corporation)

Инженер компании Nippon Calculating Machine Масатоши Сима (Masatoshi Shima) (изображение Intel Corporation)

Спустя 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 (она позволяла хранить до 256 8-битовых программных инструкций) и одного встроенного 4-битного порта ввода­вывода;
• микросхема 4002, включающая 40-байтовое ОЗУ (восемьдесят 4-битных ячеек) для обработки данных и один встроенный 4-битный выходной порт;
• микросхема 4003, представляющая собой 10-битный «расширитель ввода­вывода», то есть сдвиговый регистр, преобразующий последовательный код в параллельный.

Инженер компании Intel Тед Хофф (Ted Hoff) демонстрирует образец процессора Intel 4004 (изображение Intel Corporation)

Результат этого проекта превзошел все ожидания: он произвел настоящую революцию, открыв новое направление в микроэлектронике. Понятно, что отдавать заказчику все права на MCS-4 было неразумным, поэтому компания Intel предложила руководству 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 в то время финансовые трудности, согласилась на это предложение, и впоследствии продала около 100 тыс. калькуляторов на базе набора микросхем MCS-4.

Инженер компании Intel Стэнли Мэйзор (Stanley Mazor) (изображение Intel Corporation)

В выпуске журнала Electronic News от 15 ноября 1971 года корпорация Intel представила микропроцессор 4004 и объявила о начале новой эры в микроэлектронике. Это был первый на рынке микропроцессор общего назначения, который инженеры могли приобретать и дополнять программным обеспечением для выполнения различных задач в самых разных электронных устройствах.

Intel представляет микропроцессор 4004 и объявляет начало новой эры в микроэлектронике (фрагмент публикации в журнале Electronic News)

Серийный вариант микропроцессора Intel 4004

После выпуска процессора Intel 4004 компания Intel фактически перепрофилировалась исключительно на разработку и производство микропроцессоров.

Интересные факты о процессоре Intel 4004

• Процессор Intel 4004 имел размеры 1/8 на 1/6 дюйма (3,175×4,23 мм) и обладал такой же вычислительной мощностью, как и созданный в 1946 году первый электронный компьютер ENIAC, содержавший 18 тыс. радиоламп и занимавший целую комнату.
• Процессор Intel 4004 содержал 2250 транзисторов и выпускался в корпусе с 16 контактами.
• 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 (их можно было конфигурировать как восемь 8-битных), а его тактовая частота составляла 92,6 кГц. Он мог выполнять 46 инструкций, в том числе сорок одну 8-разрядную и пять 16-разрядных.