回顧集成電子跨時代產(chǎn)品—英特爾4004微處理器

英特爾4004是世界上第一個微處理器，即在單芯片上的完整通用CPU。 該產(chǎn)品于1971年3月發(fā)布，采用最先進的硅柵技術(shù)，標志著英特爾在處理器行業(yè)崛起和獲得全球主導地位的開始。

你可能會想，作為當時一家初出茅廬的公司，英特爾一定把全部資源投入于這個開創(chuàng)性的項目。但事實上，4004是一個人手不足差點失敗的編外項目，這個項目只是為籌集現(xiàn)金用于開發(fā)英特爾真正的產(chǎn)品線：內(nèi)存芯片。

正如Ken Shirrif在2016年7月的IEEE Spectrum專題文章中所描述的那樣，20世紀60年代不斷增長的晶體管數(shù)量和集成電路的復雜性意味著，到1970年， 多方會參與到微處理器的競爭中。其中，諸如德州儀器（Texas Instruments）之類的公司擁有比英特爾更多的資源。 那為什么于1968年成立的英特爾，會首先贏得了勝利呢？ 這主要歸功于四位工程師，其中一位甚至不是為英特爾工作的。

四位工程師中的第一位是Masatoshi Shima，他當時在日本辦公室計算器公司Busicom工作，該公司希望創(chuàng)建一個新的計算機化計算器。 1969年4月，Busicom和英特爾簽署了一項臨時協(xié)議，讓英特爾為其計算器開發(fā)一套定制芯片。

因此，在1969年6月，Shima和其他人前往英特爾更詳細地討論了這些計劃。 Shima提出了一個八芯片系統(tǒng)：三個芯片與鍵盤和打印機等外圍設(shè)備接口，一個芯片用于存儲數(shù)據(jù)，一個芯片用于存儲程序代碼，還有兩個芯片組成CPU回顧集成電子跨時代產(chǎn)品—英特爾4004微處理器Shima在計算機歷史博物館的2009年研究員獎活動中，以及Busicom計算器，它是世界上第一個微處理器的目標應用程序。

Ted Hoff是我們故事中的第二位工程師，也是當時與Busicom談判的英特爾應用部門的負責人。 Hoff擔心英特爾生產(chǎn)如此多的芯片會很費力，特別是因為該系統(tǒng)需要多個芯片引腳才能互連，這對英特爾使用的陶瓷封裝技術(shù)的是個極限挑戰(zhàn)。

他提出將芯片數(shù)量減半：一個256字節(jié)的程序存儲器芯片4001，一個40字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器芯片4002，一個外圍接口芯片4003和一個CPU芯片4004。整個系統(tǒng)被稱為MCS-4，是4比特的，大大減少了互連芯片所需的引腳數(shù)量。Hoff引入了第三位工程師，英特爾的Stanley Mazor。Hoff和Mazor一起為每個芯片制定了規(guī)格說明并提議了生產(chǎn)計劃。

在1969年10月的一次后續(xù)會議上，英特爾提出了反對提案。 Busicom很感興趣，Shima回到日本為新計算器制作原型軟件，以確保MCS-4架構(gòu)能夠滿足Busicom的需求。 1970年2月，雙方達成協(xié)議，Busicom根據(jù)Hoff和Mazor的進度表計劃計算器的出產(chǎn)時間。 決定Shima將于1970年4月回到加利福尼亞檢查進展情況。這些芯片將于1970年7月至10月以交錯的時間表投入生產(chǎn)，從4001開始到最后4004結(jié)束。

然而，在Shima和Busicom不為所知的情況下，4004項目在1970年初英特爾內(nèi)部停滯不前。問題在于Hoff和Mazor不是芯片設(shè)計師，無法根據(jù)規(guī)范說明來創(chuàng)建詳細邏輯門圖。而這些圖進而會用于確定晶體管和其他元件在物理芯片上的布局。

事實上，英特爾沒有人可以承擔這項工作，因為該公司當時正專注于開發(fā)內(nèi)存芯片。 最后，英特爾雇傭有了史以來最偉大的雇員之一，并介紹了這個故事中的第四個關(guān)鍵人物：Frederico Faggin，一位非常適合這項工作的年輕工程師。

在他的職業(yè)生涯開始時，F(xiàn)aggin為意大利的Olivetti設(shè)計并制造了一臺計算機。 然后在20世紀60年代后期，他加入了硅谷的Fairchild半導體公司，在那里他為英特爾芯片所依賴的先進金屬氧化物半導體（MOS）技術(shù)做出了重要貢獻。 Faggin希望在比Fairchild更具創(chuàng)業(yè)精神的環(huán)境中工作，因此于1970年4月接受了英特爾的聘書。

在Faggin工作的第一天，Mazor向他介紹了Busicom項目。 正如Faggin在《IEEE固態(tài)電路》雜志2009年冬季期刊上發(fā)表的關(guān)于4004開發(fā)的個人報道中所寫，當他看到時間表時說：“我驚呆了！我只有六個月不到的時間來設(shè)計四個芯片，其中一個CPU芯片能否實現(xiàn)還是個問題?！?/p>

回顧集成電子跨時代產(chǎn)品—英特爾4004微處理器Federico Faggin，Ted Hoff和Stanley Mazor手持英特爾4004處理器在國家發(fā)明家名人堂，1996年他們的原計劃是基于存儲器芯片制定的。存儲芯片使用許多重復元件，而處理器芯片則使用復雜且多變的邏輯電路。 此外，F(xiàn)aggin沒有支持人員，也沒有其他公司擁有的協(xié)助創(chuàng)建和測試數(shù)字邏輯設(shè)計的工具和基礎(chǔ)設(shè)施。

在Faggin開始工作幾天后，Shima登陸美國進行進度檢查。Mazor和Faggin從機場接他到英特爾。Shima原本期待看到芯片的邏輯圖以便他根據(jù)商定的規(guī)格進行核對?！爱斔l(fā)現(xiàn)五個月內(nèi)沒有任何工作進展，Shima非常惱怒，并且對我非常生氣...... 大概花了差不多一個星期才讓Shima冷靜下來，”Faggin寫道。

Faggin制定了一個新的時間表，雙方同意在英特爾開始招聘更多人參與該項目時，Shima將在英特爾六個月來幫助設(shè)計。Faggin自己則投入每周工作70到80小時的工作模式。

Faggin按照復雜度的順序進行芯片設(shè)計：4001 ROM，接著是4003接口芯片，然后是4002 RAM，最后是4004 CPU。 Shima檢查了芯片的邏輯，并就它們?nèi)绾纹ヅ銪usico更大型的計算器設(shè)計提供反饋。 1970年底，芯片設(shè)計完成。 Faggin為CPU的布局加入了個人的印記：他將他名字的首字母刻在了每個4004CPU的邊緣，顯微鏡可見的“F.F.”。1971年3月，Busicom終于擁有了一套完整的MCS-4芯片。

回顧集成電子跨時代產(chǎn)品—英特爾4004微處理器英特爾Free Press / FlickrFrederico Faggin和英特爾4004裸片的放大圖片。 4004有2,300個晶體管。

由于Busicom委托制作該芯片組，它擁有獨家版權(quán)，這使得英特爾無法向其他任何方出售4004。 但在Hoff和其他人提出有關(guān)處理器潛力后，英特爾愿意給予Busicom芯片成本的優(yōu)惠，只要英特爾將4000系列芯片出售給非計算器的應用。Busicom同意了。

于是，英特爾于1971年11月開始宣傳4004：“宣布集成電子產(chǎn)品的新時代的到來”。

雖然這條廣告語相當引人注目，但卻說得一點沒錯——也算是廣告界中 能做到“名副其實”的一個罕見案例了。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。