回顧集成電子跨時(shí)代產(chǎn)品—英特爾4004微處理器

英特爾4004是世界上第一個(gè)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(jìn)的硅柵技術(shù)，標(biāo)志著英特爾在處理器行業(yè)崛起和獲得全球主導(dǎo)地位的開始。

你可能會(huì)想，作為當(dāng)時(shí)一家初出茅廬的公司，英特爾一定把全部資源投入于這個(gè)開創(chuàng)性的項(xiàng)目。但事實(shí)上，4004是一個(gè)人手不足差點(diǎn)失敗的編外項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)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(jì)60年代不斷增長(zhǎng)的晶體管數(shù)量和集成電路的復(fù)雜性意味著，到1970年， 多方會(huì)參與到微處理器的競(jìng)爭(zhēng)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(huì)首先贏得了勝利呢？ 這主要?dú)w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(dāng)時(shí)在日本辦公室計(jì)算器公司Busicom工作，該公司希望創(chuàng)建一個(gè)新的計(jì)算機(jī)化計(jì)算器。 1969年4月，Busicom和英特爾簽署了一項(xiàng)臨時(shí)協(xié)議，讓英特爾為其計(jì)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(xì)地討論了這些計(jì)劃。 Shima提出了一個(gè)八芯片系統(tǒng)：三個(gè)芯片與鍵盤和打印機(jī)等外圍設(shè)備接口，一個(gè)芯片用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一個(gè)芯片用于存儲(chǔ)程序代碼，還有兩個(gè)芯片組成CPU回顧集成電子跨時(shí)代產(chǎn)品—英特爾4004微處理器Shima在計(jì)算機(jī)歷史博物館的2009年研究員獎(jiǎng)活動(dòng)中，以及Busicom計(jì)算器，它是世界上第一個(gè)微處理器的目標(biāo)應(yīng)用程序。

Ted Hoff是我們故事中的第二位工程師，也是當(dāng)時(shí)與Busicom談判的英特爾應(yīng)用部門的負(fù)責(zé)人。 Hoff擔(dān)心英特爾生產(chǎn)如此多的芯片會(huì)很費(fèi)力，特別是因?yàn)樵撓到y(tǒng)需要多個(gè)芯片引腳才能互連，這對(duì)英特爾使用的陶瓷封裝技術(shù)的是個(gè)極限挑戰(zhàn)。

他提出將芯片數(shù)量減半：一個(gè)256字節(jié)的程序存儲(chǔ)器芯片4001，一個(gè)40字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片4002，一個(gè)外圍接口芯片4003和一個(gè)CPU芯片4004。整個(gè)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(gè)芯片制定了規(guī)格說(shuō)明并提議了生產(chǎn)計(jì)劃。

在1969年10月的一次后續(xù)會(huì)議上，英特爾提出了反對(duì)提案。 Busicom很感興趣，Shima回到日本為新計(jì)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(dá)成協(xié)議，Busicom根據(jù)Hoff和Mazor的進(jìn)度表計(jì)劃計(jì)算器的出產(chǎn)時(shí)間。 決定Shima將于1970年4月回到加利福尼亞檢查進(jìn)展情況。這些芯片將于1970年7月至10月以交錯(cuò)的時(shí)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(xiàng)目在1970年初英特爾內(nèi)部停滯不前。問(wèn)題在于Hoff和Mazor不是芯片設(shè)計(jì)師，無(wú)法根據(jù)規(guī)范說(shuō)明來(lái)創(chuàng)建詳細(xì)邏輯門圖。而這些圖進(jìn)而會(huì)用于確定晶體管和其他元件在物理芯片上的布局。

事實(shí)上，英特爾沒(méi)有人可以承擔(dān)這項(xiàng)工作，因?yàn)樵摴井?dāng)時(shí)正專注于開發(fā)內(nèi)存芯片。 最后，英特爾雇傭有了史以來(lái)最偉大的雇員之一，并介紹了這個(gè)故事中的第四個(gè)關(guān)鍵人物：Frederico Faggin，一位非常適合這項(xiàng)工作的年輕工程師。

在他的職業(yè)生涯開始時(shí)，F(xiàn)aggin為意大利的Olivetti設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 然后在20世紀(jì)60年代后期，他加入了硅谷的Fairchild半導(dǎo)體公司，在那里他為英特爾芯片所依賴的先進(jìn)金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)做出了重要貢獻(xiàn)。 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(xiàng)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(gè)人報(bào)道中所寫，當(dāng)他看到時(shí)間表時(shí)說(shuō)：“我驚呆了！我只有六個(gè)月不到的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)四個(gè)芯片，其中一個(gè)CPU芯片能否實(shí)現(xiàn)還是個(gè)問(wèn)題?！?/p>

回顧集成電子跨時(shí)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(guó)家發(fā)明家名人堂，1996年他們的原計(jì)劃是基于存儲(chǔ)器芯片制定的。存儲(chǔ)芯片使用許多重復(fù)元件，而處理器芯片則使用復(fù)雜且多變的邏輯電路。 此外，F(xiàn)aggin沒(méi)有支持人員，也沒(méi)有其他公司擁有的協(xié)助創(chuàng)建和測(cè)試數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的工具和基礎(chǔ)設(shè)施。

在Faggin開始工作幾天后，Shima登陸美國(guó)進(jìn)行進(jìn)度檢查。Mazor和Faggin從機(jī)場(chǎng)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(jìn)行核對(duì)?！爱?dāng)他發(fā)現(xiàn)五個(gè)月內(nèi)沒(méi)有任何工作進(jìn)展，Shima非常惱怒，并且對(duì)我非常生氣...... 大概花了差不多一個(gè)星期才讓Shima冷靜下來(lái)，”Faggin寫道。

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

Faggin按照復(fù)雜度的順序進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)：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(jì)算器設(shè)計(jì)提供反饋。 1970年底，芯片設(shè)計(jì)完成。 Faggin為CPU的布局加入了個(gè)人的印記：他將他名字的首字母刻在了每個(gè)4004CPU的邊緣，顯微鏡可見(jiàn)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(shí)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(gè)晶體管。

由于Busicom委托制作該芯片組，它擁有獨(dú)家版權(quán)，這使得英特爾無(wú)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(jì)算器的應(yīng)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(shí)代的到來(lái)”。

雖然這條廣告語(yǔ)相當(dāng)引人注目，但卻說(shuō)得一點(diǎn)沒(méi)錯(cuò)——也算是廣告界中 能做到“名副其實(shí)”的一個(gè)罕見(jiàn)案例了。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。