De geboorte van de microprocessor

De Intel 4004 wordt beschouwd als de eerste microprocessor - met andere woorden, de eerste universele computer op een chip - maar de creatie door Intel kwam neer op een combinatie van hard werken, de juiste timing en gewoon geluk.

Het verhaal van de chip begint echt in 1969 toen een Japans bedrijf genaamd Nippon Calculating Machine Corporation (maar bekend als Busicom, naar de naam van de rekenmachines) een contract met Intel aangaf om de chips te bouwen die nodig zijn voor een nieuwe rekenmachine. Busicom was een relatief klein calculatorbedrijf dat zijn aandeel verloor in een snel consoliderende markt en had behoefte aan een nieuwe oplossing. En Intel was een startup, opgericht in 1968 met ongeveer 200 werknemers, voornamelijk gericht op het bouwen van geheugenchips.

Beide hadden iets nieuws nodig.

Mede-oprichter van Intel en vervolgens CEO Robert Noyce had Japan rond eind 1968 bezocht op zoek naar klanten. Noyce had een ontmoeting met Sharp, toen een van de leiders in rekenmachines, maar Sharp had al bestaande contracten. Dus Tadashi Sasaki van Sharp zegt dat hij Noyce heeft geïntroduceerd bij Busicom-president Yoshio Kojima, en dat is hoe Intel het contract kreeg om de chips te bouwen voor de calculator van Busicom.

Marcian Edward "Ted" Hoff, die in 1968 als medewerker nr. 12 bij Intel was gaan werken, kreeg de opdracht om producten te maken waarmee mensen van ouder kerngeheugen naar Intel's nieuwe geheugenchips konden overschakelen. In zijn verhaal moest Intel's eerste aangepaste project worden uitgevoerd voor een bedrijf dat het kende als Electro Technical Industries maar dat het meest Busicom heette.

Volgens Masatoshi Shima, toen een jonge ingenieur bij Busicom, maar voorbestemd om een ​​belangrijk onderdeel van het ontwerpteam te worden, had het bedrijf plannen om een ​​serie chips voor algemene doeleinden te bouwen "die niet alleen voor een desktopcalculator zou worden gebruikt, maar ook voor een zakelijke machine, zoals een factureringsmachine, een kassa en een telmachine. " Maar Busicom vertelde dit destijds niet aan Intel, "omdat het de vertrouwelijke kwestie was tussen Busicom en NCR Japan, " dus dacht Intel dat het doel was alleen een krachtigere rekenmachine te bouwen.

Het oorspronkelijke contract werd getekend in april 1969 en eind juni arriveerden Shima en twee andere Busicom-ingenieurs bij Intel. Het oorspronkelijke plan was dat de ingenieurs van Busicom een ​​reeks LSI-chips ontwikkelden en Intel de chips maakte met behulp van de MOS-technologie (metaaloxide-halfgeleider). Intel zou $ 100.000 ontvangen om de chipsets te maken en vervolgens $ 50 voor elke gemaakte set, waarbij Busicom minimaal 60.000 eenheden zou inzetten.

Shima zegt dat zijn team voorstelde negen soorten LSI-chips te maken, maar door de meeste accounts werd dit al snel een voorstel met 12 chips, waarbij voor sommige chips elk 3000 tot 5000 transistors nodig waren - een enorm bedrag voor 1969 toen de standaardcalculator zes chips had, die elk 600 tot 1.000 transistors hadden. Hoff keek naar de plannen en vond de chips te ingewikkeld om te maken en "dat we deze dingen niet zouden kunnen produceren volgens de prijsdoelen."

Hoff keek naar het ontwerp en had een verscheidenheid aan concepten, waaronder het verplaatsen van decimale rekenkunde naar binaire rekenkunde, met behulp van een meer algemene chip met een eenvoudige instructieset.

Hoff vond het Busicom-plan te ingewikkeld en stelde in plaats daarvan voor om een ​​logica-chip voor algemeen gebruik te maken, waarbij veel van de instructies in software op geheugenchips werden opgeslagen. Zoals geciteerd in Leslie Berlin's The Man Behind the Microchip (2006, Oxford University Press), ging Hoff naar Intel CEO Noyce en legde hij zijn concept uit, dat zou bestaan ​​uit één microprocessor, twee geheugenchips en een schuifregister. "Ik denk dat we iets kunnen doen om dit te vereenvoudigen, " zei Hoff. "Ik weet dat dit kan worden gedaan. Het kan worden gemaakt om een ​​computer te emuleren." Hoewel hij niet officieel was belast met het ontwerpen van de chips voor de machine, gaf Noyce hem toestemming om aan het concept te blijven werken.

Hoff werkte deze zomer aan de concepten en met ingenieur Stanley Mazor maakte Hoff een bloktekening van de architectuur. Dit zou een 4-bits binaire logica-chip zijn (in tegenstelling tot het decimale ontwerp van Busicom) en de programma's voor het uitvoeren van de rekenmachinefuncties opslaan op een geheugenchip, wat destijds de specialiteit van Intel was.

Er zijn enigszins verschillende herinneringen aan hoe Shima en het Busicom-team op het concept reageerden. Volgens Hoff, geciteerd in Michael S. Malone's The Intel Trinity (2014, HarperBusiness), "heb ik dus een aantal voorstellen gedaan aan de Japanse ingenieurs om zoiets te doen [de algemene architectuur] - en ze waren niet de minste geïnteresseerd. Ze zeiden dat ze het ontwerp te ingewikkeld vonden, maar ze werkten aan de vereenvoudiging en ze waren op zoek naar rekenmachines en niets anders. Ze waren gewoon niet geïnteresseerd."

Masatoshi Shima van Busicom, die het project leidde vanuit de dood van Busicom, herinnert het zich een beetje anders. In een mondelinge geschiedenis zei hij: "Ik voelde dat het voorstel van Hoff goed was, maar als we het voorstel van Hoff aanvaardden zoals het was, moesten we het project vanaf het begin opnieuw doen." Shima noteerde alle details die Hoff nog niet had.

In augustus stuurde Noyce een briefje aan de president van Busicom, Yoshia Kojima, waarin hij waarschuwde dat vanwege de complexiteit van het ontwerp van Busicom "er geen mogelijkheid was om deze eenheden zelfs voor de eenvoudigste kit voor $ 50 / kit te produceren" en suggereerde dat de werkelijke kosten rond de $ 300 zijn.

Dit werd gevolgd door een formele brief aan Busicom en een ontmoeting tussen de twee bedrijven in oktober, waar Busicom besloot het ontwerp van Intel te volgen. Maar het zou tot februari 1970 duren voordat het formele contract werd overeengekomen.

Faggin's rol

Busicom verwachtte dat Intel aan het nieuwe plan werkte en suggereerde dat het bedrijf een substantieel voltooid schakelschema zou moeten hebben tegen de tijd dat Shima, die was teruggekeerd naar Japan, op 7 april 1970 op bezoek kwam. Maar Intel had problemen met andere chips en door een recessie in de industrie gaan en geen vooruitgang hebben geboekt. Met andere woorden, het had het concept voor de chips, inclusief blokdiagrammen van hoe de chips zouden moeten werken, maar niet de werkelijke ontwerpen van de chips: de technische details van hoe de transistors in elkaar zouden passen en kunnen worden vervaardigd.

Om dat proces te leiden, nam Intel Federico Faggin in dienst van Fairchild Semiconductor. Zoals hij het beschrijft, kwam hij die week bij het bedrijf en een van zijn eerste taken was om Shima te ontmoeten en uit te leggen dat Intel de chips niet bij de hand had. "Ik had nu deze taak waarbij ik in wezen zes maanden te laat ben op de dag nadat ik begin", zei hij.

Zoals Faggin het beschreef in zijn verhaal over de geboorte van de microprocessor: "Ik werkte furieus, 12 tot 16 uur per dag. Eerst loste ik de resterende architecturale problemen op en legde ik de basis van de ontwerpstijl die ik zou gebruiken voor de chipset. Eindelijk begon ik met het logica- en circuitontwerp en vervolgens de lay-out van de vier chips. Ik moest een nieuwe methode ontwikkelen voor random-logisch ontwerp met silicon-gate-technologie; het was nog nooit eerder gedaan."

Hij werkte nauw samen met Shima, die nieuw was in MOS-ontwerp maar had gewerkt aan LSI-chips, en samen creëerden ze de chips die de MCS-4-familie zouden worden. Het model 4001 was een 2.048-bit ROM-geheugenchip ontworpen om de programmering te bewaren. De 4002 was een 320-bit RAM-geheugenchip die is ontworpen als cache voor gegevens. De 4003 was een 10-bit input-output register om de gegevens in de hoofdprocessor te voeren en het resultaat te verwijderen. En ten slotte was het model 4004 een 4-bits logische centrale verwerkingseenheid.

Volgens alle accounts was dit een enorme inspanning, waarbij Faggin en Shima veel sneller chips ontwikkelden dan normaal. De verschillende chips bevonden zich allemaal in verschillende delen van het proces op verschillende tijdstippen, en eind december waren de eerste versies klaar. Zoals gewoonlijk moesten deze worden aangepast, maar tegen maart verscheepte Faggin de eerste volledig operationele 4004 naar Shima, die tegen die tijd was teruggekeerd naar Japan. Uiteindelijk was de 4004 een enkele siliciumchip die een achtste bij een zesde inch meet met 2.250 afzonderlijke circuitelementen.

Volgens Faggin: "Het duurde iets minder dan een jaar om van het idee naar een volledig werkend product te gaan." Volgens Shima: "Vanuit het algemene idee van Busicom duurde het [de ontwikkeling] ongeveer twee jaar en drie maanden. En in april 1971 werkte de desktopcalculator eindelijk publiekelijk. Ik was zo enthousiast!"

Intel krijgt rechten

In het oorspronkelijke contract voor de chip bezat Busicom de exclusieve rechten op de 4004. Maar in het voorjaar van 1971 daalde de markt voor rekenmachines en wilde Busicom opnieuw onderhandelen over het contract. Hoewel er bij Intel enige zorgen waren over de omvang van de markt en het feit dat Intel toen een geheugenbedrijf was, geen procesbedrijf, zetten Faggin, Hoff en Mazor andere mensen binnen het bedrijf onder druk om de rechten om de chip te verkopen terug te krijgen aan andere klanten.

Zoals Hoff herinnert: 'Een van de argumenten die ik van de marketingmensen kreeg, was de tijd dat ik zei:' Je moet het recht krijgen om het te verkopen ', zei:' Kijk, ze verkopen slechts ongeveer 20.000 mini-computers per jaar En we zijn laat op de markt, en je hebt geluk dat je er 10 procent van krijgt. Dat zijn 2000 chips per jaar. ' En ze zeiden: 'Het is gewoon de moeite van het ondersteunen en alles niet waard voor een markt van slechts 2.000 chips.'"

Uiteindelijk kreeg Noyce de deal getekend en kon Intel de chip juridisch aan andere bedrijven verkopen, behalve de concurrenten van Busicom.

Maar de 4004 zou nooit een groot publiek met andere klanten vinden, deels vanwege zijn beperkingen - het was slechts een vier-bits processor met een beperkt geheugen. Terwijl Intel de chip formeel aankondigde in een nummer van 15 november 1971 van Electronics News onder de kop 'A New Era in Integrated Electronics', met een kopie die het 'een microprogrammeerbare computer op een chip' noemde. Maar de industrie en Intel zelf stonden op het punt over te stappen naar nieuwere en betere processors.

De 8008 - Overgaan naar 8-bit computing

Niet lang nadat Busicom Intel benaderde om chips voor zijn rekenmachine te doen, vroeg Computer Terminals Corporation (CTC), later Datapoint genoemd, Intel om een ​​voorstel voor chips voor een nieuwe computerterminal - een scherm en toetsenbord ontworpen om verbinding te maken met een externe computer. Nogmaals, Hoff en Mazor stelden een microprocessor voor om de logica te verwerken.

Er waren verschillende grote verschillen tussen de 4004 en de 8008, hoewel ze niet lang uit elkaar leken. Om te beginnen was de 8008 een 8-bits microprocessor, waardoor hij groot genoeg was om met 8 bits aan gegevens te werken - genoeg voor één "byte" of één teken tegelijk. In tegenstelling tot de 4004, die zijn eigen speciale geheugenchips vereiste, was de 1201 ook ontworpen om standaardgeheugen te gebruiken.

Het project begon in december 1969 met een ontmoeting met Andrew Grove waarin Datapoint chips vroeg voor een 8-bit computer. Volgens Mazor deed hij drie voorstellen aan Datapoint - twee variaties op een 8-bit "register stack" en "een volledige 8-bit CPU op één chip." Op dit moment werkten Mazor en Hoff al aan het Busicom-project dat de 4004 zou omvatten.

Rond dezelfde tijd vroeg Datapoint blijkbaar aan Texas Instruments om een ​​soortgelijk ontwerp. In sommige verhalen bracht Datapoint het schema van Hoff en Mazor mee naar Dallas, waar het idee begon uit te groeien tot een ontwikkelingsprogramma in het halfgeleiderlaboratorium van TI.

Mazor zegt dat hij denkt dat het zeer waarschijnlijk is dat TI oorspronkelijk een multi-chipset heeft voorgesteld en dat Datapoint vervolgens het Intel-voorstel naar TI heeft gebracht, dus probeerde TI een chip volgens die specificatie te bouwen. Maar Mazor zegt dat de TI-chip niet had kunnen werken omdat zijn specificatie een "defect" had.

Intel heeft Hal Feeney in maart 1970 ingehuurd om te werken aan het specifieke ontwerp van de chip, destijds bekend als de 1201, net zoals Faggin aan de 4004 had gewerkt; en inderdaad, elk hielp bij het andere project. De werkzaamheden aan de 1201 gingen door tot medio 1970, maar toen maakte Intel zich zorgen over de vraag of Datapoint de chip daadwerkelijk zou gebruiken, dus werd er gewerkt aan een onderbreking, terwijl Mazor en anderen meer werkten aan de 4004.

Texas Instruments had een chipontwerp in maart 1971, wat een paar maanden zou hebben geduurd voordat de 4004 werkte, en kondigde zijn chip eigenlijk aan in juli 1971, enkele maanden voor de 4004-aankondiging. Maar deze chip is blijkbaar nooit verzonden.

Maar de TI-aankondiging spoorde Intel, en in het bijzonder Grove, aan om haar inspanningen op de 1201 te verdubbelen. Uiteindelijk heeft Datapoint geen gebruik gemaakt van de Intel- of TI-chips. Tegen de tijd dat Intel het ontwerp had voltooid, werd de Datapoint 2200 geïntroduceerd met behulp van conventionele TTL-chips.

Zelfs als Datapoint niet geïnteresseerd was, begon Intel interesse te zien van andere bedrijven, zoals Seiko, die een 8-bits wetenschappelijke rekenmachine wilden bouwen.

Rond dit punt begon Intel serieuzer na te denken over naamgeving. Het oorspronkelijke naamgevingsschema van Intel was gebaseerd op de verschillende soorten onderdelen die het maakte, dus elke chip in de familie zou verschillende nummers hebben gehad. Faggin zegt dat hij de naamgeving voor de 4000-familie heeft bedacht omdat deze consistenter was. Dus na de introductie van de 4004, veranderde de marketingafdeling de 1201 in de 8008 om aan te geven dat het een 8-bits chip was, en zo heette de 8008 toen deze in april 1972 werd geïntroduceerd. De 8008 leidde tot Intel's grote inspanningen op het gebied van microprocessormarketing en leidde tot de oprichting van de Microcomputer Systems Group en de oprichting van ontwikkelingsborden en -systemen. Dit heeft op zijn beurt zeker bijgedragen tot het creëren van een aantal 8-bits apparaten, waaronder enkele machines die vroege microcomputers waren.

Wie verdient het krediet?

In de loop der jaren zijn er veel debatten geweest over de 4004, zijn plaats als de eerste microprocessor en het krediet dat elk van de deelnemers verdiende.

De geschiedenis van geïntegreerde schakelingen is er een van verdere en verdere integratie, dus het idee dat je uiteindelijk alle functies zou kunnen stoppen in een "CPU op een chip" was zeker in de lucht aan het einde van de jaren zestig.

Intel was niet de enige die de behoefte aan een processor voor algemene doeleinden inzag, omdat er te veel klanten waren die wilden dat processors een aangepaste chip voor elk van hen wilden ontwerpen. Later zouden Hoff en Noyce schrijven: "Als dit zou doorgaan… zou het aantal benodigde circuits groter worden dan het aantal circuitontwerpers. Tegelijkertijd zou het relatieve gebruik van elk circuit dalen… Verhoogde ontwerpkosten en verminderd gebruik zouden fabrikanten verhinderen om afschrijving van kosten over een grote gebruikerspopulatie en zou de voordelen van de leercurve afsnijden."

"Mensen hadden jarenlang over een computer op een chip gesproken, " zei mede-oprichter van Intel, Gordon Moore, "maar het was er altijd in de toekomst. Wat Ted zag was dat, met de complexiteit waarmee we al werkten, jij zou nu zo'n geïntegreerd circuit kunnen maken. Dat was de echte conceptuele doorbraak."

En zelfs Ted Hoff heeft het belang van het concept soms gebagatelliseerd. "De eigenlijke uitvinding van de microprocessor was niet zo belangrijk als alleen maar erkennen dat er een markt voor zoiets bestond."

Maar er waren andere kanshebbers voor de titel van eerste microprocessor. Texas Instruments kondigde eigenlijk een "CPU-op-een-chip" aan in april 1971, aanvankelijk ontworpen als een contractchip voor Computer Terminal Corporation (later Datapoint). Dit werkte blijkbaar nooit, en in feite werkte Intel aan een chip voor CTC met dezelfde specificatie; dit stond bekend als de 1201 en zou uiteindelijk de 8008 worden. Misschien nog belangrijker, eind 1971 produceerden Texas Instruments Engineer Gary Boone en Michael Cochrane het eerste prototype van een geïntegreerd circuit dat een input-output circuit, geheugen en een centrale omvatte processor alles in één chip, in tegenstelling tot de MCS-4-set met vier chips. Bekend als de TMS1000, werd dit aanvankelijk gebruikt in een TI-calculator en werd het in 1974 in de handel verkrijgbaar. Boone kreeg in 1973 een patent op zijn CPU en later kregen Boone en Cochran een patent voor een computer op een chip.

De octrooigemachtigde van Intel stond sceptisch tegenover het maken van grote claims en verzette zich tegen Hoff's wens om het werk als een "computer" te patenteren omdat het zo ingewikkeld zou zijn en omdat anderen het idee hadden een computer op een chip te plaatsen. Volgens Hoff "zei hij dat ze het niet waard waren en in wezen weigerde hij destijds een patent te schrijven." In plaats daarvan dienden ze meer specifieke en beperktere patenten in. Intel ontving twee patenten: Hoff, Mazor en Faggin ontvingen er één op "het geheugensysteem voor een Multi-Chip digitale computer", voor de externe busorganisatie en het geheugenadresseringsschema van de Intel MCS-4 chipset, terwijl Faggin er één ontving voor een circuit dat de CPU zou kunnen resetten wanneer de stroom wordt ingeschakeld.

Jaren later zou uitvinder Gilbert Hyatt een patent krijgen op de microprocessor, die hij in 1970 indiende, op basis van een uitvinding die hij in 1968 bij zijn bedrijf Microcomputer Inc. deed, maar dit lijkt niet te zijn vervaardigd. Ondertussen werkten Fairchild, IBM, Signetics, Four-Phase en RCA ook aan microprocessor-achtige apparaten. Toch wordt de 4004 bijna universeel beschouwd als de eerste microprocessor.

Onder het Intel-team waren er ook controverses over de verdeling van het krediet. De meeste waarnemers crediteren alle vier de mannen die direct betrokken zijn bij het maken van de chipset, maar dat is niet altijd zo.

Faggin zou Intel eind 1974, slechts enkele maanden na de introductie van 8080, verlaten om Zilog te starten en Shima en andere Intel-ingenieurs met zich mee te nemen, en volgens Faggin, Andy Grove, deze boose Intel. Malone citeert Faggin en zei: "Ik herinner me dat hij me zei: 'Je zult nooit slagen, wat je ook gaat doen. Je zult niets te vertellen hebben aan je kinderen en kleinkinderen.' Impliciet in die woorden was dat ik geen erfenis zou hebben in halfgeleiders. Dat ik nooit de eer zou krijgen voor wat ik bij Intel deed. Het was alsof hij een vloek over me uitsprak."

Of het nu zo dramatisch was, het lijkt erop dat Intel het grootste deel van de eer aan Hoff heeft gegeven, en dat is in veel geschiedenissen doorgegaan. Bijvoorbeeld, zowel TR Reid in The Chip (2001, Random House Trade Paperbacks) als The New Alchemists van Dirk Hansen (1983, The Book Service Ltd) geven Hoff bijna alle eer, net als Grove biograaf Richard Tedlow. Malone zegt inderdaad dat Intel vanaf dat moment alle eer voor de microprocessor aan Hoff en niemand aan Faggin gaf tot 2009 met de première van The Real Revolutionaries (2012, Diamond Docs, iLine Entertainment), een documentaire over de oprichting van Silicon Valley.

Maar er zijn andere geschiedenissen die wijzen op de rol van Faggin (en die van Shima en Mazor, die nog vaker over het hoofd worden gezien), die teruggaan naar interviews die Hoff in de jaren 1980 gaf. In 1993 werd Hoff vanwege een Intel-publicatie ter ere van het 25-jarig jubileum van het bedrijf gecrediteerd en kreeg hij een bijna volledig paginabeeld, maar Faggin werd erkend voor het omzetten van "Hoff's visie in siliconenrealiteit". In 1996, toen we het 25-jarig jubileum van de microprocessor vierden tijdens een evenement op Comdex, hielp Intel me in contact te komen met alle vier makers, die de PC Magazine Lifetime Achievement Award ontvingen.

Het lijkt inderdaad belangrijk om alle vier de mannen te eren - Hoff voor zijn visie en de basisconcepten, Mazor voor de programmering en het werken aan de blokdiagrammen, Shima voor het maken van het logische ontwerp en Faggin voor het maken van het indrukwekkende siliconenontwerp voor de chips. Samen creëerden ze de eerste universele microprocessor en daarmee legden ze niet alleen de basis voor wat de personal computer-industrie zou worden, maar ook voor een ontelbaar aantal andere elektronische apparaten. Elk jaar worden letterlijk miljarden microprocessors verkocht - allemaal veel complexer dan de originele 4004 - en zonder hen zou onze moderne elektronische wereld onmogelijk zijn.