La nascita del microprocessore

L'Intel 4004 è considerato il primo microprocessore - in altre parole, il primo computer per uso generico su un chip - ma la sua creazione da parte di Intel è dipesa da una combinazione di duro lavoro, tempismo giusto e semplice fortuna.

La storia del chip inizia davvero nel 1969, quando una società giapponese chiamata Nippon Calculating Machine Corporation (ma nota come Busicom, dal nome dei suoi calcolatori) si accordò con Intel per costruire i chip necessari per un nuovo calcolatore. Busicom era una società di calcolatori relativamente piccola che perdeva quote in un mercato in rapido consolidamento e aveva bisogno di una nuova soluzione. E Intel è stata una startup, fondata nel 1968 con circa 200 dipendenti, concentrandosi principalmente sulla costruzione di chip di memoria.

Entrambi avevano bisogno di qualcosa di nuovo.

Il co-fondatore e poi CEO Robert Noyce di Intel aveva visitato il Giappone verso la fine del 1968, alla ricerca di clienti. Noyce ebbe un incontro con Sharp, allora uno dei leader nelle calcolatrici, ma Sharp aveva già contratti esistenti. Quindi Tadashi Sasaki di Sharp afferma di aver presentato Noyce al presidente Yoshio Kojima di Busicom, ed è così che Intel ha ottenuto il contratto per costruire i chip per la calcolatrice di Busicom.

A Marcian Edward "Ted" Hoff, che era entrato in Intel come dipendente n. 12 nel 1968, fu assegnato il compito di creare prodotti che avrebbero portato le persone a passare dalla memoria core più vecchia ai nuovi chip di memoria Intel. Nel suo racconto, il primo progetto personalizzato di Intel doveva essere fatto per una società che conosceva come Electro Technical Industries ma che la maggior parte chiamava Busicom.

Secondo Masatoshi Shima, allora giovane ingegnere di Busicom ma destinato a diventare una parte importante del team di progettazione, la società aveva in programma di costruire una serie di chip generici "che sarebbero stati utilizzati non solo per una calcolatrice desktop, ma anche per un macchina aziendale, come una macchina di fatturazione, un registratore di cassa e un bancomat. " Ma Busicom non lo disse all'epoca, "perché era una questione confidenziale tra Busicom e NCR Japan", quindi Intel pensava che l'obiettivo fosse solo quello di costruire un calcolatore più potente.

Il contratto iniziale fu firmato nell'aprile 1969 e alla fine di giugno Shima e altri due ingegneri di Busicom arrivarono a Intel. Il piano originale prevedeva che gli ingegneri Busicom progettassero una serie di chip LSI e Intel realizzasse i chip utilizzando la tecnologia MOS (metallo-ossido-semiconduttore). Intel avrebbe ricevuto $ 100.000 per creare i set di chip e quindi $ 50 per ogni set realizzato, con Busicom impegnata ad almeno 60.000 unità.

Shima afferma che il suo team ha proposto di creare nove tipi di chip LSI, ma dalla maggior parte dei conti questa è diventata presto una proposta a 12 chip, con alcuni dei chip che richiedono da 3000 a 5.000 transistor ciascuno - una quantità enorme per il 1969 quando il calcolatore standard aveva sei chip, ognuno dei quali aveva da 600 a 1.000 transistor. Hoff esaminò i piani e pensò che i chip fossero troppo complicati da realizzare e "che non saremmo stati in grado di fabbricare queste cose secondo gli obiettivi di prezzo".

Hoff ha esaminato il design e aveva una varietà di concetti, incluso il passaggio dall'aritmetica decimale all'aritmetica binaria, con l'utilizzo di un chip più generico con un semplice set di istruzioni.

Hoff pensava che il piano Busicom fosse eccessivamente complicato e invece suggerì di creare un chip logico per scopi generici, con molte delle istruzioni nel software memorizzate su chip di memoria. Come citato in The Man Behind the Microchip di Leslie Berlin (2006, Oxford University Press), Hoff è andato al CEO di Intel Noyce e ha spiegato il suo concetto, che consisterebbe in un microprocessore, due chip di memoria e un registro a scorrimento. "Penso che possiamo fare qualcosa per semplificare questo", ha detto Hoff. "So che questo può essere fatto. Può essere fatto per emulare un computer." Sebbene non gli fosse stato ufficialmente assegnato il compito di progettare i chip per la macchina, Noyce gli diede il permesso di continuare a lavorare sul concetto.

Hoff ha lavorato sui concetti durante l'estate e con l'ingegnere Stanley Mazor, Hoff ha creato un disegno a blocchi dell'architettura. Questo sarebbe un chip logico binario a 4 bit (al contrario del design decimale di Busicom) e memorizzerebbe i programmi per l'esecuzione delle funzioni della calcolatrice su un chip di memoria, che all'epoca era la specialità di Intel.

Ci sono ricordi in qualche modo diversi di come Shima e il team di Busicom hanno reagito al concetto. Secondo Hoff, citato in The Intel Trinity di Michael S. Malone (2014, HarperBusiness), "Così ho fatto alcune proposte agli ingegneri giapponesi per fare qualcosa del genere [l'architettura generale] - e non erano i meno interessati "Hanno detto di riconoscere che il design era troppo complicato, ma stavano lavorando alla semplificazione e non erano interessati a progettare calcolatori e nient'altro. Semplicemente non erano interessati".

Masatoshi Shima di Busicom, che gestiva il progetto dalla morte di Busicom, lo ricorda un po 'diversamente. In una storia orale, ha detto, "Ho sentito che la proposta di Hoff era buona, ma se avessimo accettato la proposta di Hoff com'era, abbiamo dovuto rifare il progetto dall'inizio." Shima notò tutti i dettagli che Hoff non aveva ancora.

Ad agosto, Noyce ha inviato una nota al presidente di Busicom, Yoshia Kojima, avvertendolo che a causa della complessità del design di Busicom, "non vi era alcuna possibilità che potessimo produrre queste unità per $ 50 / kit anche per il kit più semplice" e suggerendo che il costo effettivo sarebbe essere circa $ 300.

A ciò è seguita una lettera formale a Busicom e un incontro tra le due società in ottobre, in cui Busicom ha deciso di seguire il progetto di Intel. Ma ci vorrebbe fino al febbraio 1970 per concordare il contratto formale.

Il ruolo di Faggin

Busicom si aspettava che Intel stesse lavorando al nuovo piano e suggerì che la società avrebbe dovuto avere uno schema circuitale sostanzialmente completato prima che Shima, che fosse tornato in Giappone, venisse in visita il 7 aprile 1970. Ma Intel aveva problemi con altre patatine e attraversando una recessione nel settore e non ha fatto alcun progresso. In altre parole, aveva il concetto per i chip, compresi gli schemi a blocchi di come i chip avrebbero dovuto funzionare, ma non i progetti reali dei chip: i dettagli tecnici di come i transistor si sarebbero adattati e potessero essere fabbricati.

Per guidare questo processo, Intel ha assunto Federico Faggin di Fairchild Semiconductor. Mentre lo descrive, è entrato a far parte dell'azienda quella settimana e uno dei suoi primi compiti era incontrare Shima e spiegare che Intel non aveva i chip pronti. "Ora avevo questo compito in cui sono sostanzialmente in ritardo di sei mesi il giorno dopo l'inizio", ha detto.

Come ha descritto Faggin nella sua storia sulla nascita del microprocessore, "Ho lavorato furiosamente, dalle 12 alle 16 ore al giorno. Innanzitutto, ho risolto i problemi di architettura rimanenti e poi ho gettato le basi dello stile di design che avrei usato per il set di chip. Alla fine, ho iniziato la progettazione logica e circuitale e poi la disposizione dei quattro chip. Ho dovuto sviluppare una nuova metodologia per la progettazione a logica casuale con tecnologia silicon-gate; non era mai stato fatto prima ".

Ha lavorato a stretto contatto con Shima, che era nuovo nel design MOS ma aveva lavorato su chip LSI e insieme hanno creato i chip che sarebbero diventati la famiglia MCS-4. Il modello 4001 era un chip di memoria ROM a 2.048 bit progettato per contenere la programmazione. Il 4002 era un chip di memoria RAM a 320 bit progettato per essere una cache per i dati. Il 4003 era un registro di input-output a 10 bit per alimentare i dati nel processore principale e rimuovere il risultato. E infine, il modello 4004 era un'unità logica di elaborazione centrale a 4 bit.

A detta di tutti, questo è stato uno sforzo erculeo, con Faggin e Shima che hanno sviluppato chip molto più velocemente del normale. I vari chip erano tutti in diverse parti del processo in momenti diversi e alla fine di dicembre le prime versioni erano pronte. Come al solito, ciò richiedeva alcune modifiche, ma a marzo Faggin spedì il primo 4004 pienamente operativo a Shima, che da allora era tornato in Giappone. Alla fine, il 4004 era un singolo chip di silicio che misurava un ottavo per un sesto di pollice con 2.250 singoli elementi circuitali.

Nel racconto di Faggin, "Ci è voluto poco meno di un anno per passare dall'idea a un prodotto perfettamente funzionante". Secondo Shima, "Dall'idea generale di Busicom, [lo sviluppo] è durato circa due anni e tre mesi. E nell'aprile del 1971, finalmente il calcolatore del desktop ha funzionato pubblicamente. Ero così eccitato!"

Intel ottiene i diritti

Nel contratto iniziale per il chip, Busicom deteneva i diritti esclusivi per la 4004. Ma nella primavera del 1971 il mercato delle calcolatrici era in declino e Busicom voleva rinegoziare il contratto. Mentre all'interno di Intel c'erano alcune preoccupazioni circa le dimensioni del mercato e il fatto che Intel fosse allora una società di memoria, non una società di processo, Faggin, Hoff e Mazor fecero pressioni su altre persone all'interno dell'azienda per ottenere i diritti per vendere il chip ad altri clienti.

Come ricorda Hoff, "Una delle argomentazioni che ho avuto dal marketing era circa il tempo in cui dicevo: 'Dovresti avere il diritto di venderlo', ha detto, 'Guarda, vendono solo circa 20.000 mini-computer ogni anno E siamo in ritardo sul mercato, e saresti fortunato ad ottenerne il 10 percento. Sono 2.000 chip all'anno. " E hanno detto, 'Non vale la pena il mal di testa del supporto e di tutto per un mercato di soli 2.000 chip.'"

Alla fine Noyce ottenne l'accordo e Intel fu legalmente in grado di vendere il chip ad altre società, esclusi i concorrenti di Busicom.

Ma il 4004 non doveva mai trovare un grande pubblico con altri clienti, in parte a causa dei suoi limiti: era solo un processore a quattro bit con una memoria limitata. Mentre Intel ha formalmente annunciato il chip in un numero di Electronics News del 15 novembre 1971 con il titolo "Una nuova era nell'elettronica integrata", con la copia che lo proclama "un computer microprogrammabile su un chip". Ma l'industria e la stessa Intel stavano per passare a processori più recenti e migliori.

8008: passaggio al calcolo a 8 bit

Non molto tempo dopo che Busicom si avvicinò a Intel per fare chip per la sua calcolatrice, Computer Terminals Corporation (CTC), in seguito chiamato Datapoint, chiese a Intel una proposta di chip per un nuovo terminale: uno schermo e una tastiera progettati per connettersi a un computer remoto. Ancora una volta, Hoff e Mazor hanno proposto un microprocessore per gestire la logica.

C'erano diverse grandi differenze tra il 4004 e l'8008, anche se apparivano non molto distanti. Per cominciare, l'8008 era un microprocessore a 8 bit, che lo rendeva abbastanza grande da funzionare su 8 bit di dati - abbastanza per un "byte" o un carattere alla volta. Inoltre, a differenza del 4004, che richiedeva i propri chip di memoria speciali, il 1201 è stato progettato per utilizzare la memoria standard.

Il progetto è iniziato nel dicembre del 1969 con un incontro con Andrew Grove in cui Datapoint ha chiesto i chip per un computer a 8 bit. Secondo Mazor, fece tre proposte a Datapoint: due varianti su uno "stack di registro" a 8 bit e "un'intera CPU a 8 bit su un chip". A questo punto, Mazor e Hoff avevano già lavorato al progetto Busicom che avrebbe incluso il 4004.

All'incirca nello stesso periodo, Datapoint apparentemente chiese a Texas Instruments un design simile. In alcuni racconti, Datapoint portò lo schema di Hoff e Mazor a Dallas, dove l'idea iniziò a diventare un programma di sviluppo nel laboratorio di semiconduttori di TI.

Mazor afferma di ritenere molto probabile che TI originariamente proponesse un set multi-chip e che poi Datapoint abbia portato la proposta Intel su TI, quindi TI ha provato a costruire un chip su quella specifica. Ma Mazor afferma che il chip TI non avrebbe potuto funzionare perché le sue specifiche avevano un "difetto".

Intel ha assunto Hal Feeney nel marzo 1970 per lavorare sulla progettazione specifica del chip, allora noto come 1201, proprio come Faggin aveva lavorato sulla 4004; e in effetti, ciascuno ha aiutato l'altro progetto. I lavori sul 1201 continuarono fino alla metà del 1970, ma poi Intel si preoccupò se Datapoint avrebbe effettivamente utilizzato il chip, quindi il lavoro fu interrotto, mentre Mazor e altri lavorarono di più sul 4004.

Texas Instruments aveva una progettazione di chip nel marzo 1971, che sarebbe stata un paio di mesi prima che il 4004 funzionasse, e in realtà ha annunciato il suo chip nel luglio 1971, diversi mesi prima dell'annuncio del 4004. Ma questo chip apparentemente non è mai stato spedito.

Ma l'annuncio TI ha spinto Intel, e in particolare Grove, a raddoppiare i suoi sforzi sul 1201. Alla fine, Datapoint non ha usato né i chip Intel né TI. Invece, quando Intel ha completato il progetto, Datapoint 2200 è stato introdotto utilizzando chip TTL convenzionali.

Anche se Datapoint non era interessato, Intel stava iniziando a vedere l'interesse di altre società, come Seiko, che voleva costruire un calcolatore scientifico a 8 bit.

Intorno a questo punto, Intel ha iniziato a pensare più seriamente alla denominazione. Lo schema di denominazione originale di Intel si basava sui diversi tipi di parti che stava creando, quindi ogni chip della famiglia avrebbe avuto numeri diversi. Faggin afferma di aver trovato il nome per la famiglia 4000 perché era più coerente. Quindi, dopo l'introduzione della 4004, il dipartimento marketing ha cambiato la 1201 in 8008 per riflettere il suo essere un chip a 8 bit, ed è così che l'8008 è stato chiamato quando è stato introdotto nell'aprile 1972. L'8008 ha portato al grande sforzo di Intel nel marketing dei microprocessori e ha portato alla creazione del gruppo di sistemi di microcomputer e alla creazione di schede e sistemi di sviluppo. Questo, a sua volta, ha sicuramente contribuito a stimolare la creazione di un numero di dispositivi a 8 bit, tra cui alcune delle macchine che erano i primi microcomputer.

Chi merita il merito?

Nel corso degli anni, ci sono stati molti dibattiti sul 4004, il suo posto come primo microprocessore e il merito che ognuno dei partecipanti meritava.

La storia dei circuiti integrati è una di ulteriore e ulteriore integrazione, quindi l'idea che alla fine si potesse mettere tutte le funzionalità che si desidera in una "CPU su un chip" era sicuramente in onda alla fine degli anni '60.

Intel non era il solo a riconoscere la necessità di un processore generico, poiché c'erano troppi clienti che desideravano che i processori progettassero un chip personalizzato per ciascuno di essi. Più tardi Hoff e Noyce avrebbero scritto "Se ciò continuasse… il numero di circuiti necessari prolifererebbe oltre il numero di progettisti di circuiti. Allo stesso tempo, il relativo utilizzo di ciascun circuito diminuirebbe… L'aumento dei costi di progettazione e l'uso ridotto impedirebbe ai produttori di ammortizzare i costi su una vasta popolazione di utenti e ridurrebbe i vantaggi della curva di apprendimento ".

"La gente parlava da anni di un computer su un chip", ha dichiarato Gordon Moore, cofondatore di Intel, "ma è sempre stato disponibile in futuro. Ciò che Ted ha visto è stato questo, con la complessità con cui già stavamo lavorando, tu potrebbe effettivamente creare un circuito integrato come quello adesso. Questa è stata la vera svolta concettuale ".

E persino Ted Hoff ha talvolta minimizzato l'importanza del concetto. "La vera invenzione del microprocessore non era tanto importante quanto semplicemente apprezzare che esistesse un mercato per una cosa del genere."

Ma c'erano altri contendenti per il titolo di primo microprocessore. Texas Instruments ha effettivamente annunciato un "CPU-on-a-chip" nell'aprile 1971, inizialmente progettato come chip per contratto per Computer Terminal Corporation (in seguito Datapoint). Apparentemente questo non ha mai funzionato, e infatti Intel stava lavorando su un chip per CTC con le stesse specifiche; questo era noto come 1201 e alla fine sarebbe stato ribattezzato 8008. Forse ancora più importante, alla fine del 1971, l'ingegnere di Texas Instruments Gary Boone e Michael Cochrane produssero il primo prototipo di un circuito integrato che includeva un circuito di input-output, memoria e un centrale processore tutto in un chip, a differenza del set MCS-4 a quattro chip. Conosciuto come TMS1000, questo fu inizialmente utilizzato in un calcolatore TI e divenne disponibile in commercio nel 1974. Boone ricevette un brevetto per la sua CPU nel 1973, e in seguito Boone e Cochran ricevettero un brevetto per un computer su un chip.

L'avvocato di brevetto di Intel era scettico nei confronti di grandi pretese e resistette al desiderio di Hoff di brevettare il lavoro come "computer" perché sarebbe stato così complicato e perché altri avevano il concetto di mettere un computer su un chip. Secondo Hoff, "ha detto che non ne valgono la pena e sostanzialmente si è rifiutato in quel momento di scrivere un brevetto". Invece, hanno depositato brevetti più specifici e più limitati. Intel ha ricevuto due brevetti: Hoff, Mazor e Faggin ne hanno ricevuto uno sul "Sistema di memoria per un computer digitale multi-chip", che copre l'organizzazione esterna del bus e lo schema di indirizzamento della memoria del set di chip Intel MCS-4, mentre Faggin ne ha ricevuto uno per un circuito che potrebbe ripristinare la CPU all'accensione.

Anni dopo, l'inventore Gilbert Hyatt avrebbe ottenuto un brevetto sul microprocessore, che ha depositato nel 1970, sulla base di un'invenzione che afferma di aver fatto nel 1968 presso la sua azienda Microcomputer Inc. Ma questo non sembra essere stato prodotto. Nel frattempo, anche Fairchild, IBM, Signetics, Four-Phase e RCA stavano lavorando su dispositivi a microprocessore. Tuttavia, il 4004 è quasi universalmente considerato il primo microprocessore.

Tra il team Intel, c'erano anche controversie sulla divisione del credito. La maggior parte degli osservatori attribuisce credito a tutti e quattro gli uomini direttamente coinvolti nella creazione del chip set, ma non è sempre così.

Faggin avrebbe lasciato Intel alla fine del 1974, pochi mesi dopo la presentazione dell'8080, per iniziare Zilog, portando con sé Shima e altri ingegneri Intel e, secondo Faggin, questo fece arrabbiare Andy Grove di Intel. Malone cita Faggin, dicendo "Mi ricordo che mi diceva:" Non ci riuscirai mai, non importa cosa farai. Non avrai nulla da dire ai tuoi figli e nipoti ". Implicito in queste parole era che non avrei avuto legami con i semiconduttori. Che non avrei mai avuto il merito di ciò che avevo fatto a Intel. Era come se stesse lanciando una maledizione su di me."

Che sia stato o meno così drammatico, sembra che Intel abbia dato gran parte del merito a Hoff, e questo è continuato in molte storie. Ad esempio, sia TR Reid in The Chip (2001, Random House Trade Paperbacks) che Dirk Hansen, The New Alchemists (1983, The Book Service Ltd) danno quasi solo credito a Hoff, così come il biografo di Grove Richard Tedlow. Infatti, Malone afferma che da quel momento in poi Intel ha dato tutto il merito del microprocessore a Hoff e nessuno a Faggin fino al 2009 con la premiere di The Real Revolutionaries (2012, Diamond Docs, iLine Entertainment), un documentario sulla fondazione della Silicon Valley.

Ma ci sono altre storie che sottolineano il ruolo di Faggin (e quelli di Shima e Mazor, che sono ancora più spesso trascurati), tornando alle interviste rilasciate da Hoff negli anni '80. Nel 1993, una pubblicazione Intel che celebrava il 25 ° anniversario dell'azienda attribuiva a Hoff la soluzione e gli forniva un'immagine quasi a tutta pagina, ma Faggin fu riconosciuto per aver trasformato "la visione di Hoff in realtà al silicio". Nel 1996, mentre celebravamo il 25 ° anniversario del microprocessore in un evento al Comdex, Intel mi ha aiutato a mettermi in contatto con tutti e quattro i creatori, che hanno ricevuto il premio PC Lifetime Achievement.

In effetti, sembra importante dare credito a tutti e quattro gli uomini: Hoff per la sua visione e i concetti di base, Mazor per la programmazione e il lavoro sugli schemi a blocchi, Shima per la creazione del progetto logico e Faggin per la creazione dell'imponente design in silicio per i chip. Insieme, hanno creato il primo microprocessore per uso generale e così facendo hanno creato le basi non solo per quella che sarebbe diventata l'industria dei personal computer, ma anche per un numero innumerevole di altri dispositivi elettronici. Letteralmente miliardi di microprocessori vengono venduti ogni anno - tutti molto più complessi dell'originale 4004 - e senza di essi il nostro mondo elettronico moderno sarebbe impossibile.