芯片名人堂:英特尔4004微处理器

英特尔4004是世界上第一个微处理器——一个完全通用的单片CPU。4004于1971年3月发布，采用了尖端的硅门技术，标志着英特尔开始在全球处理器行业占据主导地位。因此，你可能会想象，英特尔当时还是一家羽翼未丰的公司，它的全部资源都投入到了这个开创性的项目上。但事实上，4004是一个人手不足的副业，一个几乎崩溃的紧急工作，一个仅仅是为了在英特尔开发它的时候筹集一些现金的工作真正的产品线，存储芯片。

正如Ken Shirriff在2016年7月功能亚博真人yabo.at在美国，20世纪60年代晶体管数量的增加和集成电路的复杂性意味着到1970年，多个组织都在朝着微处理器的方向发展。其中一些公司，比如德州仪器，拥有比英特尔多得多的资源。那么，为什么成立于1968年的英特尔(Intel)能率先冲过终点线呢?这在很大程度上要归功于四名工程师，其中一名甚至还没有在该公司工作。(关于这个故事的长篇版本，你可以阅读他们的文章口述历史小组，由计算机历史博物馆捕获)。

四位工程师中的第一位是岛正敏(Masatoshi Shima)，他就职于日本办公计算器公司Busicom，该公司想要创造一种新的计算机化计算器。1969年4月，Busicom和英特尔签署了一份临时协议，让英特尔为计算器开发一套定制芯片。因此，1969年6月，Shima和其他人前往英特尔，详细讨论了计划。Shima提出了一个八芯片系统:三个芯片与键盘和打印机等外围设备连接，一个芯片存储数据，一个芯片存储程序代码，两个芯片一起组成CPU。

Masatoshi Shima在计算机历史博物馆2009年研究员奖活动上，以及Busicom计算器，它是世界上第一个微处理器的目标应用程序。图片:左:Dicklyon/Wikipedia;右图:Marcin Wichary/Flickr

泰德·霍夫(Ted Hoff)是我们故事中的第二位工程师，他是英特尔应用部门的负责人，当时他正在与Busicom进行谈判。霍夫担心英特尔生产这么多芯片会很困难，尤其是因为该系统需要每个芯片连接许多引脚，这将挑战英特尔所使用的陶瓷封装技术的极限。他提议将芯片数量减半:一个256字节的程序存储芯片，命名为4001;一个40字节的数据存储芯片，命名为4002;一个外围接口芯片，命名为4003;一个CPU芯片，命名为4004。整个称为mcs -4的系统将是4位的，大大减少了芯片互连所需的引脚数量。霍夫请来了3号工程师，英特尔的斯坦利·马佐。霍夫和马佐一起为每个芯片制定了一套规格，并提出了生产计划。

在1969年10月的后续会议上，英特尔提出了反对意见。Busicom对此很感兴趣，Shima回到日本为新计算器制作软件原型，以确保MCS-4架构能够支持Busicom的需求。1970年2月达成协议，Busicom计划在Hoff和Mazor的时间表的基础上推出计算器。1970年4月，岛渚决定回到加利福尼亚检查进展。从1970年7月到10月，芯片将以交错的时间表投入生产，从4001开始，到4004结束。

然而，不为Shima和Busicom所知的是，4004项目在1970年初已经在英特尔内部陷入停滞。问题是霍夫和马佐不是芯片设计师，他们不是那种能根据规格设计出细节的人逻辑门图。反过来，这些图表被用来精确地确定晶体管和其他组件在物理芯片上如何以及在哪里被制成图形。

事实上，当时英特尔公司正专注于开发存储芯片，没有人能胜任这项工作。最后，英特尔做出了有史以来最伟大的招聘之一，并介绍了这个故事中的第四位关键人物:弗雷德里科·法金，一位非常适合这份工作的年轻工程师。在他职业生涯的开始，Faggin为意大利的Olivetti公司从零开始设计并制造了一台计算机。然后在20世纪60年代末，他加入了硅谷的仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)，在那里他对先进技术做出了关键贡献金属氧化物半导体英特尔芯片所依赖的MOS技术。法金希望在比仙童更有创业精神的环境中工作，因此在1970年4月接受了英特尔的邀请。

在费金上班的第一天，马佐向他简要介绍了Busicom项目。正如费金在他的个人4004的发展说明2009年冬季版IEEE固体电路杂志“我大吃一惊:我只有不到6个月的时间来设计4个芯片，其中一个，CPU，已经到了可能的极限。”

1996年，在国家发明家名人堂，从左起，Federico Faggin, Ted Hoff和Stanley Mazor手持英特尔4004处理器。图片:Paul Sakuma/美联社

最初的时间表是基于适合于设计内存芯片的估算——内存芯片使用了许多重复元素——而不是处理器芯片，处理器芯片使用了复杂多变的逻辑电路。此外，Faggin没有支持人员，也没有其他公司所拥有的工具和基础设施来帮助创建和测试数字逻辑设计。

费金出发几天后，岛马抵达美国接受进度检查。马佐和费金去机场接他带回了英特尔。Shima希望看到一个逻辑级的芯片计划，他可以根据商定的规格进行检查。“当Shima发现在这五个月里什么工作都没有完成时，他非常生气，对我非常生气....花了近一周的时间，岛妈才平静下来。”

法金制定了一个新的时间表，双方一致同意，在英特尔开始为这个项目招聘更多人手的同时，岛马将留下来帮助设计6个月。费金自己每周工作70到80个小时。

费金把这些芯片按复杂度排序:先是4001 ROM，接着是4003接口芯片，然后是4002 RAM，最后是4004 CPU。Shima检查了芯片的逻辑，并就它们如何适合Busicom的大型计算器设计提供了反馈。1970年底，芯片设计完成。费金在CPU的布局上增添了个人风格:他把自己名字的首字母放在处理器的边缘，一个微小的“F.F.”蚀刻在每一个制造的4004上。1971年3月，Busicom终于拥有了一套完整的MCS-4芯片。

弗雷德里克·费金和放大的英特尔4004芯片图片。4004有2300个晶体管。图片来源:英特尔自由出版社/Flickr

由于Busicom委托了该芯片组，它拥有该设计的独家权利，防止英特尔将4004卖给其他任何人。但在霍夫和其他人对该处理器潜力的一些鼓励下，英特尔提出，如果英特尔能将4000系列用于非计算器应用，就在芯片成本上给Busicom一个折扣。Busicom同意了，英特尔于1971年11月开始为4004做广告:“宣布集成电子产品的新时代，”广告文案大声喊着——这是广告中罕见的绝对真理。

本文以“英特尔4004 50岁”为题发表在2021年11月的印刷版上。