回顧集成電子跨時代產品—英特爾4004微處理器

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出品

英特爾4004是世界上第一個微處理器，即在單晶片上的完整通用CPU。

該產品於1971年3月發布，採用最先進的矽柵技術，標誌著英特爾在處理器行業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於這個開創性的項目。

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金用於開發英特爾真正的產品線：內存晶片。

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年代不斷增長的電晶體數量和集成電路的複雜性意味著，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。

那為什麼於1968年成立的英特爾，會首先贏得了勝利呢？ 這主要歸功於四位工程師，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議，讓英特爾為其計算器開發一套定製晶片。

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提出了一個八晶片系統：三個晶片與鍵盤和印表機等外圍設備接口，一個晶片用於存儲數據，一個晶片用於存儲程序代碼，還有兩個晶片組成CPU

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式。

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擔心英特爾生產如此多的晶片會很費力，特別是因為該系統需要多個晶片引腳才能互連，這對英特爾使用的陶瓷封裝技術的是個極限挑戰。

他提出將晶片數量減半：一個256字節的程序存儲器晶片4001，一個40字節的數據存儲器晶片4002，一個外圍接口晶片4003和一個CPU晶片4004。

整個系統被稱為MCS-4，是4比特的，大大減少了互連晶片所需的引腳數量。

Hoff引入了第三位工程師，英特爾的Stanley Mazor。

Hoff和Mazor一起為每個晶片制定了規格說明並提議了生產計劃。

在1969年10月的一次後續會議上，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製作原型軟體，以確保MCS-4架構能夠滿足Busicom的需求。

1970年2月，雙方達成協議，Busicom根據Hoff和Mazor的進度表計劃計算器的出產時間。

決定Shima將於1970年4月回到加利福尼亞檢查進展情況。

這些晶片將於1970年7月至10月以交錯的時間表投入生產，從4001開始到最後4004結束。

然而，在Shima和Busicom不為所知的情況下，4004項目在1970年初英特爾內部停滯不前。

問題在於Hoff和Mazor不是晶片設計師，無法根據規範說明來創建詳細邏輯門圖。

而這些圖進而會用於確定電晶體和其他元件在物理晶片上的布局。

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於開發內存晶片。

最後，英特爾僱傭有了史以來最偉大的雇員之一，並介紹了這個故事中的第四個關鍵人物：Frederico Faggin，一位非常適合這項工作的年輕工程師。

在他的職業生涯開始時，Faggin為義大利的Olivetti設計並製造了一台計算機。

然後在20世紀60年代後期，他加入了矽谷的Fairchild半導體公司，在那裡他為英特爾晶片所依賴的先進金屬氧化物半導體（MOS）技術做出了重要貢獻。

Faggin希望在比Fairchild更具創業精神的環境中工作，因此於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固態電路》雜誌2009年冬季期刊上發表的關於4004開發的個人報導中所寫，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計四個晶片，其中一個CPU晶片能否實現還是個問題。

」

Federico Faggin，Ted Hoff和Stanley Mazor手持英特爾4004處理器在國家發明家名人堂，1996年

他們的原計劃是基於存儲器晶片制定的。

存儲晶片使用許多重複元件，而處理器晶片則使用複雜且多變的邏輯電路。

此外，Faggin沒有支持人員，也沒有其他公司擁有的協助創建和測試數字邏輯設計的工具和基礎設施。

在Faggin開始工作幾天後，Shima登陸美國進行進度檢查。

Mazor和Faggin從機場接他到英特爾。

Shima原本期待看到晶片的邏輯圖以便他根據商定的規格進行核對。

「當他發現五個月內沒有任何工作進展，Shima非常惱怒，並且對我非常生氣...... 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計。

Faggin自己則投入每周工作70到80小時的工作模式。

Faggin按照複雜度的順序進行晶片設計：4001 ROM，接著是4003接口晶片，然後是4002 RAM，最後是4004 CPU。

Shima檢查了晶片的邏輯，並就它們如何匹配Busico更大型的計算器設計提供反饋。

1970年底，晶片設計完成。

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終於擁有了一套完整的MCS-4晶片。

英特爾Free Press / FlickrFrederico Faggin和英特爾4004裸片的放大圖片。

4004有2,300個電晶體。

由於Busicom委託製作該晶片組，它擁有獨家版權，這使得英特爾無法向其他任何方出售4004。

但在Hoff和其他人提出有關處理器潛力後，英特爾願意給予Busicom晶片成本的優惠，只要英特爾將4000系列晶片出售給非計算器的應用。

Busicom同意了。

於是，英特爾於1971年11月開始宣傳4004：「宣布集成電子產品的新時代的到來」。

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。

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