首批微处理器的惊人故事

很多人都以为微处理器是从Intel 4004开始的,但其实故事要复杂得多。

  很多人都以为微处理器是从Intel 4004开始的,但其实故事要复杂得多。

MjgwMTQ2NQ.jpeg

  英特尔的4位4004芯片被广泛认为是世界上第一个微处理器。但是这个冠军并非没有对手。图源:英特尔

  从晶体管说起

  晶体管,是电子放大器、电子开关以及超级计算机等所有电子相关产品的核心,最高于1947年发明。

  早期的晶体管属于双极型晶体管,至今仍在使用。到1960年代,工程师们已经弄清楚了如何将多个双极晶体管组合成单个集成电路,但是由于这些晶体管的复杂结构,集成电路可能只包含少量的晶体管。因此,尽管由双极集成电路构建的微型计算机比早期的计算机要小得多,但是它仍然需要带有数百个芯片的多块板。

  1960年,一种新型晶体管出现了——金属氧化物半导体(MOS)晶体管。最初,这项技术并不是那么被看好,因为MOS晶体管比双极晶体管更慢,更不可靠且更昂贵。但是到1964年,基于MOS晶体管的集成电路比双极晶体管具有更高的密度和更低的制造成本。如摩尔定律所述,集成电路的复杂度继续增加,但是现在MOS技术成为了领导。

  到1960年代末,单个MOS集成电路可以包含100个或更多的逻辑门,每个逻辑门包含多个晶体管,这使得该技术对于制造计算机特别有吸引力。这些具有许多组件的芯片被标记为LSI,以进行大规模集成。

  工程师认识到,MOS晶体管密度的增加最终将使完整的计算机处理器可以放在单个芯片上。但是,由于MOS晶体管的速度比双极晶体管慢,因此基于MOS芯片的计算机仅在要求相对较低的性能或设备必须小巧轻便时才有意义,例如数据终端,计算器或航空电子设备。在该背景下,微处理器革命开始了。

  如今,大多数工程师都对微处理革命的印象始于1971年的英特尔4位4004,而逻辑上紧随其后的是该公司的8位8008芯片。

MjgwMTQ4Mw.jpeg

  照片:Paul Sakuma /美联社照片三位骄傲的父母: 1996年,在美国国家发明家名人堂的颁奖典礼上,Federico Faggin, Marcian “Ted” Hoff Jr., and Stanley Mazor[从左起]展示了他们在1970年代初创建的先锋微处理器,英特尔4004.

  实际上,有关微处理器诞生的故事要丰富得多,而且令人惊讶。特别是,一些新近发现的文件阐明了一个被人们长期遗忘的芯片-德州仪器(Texas Instruments)的TMX 1795.

  TMX 1795是如何击败英特尔8008成为第一个8位微处理器的呢?或者很多并不知道当中发生何事。

  MOS集成电路在计算机中的应用及发展历程

  自TMX 1795之后,微处理器正式打开了大门——即MOS集成电路在计算中的应用。

  第一台使用MOS-LSI芯片制造的计算机是D200,它由位于加利福尼亚州阿纳海姆市的北美航空分公司Autonetics于1967年制造。

  D200是一款紧凑的24位通用计算机,专为航空和导航设计。它的中央处理单元由24个MOS芯片构成,并受益于称为四相逻辑的设计技术,该技术使用四个独立的时钟信号,每个时钟信号具有不同的开关模式或相位,以驱动晶体管的状态变化,可以大大简化电路。该计算机仅重几公斤,用于波塞冬潜艇发射的弹道导弹的制导以及B-1轰炸机的燃料管理。甚至被考虑过应用于航天飞机。

  继D200不久之后,出现了另一台航空电子计算机,该计算机包含三个CPU,总共使用28个芯片:由Garrett AiResearch(现已成为霍尼韦尔的一部分)制造的中央航空数据计算机。该计算机是专为F-14战斗机设计的飞行控制系统(下称F-14计算机),使用了Garrett AiResearch在1968年至1970年之间开发的MP944 MOS-LSI芯片组。该20位计算机处理来自传感器的信息,并产生用于仪表和飞机控制的输出。

  F-14计算机的体系结构与众不同。它具有三个并行运行的功能单元:一个用于乘法,一个用于除法,以及一个用于特殊逻辑功能(其中包括在上限和下限之间钳位一个值)。每个功能单元都由几种不同类型的MOS芯片组成,例如只读存储器(ROM)芯片,其中包含确定该单元如何工作的数据;数据导向芯片;各种运算芯片;以及用于临时存储的RAM芯片。

  由于F-14计算机是机密的,因此很少有人知道MP944芯片组。但是Autonetics广泛地宣传了其D200,D200启发了更紧凑的基于MOS的计算机:System IV.System IV计算机由Lee Boysel创造。Lee Boysel于1968年离开Fairchild Semiconductor创立新公司,以Autonetics的四相逻辑命名他的新公司——Four-Phase Systems.

  System IV计算机的CPU则由最少9个MOS芯片构成:设计中的三个算术逻辑单元(ALU)芯片称为AL1(执行加法和减法等算术运算以及诸如AND,OR和NOT),三个ROM芯片和三个随机逻辑芯片。

  几乎同时,位于马萨诸塞州的一家名为Viatron Computer Systems的初创公司也参与其中。1967年11月推出仅一年之后,该公司宣布推出System 21,这是一款16位微型计算机,带有各种配件,所有配件均由定制MOS芯片构建。

  Viatron公司的人不仅创造了“微处理器”这个词,该公司还在1968年10月发布的名为2101的产品中首次使用了System 21.但是,该微处理器不是芯片。在Viatron的词典中,“单词”一词指的是智能终端的一部分,该终端配有键盘和磁带驱动器,并连接到单独的小型计算机。Viatron的“微处理器”控制该终端,由在三个独立板上的18个定制MOS芯片组成。

  在1960年代末进行的这些活动中,日本计算器制造商Business Computer Corp.(更名为Busicom)与Intel签订了为多芯片计算器定制芯片的合同。最终产品简化为现在着名的单芯片CPU Intel 4004,以及用于存储和输入/输出(I / O)的配套芯片。4位4004(意味着它只能处理4位宽的数据字)通常被认为是第一个微处理器。

  应用4004微处理器的计算器最早是在1971年初问世的。但其实在那时,它已经有了很多竞争者。一家名为Mostek的半导体公司生产了首款基于计算器的芯片MK6010.笔克电子公司和通用仪器公司的G250片上计算器也都在工作。在六个月内,德州仪器(TI)的TMS 1802片上计算器也已投入运营,它是TI极为成功的0100系列产品中的第一款芯片。尽管这些电路可以很好地用作计算器,但它们没办法像4004那样通过执行存储在外部ROM中的指令进行操作。因此,4004可以在通用计算机中使用。

  这对于电子计算器业务来说是一个飞速发展的时期,但因陷入财务困境,Busicom放弃了其对4004芯片的专有权。1971年11月,英特尔开始将其及其相关支持芯片作为面向通用计算应用的独立产品进行营销。可惜的是,在短短几个月内,4004被功能更强大的微处理器所取代,因此,它在商业上的应用很少,主要应用包括几个弹球机,一个文字处理器和一个用于计算票数的系统。

  从这个意义上讲,英特尔的4位4004是一个电子计算器,它产生了第一个微处理器。但是,很快获得成功的8位微处理器则具有截然不同的起源。

  微处理器的起源及发展过程

  这个故事始于1969年,该公司由位于德克萨斯州圣安东尼奥市的一家名为Computer Terminal Corp.(CTC)的公司开发了Datapoint 2200 “可编程终端”。

  Datapoint 2200实际上是一台通用计算机,而不仅仅是终端。它的8位处理器最初由大约100个双极芯片组成。它的设计者正在寻找使处理器消耗更少的功率并产生更少的热量的方法。因此,在1970年初,CTC安排英特尔制造单个MOS芯片来代替Datapoint处理器板,尽管不清楚使用单个芯片的想法是来自英特尔还是CTC.

MjgwMTY1MA.jpeg

  CPU触发器: Datapoint 2200终端的制造商都从Intel和Texas Instruments寻求其单芯片CPU.TI和Intel的CPU芯片都没有在Datapoint 2200中使用,但它们引领了8位微处理器浪潮,推动了微机革命。

MjgwMTYxNQ.jpeg

  TI的Guy: Gary Boone领导了TMX1795以及其他重要数字芯片的开发。

  到1970年6月,英特尔已经根据Datapoint 2200的体系结构为芯片开发了功能规范,然后将该项目搁置了六个月——这就是将成为Intel 8008的设计。因此,无论您是将受计算器启发的4004还是受终端启发的8008视为第一个真正有用的单芯片通用微处理器,您都必须将其创造力归功于Intel,对吗?并不是的。

  您会看到,1970年,当英特尔开始致力于8008时,这只是一家拥有约100名员工的初创公司。而德州仪器(TI)却是一家拥有45,000名员工的大公司,在了解了英特尔的处理器项目之后,TI向CTC询问是否也可以为Datapoint 2200建造处理器。CTC向TI的工程师提供了计算机的规格,并告诉他们继续研究。当他们采用三芯片设计返回时,CTC明确地询问TI是否可以像英特尔一样在一个芯片上构建它。TI随后在1970年4月左右开始为CTC开发单芯片CPU.该设计于次年完成,最初被称为TMX 1795(X为" experimental"),该名称在当时是TMC 1795.

  1971年6月,TI发起了针对TMC 1795的媒体宣传活动,描述了这种“芯片上的中央处理器”如何使新的Datapoint 2200“成为一台功能强大的计算机,具有原先无法提供的功能”。但是,这并没有发生:在测试TMC 1795之后,CTC拒绝了它,而是选择继续使用双极芯片板来构建其处理器。

  相比之下,英特尔的芯片要到1971年底才能准备就绪。

  尽管德州仪器(TI)的TMX 1795和英特尔的8008具有相似数量的晶体管,但前者需要更大的硅芯片。确实,TMX 1795比英特尔8008和4004的总和还大。英特尔工程师认为,其大尺寸尺寸使得TI芯片无法批量生产,但TI同时成功推出的非常成功的TMS 0100计算器芯片的管芯更大。因此,芯片尺寸与商业可行性之间的联系一定不是很直接的。(模具的相对尺寸如下所示。)

MjgwMTU3OQ.jpeg

  TMX 1795;3078个晶体管

MjgwMTU4MA.jpeg

  4004;2,300个晶体管

MjgwMTU4MQ.jpeg

  8008;3,098个晶体管

  许多技术史学家认为,TMC 1795在当时就失败了。但是,已故芯片首席开发商Gary Boone的最新浮出水面的文件显示,在CTC被拒绝之后,TI试图将芯片(经过一些小的改进后被称为TMC 1795A)出售给多家公司。1971年,福特汽车公司(Ford Motor Co.)对使用该芯片作为引擎控制器表现出了浓厚的兴趣,这使布恩写道:“我认为我们已经迫切需要我们的'单芯片CPU'进入大众市场。”

  但遗憾的是,这些努力失败了,TI停止销售TMC 1795,而将精力集中在其利润更高的计算器芯片上。但是,第一个8位微处理器分配功劳还是应该授予TI,尽管TI已失去了该机会。

  到1971年底英特尔使8008投入使用时,CTC对单芯片CPU失去了兴趣,并放弃了其对设计的专有权。英特尔继续将8008投入商业化,并于1972年4月发布了该产品,并最终生产了成千上万的产品。两年后,8008诞生了英特尔的8080微处理器,这对8086产生了重大影响,反过来又为英特尔当前的x 86芯片产品线打开了闸门。因此,如果您现在正坐在带有x 86处理器的PC上,那么您所使用的计算机的设计就可以追溯到1969年Datapoint的2200可编程终端。

  正如这段历史所表明的那样,微处理器的发展除了直线以外,还没有其他。机会的结果和各种业务决策的结果在很大程度上是可以避免的。考虑一下CTC为Datapoint 2200设计的8位处理器体系结构是如何以四种不同的方式实现的。CTC使用装有双极芯片的电路板做了两次,首先是串行通信数据,然后是使用并行设计,速度更快。TI和Intel都使用具有几乎相同指令集的单芯片满足了CTC的要求,但是这两款芯片的封装,控制信号,指令时序和内部电路完全不同。

  与TI相比,英特尔使用了更先进的技术,其中最引人注目的是由多晶硅制成的自对准门,这使晶体管更快并且提高了产量。这种方法还允许晶体管更密集地封装。结果,甚至组合在一起的4004和8008都比TMC 1795还要小。确实,英特尔工程师认为TI芯片太大而无法实用,但事实并非如此:TI极为成功的TMS 0100计算器芯片,不久之后推出,甚至比TMC 1795还大。

  考虑到所有这些,我们应该把微处理器的发明归功于谁?

  谁才是微处理器真正的发明者?

  一个答案是微处理器并不是真正的发明,而是每个人都知道会发生的事情。这只是等待技术出现和市场爆发的问题。

  另一种看待事物的方式是,“微处理器”基本上是一个市场术语,受英特尔,德州仪器(TI)和其他芯片公司对新产品进行品牌化的需求所驱动。布恩(Boone)尽管是TMC 1795的开发商,但后来称赞英特尔致力于将微处理器转变为可行产品的承诺。在一封未注明日期的信中,显然是有关谁应该为微处理器赢得信誉的法律讨论的一部分,他写道:“微处理器开发的主要主题是英特尔在1972-75年期间做出的公司承诺……。他们在设计,软件和市场营销方面的创新使这个行业成为可能,或者至少促使它向前发展。”

MjgwMTcyNA.jpeg

  第一个微处理器: 通常归功于Intel 4004,这是一种设计用于计算器的4位芯片[左]。但是,根据您的定义,还有其他可能的第一。一种是四相系统公司(AL)的AL1算术逻辑单元芯片(右),该芯片早于4004,并被用于演示正在工作的计算机,该计算机因微处理器的一项早期专利而产生争议。

  创建第一个微处理器的荣誉还取决于您如何定义“微处理器”这个单词。有些人将微处理器定义为芯片上的CPU.其他人则说,所需要的只是芯片上的算术逻辑单元。还有一些方法允许将这些功能封装在几个芯片中,这些芯片将共同构成微处理器。

  在我看来,微处理器的关键特征是它在单个芯片上提供一个CPU(包括ALU,控制功能以及诸如程序计数器之类的寄存器)并且是可编程的。但是微处理器不是一台完整的计算机:内存,I / O和其他支持功能通常需要其他芯片。

  使用这样的定义,大多数人认为Intel 4004是第一个微处理器,因为它在单个芯片上包含中央处理器的所有组件。布恩和英特尔4004团队的费德里科·法金(Federico Faggin)都认为4004比最早的TMX 1795原型要落后一两个月。后者将代表第一个8位微处理器,而Intel 8008将成为第一个在商业上成功的 8位微处理器。

  但是,如果采用对“微处理器”的限制较少的定义,则可以将许多系统视为第一个系统。那些将片上ALU视为微处理器的人认为,博伊瑟(Boysel)于1968年在飞兆半导体(Fairchild)上制造了第一枚微控制器,就在他离开共同创立四相系统之前不久。四相系统公司的AL1也是候选产品,因为它在单个芯片上结合了寄存器和ALU,同时具有外部控制电路。如果允许一个微处理器由多个LSI芯片组成,则Autonetics D200将是第一位。

  另外,专利为微处理器的发明提供了不同的角度。TI很快意识到专利的盈利能力。它在TMX 1795和TMS 0100上获得了多项专利,并在诉讼和许可协议中大量使用了这些专利。

  根据其专利,TI可以被认为是微处理器和微控制器的发明者,CPU,存储器和各种支持功能的单芯片封装。或者可能不是。那是因为吉尔伯特·凯悦(Gilbert Hyatt)于1990年获得了单芯片处理器的专利,该专利基于他在1969年从双极芯片板上制造的16位串行计算机。这导致声称凯悦是微处理器的发明者,直到TI在复杂的法律纠纷中于1996年击败凯悦的专利之后。

  另一个值得称赞的发明家可能是博塞尔。1995年,在戈登·贝尔(Gordon Bell)后来嘲笑其为“ TI vs.Everybody”的法律程序中,Boysel通过使用1969年的单个AL1 ALU芯片向法院展示了正常工作的计算机,对TI的单芯片处理器专利进行了抗辩。他的举动有效地打击了TI的案子,因为他使用了一些技术技巧将其付诸实践。

  无论您认为第一个微处理器是什么,您都必须同意,在微处理器比赛中不乏竞争者。而可惜的是,大多数人都试图只认出一位冠军,而许多令人着迷的亚军几乎都被人遗忘。但是对于那些最早对微计算感兴趣的人来说,这种丰富的历史将继续存在。

  作者:Ken Shirriff,他曾是Google程序员,是一位计算机历史爱好者,对最早的CPU芯片着迷。

  来源:https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/the-surprising-story-of-the-first-microprocessors

  编译:枭枭。转载请标明来源,谢谢。

点 赞

分享:

其他媒介

针对性更强,满足行业在实际应用的各种专业化的需求,传感器专家网为您提供方便快捷的传感器产品及相关资讯垂直搜索服务。

参与评论已发布评论0

0/500

发表评论

评论区

加载更多

枭枭

集成电路设计行业资深记者,传感器专家网专栏编辑。