МИКРОПРОЦЕСС ПОШЁЛ. История разработки первого в мире чипа
Dennis Skley, 2011 год
Многие открытия, которые практически перевернули мир и представление общественности о современном мироустройстве, появились как бы сами собой, по мановению волшебной палочки, без какого-либо предварительного планирования. Такой была история разработки первого в мире микропроцессора. В 60-х годах никто и не предполагал, что информационная революция скоро начнется. Более того, даже сами энтузиасты компьютерного дела, уверенные, что за компьютерами будущее, довольно туманно представляли себе это самое красочное будущее.
Покинув Fairchild Semiconductor, Роберт Нойс (Robert Noyce) и автор небезызвестного закона Гордон Мур (Gordon Moore) решили основать собственную компанию (подробнее о Fairchild Semiconductor см. статью «Белокурое дитя» в Upgrade #39 (129) за 2003 год). Нойс сел за печатную машинку и напечатал бизнес-план будущего кита IT-промышленности, которому суждено изменить мир.
masterok, 2016 год
Производством микропроцессоров заниматься не предполагалось. Впрочем, никто другой в то время ни о каких микропроцессорах не помышлял. Да и самого слова-то тогда не было, ибо центральный процессор любой ЭВМ того периода представлял собой довольно сложный агрегат немалого размера, состоящий из нескольких узлов.
На момент составления этого прожекта никто не мог, конечно, предсказать, какие он принесет доходы. Как бы там ни было, а в поисках кредита Нойс и Мур обратились к Артуру Року (Arthur Rock) - финансисту, который ранее помог создать Fairchild Semiconductor. И через два дня, как в сказке, компаньоны получили два с половиной миллиона долларов. Это даже по сегодняшним меркам немалые деньги, а в 60-х годах прошлого века это было прямо-таки целое состояние. Если бы не высокая репутация Нойса и Мура, то вряд ли они так легко получили бы требуемую сумму. Но что хорошо в США - там всегда имеются в наличии рисковые капиталисты, готовые вложить доллар-другой в перспективный бизнес, связанный с новыми технологиями. Собственно, на этом и покоится могущество этой страны. В современной России, которая, как почему-то считается, идет по пути США, таких капиталистов - днем с огнем...
masterok, 2016 год
Итак, дело, можно сказать, было в шляпе. Настала очередь самого приятного момента - выбора для будущего флагмана IT-индустрии. Первое пришедшее в голову название было название, составлено из имен отцов - основателей компании - Moore Noyce. Однако товарищи подняли их на смех. На взгляд «экспертов», такое название произносилось бы всеми не иначе как more noise («много шума»), что для компании, продукция которой должна была использоваться в радиопромышленности, было хуже некуда. Составили список, в котором попадались такие слова, как COMPTEK, CALCOMP, ESTEK, DISTEK и т. п. В результате Мур и Нойс выбрали название, являющееся сокращением от «интегрированная электроника», - Intel.
Их ждало разочарование - это название уже кто-то зарегистрировал ранее для сети мотелей. Но, имея два с половиной миллиона долларов, несложно выкупить понравившееся название. Так компаньоны и поступили.
В конце 60-х годов большинство ЭВМ были оборудованы памятью на магнитных сердечниках, и своей миссией такие компании, как Intel, считали повсеместное внедрение «кремниевой памяти». Поэтому самым первым изделием, которое запустила в производство компания, была «микросхема 3101» - 64-разрядная биполярная статическая оперативная память, основанная на барьерном диоде Шоттки (см. врезку «Вальтер Шоттки»).
masterok, 2016 год
Вальтер Шоттки
Бинарные диоды Шоттки названы в честь немецкого физика швейцарского происхождения Вальтера Шоттки (Walter Shottky, 1886-1976). Шоттки долго и плодотворно работал на ниве электропроводимости. В 1914 году он открыл явление возрастания тока насыщения под действием внешнего ускоряющего электрического поля («эффект Шоттки») и разработал теорию этого эффекта. В 1915 году он изобрел электронную лампу с экранной сеткой. В 1918 году Шоттки предложил супергетеродинный принцип усиления. В 1939 году он исследовал свойства потенциального барьера, который возникает на границе полупроводник-металл. В результате этих исследований Шоттки разработал теорию полупроводниковых диодов с таким барьером, которые получили название диодов Шоттки. Вальтер Шоттки внес большой вклад в изучение процессов, протекающих в электролампах и полупроводниках. Исследования Вальтера Шоттки относятся к физике твердого тела, термодинамике, статистике, электронике, физике полупроводников.
masterok, 2016 год
В первый год после своего создания (1969) Intel принесла своим владельцам ни много ни мало 2672 доллара прибыли. До полного погашения кредита оставалось совсем чуть-чуть.
4 вместо 12
Сегодня Intel (как, впрочем, и AMD) производит чипы в расчете на рыночные продажи, но в первые годы своего становления компания нередко делала микросхемы на заказ. В апреле 1969 года в Intel обратились представители японской фирмы Busicom, занимающейся выпуском калькуляторов. Японцы прослышали, что у Intel самая передовая технология производства микросхем. Для своего нового настольного калькулятора Busicom хотела заказать 12 микросхем различного назначения. Проблема, однако, заключалась в том, что ресурсы Intel в тот момент не позволяли выполнить такой заказ. Методика разработки микросхем сегодня не сильно отличается от той, что была в конце 60-х годов XX века, правда, инструментарий отличается весьма заметно.
masterok, 2016 год
В те давние-давние годы такие весьма трудоемкие операции, как проектирование и тестирование, выполнялись вручную. Проектировщики вычерчивали черновые варианты на миллиметровке, а чертежники переносили их на специальную вощеную бумагу (восковку). Прототип маски изготовляли путем ручного нанесения линий на огромные листы лавсановой пленки. Никаких компьютерных систем обсчета схемы и ее узлов еще не существовало. Проверка правильности производилась путем «прохода» по всем линиям зеленым или желтым фломастером. Сама маска изготавливалась путем переноса чертежа с лавсановой пленки на так называемый рубилит - огромные двухслойные листы рубинового цвета. Гравировка на рубилите также осуществлялась вручную. Затем несколько дней приходилось перепроверять точность гравировки. В том случае, если необходимо было убрать или добавить какие-то транзисторы, это делалось опять-таки вручную, с использованием скальпеля. Только после тщательной проверки лист рубилита передавался изготовителю маски. Малейшая ошибка на любом этапе - и все приходилось начинать сначала. Например, первый тестовый экземпляр «изделия 3101» получился 63-разрядным.
12 новых микросхем Intel физически не могла потянуть. И тут одному из сотрудников Intel, Теду Хоффу (Ted Hoff), пришло в голову, что, раз компания не имеет возможности спроектировать 12 микросхем, нужно сделать всего одну универсальную микросхему, которая по своим функциональным возможностям заменит их все. Иначе говоря, Тед Хофф сформулировал идею микропроцессора - первого в мире.
В июле 1969 года была создана группа по разработке, и работа началась. В сентябре к группе присоединился также перешедший из Fairchild Стэн Мазор (Stan Mazor). Контролером от заказчика в группу вошел японец Масатоси Сима (Masatoshi Shima). Чтобы полностью обеспечить работу калькулятора, необходимо было изготовить не одну, а четыре микросхемы. Таким образом, вместо 12 чипов требовалось разработать только четыре, но один из них - универсальный. Изготовлением микросхем такой сложности до этого никто не занимался.
Итальяно-японское содружество
В апреле 1970 года к группе по выполнению заказа Busicom присоединился новый сотрудник. Он пришел из кузницы кадров для Intel - компании Fairchild Semiconductor. Звали нового сотрудника Федерико Фэджин (Federico Faggin). Ему было 28 лет, но уже почти десять лет он занимался созданием компьютеров. В девятнадцать лет Фэджин участвовал в построении мини-ЭВМ итальянской компании Olivetti. Затем он попал в итальянское представительство Fairchild, где занимался разработкой нескольких микросхем. В 1968 году Фэджин покинул Италию и перебрался в США, в лабораторию Fairchild Semiconductor в Пало-Альто.
Стэн Мазор показал новому члену группы общую спецификацию проектируемого набора микросхем и сказал, что на следующий день прилетает представитель заказчика.
Federico Faggin. masterok, 2016 год
Утром Мазор и Фэджин поехали в аэропорт Сан-Франциско встречать Масатоси Симу. Японцу не терпелось увидеть, что именно сделали люди из Intel за несколько месяцев его отсутствия. Приехав в офис, Мазор оставил итальянца и японца с глазу на глаз, а сам благоразумно испарился. Когда Сима посмотрел документы, которые ему протянул Фэджин, то его чуть Кондратий не хватил: за четыре месяца «интеловцы» не сделали ровным счетом ничего. Сима ожидал, что за это время уже закончится прорисовка схемы чипов, а увидел только концепцию в том виде, которая была на момент его отъезда в декабре 1969 года. Дух самурая вскипел, и Масатоси Сима дал выход своему возмущению. Не менее темпераментный Фэджин объяснил Симе, что если тот не успокоится и не поймет, что они в одной лодке, - проекту полный капут. На японца произвели впечатления доводы Фэджина и то, что он, собственно, работает в компании всего несколько дней и не несет ответственность за срыв графика. Таким образом, Федерико Фэджин и Масатоси Сима стали вместе работать над проектированием схем чипов.
К этому времени, однако, руководство компании Intel, которое смотрело на этот заказ Busicom как на очень интересный и в чем-то авантюрный, но все-таки не самый важный эксперимент, переключило группу Хоффа и Мазора на изготовление «изделия 1103» - микросхемы DRAM емкостью 1 кбит.
Intel 1103 DRAM chip, c. 1970. masterok, 2016 год
На тот момент именно с изготовлением чипов памяти руководство Intel связывало будущее благополучие компании. Оказалось, что Федерико Фэджин был руководителем проекта, в котором, кроме него, никого не было (Сима, как представитель заказчика, участвовал лишь эпизодически). Фэджин в течение недели создал новый, более реалистичный проектный график и показал его Симе. Тот улетел в Японию в штаб-квартиру Busicom. Японцы, узнав все детали, хотели было отказаться от сотрудничества с Intel, но все-таки передумали и отослали Масатоси Симу обратно в США с целью максимально помочь и ускорить создание набора микросхем.
Обстановка была весьма нервозной, поскольку никто до них не делал изделий такой сложности. Все приходилось проектировать вручную с нуля. Помимо проектирования чипа параллельно нужно было изготавливать тестовое оборудование и разрабатывать программы тестирования.
Порой Фэджин пропадал в лаборатории по 70-80 часов в неделю, не уходя домой даже на ночь. Как он позднее вспоминал, ему весьма повезло, что в марте 1970 года у него родилась дочка и его жена на несколько месяцев уехала в Италию. В противном случае не миновать бы ему семейного скандала.
masterok, 2016 год
В октябре 1970 года работы по изготовлению чипа 4001 были закончены. Микросхема работала безупречно. Это повысило уровень доверия к Intel со стороны Busicom. В ноябре был готов и чип 4003 - микросхема интерфейса с периферией, самая простая из всего набора. Еще чуть позже был готов 320-битный модуль динамической памяти 4002. И вот, наконец, в конце декабря 1970 года с завода для тестирования были получены «вафли» (так американские специалисты называют кремниевые пластины, на которых «вырастили» микросхемы, но еще не разрезали). Дело было поздним вечером, и никто не видел, как у Фэджина тряслись руки, когда он загружал первые две «вафли» в пробер (специальное устройство для испытания и тестирования). Он сел перед осциллографом, включил кнопку напряжения и... ничего, линия на экране даже не дернулась. Фэджин загрузил следующую «вафлю» - тот же самый результат. Он был в полном недоумении.
Нет, конечно, никто не ожидал, что первый опытный образец устройства, которого никто в мире ранее не делал, сразу же покажет расчетные результаты. Но чтобы на выходе вообще не было сигнала - это был просто удар. После двадцати минут учащенного сердцебиения Фэджин решил рассмотреть пластины под микроскопом. И тут сразу же все выяснилось: нарушения в технологическом процессе, приведшие к тому, что некоторых межслойных перемычек на схемах не было! Это было очень плохо, график слетал, но зато Фэджин знал: ошибка произошла не по его вине. Следующая партия «вафель» поступила в январе 1971 года. Фэджин снова заперся в лаборатории и просидел в ней до четырех утра. На этот раз все работало безупречно. В течение усиленного тестирования в последующие несколько дней все же обнаружились несколько незначительных ошибок, но они были быстро исправлены. Подобно художнику, подписывающему полотно, Фэджин поставил на чип 4004 свои инициалы - FF.
Микропроцессор как товар
В марте 1971 года Intel отправила в Японию комплект для калькулятора, который состоял из одного микропроцессора (4004), двух 320-битных модулей динамической памяти (4002), трех микросхем интерфейса (4003) и четырех микросхем ROM. В апреле из компании Busicom поступило сообщение, что калькулятор работает идеально. Можно было запускать производство. Однако Федерико Фэджин начал горячо убеждать руководство Intel, что глупо ограничиваться только калькуляторами. По его мнению, микропроцессор можно было бы использовать во многих областях современного производства. Он был уверен, что набор микросхем 400x представляет самостоятельную ценность и может продаваться сам по себе. Его уверенность передалась руководству. Однако была одна загвоздочка - первый в мире микропроцессор не принадлежал Intel, он принадлежал японской фирме Busicom! Ну что тут было делать? Оставалось ехать в Японию и начинать переговоры о покупке прав на собственную разработку. Так «интеловцы» и поступили. В результате компания Busicom продала права на микропроцессор 4004 и сопутствующие микросхемы за шестьдесят тысяч долларов.
Обе стороны остались довольны. Busicom до сих пор продает калькуляторы, а Intel... Руководство компании Intel поначалу смотрело на микропроцессоры как на побочный продукт, который лишь способствует продажам главного товара - модулей оперативной памяти. Компания Intel выбросила на рынок свою разработку в ноябре 1971 года под названием MCS-4 (Micro Computer Set).
masterok, 2016 год
Несколько позднее Гордон Мур, оглядываясь назад, скажет по этому поводу: «Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня „Роллс-ройс“ стоил бы три доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку». Конечно, если сравнивать с нынешними требованиями, у MCS-4 были далеко не сногсшибательные показатели. Да и в начале 70-х никто особо сильно не взволновался в результате появления этой продукции. В целом вычислительная система на основе набора MCS-4 не уступала самым первым ЭВМ 1950-х годов, но на дворе-то уже были другие времена, и в вычислительных центрах стояли машины, вычислительная мощь которых ушла далеко вперед.
Intel развернула специальную пропагандистскую кампанию, адресованную инженерам и разработчикам. В своих рекламных объявлениях Intel доказывала, что микропроцессоры, конечно, не являются чем-то очень серьезным, но зато их можно использовать в разных специфических областях, типа автоматизации производства.
Помимо калькуляторов набор MCS-4 нашел себе применение в качестве контроллеров для таких устройств, как газовые насосы, автоматические анализаторы крови, устройства контроля уличного движения...
Что касается отца первого в мире микропроцессора, то он был сильно огорчен тем обстоятельством, что Intel никак не хочет взглянуть на новое устройство как на основной продукт. Фэджин совершил несколько туров по США и Европе, выступая в научных центрах и передовых заводах, пропагандируя микропроцессоры. Подчас его и компанию Intel поднимали на смех.
masterok, 2016 год
Действительно, уж больно несерьезным тогда выглядела вся эта микропроцессорная затея. Фэджин поучаствовал и в проекте 8008 - создании восьмибитного микропроцессора, который во многом повторял архитектуру 4004. Однако постепенно в нем нарастало чувство обиды за то, что в компании к нему относятся как просто к хорошему инженеру, справившемуся со сложной, но не очень важной работой. Но он-то знал, что фактически совершил мировую революцию.
В октябре 1974 года Федерико Фэджин покинул Intel и основал свою собственную компанию Zilog, Inc. В апреле следующего года в Zilog из Busicom перешел Масатоси Сима. И друзья приступили к проектированию нового процессора, который должен был стать самым лучшим в мире. В мае 1976 года на рынке появился микропроцессор Z80 компании Zilog.
masterok, 2016 год
Процессор Z80 был очень успешным проектом и серьезно потеснил на рынке процессоры Intel 8008 и 8080. В середине 70-х - начале 80-х годов компания Zilog была для Intel приблизительно тем же, чем сегодня компания AMD - серьезным конкурентом, способным выпускать более дешевые и эффективные модели той же архитектуры. Как бы там ни было, а большинство обозревателей сходятся в том, что Z80 был самым надежным и успешным микропроцессором за всю историю микропроцессорной техники. Однако не стоит забывать, что история эта еще только начиналась...
MCS-4 - прообраз будущего
Статья о создании первого в мире микропроцессора будет неполной, если не сказать хотя бы пару слов о технических особенностях набора MCS-4. На введении цифры 4 в систему кодирования Intel настоял Федерико Фэджин. Маркетинговому отделу Intel эта идея понравилась - четверка указывала и на разрядность процессора, и на общее количество микросхем. Набор состоял из четырех следующих чипов: 4001 - микросхема маскируемой ROM емкостью 2048 бит; 4002 - микросхема RAM емкостью 320 бит; 4003 - микросхема интерфейса, представляющая собой 10-битный сдвиговый регистр; 4004 - четырехбитный ЦПУ с набором из 45 команд. Фактически это был прообраз персонального компьютера ближайшего будущего. Рассмотрим немного подробнее функционирование этих микросхем, поскольку основные принципы их работы можно обнаружить даже в современных микропроцессорах.
masterok, 2016 год
В оперативной памяти (RAM) современного компьютера одновременно хранятся и выполняющиеся программы, и данные, которые они обрабатывают. В связи с этим процессор всякий раз должен знать, что именно он сейчас выбирает из памяти - команду или данные. Первому микропроцессору 4004 было проще - команды хранились только в ROM (чип 4001), а данные - в RAM (чип 4002).
Поскольку инструкции для процессора 4004 были восьмибитными, микросхема 4001 была организована в виде массива из 256 восьмибитных слов (термин «байт» тогда еще не использовался). Иначе говоря, в одной такой микросхеме могло уместиться максимум 256 инструкций центрального процессора. Микропроцессор 4004 мог работать максимум с четырьмя микросхемами 4001, следовательно, максимальное количество инструкций, которые можно было записать, не превышало 1024. Тем более что «Ассемблер» 4004 был очень простым - всего 45 команд, причем не было таких сложных команд, как умножение или деление. Вся математика зиждилась на командах ADD (прибавить) и SUB (отнять). Кто знаком с алгоритмом двоичного деления, легко поймет сложность работы программистов с процессором 4004.
Адрес и данные передавались по мультиплексируемой четырехбитной шине. Поскольку микросхема 4001 представляла собой EPROM, ее можно было перепрошивать, записывая те или иные программы. Тем самым MCS-4 настраивалась на выполнение конкретных задач.
masterok, 2016 год
Даже из краткого технического описания видно, что это был совсем слабенький процессор. Поэтому нет ничего удивительного, что мало кого в начале семидесятых годов прошлого века всполошило появление на рынке набора MCS-4. Продажи по-прежнему оставались не очень высокими. Зато пропаганда Intel откликнулась в сердцах молодых энтузиастов вроде Билла Гейтса (Bill Gates) и его друга Пола Аллена (Paul Allen), которые сразу поняли, что появление микропроцессоров открывает лично для них двери в новый мир.
Схема кодирования от Intel
(Писали в UPgrade и на NNM)
Схему цифрового кодирования изделий Intel изобрели Энди Гроув (Andy Grove) и Гордон Мур. В своем исходном виде она была весьма простой, для кодирования использовались только цифры 0, 1, 2 и 3. После того как Федерико Фэджин создал микропроцессор, он предложил ввести цифру 4, чтобы в коде отразить четырехбитную структуру его регистров. С появлением восьмибитных процессоров была добавлена цифра 8. В этой системе любое изделие получало код, состоящий из четырех цифр. Первая цифра кода (крайняя левая) обозначала категорию: 0 - контрольные чипы; 1 - микросхемы PMOS; 2 - микросхемы NMOS; 3 - биполярные микросхемы; 4 - четырехбитные процессоры; 5 - микросхемы CMOS; 7 - память на магнитных доменах; 8 - восьмибитные процессоры и микроконтроллеры. Цифры 6 и 9 не использовались.
Вторая цифра в коде обозначала тип: 0 - процессоры; 1 - микросхемы статической и динамической RAM; 2 - контроллеры; 3 - микросхемы ROM; 4 - сдвиговые регистры; 5 - микросхемы EPLD; 6 - микросхемы PROM; 7 - микросхемы EPROM; 8 - схемы синхронизации для тактовых генераторов; 9 - чипы для телекоммуникаций (появилась позднее). Две последние цифры обозначали порядковый номер данного вида изделия. Таким образом, первая микросхема, которую изготовила Intel, имевшая код 3101, расшифровывалась как «биполярная микросхема статической или динамической RAM первого выпуска».