Федерико Фаджин присоединился к компании Intel, чтобы превратить видение Теда Хоффа в кремниевую реальность. Менее чем через год он и его команда создали микропроцессор 4004, который был представлен в ноябре 1971 г. Первой серьезной проблемой для Фаджина стала разработка методологии использования новой технологии кремниевых затворов. Это позволило по-другому создавать сложные схемы. Поскольку ничего подобного до этого никто не делал, пришлось все начинать с нуля. И Федерико Фаджину это удалось – он самостоятельно разработал чип всего за 9 месяцев 1970 г. Это фантастически короткий срок по сравнению с процессорами «Интел» следующих поколений. Например, для создания 32-разрядного чипа уже потребовалось 100 человеко-лет.
Конструктивное исполнение
Дизайн на основе кремниевых затворов, созданный Федерико Фаджином, сделал первый микропроцессор реальностью в 1971 г. Он был необычным, так как интеграция такой сложности никогда раньше не достигалась. Фаджин смог разработать процессор Intel 4004 только благодаря своим инновациям в МОП-технологии производства интегральных схем (ИС). Начальная загрузка и скрытый контакт стали идеями, которые легли в основу впервые примененной им методологии проектирования, позволили спасти архитектуру Хоффа и реализовать ее в 1970 г. Без этого она была бы неосуществима, потому что результат был бы слишком медленным и дорогостоящим, чтобы иметь практическое применение. Таким образом, изобретение не заключалось в разработке модели простого ЦПУ, недостатка в которых в то время не было, но в создании и внедрении технологии, которая впервые позволила разместить на одном кристалле все функциональные блоки процессора.
Тед Хофф надеялся, что предложенная им архитектура и набор команд могут быть размещены на одном кристалле. Однако он не мог оценить осуществимость проекта или воплотить его, поскольку не являлся МОП-разработчиком. Именно Федерико Фаджин изобрел дизайн и компоновку 2300 транзисторов произвольной логики на кристалле размером всего 3х4 мм, недорогом, с 5-кратной скоростью работы и вдвое большей плотностью размещения элементов, чем у существовавшей в то время технологии МОП.
Методология Фаджина стала прорывом и использовалась во всех ранних микропроцессорах компании. Итальянский инженер привел проект к успешному завершению и сыграл роль в продвижении нового процессора Intel, продемонстрировав руководству компании, что чип может использоваться не только в калькуляторах.
Технические характеристики
Спецификации процессора Intel 4004 следующие:
- Площадь кристалла: 12 мм2.
- Максимальная тактовая частота: 740 кГц.
- Время цикла: 10,8 мкс (8 тактов / цикл команды).
- Время выполнения команды – 1 или 2 цикла команды (10,8 или 21,6 мкс), 46300–92600 команд в секунду.
- Сложение двух 8-значных чисел (по 32 бита каждое) занимает 850 мкс, т. е. 79 циклов команд, около 10 циклов на десятичную цифру.
- Раздельное хранение программ и данных. В отличие от дизайнов на основе гарвардской архитектуры, использующих отдельные шины, в 4004 есть одна мультиплексированная 4-битная шина для передачи 12-разрядных адресов, 8-битных команд и 4-битных слов данных.
- Прямая адресация 51220 бит (640 байт) ОЗУ, организованного в виде 1280 4-разрядных «символов», из которых 1024 представляют данные и 256 – состояние.
- Прямая адресация 32768 бит ПЗУ (4096 байт).
- Набор из 46 команд (из которых 41 шириной 8 бит и 5 – 16 бит).
- 16 регистров по 4 бита.
- Внутренний стек подпрограмм глубиной в 3 уровня.
Заказ Busicom
Компьютер с хранимой программой, использовавшийся в качестве калькулятора в 1950-х и 1960-х годах, был одним из лучших достижений послевоенной эпохи и был знаком всем инженерам, работающим в полупроводниковой промышленности.
В 1969 г. японский производитель калькуляторов Busicom обратился к компании Intel, чтобы воплотить в кремнии их логический дизайн для серии калькуляторов. Их подход повторял реализацию первого в мире настольного программируемого калькулятора Olivetti's Programma 101, представленного на Всемирной ярмарке в Нью-Йорке в 1965 г. и поступившего в продажу в том же году. Programma 101 имел ЦПУ (центральное процессорное устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) с последовательным чтением и записью, которые были выполнены из дискретных компонентов. Компания Busicom предложила аналогичную архитектуру, предусматривавшую реализацию процессора на трех МОП-микросхемах, ПЗУ и регистра еще на двух, с двумя другими чипами ввода-вывода.
Архитектура MCS-4
Руководитель отдела прикладных исследований Тед Хофф признал, что сложность дизайна Busicom заключалась в использовании последовательной памяти, и поскольку Intel разрабатывала свое первое динамическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), он видел, что конструкцию можно существенно упростить, используя традиционную и более универсальную компьютерную архитектуру, основанную на ОЗУ. С помощью Стэна Мазора и благодаря взаимодействию с инженерами Busicom, среди которых был Масатоши Сима, Хофф сформулировал архитектуру MCS-4, сократив дизайн с 7 до 4 чипов. Хофф полагал, что ЦПУ можно было бы реализовать в одном 4-битном микропроцессоре, но ни он, ни Мазор не были МОП-разработчиками, и у Intel не было специалистов, способных создавать сложные ИС с произвольной логической структурой. Поэтому предложение Хоффа простаивало около 6 месяцев, пока в апреле 1970 года не был принят на работу Федерико Фаджин, который и возглавил этот проект.
Инновационная технология
Федерико Фаджин перешел в Intel из Fairchild Semiconductor, где в 1968 г. он разработал МОП-технологию с кремниевыми затворами и создал на ее основе первую в мире коммерческую интегральную схему 3708. Технология была принята компанией Intel и впоследствии всей мировой полупроводниковой промышленностью, и в течение 40 лет являлась базовой структурой, использовавшейся почти во всех микросхемах. Гордон Мур, соучредитель компании «Интел», признал, что основным компонентом ее раннего успеха стал именно этот шаг. МОП-технология с кремниевыми затворами обеспечила конкурентоспособные характеристики Intel 4004: чип был примерно в 5 раз быстрее, имел в 100 раз меньшую утечку перехода и вмещал в 2 раза больше логических транзисторов произвольного типа по сравнению с чипом того же размера, изготовленного с алюминиевыми затворами, и рассеивал равную мощность. Это позволило создавать первые коммерчески успешные динамические ОЗУ, датчики изображения с ПЗС-матрицей (приборы с зарядовой связью), энергонезависимые запоминающие устройства и микропроцессоры. Впервые в истории процессор содержал все компоненты компьютера общего назначения.
Создание нового дизайна и макета
Тэд Хофф не был конструктором МОП-схем. Его роль заключалась в создании архитектуры и в дальнейшей поддержке продуктов. После определения набора команд проект был передан команде МОП-разработчиков, возглавляемой Федерико Фаджином. Работы велись очень быстро, и примерно за 9 месяцев были созданы 3 основных чипа. Последним из них в январе 1971 года появился микропроцессор Intel 4004.
По словам Стэна Мазора, заслуга Фаджина состояла в том то, что он осуществил инженерный дизайн, а Хоффа – в создании оригинальной концепции и архитектуры. Сам Мазор являлся своего рода посредником, который помогал, как мог, и делал то, что мог.
Федерико Фаджин разработал методологию проектирования МОП-структур с кремниевым затвором, используемых в произвольных логических схемах. Эта было необходимо, поскольку новая технология требовала другого дизайна, и особенно макета.
По словам Фаджина, он решил, что вместо того, чтобы отдельно проектировать логику, а затем схему, следует делать их вместе на одном листе. При этом необходимо учитывать расположение, насколько это возможно, чтобы проводники и транзисторы располагались как можно ближе к окончательной компоновке. Очевидно, для этого нужно было предварительно провести общее планирование чипа, чтобы знать размещение различных блоков. Именно тогда он и уточнил методологию создания такого типа схем.
Проектирование нового процессора Intel и руководство проектом MCS-4 с начала разработки до производства мог осилить только тот, кто был способен внедрять инновации в технологию процесса, макетирование микросхем, схемотехнику, логический дизайн и компьютерную архитектуру. Фаджин приобрел такие навыки и знания через свое образование и опыт работы до того, как он присоединился к Intel. После окончания технического вуза в Виченце (Италия) он участвовал в разработке и создании небольшого транзисторного экспериментального компьютера с памятью на магнитных сердечниках в компании Olivetti в Борголомбардо (Италия) в возрасте 19 лет. Затем он с отличием окончил Университет Падуи и занялся разработкой технологии МОП, создав 2 коммерческие микросхемы, когда работал в SGS-Fairchild (теперь ST Micro). В 1968 г. он был направлен в Fairchild Semiconductor R&D в Пало-Альто (Калифорния), где создал технологию МОП с кремниевым затвором и др.
Реальные инновации
Концептуализация первого процессора, ставшая основным вкладом Хоффа в проект 4004, происходила и в других компаниях. К такому же выводу пришли несколько групп независимо друг от друга. Поэтому главным в изобретении микропроцессора было создание экономически обоснованного продукта. Только один человек в мире знал, как сделать следующий шаг и перевести архитектуру в рабочий дизайн. Это был Федерико Фаджин. Без него первый микропроцессор никогда бы не был построен. Еще в Fairchild он изобрел технологию, которая легла в основу будущих устройств. После начала работы в компании «Интел», он исправил ошибки отсутствующего Хоффа, а затем сделал первый чип Intel 4004, после чего возглавил разработку 8008 и являлся главным архитектором 8080.
В то время инженеры знали, как создавать небольшие компьютеры, делать логический дизайн ЦПУ и создавать программы. Идея о микропроцессоре, т. е. о размещении на одном кристалле универсального компьютера, тоже витала в воздухе. Некоторые архитектуры уже были реализованы на нескольких МОП-микросхемах. Тем не менее, никто не знал, как установить 2300 транзисторов произвольной логики – минимально необходимое количество для простого процессора – в микросхему достаточно маленького размера, чтобы производство было дешевым, скорость работы была высокой, а рассеиваемая мощность достаточной для размещения в существующих корпусах.
Таким образом, реальная инновация в микропроцессоре заключалась в его компоновке на одном кремниевом чипе, поскольку все остальное было сделано раньше. И это удалось Фаджину без какой-либо значимой помощи со стороны Теда Хоффа и Стэна Мазора.
Единственный, кто ему помогал, – это инженер Busicom Масатоши Сима. Он пришел в Intel, чтобы проверить прогресс выполнения заказа через пару дней после того, как Фаджин был нанят на работу. Он понял, что за предыдущие 6 месяцев не было достигнуто никакого прогресса. Учитывая задержку в проекте и отсутствие какого-либо инженера Intel, способного помочь, Симе было разрешено остаться на 6 месяцев, чтобы ускорить работу. Однако он мало знал об интегральных схемах и, хотя он был очень полезным, все творческие решения принимал Фаджин. Начальник последнего, Лесли Вадаш, был так озабочен дизайном 1103 (первым 1024-битным динамическим ОЗУ, считавшегося будущим Intel), что не мог обеспечить технический контроль над проектом MCS-4. После успеха с 4004 Фаджин руководил внедрением 8008, а также задумал и определил архитектуры самых успешных из всех первых процессоров – 4040 и 8080.
Сомнения разработчиков
По словам Стэна Мазора, он и Тед Хофф полагали, что Intel 4004 был слишком агрессивным. Они не были уверены, что его можно сделать, поэтому начали с другого чипа, названного 4005. Это был совместный проект с MIL, который был партнером Intel в Канаде. Они определили намного более простую архитектуру, чем 4004. Канадская компания должна была разработать чип, а Intel – предоставить память. Оказалось, что она не смогла сделать 4005.
Хофф и Мазор в 1994 г. не были уверены в возможности реализации 4004. Вот почему через несколько месяцев после того, как Фаджин присоединился к Intel, они создали более простую архитектуру 4005 и отдали в канадскую компанию MIL для разработки. Но инженерам MIL микропроцессор сделать не удалось. Стало понятно, что даже создание простого чипа было далеко от рутинной работы. Кроме того, Хофф и Мазор сомневались, что 4004 может пригодиться для приложений, отличных от калькуляторов, кассовых аппаратов и т.п. Они думали, что только 1201, а позже и 8008 будут иметь достаточно универсальную архитектуру, чтобы использоваться в различных приложениях. После завершения проекта 4004 Фаджин продемонстрировал, что микропроцессор может применяться в различных системах управления и призвал руководство вывести Intel 4004 на рынок.
Неудачи с 8008
Другим примером, доказывающим то, насколько необходимой была методология Фаджина, является Intel 8008, архитектура которого первоначально разрабатывалась корпорацией Computer Terminal Corporation (CTC). Работа над чипом, первоначально названным 1201, началась до того, как Фаджин присоединился к Intel, но проект, назначенный разработчику процессоров с произвольной логикой, который перешел из General Instrument, далеко не продвинулся, потому что в то время отсутствовала какая-либо методология и библиотеки схем. Работы над 8008 были приостановлены и возобновились только в год выпуска Intel 4004.
Микропроцессор TI
Еще одним примером является первый одночиповый ЦПУ, который стал вторым источником для 8008, заказанных CTC у компании Texas Instruments. Объявленный в прессе в середине 1971 года, всего через несколько месяцев после успешного создания 4004, этот процессор так никогда и не заработал и никогда не продавался. Он был создан с использованием МОП-технологии с металлическим затвором компанией, которая имела многолетний опыт разработки ИС со сложной произвольной логикой. По сравнению с процессором «Интел-8008», размер чипа ТІ был вдвое больше, обеспечивая выполнение тех же функций. Скорость работы и рассеиваемая мощность никогда не обнародовались.
Пример для подражания
После того, как проект 4004 был завершен, другие инженеры, как внутри, так и вне компании Intel, смогли изучить методы, используемые Фаджином, исследовав дизайн под микроскопом. Этот же стиль использовался во всех других ранних микропроцессорах Intel и Zilog.
В заключение
4004 стал самым первым в истории процессором, сделанным по технологии кремниевого затвора. Это была самая передовая интегральная микросхема того времени. Ее создание требовало не только экстраординарных творческих способностей и навыков от дизайнера, но и глубокого знания новой технологии, которое мог иметь только ее разработчик. Кроме того, для успешного завершения проекта, который требовалось завершить за 10 месяцев из-за предыдущих невыполненных обязательств перед клиентом, были необходимы большое мужество, мотивация, навыки управления и устойчивая напряженная работа.
