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春天的故事:4004处理器编辑本段回目录
4004打开微处理器之门编辑本段回目录
4004微处理器的诞生过程真正体现了英特尔公司“技术为王”的特点——一帮天才设计师完成了看似不可能完成的任务。
霍夫与刚从仙童公司跳槽过来的芯片工程师斯坦·麦卓尔(Stan Mazor)合作,设计了一个全新的微处理器架构——所有晶体管都装在一块芯片上。整个结构包括记录调度,引导组及芯片间的互联,最关键的芯片包含了计算器的算术和逻辑电路系统,能够运行常规计算机程序的单片CPU,以取代用不同的单个片,来分别承担键盘控制、显示控制、打印控制、算术运算、记录等等功能。最后定型的4004微处理器只有1/8英寸长,1/6英寸宽,包括有2300个晶体管,功能与EMAC一样,运行起来同60年代价值30万美元的IBM机一样,而后者需要桌子大小的微处理器。
微处理器本身的设计则是由另一位英特尔的天才工程师费德里科·费金(Federico Faggin)完成的。他在硅片上确定了各种晶体管的实际排放位置,并发展了芯片规格和晶体管计数的细节。1971年1月,第一个真正可以运转的微处理器在英特尔公司出现,定名为“4004型”。第一个“4”是指以4位为单位的设计思想,后一个“4”是指由英特尔制造的第4种专用芯片,售价为200美元。
1971年11月15日,集成2300个晶体管的4004微处理器被英特尔公司推出之后,距离诺伊斯与罗克的对话已经过去整整3年。同一天,4004微处理器的图片广告出现在《电子新闻》杂志上面,第一个客户来自遥远的亚洲,日本Busicom公司订购了第一批4004微处理器,用在自己的计算机系统上面。
4004是英特尔公司推出的第一款微处理器,也是世界上第一款微处理器。跟历史上任何首开先河的事物一样,4004除了拥有一个“全球第一”的头衔之外,商业上并没有取得更大的反响。这一点跟英特尔公司自己在创业初期的处境倒是颇为相似。
业界前辈口述处理器“战火”背后的故事 编辑本段回目录

微处理器来自科幻片的灵感编辑本段回目录
2001年,英特尔公司承认:制造微处理器(CPU)的灵感来源于1968年的一部电影,英特尔 4004型CPU就是当年科幻片《2001:奥德赛邀游太空》的主角——得了妄想症的杀人电脑HAL。
英特尔是在“庆祝CPU诞生30周年纪念日”的典礼揭露这个历史秘密的,它说:“1968年的电影迷为HAL如痴如醉,它在科幻片中的表现令世人着迷。即使是这部超前的杰出影片,也没有预测到PC及网络技术发展如此之快,今天的一切对那个时代的人来说都是不可想象的。”
“在那部影片上映后不久,我们公司的工程师特德·霍夫就发明了4044型CPU,它是为日本计算器厂商设计的——它奠定了PC发展之路的基础。”英特尔公司客户培训部经理拉尔夫·邦德说,“现在我们已经在语音识别领域取得了重要成就,人类最终将用语音控制家庭电脑;而电脑也会变得非常机灵,能够对我们的命令迅速做出反应。”
微处理器的由来可追溯到50年代末,当时德州仪器的杰克·基尔皮和仙童半导体公司的罗伯特·诺依斯分别同时找到方法,将大量的晶体管及它们间的连线放置在一块硅片上。这个集成电路包括了计算机的完整部分,例如,一个逻辑电路或存贮记录。设计者可以把越来越多的晶体管塞进一块硅片上,结果一小块硅片已经可以装下成百上千的晶体管。这就是我们所知道的大规模集成电路,或LSI。
LSI有一个缺点:电路被牢牢固化在硅片上,所以芯片只能完成设计了的工作——用工程语言来说,他们是“硬线化了”。没有人知道微处理器的研究应该怎么走,也没有人认为这玩艺儿非发明不可。相反,微处理器的发明成了无心栽插的柳。
会掉进小洞里的计算机
当时,霍夫负责英特尔研发工作,在一间很小的实验室工作,还和另一位同事合用。房间还堆着联碳公司的一盒盒元件,又占去了一半空间。当时公司研究重点是半导体存储芯片。1969年6月20日,日本商事公司的一组工程人员从东京到硅谷,来见霍夫。他们想让英特尔设计一些特殊的芯片,用于计划中的合成计算器。不巧,霍夫去太平洋的塔布堤岛度假去了。
当休假归来,日本的工程师们还在等着他,日本人提出了一套六种极其复杂的芯片设计方案。这种设计对当时的英特尔来说太复杂了。
霍夫书桌旁是一台DEC的PDP-8型小型机。过去他曾设想把一台计算机放在一个芯片上,如今这个想法又浮现出来:“我凝视着PDP-8型计算机,凝视着商事的设计方案。我纳闷,他们这种计算器为什么要搞得这么复杂?”
关于霍夫的灵感,有这样一个版本:霍夫去塔西提岛的海滩游泳,阳光照在金黄色的沙滩,想着芯片的事,这时一缕浓重的防晒油气味扑鼻而来,霍夫突然想起一个方案:能不能把“仓库”、“工场”和其他东西都作在一块芯片上,使处理器(Processor)变小成为微处理器(Microprocessor)呢?由此他设计出世界上第一个微处理器,把CPU的所有功能集中在一个芯片上,把两个存储芯片附加上去,一个存储数据,另一个装有驱动CPU的程序。这样不但使计算器变得简单,而且成本也大为降低,但商事公司对这一设想不以为然:“离远点,别打扰我们。我们知道自己在做什么。”
在这件事上,诺伊斯坚决支持霍夫。几年前,诺伊斯就曾预见微处理器的可能性。在60年代未的一次会议上,他曾预言将会诞生一种装在一个芯片上的计算机。当时一位持不同观点的人说:“天哪!我肯定不希望我的那台计算机会丢失在地板的一个小洞里。”诺伊斯笑道:“你完全搞错了。因为你的书桌上有一百多个计算机呢,丢掉一个算什么。”
当时,业内普遍认为设计大型机才是大有可为的领域。然而,霍夫另辟蹊径。他说服了刚从仙童公司跳槽的斯坦·麦卓尔(Stan Mazor)与他合作,共同研制。霍夫的突破就是对芯片组结构的设计。霍夫把一个简单的计算机的整个中央处理单元——CPU——都装在了一块芯片上。他附加上二块存贮芯片,一个是只读存贮器,另一个是读写存贮器。后来又增加了一块芯片,它主要是一个输入输出芯片。微处理器实际上是一个非常复杂的印刷电路,人们称之为“单片机”,因为它拥有所有计算机的算术逻辑功能,其体积却只有针尖大小。减少组件的数量并不重要,关键还在于设计。霍夫说:“真正的关键不一定是组件的数目,而在于组织,结构概念。你拿来一台通用计算机,并把它造在一个芯片系统上。”
微处理器终于出世
霍夫的创新在于设计了芯片组的结构(而不是芯片本身,芯片是由另一位英特尔工程师费德里科·费金(Federico Faggin)设计出来的)。整个结构包括记录调度,引导组及芯片间的互联,最关键的芯片包含了计算器的算术和逻辑电路系统,只有输出输入和程序单元可以放在不同的芯片上。霍夫想设计出能够运行常规计算机程序的单片CPU,以取代用不同的单个片,来分别承担键盘控制、显示控制、打印控制、算术运算、记录等等功能。霍夫所作的CPU只有1/8英寸长,1/6英寸宽,包括有2300个晶体管,而它的功能与EMAC一样,它运行起来同60年代价值30万美元的IBM机一样,而后者需要桌子大小的中央处理单元。
1969年10月,霍夫的微处理器与商事的方案一同送到公司总部。霍夫不得不为他的作品进行辩护。商事的经理被说服了,双方签署合同,规定由商事独家享用霍夫设计的这种微处理器。
霍夫的设计由费德里科·费金在硅片上实现了。芯片本身——芯片上各种晶体管的实际排放位置——是费金的成果;1970年春,他发展了芯片规格和晶体管计数的细节。1971年1月,第一个真正可以运转的微处理器出世了。定名为“4004型”。第一个“4”是指以4位为单位的设计思想,后一个“4”是指由英特尔制造的第4种专用芯片。这一有4比特总线配置、108千赫的芯片,作在一个3毫米X4毫米的印模上,有2250个晶体管,每个晶体管之间的距离是10微米,也就是说每个晶体管间隔只有一根头发的千分之一,每秒运算量为6万次,售价为200美元。
另一项英特尔的发明促进了霍夫芯片的发展,提高了它的市场竞争力。这就是EPROM(可擦除的编程式只读存贮器)。它是英特尔的研究人员多夫·福拉曼发明的。在此之前,计算机的存贮器几乎是永久性的,改变起来十分困难。现在,因为有了EPROM,才使删除某种功能的记忆和重新编程成为可能。在EPROM之前,只有不稳定的读写存贮器、从工厂定做的只读存贮器和一次性可编程只读存贮器。现在任何人都可以使用EPROM来重新编程而不需要编程去除错误部分。
这时,计算机终端公司也找上门来,也要为他们生产一种专用芯片。于是霍夫和麦卓尔设计了一种比“4004型”更强大的微处理器,称为“8008型”。1972年4月,英特尔推出200千赫的8008微处理器芯片,还是10微米技术,但晶体管总数已增至3500个,内存位160KB,在13.5平方毫米的地方能执行45种指令。这是第一台真正的微处理器。
喝彩寥寥,只因太具革命性
1971年10月15日,英特尔终于在《电子新闻》上刊登了“4004型”芯片的广告:“一个集成电子新纪元的到来——能把一个微型程序控制计算机放进一个半导体芯片”。但电子行业对4004型反应谨慎。秋季Comdex上,一位顾客说英特尔胆大妄为,竟敢声称把一台计算机放进一个芯片上,麦卓尔给他看了芯片,他才很勉强地同意这玩意可以叫计算机。
的确,一切都是那么惊险。1971年初,4004芯片送到商事公司,立即遭到拒绝。当时计算器市场大面积削价。这个一年前签订有合同现在看来太破费了,商事要求重新协定价格。霍夫听到这一消息,就对公司销售部的人说:“谢天谢地!你们要从商事那儿要回将‘4004型’卖给其他客户的权力。”为降低价格,商事同意放弃它对‘4004型’芯片的独享权。
但英特尔销售部并不认为微处理器是一种有销路的产品,他们认为不值得花代价生产和推销。他们向霍夫解释说,他不过是电脑业的一个后生,而每年只能卖掉2000台微电脑,如果英特尔出售他的芯片,那么可能得到的只有10%的市场占有率,而每年只售出2000台很不划算的。另一个问题是,这样一台采用了只需要50美元~100美元成本的新型芯片的计算机怎么能够弥补软件开发费用呢?这时候,微型计算机还根本不流行,人们对微电脑毫无兴趣,微电脑的概念对人们来说是那样陌生,以至于没有人,甚至霍夫和他的同事们,预测到它将会引发计算机和电子工业的一场革命。人们习惯于把计算机想成价值上百万美元的商品,只有专家才能操作和维修。只需花买一只荧光灯泡的钱(70年代末,微处理器只卖5美元一只)就能买到的新芯片来换掉一个有缺陷的芯片,这种想法对许多人来说太不可思议了。
因为此前4004没有公布于众,还没有什么市场需求,霍夫等人不断催促。“我们每个月都向他们提出这个要求,但他们每次商议的结果都是——暂不公布”。最后曾在德州仪器任职的格尔·贝克出任销售部主任,态度才积极起来。
1972年年中,霍夫和麦卓尔出差三周,巡回到一些公司举办讨论会。人们最常向他俩提的问题是:“如果坏了,你们怎么修理它”。人们无法想象计算机竟然也可以象电灯泡似的,用坏后一扔了之。还有的顾客冷言嘲弄:“你们怎样确保它是在工作呢”?
的确,要让人们接受微处理器概念绝非易事。1972年,技术报刊才首先注意到它。1978年初,电子学杂志开始登满这一奇迹的文章。越来越多公司追随英特尔推出“纸老虎”产品,市场十分混乱。“人们习惯认为计算机是一种巨型而昂贵的装置,因此一定要保护它,看守它,小心对待它,高效率地使用它,才合算,才值得”。
1972年3月,也即英特尔公布“4004型”后4个月,德州仪器公司也推出8位的微处理器,两家公司产生了争执。最后,是英特尔获得了专利。但霍夫说:“我并不认为一旦为微处理器申请了专利后,就可以声称拥有了微处理器的一切”。
相关链接编辑本段回目录
参考文献编辑本段回目录
http://tech.sina.com.cn/other/2004-09-27/1654432622.shtml
http://en.wikipedia.org/wiki/Stanley_Mazor