История создания первых микросхем. История изобретения интегральной схемы Первая интегральная микросхема родилась в каком году
В первых числах февраля 2014 года был отмечено пятидесятипяти летие с момента появления в мировом сообществе такой неотъемлемой части современной схемотехники, как интегральная микросхема.
Напоминаем, в 1959 году Федеральное патентное ведомство соединенных Штатов Америки выдало патент компании Texas Instruments на создание интегральной микросхемы.
Данное событие было отмечено как зарождение эпохи электроники и всех вытекающих от ее использования благ.
Действительно, интегральная микросхема является основой большинства известных нам электроприборов.
Впервые идея создания интегральной микросхемы возникла в начале пятидесятых годов прошлого века. Главным аргументом ее появления являлась миниатюризация и сокращение стоимости электроприборов. Долгое время мысли о ее реализации просто витали в воздухе, несмотря на то что в мире активно развивались такие ответвления схемотехники, как телевидение и радио, а также компьютерные технологии.
Создание интегральной микросхемы предполагало отказ от лишних проводов, монтажных панелей, изоляции при производстве схемотехники на диодах и полупроводниковых транзисторах. Однако реализовать подобные мысли долгое время никому никак не удавалось. Только после активных работ такого талантливого и хорошо известного современным ученым инженера, как Джек Килби (лауреат Нобелевской премии по физике за изобретение интегральной микросхемы в 2000 году), в 1958 году была представлена первая микросхема. Спустя почти полгода, изобретение было запатентовано компанией, на которую работал Килби (Texas Instruments).
Конечно, сейчас можно констатировать тот факт, что первая микросхема германского ученого Килби была совершенно непригодной к эксплуатации. Однако на ее основе были созданы все более поздние интегральные микросхемы, одной из которых стала технология Роберта Нойса - кремниевая планарная микросхема.
Р. Нойс занимал высокую должность в компании Fairchald Semiconductor, точнее, он был одним из ее основателей. Работа Нойса была запатентована почти сразу же после получения патента Килби. Однако в отличие от микросхемы Килби, разработка Нойса получила востребованность среди основных производителей электротехники. Это стало причиной возникновения спора между компаниями Texas Instruments и Fairchald Semiconductor и последующего судебного разбирательства вплоть до 1969 года. В результате первым изобретателем микросхем был назван Нойс. Хотя подобное стечение обстоятельств нисколько не огорчило владельцев обеих компаний. Несколькими годами ранее они пришли к единому решению и признали обоих ученых основателями интегральной микросхемы с одинаковыми правами, выдав им высшие награды научного и инженерного сообществ США - National Medal of Science и National Medal of Technology.
Если хорошо покопаться в прошлом, то с уверенностью можно сказать, до того как Нойс и Килби представили миру микросхему, над этой идеей поработало достаточно большое количество ученых, которые предлагали не менее продвинутые конструкции. Среди них инженер Вернер Якоби (Германия). Его разработка была даже запатентована в 1949 году. В патенте инженер зарисовал конструкцию микросхемы из 5 транзисторов на общей подложке. Позже, в 1952 году был описан принцип интеграции компонентов схемы в единый блок английским инженером Д. Даммером. Спустя еще пятилетний период, Джеффри Даммер анонсировал первый действующий образец интегральной микросхемы-триггера, основанный на четырех транзисторах. К сожалению, английские специалисты военных подразделений по достоинству не оценили изобретения Даммера, хотя должны были. В результате все работы ученого были приостановлены. Позже изобретение Даммера назвали прародителем современных микросхем, а самого ученого - пророком интегральной микросхемы.
В 1957 году в Соединенных Штатах Америки была принята заявка другого инженера Бернара Оливера на получение патента на описанную им технологию производства монолитного блока на трех планарных транзисторах.
В числе имен пророков современной микросхемы звучат и инициалы инженера Харвика Джонсона, которых патентовал сразу несколько типов создания электронных компонентов схем на одном кристалле, но так и не получил ни одного разрешающего реализовать свои открытия документа. Один из этих способов использовал Джек Килби, которому и достались все лавры Джонсона.
Когда и кем была создана первая микросхема? а то мне говорят,что оптические приборы не позволяли лазером "нарезать" на монокристал
Еще в конце 40-х годов в Centralab были разработаны основные принципы миниатюризации и созданы ламповые толстопленочные гибридные схемы. Схемы выполнялись на единой подложке, а зоны контактов или сопротивления получались простым нанесением на подложку серебряной или типографской угольной краски. Когда же стала развиваться технология германиевых сплавных транзисторов, в Centralab было предложено монтировать бескорпусные приборы в пластиковую или керамическую оболочку, чем достигалась изоляция транзистора от окружающей среды. На этой основе можно было уже создавать транзисторные гибридные схемы, "печатные платы". Но, по сути дела, это был прообраз современного решения проблемы корпусирования и выводов интегральной схемы.
К середине 50-х годов Texas Instruments имела все возможности для производства дешевых полупроводниковых материалов. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из кремния, то резисторы в TI предпочитали делать из нитрида титана, а распределенные емкости - из тефлона. Неудивительно, что многие тогда полагали, что при накопленном опыте создания гибридных схем нет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы одинакового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость схемы будет значительно снижена. Этот подход очень напоминает предложенный Генри Фордом процесс конвейерной сборки автомашин.
Таким образом, в основе доминировавших тогда схемных решений лежали различные материалы и технологии их изготовления. Но англичанином Джеффом Даммером из Royal Radar Establishment в 1951 году было выдвинуто предположение о создании электроники в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев одного и того же материала, работающих как усилитель, резистор, емкость и соединенных вырезанными в каждом слое контактными площадками. Как это сделать практически, Даммер не указал.
Собственно, отдельные резисторы и емкости можно было делать из того же кремния, однако это было бы довольно дорогое производство. Кроме того, кремниевые резисторы и емкости были бы менее надежны, чем компоненты, изготовленные по стандартным технологиям и из привычных материалов, тех же нитрида титана или тефлона. Но так как все же имелась принципиальная возможность изготовить все компоненты из одного материала, то следовало бы подумать об их соответствующем электрическом соединении в одном образце.
24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название Идеи монолит (Monolithic Idea), в которой было указано, что <... p-n-="">Заслуга Килби - в практической реализации идеи Даммера.
Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
Корпуса
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах - корпусном и бескорпусном.
Корпус микросхемы- этонесущая системаи часть конструкции, предназначенная для защиты от внешних воздействий и дляэлектрическогосоединения с внешними цепями посредствомвыводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологии изготовления готовых изделий.
Бескорпусная микросхема - это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтажнапечатную плату).
Специфические названия
Фирма Intel первой изготовила микросхему, которая выполняла функции микропроцессора (англ. microproccessor) - Intel 4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров 8088 и 8086 фирма IBM выпустила свои известные персональные компьютеры)
Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет). Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из одной-двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PSI Express) в процессор.
Микропроцессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.
Правовая защита
Законодательство России предоставляет правовую охрану топологиям интегральных микросхем. Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними (ст. 1448 ГК РФ).
Исключительное право на топологию действует в течение десяти лет. Правообладатель в течение этого срока может по своему желанию зарегистрировать топологию в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
История создания
7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС). Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий.
В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированых на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни. 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.
Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961-1962 парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964-1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар.
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон»). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год)
Сейчас, даже более мене продвинутые мобильные телефоны не обходятся без микропроцессора, что уже говорить о планшетных , переносных и настольных персональных компьютерах. Что же такое микропроцессор и как развивалась история его создания? Если говорить на понятном языке, то микропроцессор – это более сложная и многофункциональная интегральная схема .
История микросхемы (интегральной схемы) начинается с 1958 года , когда сотрудник американской фирмы Texas Instruments Джек Килби изобрел некое полупроводниковое устройство, содержащее в одном корпусе несколько транзисторов, соединенных между собой проводниками . Первая микросхема – прародительница микропроцессора – содержала всего лишь 6 транзисторов и представляла собой тонкую пластину из германия с нанесёнными на неё дорожками, выполненными из золота, Расположено всё это было на стеклянной подложке. Для сравнения, сегодня счет идет на единицы и даже десятки миллионов полупроводниковых элементов .
К 1970 году достаточно много производителей занимались разработкой и созданием интегральных схем различной емкости и разной функциональной направленности. Но именно этот год можно считать датой рождения первого микропроцессора. Именно в этом году фирма Intel создает микросхему памяти емкостью всего лишь 1 Кбит – ничтожно мало для современных процессоров, но невероятно велико для того времени. На то время это было огромнейшее достижение – микросхема памяти способна была хранить до 128 байт информации – намного выше подобных аналогов. Кроме этого примерно в тоже время японский производитель калькуляторов Busicom заказала той же Intel 12 микросхем различной функциональной направленности. Специалистам Intel удалось реализовать все 12 функциональных направленностей в одной микросхеме. Более того, созданная микросхема оказалась многофункциональной, поскольку позволяла программно менять свои функции, не меняя при этом физической структуры. Микросхема выполняла определенные функции в зависимости от подаваемых на ее управляющие выводы команд.
Уже через год в 1971 Intel выпускает первый 4-разрядный микропроцессор под кодовым именем 4004. По сравнению с первой микросхемой в 6 транзисторов, он содержал аж 2,3 тыс. полупроводниковых элементов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. На то время – это был огромнейший прорыв в области микроэлектроники . 4-разрядный означало то, что 4004 мог обрабатывать сразу 4-х битные данные. Еще через два года в 1973 фирма выпускает 8-ми разрядный процессор 8008, который работал уже с 8-ми битными данными. Начиная с 1976 года , компания начинает разрабатывать уже 16-разрадную версию микропроцессора 8086. Именно он начал применятся в первых персональных компьютерах IBM и, по сути заложил один из кирпичиков в
Давайте вернемся к истории возникновения процессоров.
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. 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. Характерна в этой связи история разработки первого в мире микропроцессора.
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. Вот полный текст этого бизнес-плана.
"Компания будет участвовать в исследованиях, разработке, изготовлении и продаже интегрированных электронных структур, чтобы удовлетворять потребность промышленности в электронных системах. Они будут включать в себя полупроводниковые устройства в тонкой и толстой оболочке и другие компоненты твердого тела, используемые в гибридных и монолитных интегрированных структурах.
Разнообразие процессов будет установлено на лабораторном и производственном уровнях. Они включают: выращивание кристаллов, разрезание, напуск, полировку, диффузию твердого тела, фотолитографическое маскирование и гравирование, вакуумное напыление, покрытие оболочкой, сборку, упаковку, тестирование. А также разработку и изготовление специальных технологий и испытание оборудования, требующегося для выполнения указанных процессов.
Изделия могут включать диоды, транзисторы, устройства с полевым эффектом, фоточувствительные элементы, лучеиспускающие устройства, интегральные схемы и подсистемы, обычно характеризующиеся фразой "масштабируемая интеграция с запаздыванием". Основными пользователями этих продуктов, как ожидается, будут производители передовых электронных систем для коммуникации, радаров, контроля и обработки данных. Ожидается, что большинство этих клиентов будут расположены за пределами Калифорнии".
По всему видно, что Нойс и Мур были оптимистами, раз предполагали, что хоть кто-то на основе этого текста сможет понять, чем, собственно, будет заниматься компания. Из текста бизнес-плана, однако, видно, что 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…
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").
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.
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.
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.
Словом, 12 новых микросхем Intel физически не могла потянуть. Но Мур и Нойс были не только замечательными инженерами, но и предпринимателями, в связи с чем им сильно не хотелось терять выгодный заказ. 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
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
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.
В конечном итоге группа кроме Фэджина пополнилась одним электротехником и тремя чертежниками. Но основная тяжесть работы все равно легла на руководителя. Первоначально группа Фэджина взялась за разработку чипа 4001 - микросхемы ROM.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Роль оперативной памяти отводилась чипу 4002. Обмен данными с 4002-й также осуществлялось по четырехразрядной шине. В системе на базе MCS-4 можно было использовать максимум четыре микросхемы 4002, то есть максимальный объем ОП в такой системе равнялся 1 кбайт (4 x 320 бит). Память была организована в виде четырех регистров, в каждом из которых могло размещаться двадцать четырехбитных символов (4 x 20 x 4). Поскольку при использовании четырехбитного кода можно закодировать максимум 16 символов (24), MCS-4 было бы затруднительно использовать для работы с текстовым процессором. Если говорить о калькуляторе, то кодировались десять символов от 0 до 9, четыре знака арифметических действий, десятичная точка и один символ оставался резервным. Получение данных из памяти осуществлялось процессором по инструкции SRC.
Процессор посылал две четырехбитовые последовательности X2 (D3D2D1D0) и X3 (D3D2D1D0). В последовательности X2 биты D3D2 указывали номер банка памяти (номер чипа 4002), а биты D1D0 - номер запрашиваемого регистра в этом банке (современные процессоры, кстати, при работе с памятью также указывают номер банка памяти). Вся последовательность X3 указывала номер символа в регистре. Чипы и регистры нумеровались: 00 - 1; 01 - 2; 10 - 3; 11 - 4. Например, инструкция SRC 01010000 сообщала процессору, что во втором чипе, втором регистре следует выбрать первый символ.
Весь обмен данными с внешними устройствами, такими, как клавиатура, дисплеи, принтеры, телетайпы, разного рода переключатели, счетчики, - словом, с периферией, осуществлялся через микросхему интерфейса 4003. В ней были объединены параллельный выходной порт, а также последовательный входной / выходной порт. В принципе, такой механизм обмена данными с периферией просуществовал вплоть до появления портов USB и т. п.
Основа набора - микросхема 4004 - была самым настоящим микропроцессором. Процессор содержал четырехбитный сумматор, регистр-аккумулятор, 16 индексных регистров (четырехбитных, естественно), 12 счетчиков программ и стека (четырехбитных) и восьмибитный командный регистр и декодер. Командный регистр подразделялся на два четырехбитных регистра - OPR и OPA.
Рабочий цикл происходил следующим образом. Процессор вырабатывал сигнал синхронизации SYNC. Затем посылалось 12 бит адреса для выборки из ROM (4001), которые проходили за три рабочих цикла: A1, A2, A3. В соответствии с поступившим запросом обратно в процессор посылалась восьмибитная команда за два цикла: M1 и M2. Инструкция размещалась в регистрах OPR и OPA, интерпретировалась и выполнялась за следующие три цикла: X1, X2, X3. На рисунке показан рабочий цикл процессора Intel 4004. Частота процессора 4004 первого выпуска была 0,75 МГц, так что все это происходило не очень быстро по нынешним понятиям. Весь цикл занимал порядка 10,8 секунды. Суммирование двух восьмизнаковых десятичных чисел занимало 850 секунд. За секунду Intel 4004 выполнял 60 000 операций.
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".
Читайте далее эту историю по ссылкам:
История архитектуры процессора x86 Часть 2. Восемь бит
История архитектуры процессора x86 Часть 3. Далекий пращур
