Niezwykłe dokonania zwykłych ludzi. Intel i4004 i…

Za początek ery mikroprocesorów uznaje się rok 1971, kiedy to wprowadzono na rynek układ scalony znany jako Intel i4004. Wprawdzie ten układ scalony nie odegrał znaczącej roli, niemniej właśnie on zapoczątkował nowa erę w historii ludzkości, dlatego warto poznać okoliczności jego powstania.

Całkiem niedawno, w 2021 roku, obchodziliśmy półwiecze od premiery pierwszego mikroprocesora. Intel 4004 (fotografia 1), bo o nim jest mowa, jest pierwszym na świecie komercyjnym jednoukładowym 4-bitowym mikroprocesorem.

Sztuka budowania komputerów była już opanowana. Tu warto wspomnieć o słynnym lampowym komputerze ENIAC, który zajmował całkiem spory budynek i wymagał małej elektrowni by go zasilić w energię elektryczną. Pół wieku temu istniały już pierwsze układy scalone. Na przełomie lat 50-60. dwudziestego wieku w firmie Fairchild Semiconductor został opatentowany pierwszy układ scalony bazujący na płytce krzemowej oraz niezależnie w Texas Instruments układ scalony bazujący na germanie. Były to jednak układy o małej skali integracji.

To wydarzenie zapoczątkowało proces, który finalnie doprowadził dzisiaj firmę Intel do pozycji światowego lidera w dziedzinie mikroprocesorów. Można długo się zastanawiać, do jakich zbiegów okoliczności musiało dojść, by mało znany, raczkujący jeszcze Intel dokonał tego czego dokonał. W tamtych czasach istniały firmy o znacząco większych zasobach finansowych i ludzkich oraz lepiej wyposażone w aparaturę badawczą, diagnostyczną. Zrozumiałe jest, że tego typu nowatorskie prace wymagają zwykle sporych zasobów finansowych i odpowiedniego wyposażenia narzędziowego (które również mają jakieś przełożenie na środki finansowe). Cała tajemnica tkwi w odpowiednim zespole ludzi (czterech inżynierów), których praca stała się wyznacznikiem dla innych. To jest jak odkrywanie nieznanego świata. Dodatkowo musiało zaistnieć „coś” co dało impuls do działania. To „coś”, to była japońska firma Busicom, która zajmowała się biurowymi kalkulatorami i chciała stworzyć nowy model kalkulatora.

W sumie procesor 4004 miał czterech ojców. Pierwszym z nich jest Masatoshi Shima, który pracował dla japońskiej firmy Busicom. To Shima miał wizję nowatorskiego rozwiązania. W 1969 r. Busicom i Intel podpisały wstępną umowę na opracowanie niestandardowego zestawu chipów do kalkulatora. W rzeczywistości ten projekt był pobocznym projektem z niedoborem personelu (Intel rozwijał swoją inną linię produktów – układy pamięci). Niewiele brakowało, by cały projekt zakończył się fiaskiem.

Drugim ojcem był Ted Hoff. Kierował on działem aplikacji Intela i jednocześnie negocjował z Busicom. Hoff miał świadomość, że Intel będzie miał trudności z opracowaniem wszystkich chipów. Zwłaszcza że system będzie wymagał wielu pinów w chipie do połączenia z innymi, co przesunęłoby granice technologii pakowania układów w ceramicznych obudowach używanych przez Intela. Intel w tamtych czasach nie wytwarzał układów większych niż o 16 wyprowadzeniach. Zapewne był to jakiś problem, gdyż kosztem „oszczędności na pinach” procesor 4004 miał dosyć pokrętny system komunikacji z pamięcią.

Kolejnym ojcem był Stanley Mazor. Hoff i Mazor razem opracowali zestaw specyfikacji dla każdego chipa i proponowany harmonogram produkcji. Niewiele brakowało, by rozwijający się projekt upadł. Prace w Intelu praktycznie się zatrzymały na początku 1970 roku. Problem polegał na tym, że Hoff i Mazor nie byli projektantami układów. Niezbędny był ktoś, kto potrafi przyjąć specyfikacje i stworzyć szczegółowe diagramy bramek logicznych budujących procesor, co z kolei przekłada się na dokładne ustalenie, jak i gdzie tranzystory i inne komponenty mają być umieszczone w fizycznym chipie. W rzeczywistości w firmie Intel nie było nikogo, kto mógłby podjąć się tego zadania, ponieważ firma koncentrowała się wówczas na innym profilu działania.

I tu na scenę wkracza najważniejszy, czwarty ojciec: Frederico Faggin (fotografia 2). Na początku swojej kariery Faggin zaprojektował i zbudował komputer od podstaw dla firmy Olivetti we Włoszech. Następnie pod koniec lat 60. dołączył do Fairchild Semiconductor w Dolinie Krzemowej, gdzie wniósł kluczowy wkład w zaawansowaną technologię półprzewodników (MOS), na której opierały się między innymi układy Intela. Faggin chciał pracować w bardziej przedsiębiorczym środowisku niż w Fairchild, dlatego w kwietniu 1970 roku przyjął ofertę Intela. Jak sam powiedział, kiedy zobaczył harmonogram prac: „Opadła mi szczęka: miałem mniej niż sześć miesięcy na zaprojektowanie czterech układów, z których jeden, CPU, znalazł się na granicy możliwości technologicznych”.

Faggin sprostał swemu zadaniu. Dał ludzkości niezwykły wynalazek, coś, co głęboko i trwale wdarło się do świata ludzi. Dzisiaj mikrokontrolery (jako pochodne mikroprocesorów) są wszechobecne i trudno sobie wyobrazić świat bez tego ważnego wynalazku. Pierwszy mikroprocesor miał 16-pinową obudowę typu DIL (rysunek 1).

Strukturę wewnętrzną procesora pokazuje rysunek 2. Jak się bliżej przyjrzeć, to można dostrzec, że procesor ten miał dosyć „krótki” stos sprzętowy (3 elementy stosu) oraz, co znamienne, nie obsługiwał żadnych przerwań. Przerwanie, jako niezbędny element współczesnych procesorów oraz mikrokontrolerów, nie występowało w pierwszych konstrukcjach, wręcz nie istniało takie pojęcie jak przerwanie. Nie należy się temu dziwić, gdyż nikt nie posiada patentu na doskonałe rozwiązania. Jak mówi znane porzekadło: nie od razu Kraków zbudowano. Podobnie tutaj, ewolucja pomysłów i koncepcji jest ciągle trwającym procesem. Każdy produkt w trakcie swego użytkowania uwidacznia elementy, których początkowo twórca nie brał pod uwagę.

Faggin stworzył coś, co nadal ulega ewolucji. Dosyć szybko Intel dostrzegł ogromny potencjał jaki ma w sobie mikroprocesor. Powstały kolejne ulepszone modele. Procesor 4040 (fotografia 3), jako następca 4004, miał praktycznie identyczną strukturę wewnętrzną.

Podstawowa różnica (oprócz zwiększonych zasobów stosu) to zdecydowanie większa obudowa (24 pin) oraz możliwość obsługi przerwań. Świat również dostrzegł ogromną elastyczność procesora w wielu zastosowaniach. Ciągły popyt na moc obliczeniową (pierwsze procesory mogły wyciągnąć ledwie małe kilkaset tysięcy instrukcji na sekundę) spowodował zwiększenie szerokości szyny danych, by zwiększyć szybkość przesyłania danych pomiędzy procesorem a pamięcią. Powstał procesor 8008 (fotografia 4).

Kolejnym krokiem był procesor 8080 (fotografia 5), który stał się bardzo uniwersalnym elementem do budowy różnych urządzeń.

Nawet polskie CEMI miało go w swojej ofercie (fotografia 6).

Ten układ miał pewne wady. Jednostka centralna składała się z trzech układów: 8080 – procesora, 8224 – generatora taktu zegarowego, gdyż procesor wymagał dwufazowego sygnału zegarowego o ściśle określonym wypełnieniu, oraz 8228 – kontrolera systemu do współpracy z pamięcią i portami. Jednostka wymagała też trzech napięć zasilających. Tej wady nie miał już procesor 8085 (fotografia 7), który stał się znacząco ulepszoną wersją 8080 (był już jednonapięciowy i jednoukładowy).

Jednak cele biznesowe Intela oraz Faggina stały się rozbieżne. By rozładować tworzące się napięcie pomiędzy zarządem a zespołem stworzonym przez naszego bohatera, odszedł on i stworzył nową firmę powszechnie znaną jako ZILOG. To tam powstał najbardziej kultowy procesor wszech czasów: Z80 (fotografia 8). Ogromną zaletą procesora Z80 jest kompatybilność programowa z 8080 (program stworzony dla 8080 bez żadnych przeróbek będzie działał na Z80, odwrotnie już niekoniecznie). To pozwoliło użytkownikom na wykorzystanie ogromnych już zasobów oprogramowania w nowym środowisku. Procesor ten jest produkowany do dzisiejszego dnia (czego nie można powiedzieć o 8080) i obecnie wręcz powstają jego fankluby. Sam osobiście jestem ogromnym sympatykiem tego wynalazku, który zdeklasował wszystkie inne procesory 8-bitowe. Uważam, że każdy kto chce zgłębić sztukę budowania urządzeń opartych na procesorach, powinien spróbować swoich sił z tym procesorem.

Przy budowie urządzenia opartego na Z80 (jak i na innych procesorach z tamtych czasów jak 8085 czy inny wręcz kultowy model procesora o oznaczeniu 6800 – fotografia 9, produkowany przez firmę Motorola) wystąpi wiele czynników poszerzających wiedzę, których nigdy nie zaobserwujemy wykorzystując nowoczesne mikrokontrolery typu AVR czy ARM.

Podsumowując, Frederico Faggin jest osobą, która odcisnęła swój trwały ślad w historii elektroniki, dając nam wszystkim produkt o niesłychanych możliwościach. Można się długo zastanawiać, co by było, gdyby zamiast fizykiem został on przykładowo lekarzem. Czy świat dostałby w prezencie coś, co nazywamy mikroprocesorem? Zapewne tak, gdyż rzeczywistość zawsze znajdzie jakąś drogę do celu. Jak nie Frederico to pewnie byłby ktoś inny. Niewykluczone, że rozwój elektroniki potoczyłby się inaczej.

Fotografie udostępnione na licencji Creative Common pochodzą z Wikipedii i strony www.cpu-zone.com.

 

Andrzej Pawluczuk

apawluczuk@vp.pl