Die überraschende Geschichte der ersten Mikroprozessoren

Sie dachten, es begann mit dem Intel 4004, aber die Geschichte ist komplizierter

Transistoren, die elektronischen Verstärker und Schalter, die man im Herzen von allem findet, vom Taschenradio bis zum Supercomputer in Lagerhausgröße, wurden 1947 erfunden. Frühe Geräte waren von einem Typ, der bipolare Transistoren genannt wird, die immer noch im Einsatz sind. In den 1960er Jahren hatten Ingenieure herausgefunden, wie man mehrere bipolare Transistoren zu einem einzigen integrierten Schaltkreis kombinieren konnte. Aber wegen der komplexen Struktur dieser Transistoren konnte ein integrierter Schaltkreis nur eine kleine Anzahl von ihnen enthalten. Ein Minicomputer aus bipolaren integrierten Schaltkreisen war zwar viel kleiner als frühere Computer, benötigte aber immer noch mehrere Platinen mit Hunderten von Chips.

Im Jahr 1960 wurde ein neuer Transistortyp vorgestellt: der Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor (MOS). Zunächst war diese Technologie nicht sehr vielversprechend. Diese Transistoren waren langsamer, weniger zuverlässig und teurer als ihre bipolaren Gegenstücke. Aber schon 1964 boten integrierte Schaltungen auf Basis von MOS-Transistoren höhere Dichten und niedrigere Herstellungskosten als die der bipolaren Konkurrenz. Die Komplexität der integrierten Schaltkreise nahm weiter zu, wie durch das Mooresche Gesetz beschrieben, aber nun übernahm die MOS-Technologie die Führung.

Ende der 1960er Jahre konnte ein einziger integrierter MOS-Schaltkreis 100 oder mehr logische Gatter enthalten, von denen jedes mehrere Transistoren enthielt, was die Technologie für den Bau von Computern besonders attraktiv machte. Diese Chips mit ihren vielen Komponenten erhielten die Bezeichnung LSI, für Large-Scale-Integration.

Ingenieure erkannten, dass die zunehmende Dichte der MOS-Transistoren es schließlich ermöglichen würde, einen kompletten Computerprozessor auf einem einzigen Chip unterzubringen. Da MOS-Transistoren jedoch langsamer waren als bipolare, machte ein Computer auf Basis von MOS-Chips nur dann Sinn, wenn eine relativ geringe Leistung erforderlich war oder wenn das Gerät klein und leicht sein musste – wie bei Datenterminals, Taschenrechnern oder in der Avionik. Das waren also die Arten von Computeranwendungen, die die Revolution der Mikroprozessoren einleiteten.

Die meisten Ingenieure haben heute den Eindruck, dass der Beginn dieser Revolution 1971 mit Intels 4-Bit-4004-Chip begann und unmittelbar und logischerweise vom 8-Bit-8008-Chip des Unternehmens gefolgt wurde. Tatsächlich ist die Geschichte der Geburt des Mikroprozessors viel reichhaltiger und überraschender. Insbesondere beleuchten einige neu entdeckte Dokumente, wie ein lange vergessener Chip – der TMX 1795 von Texas Instruments – den Intel 8008 als ersten 8-Bit-Mikroprozessor überholte, nur um dann in der Versenkung zu verschwinden.

Was also die Tür für die ersten Mikroprozessoren öffnete, war die Anwendung von integrierten MOS-Schaltkreisen für die Datenverarbeitung. Der erste Computer, der aus MOS-LSI-Chips hergestellt wurde, war der D200, der 1967 von Autonetics, einer Abteilung von North American Aviation in Anaheim, Kalifornien, entwickelt wurde.

Dieser kompakte 24-Bit-Allzweckcomputer wurde für die Luftfahrt und Navigation entwickelt. Seine Zentraleinheit bestand aus 24 MOS-Chips und profitierte von einer Technik, die als Vier-Phasen-Logik bezeichnet wird. Diese verwendet vier separate Taktsignale, jedes mit einem anderen Ein-Aus-Muster oder einer anderen Phase, um die Zustandsänderungen der Transistoren zu steuern, wodurch die Schaltung wesentlich vereinfacht werden konnte. Der nur wenige Kilogramm schwere Computer wurde für die Lenkung der U-Boot-gestützten ballistischen Rakete Poseidon und für das Treibstoffmanagement des B-1-Bombers eingesetzt. Er wurde sogar für das Space Shuttle in Betracht gezogen.

Dem D200 folgte kurz darauf ein weiterer Avionik-Computer, der drei CPUs enthielt und insgesamt 28 Chips verwendete: der Central Air Data Computer, gebaut von Garrett AiResearch (heute Teil von Honeywell). Der Computer, ein Flugkontrollsystem für das Jagdflugzeug F-14, nutzte den MP944 MOS-LSI-Chipsatz, den Garrett AiResearch zwischen 1968 und 1970 entwickelte. Der 20-Bit-Computer verarbeitete Informationen von Sensoren und generierte Ausgaben für die Instrumentierung und Flugzeugsteuerung.

Die Architektur des F-14-Computers war ungewöhnlich. Er hatte drei Funktionseinheiten, die parallel arbeiteten: eine für die Multiplikation, eine für die Division und eine für spezielle Logikfunktionen (zu denen auch das Klemmen eines Wertes zwischen Ober- und Untergrenze gehörte). Jede Funktionseinheit bestand aus mehreren verschiedenen Arten von MOS-Chips, wie z.B. einem Nur-Lese-Speicher-Chip (ROM), der die Daten enthielt, die bestimmten, wie die Einheit arbeiten würde; einem Datensteuerungs-Chip; verschiedenen arithmetischen Chips und einem RAM-Chip für die temporäre Speicherung.

Da der F-14-Computer geheim war, wussten nur wenige Leute jemals etwas über den MP944-Chipsatz. Aber Autonetics machte seinen D200 weithin bekannt, der dann einen noch kompakteren MOS-basierten Computer inspirierte: das System IV. Dieser Computer war das Geistesprodukt von Lee Boysel, der 1968 Fairchild Semiconductor verließ, um Four-Phase Systems mitzugründen und seine neue Firma nach der Vier-Phasen-Logik von Autonetics zu benennen.

Die CPU des 24-Bit-System IV bestand aus nur neun MOS-Chips: drei ALU-Chips (Arithmetic-Logic-Unit) mit der Bezeichnung AL1 (die arithmetische Operationen wie Addition und Subtraktion sowie logische Operationen wie UND, ODER und NICHT durchführten), drei ROM-Chips und drei Zufallslogik-Chips.

Nahezu zeitgleich stieg ein in Massachusetts ansässiges Startup-Unternehmen namens Viatron Computer Systems in das Geschäft ein. Nur ein Jahr nach der Gründung im November 1967 kündigte das Unternehmen sein System 21 an, einen 16-Bit-Minicomputer mit diversem Zubehör, das alles aus speziellen MOS-Chips aufgebaut war.

Wir können jemandem bei Viatron dafür danken, dass er das Wort „Mikroprozessor“ geprägt hat. Die Firma benutzte es zum ersten Mal in einer Ankündigung vom Oktober 1968 für ein Produkt, das sie den 2101 nannte. Aber dieser Mikroprozessor war kein Chip. In Viatrons Lexikon bezog sich das Wort auf einen Teil eines intelligenten Terminals, das komplett mit Tastatur und Bandlaufwerken ausgestattet und an einen separaten Minicomputer angeschlossen war. Der „Mikroprozessor“ von Viatron steuerte das Terminal und bestand aus 18 kundenspezifischen MOS-Chips auf drei separaten Platinen.

Mitten in diesem Treiben Ende der 1960er Jahre wurde der japanische Taschenrechnerhersteller Business Computer Corp. (besser bekannt als Busicom) einen Vertrag mit Intel über kundenspezifische Chips für einen Mehrchip-Rechner. Das Endprodukt wurde auf eine Ein-Chip-CPU vereinfacht, den heute berühmten Intel 4004, zusammen mit Begleitchips für Speicher und Ein-/Ausgabe (I/O). Der 4-Bit-4004 (d.h. er verarbeitete Datenwörter, die nur 4 Bit breit waren) wird oft als der erste Mikroprozessor angesehen.

Der Rechner mit dem 4004 kam erst Anfang 1971 auf den Markt. Zu diesem Zeitpunkt hatte er schon reichlich Konkurrenz. Die Halbleiterfirma Mostek hatte den ersten „Calculator-on-a-Chip“, den MK6010, hergestellt. Und auch Pico Electronics und General Instrument hatten ihren G250 Calculator-on-a-Chip in Arbeit. Innerhalb von sechs Monaten war auch der Texas Instruments TMS 1802 Calculator-on-a-Chip einsatzbereit, der erste Chip der sehr erfolgreichen 0100-Serie von TI. Während diese Schaltkreise zwar gut als Taschenrechner funktionierten, aber nichts anderes konnten, arbeitete der 4004 durch die Ausführung von Befehlen, die im externen ROM gespeichert waren. So konnte er in einem Allzweckcomputer eingesetzt werden.

Das war eine schnelllebige Zeit für das Geschäft mit elektronischen Rechnern, und nachdem Busicom in finanzielle Schwierigkeiten geraten war, gab es seine Exklusivrechte am 4004-Chip auf. Im November 1971 begann Intel mit der Vermarktung des Chips und der zugehörigen Support-Chips als eigenständiges Produkt, das für allgemeine Computeranwendungen gedacht war. Innerhalb weniger Monate wurde der 4004 jedoch von leistungsfähigeren Mikroprozessoren in den Schatten gestellt, so dass er nur wenige kommerzielle Anwendungen fand. Dazu gehörten ein paar Flipperautomaten, eine Textverarbeitung und ein System zum Auszählen von Stimmen.

In diesem Sinne war es ein elektronischer Taschenrechner, der den ersten Mikroprozessor hervorbrachte, Intels 4-Bit 4004. Aber die 8-Bit-Mikroprozessoren, die ihm schnell folgten, hatten eine ganz andere Entstehungsgeschichte. Diese Geschichte beginnt 1969 mit der Entwicklung des Datapoint 2200 „programmierbaren Terminals“ durch eine Firma namens Computer Terminal Corp. (CTC) mit Sitz in San Antonio, Texas.

Der Datapoint 2200 war eigentlich ein Allzweckcomputer, nicht nur ein Terminal. Sein 8-Bit-Prozessor war ursprünglich aus etwa 100 bipolaren Chips aufgebaut. Die Konstrukteure suchten nach Möglichkeiten, den Prozessor weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen zu lassen. So veranlasste CTC Anfang 1970, dass Intel einen einzigen MOS-Chip baute, um die Datapoint-Prozessorplatine zu ersetzen, obwohl unklar ist, ob die Idee, einen einzigen Chip zu verwenden, von Intel oder CTC kam.

Bis Juni 1970 hatte Intel eine funktionale Spezifikation für einen Chip entwickelt, der auf der Architektur des Datapoint 2200 basierte, und dann das Projekt für sechs Monate auf Eis gelegt. Aus diesem Entwurf sollte der Intel 8008 werden. Ob man nun den vom Taschenrechner inspirierten 4004 oder den vom Terminal inspirierten 8008 als den ersten wirklich brauchbaren Ein-Chip-Allzweck-Mikroprozessor ansieht, man müsste seine Entwicklung doch Intel zuschreiben, oder? Nicht wirklich.

Als Intel 1970 mit der Arbeit am 8008 begann, war das Unternehmen ein Startup mit etwa 100 Mitarbeitern. Nachdem sie von Intels Prozessorprojekt erfahren hatten, fragte Texas Instruments (TI) – ein riesiges Unternehmen mit 45.000 Mitarbeitern – bei CTC an, ob sie ebenfalls einen Prozessor für den Datapoint 2200 bauen könnten. CTC gab den Ingenieuren von TI die Spezifikationen des Computers und sagte ihnen, sie sollten loslegen. Als sie mit einem Drei-Chip-Design zurückkamen, fragte CTC, ob TI es auf einem Chip bauen könne, wie Intel es tat. TI begann daraufhin im April 1970 mit der Arbeit an einer Ein-Chip-CPU für CTC. Dieser Entwurf, der im nächsten Jahr fertiggestellt wurde, hieß zunächst TMX 1795 (X für „experimentell“), ein Name, der in TMC 1795 umgewandelt wurde, als es an der Zeit war, dass der Chip seinen Prototypenstatus ablegte.

Im Juni 1971 startete TI eine Medienkampagne für den TMC 1795, in der beschrieben wurde, wie dieser „Zentralprozessor auf einem Chip“ den neuen Datapoint 2200 „zu einem leistungsstarken Computer mit Funktionen machen würde, die der ursprüngliche nicht bieten konnte.“ Das geschah jedoch nicht: Nachdem der TMC 1795 getestet worden war, lehnte CTC ihn ab und entschied sich dafür, seinen Prozessor weiterhin mit einem Board aus bipolaren Chips zu bauen. Intels Chip sollte erst Ende desselben Jahres fertig sein.

Viele Technikhistoriker glauben, dass der TMC 1795 damals gestorben ist. Aber neu aufgetauchte Dokumente des verstorbenen Gary Boone, dem Hauptentwickler des Chips, zeigen, dass TI nach der Ablehnung durch CTC versuchte, den Chip (der nach einigen kleineren Verbesserungen als TMC 1795A bekannt wurde) an verschiedene Firmen zu verkaufen. Die Ford Motor Co. zeigte 1971 Interesse am Einsatz des Chips als Motorsteuerung, was Boone zu der Aussage veranlasste: „Ich denke, wir sind in den Massenmarkt gegangen, den unsere ‚CPU-on-a-chip‘ dringend braucht.“ Leider scheiterten diese Bemühungen, und TI stellte die Vermarktung des TMC 1795 ein und konzentrierte sich stattdessen auf seine profitableren Taschenrechnerchips. Nichtsdestotrotz, wenn man TI die Ehre des ersten 8-Bit-Mikroprozessors zuschreiben will, dann sollte man TI diese Ehre zuteil werden lassen, ganz abgesehen davon, dass das Unternehmen die Gelegenheit verpatzt hat.

Als Intel Ende 1971 den 8008 zum Laufen brachte, hatte CTC das Interesse an Ein-Chip-CPUs verloren und gab die Exklusivrechte an dem Design auf. Intel fuhr fort, den 8008 zu kommerzialisieren, kündigte ihn im April 1972 an und produzierte schließlich Hunderttausende von ihm. Zwei Jahre später brachte der 8008 Intels 8080-Mikroprozessor hervor, der den 8086 stark beeinflusste, der wiederum die Schleusen für Intels aktuelle Reihe von x86-Chips öffnete. Wenn Sie also gerade an einem PC mit einem x86-Prozessor sitzen, verwenden Sie einen Computer, der auf einem Design basiert, das bis zum 2200 programmierbaren Terminal von Datapoint aus dem Jahr 1969 zurückreicht.

Wie diese Geschichte deutlich macht, folgte die Entwicklung des Mikroprozessors alles andere als einer geraden Linie. Vieles war das Ergebnis von Zufällen und von verschiedenen Geschäftsentscheidungen, die leicht anders hätten ausfallen können. Betrachten Sie, wie die 8-Bit-Prozessorarchitektur, die CTC für den Datapoint 2200 entwickelte, auf vier verschiedene Arten implementiert wurde. CTC tat es zweimal, indem es eine mit bipolaren Chips vollgestopfte Platine verwendete, zuerst in einer Anordnung, die Daten seriell kommunizierte, und später in einem parallelen Design, das viel schneller war. Sowohl TI als auch Intel erfüllten die Anforderungen von CTC mit Einzelchips, die fast identische Befehlssätze hatten, aber das Gehäuse, die Steuersignale, das Befehls-Timing und die interne Schaltung der beiden Chips waren völlig unterschiedlich.

Intel verwendete eine fortschrittlichere Technologie als TI, vor allem selbstausrichtende Gatter aus Polysilizium, was die Transistoren schneller machte und die Ausbeute verbesserte. Dieser Ansatz erlaubte es auch, die Transistoren dichter zu packen. Infolgedessen waren der 4004 und der 8008, sogar zusammen, kleiner als der TMC 1795. Tatsächlich hielten die Intel-Ingenieure den TI-Chip für zu groß, um praktikabel zu sein, aber das war wirklich nicht der Fall: TIs sehr erfolgreicher Taschenrechnerchip TMS 0100, der bald darauf eingeführt wurde, war sogar größer als der TMC 1795.

Wem sollten wir angesichts all dessen die Erfindung des Mikroprozessors zuschreiben? Eine Antwort ist, dass der Mikroprozessor nicht wirklich eine Erfindung war, sondern eher etwas, von dem jeder wusste, dass es kommen würde. Man musste nur warten, bis die Technologie und der Markt zusammenpassten. Ich finde diese Sichtweise am überzeugendsten.

Eine andere Sichtweise ist, dass „Mikroprozessor“ im Grunde ein Marketingbegriff ist, der von Intel, TI und anderen Chip-Firmen benutzt wird, um ihre neuen Produkte zu vermarkten. Boone, obwohl er der Entwickler des TMC 1795 war, zollte Intel später Anerkennung für sein Engagement, den Mikroprozessor zu einem lebensfähigen Produkt zu machen. In einem undatierten Brief, der offenbar Teil einer juristischen Diskussion darüber war, wer die Anerkennung für den Mikroprozessor bekommen sollte, schrieb er: „Das dominierende Thema bei der Entwicklung des Mikroprozessors ist das unternehmerische Engagement von Intel in den Jahren 1972-75…. Ihre Innovationen in Design, Software und Marketing haben diese Industrie ermöglicht oder zumindest beschleunigt.“

Der Ruhm für die Entwicklung des ersten Mikroprozessors hängt auch davon ab, wie man das Wort definiert. Manche definieren einen Mikroprozessor als eine CPU auf einem Chip. Andere sagen, dass nur eine arithmetische Logikeinheit auf einem Chip erforderlich ist. Wieder andere würden es zulassen, dass diese Funktionen in ein paar Chips verpackt werden, die zusammen den Mikroprozessor ausmachen.

Die wichtigsten Merkmale eines Mikroprozessors sind meiner Meinung nach, dass er eine CPU auf einem einzigen Chip bietet (einschließlich ALU, Steuerfunktionen und Registern wie einem Programmzähler) und dass er programmierbar ist. Aber ein Mikroprozessor ist kein kompletter Computer: Zusätzliche Chips werden typischerweise für Speicher, E/A und andere Unterstützungsfunktionen benötigt.

Wenn man eine solche Definition zugrunde legt, betrachten die meisten Leute den Intel 4004 als den ersten Mikroprozessor, weil er alle Komponenten der zentralen Verarbeitungseinheit auf einem einzigen Chip enthält. Sowohl Boone als auch Federico Faggin (von Intels 4004-Team) sind sich einig, dass der 4004 die frühesten Prototypen des TMX 1795 um ein oder zwei Monate überholt hat. Letzterer wäre dann der erste 8-Bit-Mikroprozessor und der Intel 8008 der erste kommerziell erfolgreiche 8-Bit-Mikroprozessor.

Wenn man aber eine weniger restriktive Definition von „Mikroprozessor“ annimmt, könnten viele Systeme als erste gelten. Diejenigen, die eine ALU-on-a-Chip als Mikroprozessor betrachten, schreiben Boysel zu, dass er 1968 bei Fairchild den ersten ALU gebaut hat, kurz bevor er das Unternehmen verließ, um Four-Phase Systems mitzugründen. Der AL1 von Four-Phase Systems ist auch ein Kandidat, weil er Register und ALU auf einem einzigen Chip kombinierte, während die Steuerschaltung extern war. Wenn man zulässt, dass ein Mikroprozessor aus mehreren LSI-Chips bestehen kann, würde der Autonetics D200 als erster in Frage kommen.

Patente bieten einen anderen Blickwinkel auf die Erfindung des Mikroprozessors. TI erkannte schnell die Rentabilität von Patenten. Das Unternehmen erhielt mehrere Patente auf den TMX 1795 und den TMS 0100 und machte in Rechtsstreitigkeiten und Lizenzvereinbarungen regen Gebrauch von diesen Patenten.

Basierend auf seinen Patenten könnte TI als Erfinder sowohl des Mikroprozessors als auch des Mikrocontrollers angesehen werden, einer Ein-Chip-Packung von CPU, Speicher und verschiedenen Unterstützungsfunktionen. Oder vielleicht auch nicht. Das liegt daran, dass Gilbert Hyatt 1990 ein Patent für den Ein-Chip-Prozessor erhielt, der auf einem seriellen 16-Bit-Computer basierte, den er 1969 aus Platinen mit bipolaren Chips gebaut hatte. Dies führte zu der Behauptung, dass Hyatt der Erfinder des Mikroprozessors sei, bis TI 1996 nach einem komplizierten Rechtsstreit Hyatts Patent ablehnte.

Ein weiterer möglicher Erfinder wäre Boysel. 1995, während eines Gerichtsverfahrens, das Gordon Bell später spöttisch „TI gegen alle“ nannte, konterte Boysel die Ein-Chip-Prozessor-Patente von TI, indem er einen einzelnen AL1-ALU-Chip aus dem Jahr 1969 verwendete, um dem Gericht einen funktionierenden Computer zu demonstrieren. Sein Schachzug torpedierte effektiv den Fall von TI, obwohl ich seine Demo nicht als besonders überzeugend ansehe, weil er einige technische Tricks benutzte, um sie durchzuziehen.

Unabhängig davon, was man als den ersten Mikroprozessor betrachtet, muss man zustimmen, dass es keinen Mangel an Anwärtern für diesen Titel gab. Es ist wirklich eine Schande, dass die meisten Leute nur einen Sieger in diesem Rennen zu erkennen suchen und dass viele faszinierende Zweitplatzierte heute fast völlig vergessen sind. Aber für diejenigen unter uns, die ein Interesse an den frühesten Tagen des Mikrocomputers haben, wird diese reiche Geschichte weiterleben.

Über den Autor

Ken Shirriff arbeitete als Programmierer für Google, bevor er im Juni 2016 in den Ruhestand ging. Als Liebhaber der Computergeschichte ist er fasziniert von den frühesten CPU-Chips. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Artikels half er bei der Restaurierung eines Xerox Alto-Mikrocomputers von 1973, dem Computer, der die grafische Benutzeroberfläche und die Maus einführte. (Mehr über die Restaurierung finden Sie in Shirriffs Blog, www.righto.com.)