Vous pensiez que tout avait commencé avec l’Intel 4004, mais le récit est plus compliqué
Les transistors, ces amplificateurs et commutateurs électroniques que l’on trouve au cœur de tout, des radios de poche aux superordinateurs de la taille d’un entrepôt, ont été inventés en 1947. Les premiers dispositifs étaient d’un type appelé transistors bipolaires, qui sont toujours utilisés. Dans les années 1960, les ingénieurs ont trouvé le moyen de combiner plusieurs transistors bipolaires en un seul circuit intégré. Mais en raison de la structure complexe de ces transistors, un circuit intégré ne pouvait en contenir qu’un petit nombre. Ainsi, même si un mini-ordinateur construit à partir de circuits intégrés bipolaires était beaucoup plus petit que les ordinateurs précédents, il nécessitait toujours plusieurs cartes avec des centaines de puces.
En 1960, un nouveau type de transistor a été démontré : le transistor métal-oxyde-semiconducteur (MOS). Au début, cette technologie n’était pas si prometteuse que cela. Ces transistors étaient plus lents, moins fiables et plus chers que leurs homologues bipolaires. Mais en 1964, les circuits intégrés basés sur les transistors MOS présentaient des densités plus élevées et des coûts de fabrication inférieurs à ceux de leurs concurrents bipolaires. Les circuits intégrés ont continué à gagner en complexité, comme le décrit la loi de Moore, mais c’est désormais la technologie MOS qui a pris l’avantage.
À la fin des années 1960, un seul circuit intégré MOS pouvait contenir 100 portes logiques ou plus, chacune contenant plusieurs transistors, ce qui rendait cette technologie particulièrement intéressante pour la construction d’ordinateurs. Ces puces avec leurs nombreux composants ont reçu le label LSI, pour intégration à grande échelle.
Les ingénieurs ont reconnu que la densité croissante des transistors MOS permettrait éventuellement de mettre un processeur informatique complet sur une seule puce. Mais comme les transistors MOS étaient plus lents que les transistors bipolaires, un ordinateur basé sur des puces MOS n’avait de sens que lorsque des performances relativement faibles étaient requises ou lorsque l’appareil devait être petit et léger – comme pour les terminaux de données, les calculatrices ou l’avionique. Ce sont donc ces types d’applications informatiques qui ont inauguré la révolution des microprocesseurs.
La plupart des ingénieurs d’aujourd’hui ont l’impression que le début de cette révolution a commencé en 1971 avec le 4004 4 bits d’Intel et a été immédiatement et logiquement suivi par la puce 8008 8 bits de la société. En réalité, l’histoire de la naissance du microprocesseur est bien plus riche et plus surprenante. En particulier, certains documents récemment découverts éclairent la façon dont une puce longtemps oubliée – le TMX 1795 de Texas Instruments – a battu l’Intel 8008 pour devenir le premier microprocesseur 8 bits, avant de sombrer dans l’oubli.
Ce qui a ouvert la porte aux premiers microprocesseurs, c’est donc l’application des circuits intégrés MOS à l’informatique. Le premier ordinateur à être façonné à partir de puces MOS-LSI était quelque chose appelé le D200, créé en 1967 par Autonetics, une division de North American Aviation, située à Anaheim, en Californie.
Cet ordinateur compact et polyvalent de 24 bits a été conçu pour l’aviation et la navigation. Son unité centrale de traitement était construite à partir de 24 puces MOS et bénéficiait d’une technique de conception appelée logique quadriphasée, qui utilisait quatre signaux d’horloge distincts, chacun avec un schéma marche-arrêt différent, ou phase, pour piloter les changements d’état des transistors, ce qui permettait de simplifier considérablement les circuits. Ne pesant que quelques kilogrammes, l’ordinateur a été utilisé pour le guidage du missile balistique sous-marin Poseidon et pour la gestion du carburant du bombardier B-1. Il a même été envisagé pour la navette spatiale.
Le D200 a été suivi de peu par un autre ordinateur avionique qui contenait trois CPU et utilisait au total 28 puces : le Central Air Data Computer, construit par Garrett AiResearch (qui fait maintenant partie de Honeywell). Cet ordinateur, un système de contrôle de vol conçu pour le chasseur F-14, utilisait le jeu de puces MP944 MOS-LSI, que Garrett AiResearch a développé entre 1968 et 1970. L’ordinateur de 20 bits traitait les informations provenant des capteurs et générait des sorties pour l’instrumentation et le contrôle de l’avion.
L’architecture de l’ordinateur du F-14 était inhabituelle. Il comportait trois unités fonctionnelles fonctionnant en parallèle : une pour la multiplication, une pour la division et une pour les fonctions logiques spéciales (qui comprenaient le bridage d’une valeur entre des limites supérieure et inférieure). Chaque unité fonctionnelle était composée de plusieurs types différents de puces MOS, telles qu’une puce de mémoire morte (ROM), qui contenait les données déterminant le fonctionnement de l’unité, une puce de guidage des données, diverses puces arithmétiques et une puce RAM pour le stockage temporaire.
Parce que l’ordinateur du F-14 était classifié, peu de gens ont connu le chipset MP944. Mais Autonetics a largement fait connaître son D200, qui a ensuite inspiré un ordinateur à base de MOS encore plus compact : le System IV. Cet ordinateur était l’idée de Lee Boysel, qui a quitté Fairchild Semiconductor en 1968 pour cofonder Four-Phase Systems, nommant sa nouvelle société d’après la logique quadriphasée d’Autonetics.
L’unité centrale du System IV 24 bits était construite à partir de neuf puces MOS seulement : trois puces d’unité arithmétique et logique (UAL) d’un modèle surnommé AL1 (qui effectuait des opérations arithmétiques comme l’addition et la soustraction, ainsi que des opérations logiques comme ET, OU et NON), trois puces ROM et trois puces logiques aléatoires.
Presque simultanément, une start-up du Massachusetts appelée Viatron Computer Systems est entrée dans la partie. Tout juste un an après son lancement en novembre 1967, la société a annoncé son System 21, un mini-ordinateur 16 bits avec divers accessoires, tous construits à partir de puces MOS personnalisées.
Nous pouvons remercier quelqu’un chez Viatron pour avoir inventé le mot « microprocesseur ». La société l’a utilisé pour la première fois en octobre 1968 dans une annonce d’un produit qu’elle a appelé le 2101. Mais ce microprocesseur n’était pas une puce. Dans le lexique de Viatron, le mot faisait référence à une partie d’un terminal intelligent, équipé d’un clavier et de lecteurs de bande et connecté à un mini-ordinateur séparé. Le « microprocesseur » de Viatron contrôlait le terminal et consistait en 18 puces MOS personnalisées sur trois cartes distinctes.
Au milieu de ces agissements, à la fin des années 1960, le fabricant japonais de calculatrices Business Computer Corp. (plus connu sous le nom de Busicom) a passé un contrat avec Intel pour obtenir des puces personnalisées pour une calculatrice à plusieurs puces. Le produit final a été simplifié en un processeur à puce unique, le désormais célèbre Intel 4004, ainsi que des puces complémentaires pour le stockage et les entrées/sorties (E/S). Le 4004 à 4 bits (ce qui signifie qu’il manipulait des mots de données de seulement 4 bits de large) est souvent considéré comme le premier microprocesseur.
La calculatrice contenant le 4004 a été assemblée pour la première fois au début de 1971. À cette époque, elle avait déjà beaucoup de concurrence. Une société de semi-conducteurs appelée Mostek avait produit la première calculatrice sur puce, la MK6010. Et Pico Electronics et General Instrument avaient également mis au point leur calculatrice sur puce G250. Dans les six mois qui ont suivi, la calculatrice sur puce TMS 1802 de Texas Instruments était également opérationnelle. Il s’agissait de la première puce de la gamme 0100 de TI, qui a connu un énorme succès. Si ces circuits fonctionnaient bien en tant que calculatrices, ils ne pouvaient rien faire d’autre, alors que le 4004 fonctionnait en exécutant des instructions stockées dans une ROM externe. Il pouvait donc servir dans un ordinateur à usage général.
C’était une époque où le secteur des calculatrices électroniques évoluait rapidement et, après avoir connu des difficultés financières, Busicom abandonna ses droits exclusifs sur la puce 4004. En novembre 1971, Intel a commencé à la commercialiser, ainsi que ses puces de support associées, comme un produit autonome destiné aux applications informatiques générales. Cependant, en quelques mois, le 4004 a été éclipsé par des microprocesseurs plus puissants et n’a trouvé que peu d’applications commerciales. Elles comprenaient quelques flippers, un traitement de texte et un système de décompte des votes.
En ce sens, c’est une calculatrice électronique qui a engendré le premier microprocesseur, le 4004 4 bits d’Intel. Mais les microprocesseurs 8 bits qui lui ont rapidement succédé ont eu une genèse bien différente. Cette histoire commence en 1969 avec le développement du « terminal programmable » Datapoint 2200, par une société appelée Computer Terminal Corp. (CTC), basée à San Antonio, au Texas.
Le Datapoint 2200 était en réalité un ordinateur à usage général, et pas seulement un terminal. Son processeur 8 bits était initialement construit à partir d’une centaine de puces bipolaires. Ses concepteurs cherchaient des moyens pour que le processeur consomme moins d’énergie et génère moins de chaleur. Ainsi, au début de 1970, la CTC s’est arrangée pour qu’Intel construise une puce MOS unique pour remplacer la carte processeur Datapoint, bien qu’il ne soit pas clair si l’idée d’utiliser une puce unique venait d’Intel ou de la CTC.
En juin 1970, Intel avait développé une spécification fonctionnelle pour une puce basée sur l’architecture du Datapoint 2200, puis avait mis le projet en attente pendant six mois. C’est cette conception qui allait devenir l’Intel 8008. Donc, que vous considériez le 4004 inspiré de la calculatrice ou le 8008 inspiré du terminal comme le premier microprocesseur général monopuce vraiment utile, il faudrait en créditer la création à Intel, non ? Pas vraiment.
Vous voyez, en 1970, lorsqu’Intel a commencé à travailler sur le 8008, c’était une startup d’une centaine d’employés. Après avoir pris connaissance du projet de processeur d’Intel, Texas Instruments, ou TI – un mastodonte de l’entreprise, avec 45 000 employés – a demandé à CTC si elle pouvait, elle aussi, construire un processeur pour le Datapoint 2200. CTC a donné aux ingénieurs de TI les spécifications de l’ordinateur et leur a dit d’aller de l’avant. Lorsqu’ils sont revenus avec un modèle à trois puces, la CTC a demandé avec insistance si TI pouvait le construire sur une seule puce, comme le faisait Intel. TI a alors commencé à travailler sur un CPU à une seule puce pour CTC vers avril 1970. Cette conception, achevée l’année suivante, a d’abord été appelée le TMX 1795 (X pour « expérimental »), un nom qui s’est transformé en TMC 1795 lorsqu’il a été temps pour la puce de se défaire de son statut de prototype.
En juin 1971, TI a lancé une campagne médiatique pour le TMC 1795 décrivant comment ce « processeur central sur une puce » ferait du nouveau Datapoint 2200 « un ordinateur puissant avec des fonctionnalités que l’original ne pouvait pas offrir. » Mais cela ne s’est pas produit : Après avoir testé le TMC 1795, CTC l’a rejeté, choisissant de continuer à construire son processeur en utilisant une carte de puces bipolaires. La puce d’Intel ne serait pas prête avant la fin de cette année-là.
De nombreux historiens de la technologie pensent que le TMC 1795 est mort à ce moment-là. Mais des documents récemment mis au jour par feu Gary Boone, le principal développeur de la puce, montrent qu’après le rejet de la CTC, TI a essayé de vendre la puce (qui, après quelques améliorations mineures, est devenue connue sous le nom de TMC 1795A) à diverses entreprises. La société Ford Motor Co. s’est montrée intéressée par l’utilisation de la puce comme contrôleur de moteur en 1971, ce qui a amené Boone à écrire : « Je pense que nous sommes entrés dans le marché de masse dont notre ‘CPU-on-a-chip’ a désespérément besoin. » Hélas, ces efforts ont échoué, et TI a cessé de commercialiser le TMC 1795, se concentrant plutôt sur ses puces de calculatrices, plus rentables. Néanmoins, si vous voulez attribuer le mérite du premier microprocesseur 8 bits, vous devriez donner cet honneur à TI, peu importe qu’elle ait raté l’occasion.
Moteurs du changement : Ces mémos révèlent que Ford Motor Co. a envisagé d’utiliser le microprocesseur pionnier de TI comme contrôleur de moteur.
Au moment où Intel a fait fonctionner le 8008, à la fin de l’année 1971, CTC avait perdu tout intérêt pour les CPU monopuce et a abandonné ses droits exclusifs sur la conception. Intel a ensuite commercialisé le 8008, l’a annoncé en avril 1972 et en a finalement produit des centaines de milliers. Deux ans plus tard, le 8008 a donné naissance au microprocesseur 8080 d’Intel, qui a fortement influencé le 8086, lequel a à son tour ouvert les portes de la gamme actuelle de puces x86 d’Intel. Ainsi, si vous êtes assis devant un PC équipé d’un processeur x86 en ce moment, vous utilisez un ordinateur basé sur une conception qui remonte jusqu’au terminal programmable 2200 de Datapoint en 1969.
Comme cet historique le montre clairement, l’évolution du microprocesseur a suivi tout sauf une ligne droite. Une grande partie était le fruit du hasard et le résultat de diverses décisions commerciales qui auraient pu facilement se dérouler autrement. Considérez comment l’architecture du processeur 8 bits que CTC a conçu pour le Datapoint 2200 a été mise en œuvre de quatre manières différentes. CTC l’a fait deux fois en utilisant une carte bourrée de puces bipolaires, d’abord dans une disposition qui communiquait les données en série, puis en utilisant une conception parallèle qui était beaucoup plus rapide. TI et Intel ont tous deux répondu aux exigences de CTC avec des puces uniques ayant des jeux d’instructions presque identiques, mais le conditionnement, les signaux de contrôle, la synchronisation des instructions et les circuits internes des deux puces étaient entièrement différents.
Intel a utilisé une technologie plus avancée que TI, plus particulièrement des portes auto-alignées en polysilicium, ce qui a rendu les transistors plus rapides et a amélioré les rendements. Cette approche a également permis d’emballer les transistors de manière plus dense. En conséquence, les 4004 et 8008, même combinés, étaient plus petits que le TMC 1795. En effet, les ingénieurs d’Intel considéraient que la puce de TI était trop grande pour être pratique, mais ce n’était pas vraiment le cas : La puce de calculatrice TMS 0100 de TI, qui a connu un grand succès et qui a été introduite peu après, était encore plus grande que la TMC 1795.
Compte tenu de tout cela, à qui devons-nous attribuer l’invention du microprocesseur ? Une réponse est que le microprocesseur n’était pas vraiment une invention mais plutôt quelque chose que tout le monde savait qu’il allait arriver. Il s’agissait simplement d’attendre que la technologie et le marché s’alignent. Je trouve cette perspective la plus convaincante.
Une autre façon de voir les choses est que le « microprocesseur » est essentiellement un terme de marketing motivé par le besoin d’Intel, de TI et d’autres sociétés de puces de marquer leurs nouveaux produits. Boone, bien qu’étant le développeur du TMC 1795, a par la suite crédité Intel pour son engagement à faire du microprocesseur un produit viable. Dans une lettre non datée, qui faisait apparemment partie d’une discussion juridique sur la question de savoir à qui revenait le mérite du microprocesseur, il écrivait : « Le thème dominant dans le développement du microprocesseur est l’engagement de l’entreprise pris par Intel dans la période 1972-75….. Leurs innovations en matière de conception, de logiciels et de marketing ont rendu possible cette industrie, ou du moins l’ont accélérée. »
Les honneurs pour la création du premier microprocesseur dépendent aussi de la façon dont on définit le mot. Certains définissent un microprocesseur comme une unité centrale sur une puce. D’autres disent qu’il suffit d’une unité arithmétique et logique sur une puce. D’autres encore permettraient que ces fonctions soient regroupées dans quelques puces, qui constitueraient collectivement le microprocesseur.
Selon moi, les principales caractéristiques d’un microprocesseur sont qu’il fournit une unité centrale sur une seule puce (y compris l’UAL, les fonctions de contrôle et les registres tels qu’un compteur de programme) et qu’il est programmable. Mais un microprocesseur n’est pas un ordinateur complet : Des puces supplémentaires sont généralement nécessaires pour la mémoire, les E/S et d’autres fonctions de support.
En utilisant une telle définition, la plupart des gens considèrent que l’Intel 4004 est le premier microprocesseur car il contient tous les composants de l’unité centrale sur une seule puce. Boone et Federico Faggin (de l’équipe 4004 d’Intel) s’accordent à dire que le 4004 a devancé d’un mois ou deux les premiers prototypes du TMX 1795. Ce dernier représenterait alors le premier microprocesseur 8 bits, et l’Intel 8008 le premier microprocesseur 8 bits commercialement réussi.
Mais si vous adoptez une définition moins restrictive du « microprocesseur », de nombreux systèmes pourraient être considérés comme les premiers. Ceux qui considèrent qu’une UAL sur puce est un microprocesseur créditent Boysel d’en avoir fabriqué la première chez Fairchild en 1968, peu avant son départ pour cofonder Four-Phase Systems. L’AL1 de Four-Phase Systems est également un candidat parce qu’il combinait registres et UAL sur une seule puce, tout en ayant le circuit de contrôle externe. Si l’on admet qu’un microprocesseur peut être constitué de plusieurs puces LSI, le D200 d’Autonetics pourrait être qualifié de premier.
Les brevets fournissent un angle différent sur l’invention du microprocesseur. TI a rapidement compris la rentabilité des brevets. Elle a obtenu de multiples brevets sur le TMX 1795 et le TMS 0100 et a fait un usage intensif de ces brevets dans des litiges et des accords de licence.
Sur la base de ses brevets, TI pourrait être considérée comme l’inventeur à la fois du microprocesseur et du microcontrôleur, un conditionnement sur une seule puce de l’unité centrale, de la mémoire et de diverses fonctions de soutien. Ou peut-être pas. En effet, Gilbert Hyatt a obtenu un brevet pour le processeur monopuce en 1990, sur la base d’un ordinateur série 16 bits qu’il a construit en 1969 à partir de cartes de puces bipolaires. Cela a conduit à des affirmations selon lesquelles Hyatt était l’inventeur du microprocesseur, jusqu’à ce que TI fasse échec au brevet de Hyatt en 1996 après une bataille juridique complexe.
Un autre inventeur possible à créditer serait Boysel. En 1995, au cours d’une procédure judiciaire que Gordon Bell a appelé plus tard de façon moqueuse « TI contre tout le monde », Boysel a contré les brevets de processeur monopuce de TI en utilisant une seule puce ALU AL1 de 1969 pour faire la démonstration d’un ordinateur fonctionnel au tribunal. Son geste a effectivement torpillé le dossier de TI, bien que je ne considère pas sa démo comme particulièrement convaincante, car il a utilisé quelques astuces techniques pour y parvenir.
Quoi que vous considériez le premier microprocesseur, vous devez convenir qu’il ne manquait pas de prétendants à ce titre. C’est une honte, vraiment, que la plupart des gens cherchent à reconnaître un seul vainqueur dans la course et que de nombreux seconds fascinants soient maintenant presque entièrement oubliés. Mais pour ceux d’entre nous qui s’intéressent aux premiers jours de la micro-informatique, cette riche histoire perdurera.
A propos de l’auteur
Ken Shirriff a travaillé comme programmeur pour Google avant de prendre sa retraite en juin 2016. Passionné d’histoire de l’informatique, il est fasciné par les premières puces de processeur. Au moment de la publication de cet article, il aidait à restaurer un micro-ordinateur Xerox Alto de 1973, l’ordinateur qui a introduit l’interface utilisateur graphique et la souris. (Pour en savoir plus sur cette restauration, consultez le blog de Shirriff, www.righto.com.)