La sorprendente storia dei primi microprocessori

Pensavi fosse iniziata con l’Intel 4004, ma la storia è più complicata

I transistor, gli amplificatori elettronici e gli interruttori che si trovano nel cuore di tutto, dalle radio tascabili ai supercomputer di dimensioni da magazzino, furono inventati nel 1947. I primi dispositivi erano di un tipo chiamato transistor bipolari, che sono ancora in uso. Negli anni ’60, gli ingegneri avevano capito come combinare più transistor bipolari in singoli circuiti integrati. Ma a causa della complessa struttura di questi transistor, un circuito integrato poteva contenerne solo un piccolo numero. Così, anche se un minicomputer costruito con circuiti integrati bipolari era molto più piccolo dei computer precedenti, richiedeva ancora schede multiple con centinaia di chip.

Nel 1960, fu dimostrato un nuovo tipo di transistor: il transistor a semiconduttore metallo-ossido (MOS). All’inizio questa tecnologia non era molto promettente. Questi transistor erano più lenti, meno affidabili e più costosi delle loro controparti bipolari. Ma dal 1964, i circuiti integrati basati sui transistor MOS vantavano densità più elevate e costi di produzione inferiori a quelli della concorrenza bipolare. I circuiti integrati continuavano ad aumentare di complessità, come descritto dalla Legge di Moore, ma ora la tecnologia MOS prendeva il comando.

Dalla fine degli anni ’60, un singolo circuito integrato MOS poteva contenere 100 o più porte logiche, ognuna contenente più transistor, rendendo la tecnologia particolarmente attraente per costruire computer. A questi chip con i loro molti componenti fu data l’etichetta LSI, per l’integrazione su larga scala.

Gli ingegneri riconobbero che la crescente densità dei transistor MOS avrebbe alla fine permesso di mettere un processore completo per computer su un singolo chip. Ma poiché i transistor MOS erano più lenti di quelli bipolari, un computer basato su chip MOS aveva senso solo quando erano richieste prestazioni relativamente basse o quando l’apparato doveva essere piccolo e leggero, come per i terminali dati, le calcolatrici o l’avionica. Così questi erano i tipi di applicazioni informatiche che hanno inaugurato la rivoluzione dei microprocessori.

La maggior parte degli ingegneri oggi ha l’impressione che l’inizio di quella rivoluzione sia iniziato nel 1971 con il 4004 a 4 bit di Intel e sia stato immediatamente e logicamente seguito dal chip 8008 a 8 bit della società. In realtà, la storia della nascita del microprocessore è molto più ricca e sorprendente. In particolare, alcuni documenti scoperti di recente illuminano come un chip a lungo dimenticato – il TMX 1795 della Texas Instruments – abbia battuto l’Intel 8008 per diventare il primo microprocessore a 8 bit, solo per scivolare nell’oscurità.

Quello che ha aperto la porta ai primi microprocessori, quindi, è stata l’applicazione dei circuiti integrati MOS al calcolo. Il primo computer realizzato con chip MOS-LSI fu qualcosa chiamato D200, creato nel 1967 da Autonetics, una divisione della North American Aviation, situata ad Anaheim, in California.

Questo computer compatto a 24 bit di uso generale fu progettato per l’aviazione e la navigazione. La sua unità di elaborazione centrale è stata costruita da 24 chip MOS e ha beneficiato di una tecnica di progettazione chiamata logica a quattro fasi, che ha utilizzato quattro segnali di clock separati, ciascuno con un diverso schema on-off, o fase, per guidare i cambiamenti negli stati dei transistor, permettendo al circuito di essere sostanzialmente semplificato. Pesando solo pochi chilogrammi, il computer fu usato per la guida del missile balistico lanciato dal sottomarino Poseidon e per la gestione del carburante sul bombardiere B-1. Fu persino considerato per lo space shuttle.

Il D200 fu seguito a breve da un altro computer avionico che conteneva tre CPU e usava in totale 28 chip: il Central Air Data Computer, costruito da Garrett AiResearch (ora parte di Honeywell). Il computer, un sistema di controllo del volo progettato per il caccia F-14, utilizzava il chipset MP944 MOS-LSI, che Garrett AiResearch sviluppò tra il 1968 e il 1970. Il computer a 20 bit elaborava informazioni dai sensori e generava uscite per la strumentazione e il controllo dell’aereo.

L’architettura del computer dell’F-14 era insolita. Aveva tre unità funzionali che operavano in parallelo: una per la moltiplicazione, una per la divisione e una per funzioni logiche speciali (che includevano il bloccaggio di un valore tra i limiti superiore e inferiore). Ogni unità funzionale era composta da diversi tipi di chip MOS, come un chip di memoria a sola lettura (ROM), che conteneva i dati che determinavano il funzionamento dell’unità; un chip di guida dei dati; vari chip aritmetici; e un chip RAM per la memorizzazione temporanea.

Perché il computer F-14 era riservato, poche persone seppero del chipset MP944. Ma Autonetics pubblicizzò ampiamente il suo D200, che poi ispirò un computer ancora più compatto basato sul MOS: il System IV. Quel computer fu l’idea di Lee Boysel, che lasciò Fairchild Semiconductor nel 1968 per co-fondare Four-Phase Systems, chiamando la sua nuova società come la logica quadrifase di Autonetics.

La CPU del System IV a 24 bit era costruita con solo nove chip MOS: tre chip di unità logico-aritmetiche (ALU) di un progetto soprannominato AL1 (che eseguiva operazioni aritmetiche come l’addizione e la sottrazione, insieme a operazioni logiche come AND, OR e NOT), tre chip ROM e tre chip di logica casuale.

Quasi contemporaneamente, una startup del Massachusetts chiamata Viatron Computer Systems è entrata in gioco. Appena un anno dopo il suo lancio, nel novembre 1967, l’azienda annunciò il suo System 21, un minicomputer a 16 bit con vari accessori, tutti costruiti con chip MOS personalizzati.

Possiamo ringraziare qualcuno alla Viatron per aver coniato la parola “microprocessore”. L’azienda l’ha usata per la prima volta in un annuncio dell’ottobre 1968 di un prodotto chiamato 2101. Ma questo microprocessore non era un chip. Nel lessico di Viatron, la parola si riferiva ad una parte di un terminale intelligente, uno che veniva fornito completo di tastiera e unità a nastro e collegato ad un minicomputer separato. Il “microprocessore” di Viatron controllava il terminale e consisteva in 18 chip MOS personalizzati su tre schede separate.

In mezzo a questi avvenimenti alla fine degli anni ’60, il produttore giapponese di calcolatori Business Computer Corp. (meglio conosciuta come Busicom) ha stipulato un contratto con Intel per chip personalizzati per una calcolatrice a più chip. Il prodotto finale fu semplificato in una CPU a singolo chip, l’ormai famoso Intel 4004, insieme a chip di accompagnamento per la memorizzazione e l’input/output (I/O). Il 4004 a 4 bit (il che significa che manipolava parole di dati che erano larghe solo 4 bit) è spesso considerato il primo microprocessore.

La calcolatrice che conteneva il 4004 è nata all’inizio del 1971. A questo punto, aveva molta concorrenza. Un’azienda di semiconduttori chiamata Mostek aveva prodotto la prima calcolatrice su un chip, la MK6010. E anche Pico Electronics e General Instrument avevano la loro calcolatrice su chip G250 funzionante. Entro sei mesi, anche la calcolatrice su chip Texas Instruments TMS 1802 era operativa, essendo il primo chip della linea 0100 di grande successo di TI. Mentre questi circuiti funzionavano bene come calcolatrici, non potevano fare nient’altro, mentre il 4004 funzionava eseguendo istruzioni memorizzate nella ROM esterna. Così poteva servire in un computer di uso generale.

Questo era un periodo in rapida evoluzione per il business dei calcolatori elettronici, e dopo aver incontrato difficoltà finanziarie, Busicom rinunciò ai suoi diritti esclusivi sul chip 4004. Nel novembre 1971 Intel iniziò a commercializzarlo e i suoi chip di supporto associati come un prodotto a sé stante destinato ad applicazioni informatiche generali. Entro pochi mesi, il 4004 fu eclissato da microprocessori più potenti, tuttavia, così trovò poche applicazioni commerciali. Queste includevano un paio di flipper, un elaboratore di testi e un sistema per il conteggio dei voti.

In questo senso, è stata una calcolatrice elettronica a generare il primo microprocessore, il 4004 a 4 bit di Intel. Ma i microprocessori a 8 bit che gli succedettero rapidamente ebbero una genesi molto diversa. Quella storia inizia nel 1969 con lo sviluppo del “terminale programmabile” Datapoint 2200, da una società chiamata Computer Terminal Corp. (CTC), con sede a San Antonio, Texas.

Il Datapoint 2200 era davvero un computer generico, non solo un terminale. Il suo processore a 8 bit era inizialmente costruito con circa 100 chip bipolari. I suoi progettisti erano alla ricerca di modi per far sì che il processore consumasse meno energia e generasse meno calore. Così all’inizio del 1970, CTC fece in modo che Intel costruisse un singolo chip MOS per sostituire la scheda del processore Datapoint, anche se non è chiaro se l’idea di usare un singolo chip venne da Intel o da CTC.

Entro giugno 1970, Intel aveva sviluppato una specifica funzionale per un chip basato sull’architettura del Datapoint 2200 e poi aveva messo il progetto in attesa per sei mesi. Questo è il progetto che sarebbe diventato l’Intel 8008. Quindi, sia che consideriate il 4004 ispirato alla calcolatrice o l’8008 ispirato al terminale come il primo microprocessore general-purpose single-chip veramente utile, dovreste accreditare la sua creazione a Intel, giusto? Non proprio.

Vedete, nel 1970, quando Intel iniziò a lavorare sull’8008, era una startup con circa 100 dipendenti. Dopo aver appreso del progetto del processore di Intel, Texas Instruments, o TI – un colosso della società, con 45.000 dipendenti – chiese a CTC se anche lei poteva costruire un processore per il Datapoint 2200. CTC diede agli ingegneri di TI le specifiche del computer e disse loro di andare avanti. Quando tornarono con un design a tre chip, CTC chiese esplicitamente se TI poteva costruirlo su un solo chip, come stava facendo Intel. TI iniziò quindi a lavorare su una CPU a chip singolo per CTC intorno all’aprile 1970. Quel progetto, completato l’anno successivo, fu inizialmente chiamato TMX 1795 (X per “experimental”), un nome che si trasformò in TMC 1795 quando fu il momento che il chip si liberasse del suo status di prototipo.

Nel giugno 1971, TI lanciò una campagna mediatica per il TMC 1795 descrivendo come questo “processore centrale su un chip” avrebbe reso il nuovo Datapoint 2200 “un computer potente con caratteristiche che quello originale non poteva offrire”. Questo però non accadde: Dopo aver testato il TMC 1795, CTC lo rifiutò, scegliendo di continuare a costruire il suo processore usando una scheda di chip bipolari. Il chip di Intel non sarebbe stato pronto fino alla fine di quell’anno.

Molti storici della tecnologia credono che il TMC 1795 sia morto lì per lì. Ma i documenti emersi di recente dal defunto Gary Boone, lo sviluppatore principale del chip, mostrano che dopo il rifiuto di CTC, TI cercò di vendere il chip (che dopo alcuni miglioramenti minori divenne noto come TMC 1795A) a varie aziende. Ford Motor Co. mostrò interesse nell’uso del chip come controller del motore nel 1971, facendo scrivere a Boone: “Penso che siamo entrati nel mercato di massa di cui la nostra ‘CPU-on-a-chip’ ha disperatamente bisogno”. Ahimè, questi sforzi fallirono, e TI cessò di commercializzare il TMC 1795, concentrandosi invece sui suoi più redditizi chip per calcolatori. Tuttavia, se si vuole assegnare il credito per il primo microprocessore a 8 bit, si dovrebbe dare questo onore a TI, non importa che abbia perso l’occasione.

Quando Intel fece funzionare l’8008, alla fine del 1971, CTC aveva perso interesse nelle CPU a chip singolo e rinunciò ai suoi diritti esclusivi sul progetto. Intel continuò a commercializzare l’8008, annunciandolo nell’aprile 1972 e producendone centinaia di migliaia. Due anni dopo, l’8008 ha generato il microprocessore 8080 di Intel, che ha pesantemente influenzato l’8086, che a sua volta ha aperto le porte all’attuale linea di chip x86 di Intel. Quindi, se siete seduti davanti a un PC con un processore x86 in questo momento, state usando un computer basato su un design che risale al terminale programmabile Datapoint 2200 del 1969.

Come questa storia rende chiaro, l’evoluzione del microprocessore ha seguito tutt’altro che una linea retta. Molto è stato il risultato del caso e il risultato di varie decisioni commerciali che avrebbero potuto facilmente andare diversamente. Considerate come l’architettura del processore a 8 bit che CTC ha progettato per il Datapoint 2200 è stata implementata in quattro modi diversi. CTC lo fece due volte usando una scheda piena di chip bipolari, prima in una disposizione che comunicava dati in serie e poi usando un design parallelo che era molto più veloce. Sia TI che Intel soddisfacevano i requisiti di CTC con singoli chip che avevano set di istruzioni quasi identici, ma l’imballaggio, i segnali di controllo, i tempi delle istruzioni e i circuiti interni dei due chip erano completamente diversi.

Intel usava una tecnologia più avanzata di quella di TI, in particolare i gate auto-allineati fatti di polisilicio, che rendevano i transistor più veloci e miglioravano la resa. Questo approccio permetteva anche di impacchettare i transistor più densamente. Come risultato, il 4004 e l’8008, anche combinati, erano più piccoli del TMC 1795. In effetti, gli ingegneri Intel consideravano il chip TI troppo grande per essere pratico, ma non era davvero il caso: Il chip calcolatore di grande successo TMS 0100 di TI, introdotto poco dopo, era ancora più grande del TMC 1795.

Dato tutto questo, a chi dobbiamo attribuire l’invenzione del microprocessore? Una risposta è che il microprocessore non è stato davvero un’invenzione, ma piuttosto qualcosa che tutti sapevano sarebbe successo. Si trattava solo di aspettare che la tecnologia e il mercato si allineassero. Trovo questa prospettiva la più convincente.

Un altro modo di guardare le cose è che “microprocessore” è fondamentalmente un termine di marketing guidato dal bisogno di Intel, TI, e altre aziende di chip di marchiare i loro nuovi prodotti. Boone, pur essendo lo sviluppatore del TMC 1795, in seguito accreditò Intel per il suo impegno nel trasformare il microprocessore in un prodotto valido. In una lettera senza data, apparentemente parte di una discussione legale su chi dovesse ottenere il credito per il microprocessore, scrisse: “Il tema dominante nello sviluppo del microprocessore è l’impegno aziendale fatto da Intel nel periodo 1972-75…. Le loro innovazioni nel design, nel software e nel marketing hanno reso possibile questa industria, o almeno l’hanno accelerata.”

Le onorificenze per la creazione del primo microprocessore dipendono anche da come si definisce la parola. Alcuni definiscono un microprocessore come una CPU su un chip. Altri dicono che tutto ciò che è richiesto è un’unità logica aritmetica su un chip. Altri ancora permetterebbero di impacchettare queste funzioni in pochi chip, che collettivamente costituirebbero il microprocessore.

A mio parere, le caratteristiche chiave di un microprocessore sono che fornisce una CPU su un singolo chip (comprese ALU, funzioni di controllo e registri come un contatore di programmi) e che è programmabile. Ma un microprocessore non è un computer completo: Altri chip sono tipicamente necessari per la memoria, l’I/O e altre funzioni di supporto.

Utilizzando una tale definizione, la maggior parte delle persone considera l’Intel 4004 il primo microprocessore perché contiene tutti i componenti dell’unità di elaborazione centrale su un singolo chip. Sia Boone che Federico Faggin (del team 4004 di Intel) concordano sul fatto che il 4004 ha battuto i primi prototipi TMX 1795 di uno o due mesi. Quest’ultimo rappresenterebbe quindi il primo microprocessore a 8 bit, e l’Intel 8008 il primo microprocessore a 8 bit di successo commerciale.

Ma se si adotta una definizione meno restrittiva di “microprocessore”, molti sistemi potrebbero essere considerati i primi. Coloro che considerano un ALU-on-a-chip un microprocessore accreditano Boysel per aver realizzato il primo alla Fairchild nel 1968, poco prima di lasciare per co-fondare la Four-Phase Systems. Anche l’AL1 della Four-Phase Systems è un candidato perché combinava registri e ALU su un singolo chip, pur avendo il circuito di controllo esterno. Se si ammette che un microprocessore può consistere in più chip LSI, l’Autonetics D200 si qualificherebbe come primo.

I brevetti forniscono un angolo diverso sull’invenzione del microprocessore. TI ha capito in fretta la redditività dei brevetti. Ottenne brevetti multipli sul TMX 1795 e sul TMS 0100 e fece un uso massiccio di questi brevetti nelle controversie e negli accordi di licenza.

In base ai suoi brevetti, TI potrebbe essere considerata l’inventore sia del microprocessore che del microcontrollore, una confezione a chip singolo di CPU, memoria e varie funzioni di supporto. O forse no. Questo perché Gilbert Hyatt ha ottenuto un brevetto per il processore a chip singolo nel 1990, basato su un computer seriale a 16 bit che ha costruito nel 1969 da schede di chip bipolari. Questo portò a sostenere che Hyatt fosse l’inventore del microprocessore, finché TI non sconfisse il brevetto di Hyatt nel 1996 dopo una complessa battaglia legale.

Un altro possibile inventore da accreditare sarebbe Boysel. Nel 1995, durante un procedimento legale che Gordon Bell ha poi chiamato beffardamente “TI contro tutti”, Boysel ha contrastato i brevetti di TI sul processore a chip singolo usando un singolo chip AL1 ALU del 1969 per dimostrare alla corte un computer funzionante. La sua mossa ha efficacemente silurato il caso di TI, anche se non vedo la sua dimostrazione particolarmente convincente, perché ha usato alcuni trucchi tecnici per riuscirci.

A prescindere da quello che si considera il primo microprocessore, bisogna essere d’accordo che non c’era mancanza di contendenti per questo titolo. È un peccato, davvero, che la maggior parte delle persone cerchi di riconoscere un solo vincitore nella gara e che molti affascinanti concorrenti siano ormai quasi del tutto dimenticati. Ma per quelli di noi con un interesse nei primi giorni del microcomputing, questa ricca storia continuerà a vivere.

Informazioni sull’autore

Ken Shirriff ha lavorato come programmatore per Google prima di andare in pensione nel giugno 2016. Appassionato di storia del computer, è affascinato dai primi chip della CPU. Al momento della pubblicazione di questo articolo, stava aiutando a restaurare un microcomputer Xerox Alto del 1973, il computer che ha introdotto l’interfaccia grafica utente e il mouse. (Per saperne di più sul restauro, vedi il blog di Shirriff, www.righto.com.)