Het verrassende verhaal van de eerste microprocessoren

Je dacht dat het begon met de Intel 4004, maar het verhaal is ingewikkelder

Transistors, de elektronische versterkers en schakelaars in het hart van alles, van zakradio’s tot supercomputers op pakhuisformaat, werden in 1947 uitgevonden. De eerste apparaten waren van het type bipolaire transistors, die nog steeds in gebruik zijn. Tegen de jaren zestig hadden de ingenieurs uitgevonden hoe meerdere bipolaire transistoren tot één geïntegreerd circuit konden worden gecombineerd. Maar door de complexe structuur van deze transistors kon een geïntegreerde schakeling slechts een klein aantal ervan bevatten. Dus hoewel een minicomputer die was opgebouwd uit bipolaire geïntegreerde schakelingen veel kleiner was dan eerdere computers, waren er nog steeds meerdere printplaten met honderden chips nodig.

In 1960 werd een nieuw type transistor gedemonstreerd: de metaal-oxide-semiconductor (MOS) transistor. Aanvankelijk was deze technologie niet zo veelbelovend. Deze transistors waren trager, minder betrouwbaar en duurder dan hun bipolaire tegenhangers. Maar in 1964 konden geïntegreerde schakelingen op basis van MOS-transistors bogen op een hogere dichtheid en lagere fabricagekosten dan die van de bipolaire concurrentie. Geïntegreerde schakelingen bleven in complexiteit toenemen, zoals beschreven door de Wet van Moore, maar nu nam de MOS-technologie de leiding.

Tegen het eind van de jaren zestig kon een enkele MOS geïntegreerde schakeling 100 of meer logische poorten bevatten, die elk meerdere transistors bevatten, waardoor de technologie bijzonder aantrekkelijk werd voor het bouwen van computers. Deze chips met hun vele componenten kregen de naam LSI, voor grootschalige integratie.

Ondernemers zagen in dat de toenemende dichtheid van MOS transistors het uiteindelijk mogelijk zou maken een complete computerprocessor op een enkele chip te zetten. Maar omdat MOS-transistors langzamer waren dan bipolaire, had een computer op basis van MOS-chips alleen zin wanneer relatief lage prestaties vereist waren of wanneer het apparaat klein en licht moest zijn – zoals voor dataterminals, rekenmachines of vliegtuigelektronica. Dat waren dus de soorten computertoepassingen die de microprocessorrevolutie inluidden.

De meeste ingenieurs hebben tegenwoordig de indruk dat die revolutie in 1971 begon met Intels 4-bit 4004 en onmiddellijk en logisch werd gevolgd door de 8-bit 8008-chip van het bedrijf. In feite is het verhaal van het ontstaan van de microprocessor veel rijker en verrassender. Zo blijkt uit een aantal pas ontdekte documenten hoe een lang vergeten chip – de TMX 1795 van Texas Instruments – de Intel 8008 versloeg als eerste 8-bit microprocessor, om vervolgens in de vergetelheid te raken.

Wat dus de deur opende voor de eerste microprocessoren, was de toepassing van MOS geïntegreerde schakelingen op computers. De eerste computer die met MOS-LSI-chips werd gebouwd was de D200, in 1967 gemaakt door Autonetics, een divisie van North American Aviation, in Anaheim, Californië.

Deze compacte, 24-bit computer voor algemeen gebruik was ontworpen voor de luchtvaart en navigatie. Zijn centrale verwerkingseenheid was opgebouwd uit 24 MOS-chips en profiteerde van een ontwerptechniek die vierfaselogica werd genoemd, waarbij vier afzonderlijke kloksignalen werden gebruikt, elk met een verschillend aan-uitpatroon, of fase, om veranderingen in de toestanden van de transistors aan te sturen, waardoor het schakelsysteem aanzienlijk kon worden vereenvoudigd. De computer, die slechts enkele kilo’s woog, werd gebruikt voor de besturing van de ballistische onderzeeërraket Poseidon en voor het brandstofbeheer van de B-1 bommenwerper. Hij werd zelfs overwogen voor de space shuttle.

De D200 werd kort gevolgd door een andere avionica-computer die drie CPU’s bevatte en in totaal 28 chips gebruikte: de Central Air Data Computer, gebouwd door Garrett AiResearch (nu onderdeel van Honeywell). De computer, een vluchtcontrolesysteem dat was ontworpen voor het F-14 gevechtsvliegtuig, maakte gebruik van de MP944 MOS-LSI chipset, die Garrett AiResearch tussen 1968 en 1970 had ontwikkeld. De 20-bits computer verwerkte informatie van sensoren en genereerde outputs voor instrumentatie en vliegtuigbesturing.

De architectuur van de F-14 computer was ongebruikelijk. Hij had drie functionele eenheden die parallel werkten: één voor vermenigvuldiging, één voor deling, en één voor speciale logische functies (waaronder het klemmen van een waarde tussen boven- en ondergrenzen). Elke functionele eenheid was samengesteld uit verschillende soorten MOS-chips, zoals een ROM-chip (read-only memory), die de gegevens bevatte die bepaalden hoe de eenheid zou werken; een datastuurchip; verschillende rekenkundige chips; en een RAM-chip voor tijdelijke opslag.

Omdat de F-14 computer geheim was, wisten maar weinig mensen ooit van de MP944 chipset af. Maar Autonetics gaf veel ruchtbaarheid aan zijn D200, die vervolgens de inspiratie vormde voor een nog compactere op MOS gebaseerde computer: het System IV. Die computer was het geesteskind van Lee Boysel, die in 1968 Fairchild Semiconductor verliet om Four-Phase Systems op te richten en zijn nieuwe bedrijf vernoemde naar de vier-fasen logica van Autonetics.

De CPU van de 24-bit System IV was opgebouwd uit slechts negen MOS-chips: drie rekenkundige-logische-eenheid (ALU) chips van een ontwerp dat de naam AL1 kreeg (die rekenkundige bewerkingen uitvoerde zoals optellen en aftrekken, samen met logische bewerkingen zoals AND, OR, en NOT), drie ROM-chips, en drie willekeurige-logische chips.

Bijna gelijktijdig begon een in Massachusetts gevestigde startup genaamd Viatron Computer Systems mee te doen. Slechts een jaar na de lancering in november 1967 kondigde het bedrijf zijn System 21 aan, een 16-bit minicomputer met diverse accessoires, allemaal opgebouwd uit op maat gemaakte MOS-chips.

We mogen iemand bij Viatron bedanken voor het bedenken van het woord “microprocessor”. Het bedrijf gebruikte het voor het eerst in een aankondiging van oktober 1968 van een product dat het de 2101 noemde. Maar deze microprocessor was geen chip. In het lexicon van Viatron verwees het woord naar een deel van een slimme terminal, een die compleet was met toetsenbord en tapedrive en verbonden met een aparte minicomputer. De “microprocessor” van Viatron stuurde de terminal aan en bestond uit 18 aangepaste MOS-chips op drie afzonderlijke printplaten.

Ter midden van deze gang van zaken aan het eind van de jaren zestig, maakte de Japanse rekenmachinefabrikant Business Computer Corp. (beter bekend als Busicom) een contract met Intel voor chips op maat voor een meervoudige-chipcalculator. Het eindproduct werd vereenvoudigd tot een CPU met één chip, de nu beroemde Intel 4004, samen met begeleidende chips voor opslag en input/output (I/O). De 4-bit 4004 (d.w.z. dat hij datawoorden van slechts 4 bits kon manipuleren) wordt vaak beschouwd als de eerste microprocessor.

De rekenmachine met de 4004 kwam voor het eerst samen in het begin van 1971. Tegen die tijd was er al veel concurrentie. Een halfgeleiderbedrijf genaamd Mostek had de eerste rekenmachine-op-een-chip geproduceerd, de MK6010. En Pico Electronics en General Instrument hadden ook hun G250 rekenmachine-op-een-chip in gebruik. Binnen zes maanden was ook de Texas Instruments TMS 1802 calculator-op-een-chip operationeel, de eerste chip in TI’s uiterst succesvolle 0100-lijn. Hoewel deze schakelingen prima werkten als rekenmachines, konden zij niets anders, terwijl de 4004 werkte door het uitvoeren van instructies die waren opgeslagen in een extern ROM.

Dit was een snel veranderende tijd voor de elektronische rekenmachine-industrie, en nadat Busicom in financiële moeilijkheden was geraakt, gaf zij haar exclusieve rechten op de 4004 chip op. In november 1971 begon Intel de 4004 en de bijbehorende ondersteunende chips op de markt te brengen als een op zichzelf staand product, bedoeld voor algemene computertoepassingen. Binnen een paar maanden werd de 4004 echter overschaduwd door krachtigere microprocessoren, zodat het weinig commerciële toepassingen vond. Er waren een paar flipperkasten, een tekstverwerker en een systeem voor het tellen van stemmen.

In die zin was het een elektronische rekenmachine die aan de wieg stond van de eerste microprocessor, Intel’s 4-bit 4004. Maar de 8-bit microprocessoren die de 4004 snel opvolgden, hadden een heel andere ontstaansgeschiedenis. Dat verhaal begint in 1969 met de ontwikkeling van de Datapoint 2200 “programmeerbare terminal”, door een bedrijf genaamd Computer Terminal Corp. (CTC), gevestigd in San Antonio, Texas.

De Datapoint 2200 was eigenlijk een computer voor algemeen gebruik, niet alleen een terminal. Zijn 8-bit processor was aanvankelijk opgebouwd uit ongeveer 100 bipolaire chips. De ontwerpers zochten naar manieren om de processor minder stroom te laten verbruiken en minder warmte te laten produceren. Begin 1970 regelde CTC daarom dat Intel een enkele MOS-chip zou bouwen ter vervanging van de Datapoint processorboard, hoewel het onduidelijk is of het idee om een enkele chip te gebruiken van Intel of van CTC kwam.

Intel had in juni 1970 een functionele specificatie ontwikkeld voor een chip op basis van de architectuur van de Datapoint 2200 en zette het project vervolgens zes maanden in de ijskast. Dit is het ontwerp dat de Intel 8008 zou worden. Dus of je nu de op een rekenmachine geïnspireerde 4004 of de op een terminal geïnspireerde 8008 beschouwt als de eerste echt bruikbare, algemene microprocessor met één chip, je zou de creatie ervan toch moeten toeschrijven aan Intel, nietwaar? Niet echt.

Zo zie je maar, in 1970, toen Intel aan de 8008 begon te werken, was het een startup met ongeveer 100 werknemers. Nadat ze van Intels processorproject hadden gehoord, vroeg Texas Instruments, of TI – een kolos van een bedrijf, met 45.000 werknemers – aan CTC of het ook een processor voor de Datapoint 2200 kon bouwen. CTC gaf de ingenieurs van TI de specificaties van de computer en zei dat ze aan de slag moesten gaan. Toen zij terugkwamen met een ontwerp met drie chips, vroeg CTC nadrukkelijk of TI het op één chip kon bouwen, zoals Intel deed. TI begon vervolgens rond april 1970 te werken aan een CPU met één chip voor CTC. Dat ontwerp, dat het jaar daarop was voltooid, werd eerst TMX 1795 genoemd (X voor “experimenteel”), een naam die veranderde in TMC 1795 toen de chip zijn prototype-status moest verliezen.

In juni 1971 lanceerde TI een media-campagne voor de TMC 1795 waarin werd beschreven hoe deze “centrale processor op een chip” de nieuwe Datapoint 2200 zou maken tot “een krachtige computer met mogelijkheden die de oorspronkelijke niet kon bieden”. Dat gebeurde echter niet: Na de TMC 1795 te hebben getest, wees CTC deze af en koos ervoor haar processor verder te bouwen met een bord bipolaire chips. De chip van Intel zou pas aan het eind van dat jaar klaar zijn.

Veel techniekhistorici denken dat de TMC 1795 toen en daar ter ziele is gegaan. Maar uit onlangs opgedoken documenten van wijlen Gary Boone, de hoofdontwikkelaar van de chip, blijkt dat TI na de afwijzing door CTC heeft geprobeerd de chip (die na enkele kleine verbeteringen bekend werd als de TMC 1795A) aan verschillende bedrijven te verkopen. Ford Motor Co. toonde in 1971 belangstelling voor het gebruik van de chip als motorbesturingseenheid, waardoor Boone schreef: “Ik denk dat we de massamarkt hebben betreden die onze ‘CPU-on-a-chip’ zo hard nodig heeft.” Helaas mislukten deze pogingen en TI stopte met het op de markt brengen van de TMC 1795, om zich in plaats daarvan te concentreren op de meer winstgevende rekenmachinechips. Desalniettemin, als je de eerste 8-bit microprocessor op je naam wilt schrijven, moet je TI die eer gunnen, ook al heeft het de kans laten lopen.

Tegen de tijd dat Intel de 8008 werkend had, eind 1971, had CTC zijn interesse in single-chip CPU’s verloren en gaf het zijn exclusieve rechten op het ontwerp op. Intel ging over tot het op de markt brengen van de 8008, kondigde hem aan in april 1972 en produceerde er uiteindelijk honderdduizenden van. Twee jaar later bracht de 8008 Intels 8080 microprocessor voort, die van grote invloed was op de 8086, die op zijn beurt de sluizen opende voor Intels huidige lijn van x86-chips. Dus als je nu achter een PC met een x86-processor zit, gebruik je een computer die gebaseerd is op een ontwerp dat helemaal teruggaat tot Datapoint’s 2200 programmeerbare terminal uit 1969.

Zoals deze geschiedenis duidelijk maakt, verliep de evolutie van de microprocessor allesbehalve volgens een rechte lijn. Veel was het resultaat van toeval en van verschillende zakelijke beslissingen die gemakkelijk anders hadden kunnen uitvallen. Neem bijvoorbeeld de 8-bit processorarchitectuur die CTC ontwierp voor de Datapoint 2200, die op vier verschillende manieren werd geïmplementeerd. CTC deed dit tweemaal met een bord vol bipolaire chips, eerst in een opstelling waarbij de gegevens serieel werden doorgegeven en later met een parallel ontwerp dat veel sneller was. Zowel TI als Intel voldeden aan de eisen van CTC met afzonderlijke chips met vrijwel identieke instructiesets, maar de verpakking, de besturingssignalen, de timing van de instructies en de interne schakelingen van de twee chips waren totaal verschillend.

Intel gebruikte geavanceerdere technologie dan TI, met name zelf uitgelijnde poorten van polysilicium, waardoor de transistors sneller waren en de opbrengst verbeterde. Door deze aanpak konden de transistors ook dichter opeengepakt worden. Het resultaat was dat de 4004 en 8008, zelfs gecombineerd, kleiner waren dan de TMC 1795. De ingenieurs van Intel vonden de TI-chip zelfs te groot om praktisch te zijn, maar dat was echt niet het geval: TI’s zeer succesvolle TMS 0100 rekenmachinechip, die kort daarna op de markt kwam, was zelfs nog groter dan de TMC 1795.

Wie moeten we, gezien dit alles, de uitvinding van de microprocessor toeschrijven? Eén antwoord is dat de microprocessor niet echt een uitvinding was, maar eerder iets waarvan iedereen wist dat het zou gebeuren. Het was gewoon een kwestie van wachten tot de technologie en de markt op elkaar zouden aansluiten. Ik vind dit perspectief het meest overtuigend.

Een andere manier om de zaak te bekijken is dat “microprocessor” in feite een marketingterm is die Intel, TI en andere chipfabrikanten nodig hebben om hun nieuwe producten een merknaam te geven. Boone, die weliswaar de ontwikkelaar van de TMC 1795 was, gaf Intel later alle lof voor zijn inzet om van de microprocessor een levensvatbaar produkt te maken. In een ongedateerde brief, kennelijk onderdeel van een juridische discussie over wie de eer voor de microprocessor zou moeten krijgen, schreef hij: “Het dominante thema in de ontwikkeling van de microprocessor is de bedrijfsinzet van Intel in de periode 1972-75…. Hun innovaties op het gebied van ontwerp, software en marketing hebben deze industrie mogelijk gemaakt, of op zijn minst bespoedigd.”

Honors voor het maken van de eerste microprocessor hangen ook af van hoe je het woord definieert. Sommigen definiëren een microprocessor als een CPU op een chip. Anderen zeggen dat alleen een rekenkundige logische eenheid op een chip nodig is. Weer anderen zouden toestaan dat deze functies worden verpakt in een paar chips, die tezamen de microprocessor zouden vormen.

De belangrijkste kenmerken van een microprocessor zijn volgens mij dat hij een CPU op een enkele chip biedt (inclusief ALU, controlefuncties en registers zoals een programmateller) en dat hij programmeerbaar is. Maar een microprocessor is geen complete computer: Er zijn gewoonlijk extra chips nodig voor geheugen, I/O en andere ondersteunende functies.

Op grond van een dergelijke definitie beschouwen de meeste mensen de Intel 4004 als de eerste microprocessor, omdat deze alle onderdelen van de centrale verwerkingseenheid op één chip bevat. Zowel Boone als Federico Faggin (van Intels 4004-team) zijn het erover eens dat de 4004 de vroegste TMX 1795-prototypen een maand of twee voorbleef. Deze laatste zou dan de eerste 8-bit microprocessor zijn, en de Intel 8008 de eerste commercieel succesvolle 8-bit microprocessor.

Maar als je een minder restrictieve definitie van “microprocessor” hanteert, zouden veel systemen als de eerste kunnen worden beschouwd. Degenen die een ALU-op-een-chip als een microprocessor beschouwen, schrijven Boysel toe voor het maken van de eerste ALU-op-een-chip bij Fairchild in 1968, kort voordat hij vertrok om Four-Phase Systems mede op te richten. De AL1 van Four-Phase Systems is ook een kandidaat, omdat deze registers en ALU op één chip combineerde, terwijl het besturingscircuit extern was. Als je toestaat dat een microprocessor uit meerdere LSI-chips kan bestaan, zou de Autonetics D200 als eerste in aanmerking komen.

Patenten geven een andere kijk op de uitvinding van de microprocessor. TI was er snel bij om de winstgevendheid van octrooien in te zien. Het verkreeg meerdere octrooien op de TMX 1795 en de TMS 0100 en maakte zwaar gebruik van deze octrooien in rechtszaken en licentie-overeenkomsten.

Op basis van zijn octrooien zou TI kunnen worden beschouwd als de uitvinder van zowel de microprocessor als de microcontroller, een enkele-chip verpakking van CPU, geheugen, en diverse ondersteunende functies. Of misschien toch niet. Gilbert Hyatt verkreeg namelijk in 1990 een octrooi voor de processor met één chip, op basis van een 16-bit seriële computer die hij in 1969 bouwde met platen van bipolaire chips. Dit leidde tot beweringen dat Hyatt de uitvinder van de microprocessor was, totdat TI Hyatt’s octrooi in 1996 na een ingewikkelde juridische strijd versloeg.

Een andere mogelijke uitvinder om te crediteren zou Boysel zijn. In 1995, tijdens een rechtszaak die Gordon Bell later spottend “TI versus iedereen” noemde, weerlegde Boysel TI’s patenten op de single-chip processor door een enkele AL1 ALU chip uit 1969 te gebruiken om een werkende computer aan de rechtbank te demonstreren. Zijn zet torpedeerde TI’s zaak, hoewel ik zijn demo niet als bijzonder overtuigend beschouw, omdat hij een aantal technische trucs gebruikte om het voor elkaar te krijgen.

Of je nu de eerste microprocessor beschouwt, je moet het ermee eens zijn dat er geen gebrek was aan kanshebbers voor deze titel. Het is eigenlijk een schande dat de meeste mensen maar één winnaar willen erkennen en dat veel fascinerende runners-up nu bijna helemaal vergeten zijn. Maar voor degenen onder ons met een interesse in de vroegste dagen van de microcomputing, zal deze rijke geschiedenis voortleven.

Over de auteur

Ken Shirriff werkte als programmeur voor Google voordat hij in juni 2016 met pensioen ging. Als liefhebber van computergeschiedenis is hij gefascineerd door de vroegste CPU-chips. Op het moment van publicatie van dit artikel hielp hij bij de restauratie van een Xerox Alto-microcomputer uit 1973, de computer die de grafische gebruikersinterface en de muis introduceerde. (Voor meer over de restauratie, zie Shirriff’s blog, www.righto.com.)