Myślałeś, że zaczęło się od Intela 4004, ale opowieść jest bardziej skomplikowana
Tranzystory, elektroniczne wzmacniacze i przełączniki znajdujące się w sercu wszystkiego, od kieszonkowych radioodbiorników po superkomputery wielkości magazynu, zostały wynalezione w 1947 roku. Wczesne urządzenia były typu zwanego tranzystorami bipolarnymi, które nadal są w użyciu. W latach 60. inżynierowie odkryli, jak łączyć wiele tranzystorów bipolarnych w pojedyncze układy scalone. Jednak ze względu na złożoną strukturę tych tranzystorów, układ scalony mógł zawierać tylko niewielką ich liczbę. Więc chociaż minikomputer zbudowany z bipolarnych układów scalonych był znacznie mniejszy niż wcześniejsze komputery, nadal wymagał wielu płytek z setkami układów.
W 1960 roku zademonstrowano nowy typ tranzystora: tranzystor MOS (metal-oxide-semiconductor). Początkowo technologia ta nie była zbyt obiecująca. Tranzystory te były wolniejsze, mniej niezawodne i droższe niż ich bipolarne odpowiedniki. Jednak już w 1964 roku, układy scalone oparte na tranzystorach MOS mogły pochwalić się większą gęstością i niższymi kosztami produkcji niż ich bipolarna konkurencja. Układy scalone nadal zwiększały swoją złożoność, zgodnie z prawem Moore’a, ale teraz technologia MOS przejęła inicjatywę.
Do końca lat 60-tych pojedynczy układ scalony MOS mógł zawierać 100 lub więcej bramek logicznych, z których każda zawierała wiele tranzystorów, co czyniło tę technologię szczególnie atrakcyjną do budowy komputerów. Te chipy z wieloma komponentami otrzymały nazwę LSI, oznaczającą integrację na dużą skalę.
Inżynierowie uznali, że rosnąca gęstość tranzystorów MOS pozwoli w końcu na umieszczenie kompletnego procesora komputerowego na jednym chipie. Ponieważ jednak tranzystory MOS były wolniejsze od tranzystorów bipolarnych, komputer oparty na układach MOS miał sens tylko wtedy, gdy wymagana była stosunkowo niska wydajność lub gdy urządzenie musiało być małe i lekkie – jak w przypadku terminali danych, kalkulatorów lub awioniki. Tak więc były to rodzaje zastosowań obliczeniowych, które zapoczątkowały rewolucję mikroprocesorową.
Większość inżynierów ma dziś wrażenie, że początek tej rewolucji rozpoczął się w 1971 roku od 4-bitowego układu 4004 firmy Intel, po którym natychmiast i logicznie nastąpił 8-bitowy układ 8008. W rzeczywistości historia narodzin mikroprocesora jest o wiele bogatsza i bardziej zaskakująca. W szczególności, niektóre nowo odkryte dokumenty oświetlają, jak dawno zapomniany chip – TMX 1795 firmy Texas Instruments – pokonał Intel 8008, by stać się pierwszym 8-bitowym mikroprocesorem, tylko po to, by potem popaść w zapomnienie.
To, co otworzyło drzwi dla pierwszych mikroprocesorów, było zastosowaniem układów scalonych MOS do obliczeń. Pierwszym komputerem zbudowanym z układów MOS-LSI był D200, stworzony w 1967 roku przez Autonetics, oddział North American Aviation, mieszczący się w Anaheim, Calif.
Ten kompaktowy, 24-bitowy komputer ogólnego przeznaczenia został zaprojektowany dla lotnictwa i nawigacji. Jego centralna jednostka obliczeniowa została zbudowana z 24 układów MOS i korzystała z techniki projektowania zwanej logiką czterofazową, która wykorzystywała cztery oddzielne sygnały zegarowe, każdy z innym wzorcem włączania i wyłączania, czyli fazą, do napędzania zmian w stanach tranzystorów, co pozwalało na znaczne uproszczenie obwodów. Ważący zaledwie kilka kilogramów komputer był używany do naprowadzania pocisków balistycznych wystrzeliwanych z okrętów podwodnych Poseidon oraz do zarządzania paliwem w bombowcu B-1. Rozważano nawet zastosowanie go w wahadłowcu kosmicznym.
Krótko po D200 pojawił się kolejny komputer awioniczny, zawierający trzy procesory i wykorzystujący w sumie 28 układów: Central Air Data Computer, zbudowany przez Garrett AiResearch (obecnie część Honeywell). Komputer ten, system kontroli lotu zaprojektowany dla myśliwca F-14, wykorzystywał chipset MP944 MOS-LSI, który Garrett AiResearch opracował w latach 1968-1970. Ten 20-bitowy komputer przetwarzał informacje z czujników i generował dane wyjściowe dla oprzyrządowania i sterowania samolotem.
Architektura komputera F-14 była niezwykła. Posiadał trzy jednostki funkcjonalne działające równolegle: jedną do mnożenia, jedną do dzielenia i jedną do specjalnych funkcji logicznych (m.in. zaciskania wartości pomiędzy górną i dolną granicą). Każda jednostka funkcjonalna składała się z kilku różnych rodzajów układów MOS, takich jak układ pamięci tylko do odczytu (ROM), który zawierał dane określające sposób działania jednostki; układ sterujący danymi; różne układy arytmetyczne; oraz układ RAM do tymczasowego przechowywania danych.
Ponieważ komputer F-14 był utajniony, niewiele osób wiedziało o chipsecie MP944. Ale Autonetics szeroko rozpropagował swój D200, który stał się inspiracją dla jeszcze bardziej kompaktowego komputera opartego na MOS: System IV. Komputer ten był pomysłem Lee Boysela, który odszedł z Fairchild Semiconductor w 1968 roku, aby współzałożyć Four-Phase Systems, nazywając swoją nową firmę na cześć czterofazowego układu logicznego Autonetics.
Procesor 24-bitowego Systemu IV był zbudowany z zaledwie dziewięciu układów MOS: trzech układów arytmetyczno-logicznych (ALU) o nazwie AL1 (które wykonywały operacje arytmetyczne, takie jak dodawanie i odejmowanie, a także operacje logiczne, takie jak AND, OR i NOT), trzech układów ROM i trzech układów random-logic.
Niemal równocześnie do gry weszła firma Viatron Computer Systems z Massachusetts. Zaledwie rok po rozpoczęciu działalności, w listopadzie 1967 roku, firma ogłosiła System 21, 16-bitowy minikomputer z różnymi akcesoriami, wszystkie zbudowane z niestandardowych układów MOS.
Możemy podziękować komuś z Viatron za ukucie słowa „mikroprocesor”. Firma po raz pierwszy użyła go w ogłoszeniu z października 1968 roku dotyczącym produktu, który nazwała 2101. Ale ten mikroprocesor nie był układem scalonym. W leksykonie Viatrona, słowo to odnosiło się do części inteligentnego terminala, takiego, który był wyposażony w klawiaturę i napędy taśmowe i podłączony do oddzielnego minikomputera. Mikroprocesor” firmy Viatron kontrolował terminal i składał się z 18 niestandardowych układów MOS na trzech oddzielnych płytkach.
Pośród tych wydarzeń pod koniec lat 60-tych, japoński producent kalkulatorów Business Computer Corp. (lepiej znany jako Busicom) podpisał kontrakt z firmą Intel na niestandardowe układy scalone do kalkulatora z wieloma układami. Ostateczny produkt został uproszczony do jednoukładowego procesora, słynnego już Intel 4004, wraz z towarzyszącymi mu układami pamięci masowej i wejścia/wyjścia (I/O). Czterobitowy 4004 (co oznacza, że obsługiwał słowa danych o szerokości zaledwie 4 bitów) jest często uważany za pierwszy mikroprocesor.
Kalkulator zawierający 4004 po raz pierwszy pojawił się na początku 1971 roku. W tym czasie miał już sporą konkurencję. Firma produkująca półprzewodniki o nazwie Mostek wyprodukowała pierwszy kalkulator na chipie, MK6010. Pico Electronics i General Instrument również miały swoje kalkulatory na chipach G250. W ciągu sześciu miesięcy zaczął również działać układ scalony Texas Instruments TMS 1802, który był pierwszym układem z niezwykle udanej linii 0100 firmy TI. Podczas gdy te układy działały dobrze jako kalkulatory, nie mogły robić nic innego, podczas gdy 4004 wykonywał instrukcje zapisane w zewnętrznej pamięci ROM. Dzięki temu mógł służyć jako komputer ogólnego przeznaczenia.
Był to szybko zmieniający się okres w branży kalkulatorów elektronicznych, a po napotkaniu trudności finansowych firma Busicom zrezygnowała z wyłącznych praw do układu 4004. W listopadzie 1971 roku Intel rozpoczął sprzedaż tego układu i związanych z nim układów pomocniczych jako samodzielnego produktu przeznaczonego do ogólnych zastosowań obliczeniowych. W ciągu kilku miesięcy 4004 został jednak przyćmiony przez potężniejsze mikroprocesory, więc znalazł niewiele komercyjnych zastosowań. Należało do nich kilka maszyn do pinballa, edytor tekstu i system do liczenia głosów.
W tym sensie to właśnie kalkulator elektroniczny dał początek pierwszemu mikroprocesorowi, 4-bitowemu 4004 firmy Intel. Ale 8-bitowe mikroprocesory, które szybko go zastąpiły, miały zupełnie inną genezę. Historia ta zaczyna się w 1969 roku od opracowania „programowalnego terminala” Datapoint 2200 przez firmę Computer Terminal Corp. (CTC), z siedzibą w San Antonio, Texas.
Datapoint 2200 był tak naprawdę komputerem ogólnego przeznaczenia, a nie tylko terminalem. Jego 8-bitowy procesor był początkowo zbudowany z około 100 bipolarnych układów scalonych. Projektanci szukali sposobów, aby procesor zużywał mniej energii i wytwarzał mniej ciepła. Tak więc na początku 1970 roku CTC zaaranżowała dla Intela budowę pojedynczego układu MOS, który miał zastąpić płytę procesora Datapoint, choć nie jest jasne, czy pomysł użycia pojedynczego układu wyszedł od Intela czy od CTC.
Do czerwca 1970 r. Intel opracował specyfikację funkcjonalną układu opartego na architekturze Datapoint 2200, a następnie wstrzymał projekt na sześć miesięcy. To właśnie ten projekt miał stać się układem Intel 8008. Tak więc niezależnie od tego, czy uznasz 4004 zainspirowany kalkulatorem, czy 8008 zainspirowany terminalem za pierwszy prawdziwie użyteczny jednoukładowy mikroprocesor ogólnego przeznaczenia, musisz przypisać jego stworzenie firmie Intel, prawda? Nie do końca.
Widzisz, w 1970 roku, kiedy Intel rozpoczął pracę nad 8008, był to startup zatrudniający około 100 pracowników. Po zapoznaniu się z projektem procesora Intela, Texas Instruments, czyli TI – firma-perełka, zatrudniająca 45 000 pracowników – zwróciła się do CTC z pytaniem, czy ona również mogłaby zbudować procesor dla Datapoint 2200. CTC przekazała inżynierom z TI specyfikację komputera i poleciła im działać. Kiedy wrócili z projektem składającym się z trzech chipów, CTC zapytała, czy TI mogłaby zbudować go na jednym chipie, tak jak to robił Intel. Około kwietnia 1970 roku TI rozpoczęła prace nad jednoukładowym procesorem dla CTC. Projekt ten, ukończony w następnym roku, został nazwany TMX 1795 (X jak „eksperymentalny”), nazwa ta zmieniła się w TMC 1795, gdy nadszedł czas, aby układ stracił swój prototypowy status.
W czerwcu 1971 r. TI rozpoczęła kampanię medialną dla TMC 1795, opisując, że ten „centralny procesor na chipie” uczyni z nowego Datapointa 2200 „potężny komputer z funkcjami, których nie mógł zaoferować oryginalny”. Tak się jednak nie stało: Po przetestowaniu TMC 1795, CTC odrzuciła go, decydując się na dalszą budowę swojego procesora przy użyciu płyty z układami bipolarnymi. Układ Intela miał być gotowy dopiero pod koniec tego samego roku.
Wielu historyków technologii uważa, że TMC 1795 umarł wtedy i tam. Ale nowo ujawnione dokumenty od zmarłego Gary’ego Boone’a, głównego twórcy układu, pokazują, że po odrzuceniu przez CTC, TI próbowało sprzedać układ (który po kilku drobnych poprawkach stał się znany jako TMC 1795A) różnym firmom. Ford Motor Co. wykazał zainteresowanie użyciem układu jako kontrolera silnika w 1971 roku, co skłoniło Boone’a do napisania: „Myślę, że weszliśmy na rynek masowy, którego nasz 'CPU-on-a-chip' desperacko potrzebuje.” Niestety, te wysiłki nie powiodły się i TI zaprzestała sprzedaży TMC 1795, skupiając się na bardziej dochodowych układach do kalkulatorów. Niemniej jednak, jeśli chcesz przypisać sobie zasługi za pierwszy 8-bitowy mikroprocesor, powinieneś przyznać ten zaszczyt firmie TI, nie zważając na to, że zawaliła tę okazję.
Engines of Change: Te notatki ujawniają, że Ford Motor Co. rozważał użycie pionierskiego mikroprocesora TI jako sterownika silnika.
Do czasu, gdy Intel miał działający 8008, pod koniec 1971 roku, CTC stracił zainteresowanie jednoukładowymi procesorami i zrezygnował z wyłącznych praw do projektu. Intel postanowił skomercjalizować 8008, ogłaszając go w kwietniu 1972 roku i ostatecznie produkując setki tysięcy egzemplarzy. Dwa lata później, 8008 zrodził mikroprocesor Intela 8080, który miał duży wpływ na 8086, który z kolei otworzył wrota dla obecnej linii chipów x86 Intela. Więc jeśli siedzisz teraz przy komputerze z procesorem x86, używasz komputera opartego na konstrukcji, która sięga aż do programowalnego terminala Datapoint 2200 z 1969 r.
Jak ta historia jasno pokazuje, ewolucja mikroprocesora przebiegała inaczej niż po linii prostej. Wiele było wynikiem przypadku i rezultatem różnych decyzji biznesowych, które z łatwością mogły potoczyć się inaczej. Rozważmy, jak architektura 8-bitowego procesora, którą CTC zaprojektowała dla Datapoint 2200, została zaimplementowana na cztery różne sposoby. CTC zrobiła to dwukrotnie, używając płytki wypełnionej układami bipolarnymi, najpierw w układzie, który przekazywał dane szeregowo, a później w układzie równoległym, który był znacznie szybszy. Zarówno TI, jak i Intel spełniły wymagania CTC dzięki pojedynczym chipom posiadającym niemal identyczne zestawy instrukcji, ale ich opakowanie, sygnały sterujące, taktowanie instrukcji i wewnętrzne obwody były zupełnie inne.
Intel wykorzystał bardziej zaawansowaną technologię niż TI, przede wszystkim samoustawiające się bramki wykonane z polikrzemu, co przyspieszyło pracę tranzystorów i poprawiło wydajność. Takie podejście pozwoliło również na gęstsze upakowanie tranzystorów. W rezultacie, 4004 i 8008, nawet razem wzięte, były mniejsze niż TMC 1795. Rzeczywiście, inżynierowie Intela uważali układ TI za zbyt duży, aby był praktyczny, ale tak naprawdę nie było: Bardzo udany układ kalkulatora TMS 0100 firmy TI, wprowadzony wkrótce potem, był nawet większy od TMC 1795.
Zważywszy na to wszystko, komu powinniśmy przypisać wynalezienie mikroprocesora? Jedną z odpowiedzi jest to, że mikroprocesor nie był tak naprawdę wynalazkiem, ale raczej czymś, o czym wszyscy wiedzieli, że się wydarzy. Była to tylko kwestia czekania, aż technologia i rynek się ułożą. Uważam, że ta perspektywa jest najbardziej przekonująca.
Innym sposobem patrzenia na rzeczy jest to, że „mikroprocesor” jest w zasadzie terminem marketingowym, napędzanym przez potrzebę Intela, TI i innych firm produkujących układy scalone do oznaczania swoich nowych produktów. Boone, mimo że był twórcą TMC 1795, później docenił zaangażowanie Intela w przekształcenie mikroprocesora w realny produkt. W niedatowanym liście, najwyraźniej będącym częścią dyskusji prawnej na temat tego, komu należy się uznanie za mikroprocesor, napisał: „Dominującym tematem w rozwoju mikroprocesora jest zaangażowanie korporacji Intel w latach 1972-75….. Ich innowacje w projektowaniu, oprogramowaniu i marketingu umożliwiły rozwój tej branży, a przynajmniej przyspieszyły go.”
Honory za stworzenie pierwszego mikroprocesora również zależą od tego, jak zdefiniujesz to słowo. Niektórzy definiują mikroprocesor jako procesor w układzie scalonym. Inni mówią, że wszystko, co jest wymagane, to jednostka arytmetyczno-logiczna na chipie. Jeszcze inni pozwoliliby, by te funkcje były upakowane w kilku chipach, które wspólnie tworzyłyby mikroprocesor.
W moim przekonaniu, kluczowymi cechami mikroprocesora jest to, że dostarcza on CPU na pojedynczym chipie (włączając ALU, funkcje kontrolne i rejestry takie jak licznik programu) i że jest programowalny. Ale mikroprocesor nie jest kompletnym komputerem: Dodatkowe układy są zwykle potrzebne do obsługi pamięci, I/O i innych funkcji pomocniczych.
Przy zastosowaniu takiej definicji większość ludzi uważa układ Intel 4004 za pierwszy mikroprocesor, ponieważ zawiera on wszystkie elementy centralnej jednostki obliczeniowej na jednym układzie scalonym. Zarówno Boone, jak i Federico Faggin (z zespołu Intel 4004) zgadzają się, że 4004 pokonał najwcześniejsze prototypy TMX 1795 o miesiąc lub dwa. Ten ostatni reprezentowałby wtedy pierwszy 8-bitowy mikroprocesor, a Intel 8008 pierwszy komercyjnie udany 8-bitowy mikroprocesor.
Ale jeśli przyjmiemy mniej restrykcyjną definicję „mikroprocesora”, wiele systemów można by uznać za pierwsze. Ci, którzy uważają ALU-on-a-chip za mikroprocesor, przypisują Boyselowi stworzenie pierwszego w Fairchild w 1968 roku, na krótko przed jego odejściem, by współzałożyć Four-Phase Systems. AL1 z Four-Phase Systems jest również kandydatem, ponieważ łączył rejestry i ALU na pojedynczym chipie, posiadając jednocześnie zewnętrzne obwody kontrolne. Jeśli dopuścić, że mikroprocesor może składać się z wielu układów LSI, Autonetics D200 kwalifikowałby się jako pierwszy.
Patenty dostarczają innego kąta na wynalezienie mikroprocesora. TI szybko zdała sobie sprawę z opłacalności patentów. Uzyskała wiele patentów na TMX 1795 i TMS 0100 i intensywnie wykorzystywała je w sporach sądowych i umowach licencyjnych.
Bazując na swoich patentach, TI można by uznać za wynalazcę zarówno mikroprocesora, jak i mikrokontrolera, jednoukładowego opakowania procesora, pamięci i różnych funkcji pomocniczych. A może nie. Dzieje się tak, ponieważ Gilbert Hyatt uzyskał patent na procesor jednoukładowy w 1990 roku, bazując na 16-bitowym komputerze szeregowym, który zbudował w 1969 roku z płytek układów bipolarnych. Doprowadziło to do twierdzeń, że Hyatt był wynalazcą mikroprocesora, dopóki TI nie unieważniło patentu Hyatta w 1996 roku po skomplikowanej batalii prawnej.
Innym możliwym wynalazcą, którego można by uznać za wynalazcę, byłby Boysel. W 1995 roku, podczas postępowania sądowego, które Gordon Bell później prześmiewczo nazwał „TI kontra wszyscy”, Boysel przeciwstawił się patentom TI na procesory jednoukładowe, używając pojedynczego układu AL1 ALU z 1969 roku do zademonstrowania sądowi działającego komputera. Jego ruch skutecznie storpedował sprawę TI, chociaż nie uważam jego demonstracji za szczególnie przekonującą, ponieważ użył kilku technicznych sztuczek, aby ją odciągnąć.
Niezależnie od tego, co uważacie za pierwszy mikroprocesor, musicie się zgodzić, że nie brakowało pretendentów do tego tytułu. To wstyd, naprawdę, że większość ludzi stara się rozpoznać tylko jednego zwycięzcę w wyścigu i że wielu fascynujących biegaczy jest teraz prawie całkowicie zapomnianych. Ale dla tych z nas, którzy interesują się najwcześniejszymi dniami mikrokomputerów, ta bogata historia będzie żyła dalej.
O autorze
Ken Shirriff pracował jako programista dla Google przed przejściem na emeryturę w czerwcu 2016 roku. Pasjonat historii komputerów, jest zafascynowany najwcześniejszymi układami CPU. W momencie publikacji tego artykułu pomagał odrestaurować mikrokomputer Xerox Alto z 1973 r., komputer, który wprowadził graficzny interfejs użytkownika i mysz. (Więcej na temat renowacji można znaleźć na blogu Shirriffa, www.righto.com.)