Neobyčajný príbeh prvého mikroprocesora na svete

1

Ikonický šestnásťnohý chrobák, so zlatistým kusom kremíku, osadeným v typickom bielo-šedom keramickom puzdre, sa stal symbolom boomu počítačovej éry. Za výzorom relatívne obyčajného čipu sa totiž ukrývala vôbec prvá centrálna procesorová jednotka (CPU): mikroprocesor Intel 4004.

V Kalifornii práve panovalo slnečné a pomerne príjemné jesenné počasie. Bol 15. november roku 1971 a v novinách Electronic News sa objavila nová reklama od mladej a nie príliš známej spoločnosti Intel. Zobrazovala muža a ženu, ktorí akoby obsluhovali veľký sálový počítač.

Niečo ale nesedelo. Pri pozornejšom pohľade ste zbadali, že počítač nebol zložený z komplexných skríň s elektronikou, ale len zo štyroch zväčšených, naoko rovnakých mikročipov. Text reklamy pritom hrdo hlásil „Oznamujeme novú éru integrovanej elektroniky – mikroprogramový počítač na čipe!“.

Prvá reklama na mikroprocesory na svete, ktorá vyšla 15. novembra 1971 v časopise Electronic News

Od doby, keď v roku 1969 začal Intel prvýkrát pracovať na prvom CPU, ubehlo už 50 rokov. Je nepochybné, že vynález a vznik mikroprocesora výrazne zmenil svet. Podobne ako tomu bolo u iných prelomových počítačových technológií, či už šlo tranzistor, RAM, pevný disk alebo NAND flash, aj príbeh prvého mikroprocesora je plný dobrodružstva, hrdinov, nečakaných zvratov a takisto tvrdej a neúnavnej vizionárskej práce.

Kľúčovú rolu pri jeho vzniku zohrali štyria mladí ľudia. Dvadsaťdeväťročný Talian Federico Faggin, len 26-ročný Japonec Masatoši Šima a americkí inžinieri Ted Hoff a Stanley Mazor (32, 28). Aj keď celá štvorica pracovala pre spoločnosť Intel, alebo s ňou priamo spolupracovala, nešlo o spoločný vývojový tím.

Na vývoji prvého CPU títo ľudia nepracovali naraz a prakticky ani nie spolu. Každý sa však na ňom výrazne podieľal a každý si za svoju prácu zaslúži uznanie. Ted Hoff za celkovú víziu a základný koncept, Stanley Mazor za prácu na blokových diagramoch, Masatoši Šima za dizajn operačnej logiky a napokon Federico Faggin za impozantnú prácu na konečnom fyzickom dizajne a samotnej konštrukcii.

Zostava zamestnancov firmy Intel v roku 1971, zoradená pred svojou budovou v kalifornskom meste Santa Clara, kde boli prvé mikroprocesory v podobe Intel 4004 vyrábané /Foto: Intel/

Ich práca, ktorá sa v rokoch 1969 až 1971 zhmotnila do podoby prvého univerzálneho mikroprocesora, položila základy celého boomu počítačového priemyslu v nasledujúcich dekádach.

VIAC ŠUMU DO SILICON VALLEY

Všetko to začalo 18. júla roku 1968, kedy Sillicon Valley zastihla šokujúca správa. Inžinier Gordon Moore, známy hlavne vďaka svojmu „Moorovmu zákonu“ vývoja polovodičov (počet tranzistorov v integrovaných obvodoch sa každých 18 mesiacov zdvojnásobí) a fyzik Robert Noyce, jeden z vynálezcov integrovaného obvodu, opustili svoju domovskú firmu Fairchild Semiconductor a založili jej novú priamu konkurenciu, dočasne nazvanú ako NM Electronics (začiatočné písmená ich mien).

Nebola to veru malá udalosť. Fairchild Semiconductor bola za posledných desať rokov hybnou silou celého polovodičového priemyslu a Moore a Noyce patrili k jej ôsmim pôvodným zakladateľom. Firma ako prvá na svete začala v roku 1957 vyrábať kremíkové tranzistory (dovtedy sa používalo germánium) a tri roky neskôr takisto prvé kremíkové integrované obvody.

Taktiež dala vzniknúť tzv. planárnemu výrobnému procesu, ktorý sa používal nasledovných 40 rokov a umožnil vyrábať tranzistory a integrované obvody v nízkej cene a vo vysokom výkone. Firma sa za dekádu rozvinula z 12 zamestnancov na viac ako 12 000 a dosahovala ročný obrat okolo 130 miliónov dolárov ročne, čím patrila vôbec k najväčším vo svojom odbore.

Zakladatelia Intelu Robert Noyce a Gordon Moore pred budovou firmy v roku 1970 /Foto: Intel Free Press/

V tej dobe nové polovodičové či hardvérové firmy rástli v Silicon Valley ako huby po daždi. Aj keď bol vtedajší počítačový priemysel z hľadiska veľkosti len zlomkom toho dnešného (počítač bol niečím, čo kupovala hlavne firma, nie bežný človek), jeho rýchly rast a rozširovanie do všetkých oblastí ukazoval, že sa rodí skutočný gigant.

Noyce a Moore po odchode z Fairchild Semiconductor začínali prakticky od nuly, pričom plánovali, že sa ich nová firma bude venovať najmä vývoju a výrobe čipov RAM. Na konci 60. rokov šlo o najperspektívnejší smer polovodičovej výroby, pretože sa (správne) predpokladalo, že používanie operačných pamätí z polovodičov a integrovaných obvodov plne nahradí starší koncept drôtových pamätí s magnetických jadierkom.

Polovodičové pamäte boli omnoho výkonnejšie a použiteľnejšie a umožnili ďalší rýchly rast kapacity (v tej dobe sa rátala na bajty až kilobajty). Počítačov síce bolo málo, ale šlo o lukratívny biznis, pretože cena jedného bola v tej dobe na úrovni ceny niekoľkých áut až niekoľkých domov. Osadená operačná pamäť z polovodičov, ktorá sa používala čoraz častejšie, pritom z tejto ceny tvorila tretinu až polovicu.

Noyce a Moore chceli dať svojej firme rýchlo nejaké lepšie a chytľavejšie meno než NM Electronics, ktoré považovali za dočasné a zvolili ho v zhone najmä preto, že alternatíva, pri ktorej boli mená zakladateľov vymenené (Moore-Noyce), pripomínala vo fonetickej angličtine výraz „more noise“, teda v preklade viac šumu alebo viac rozruchu, čo je v súvislosti s elektronikou vnímané ako negatívny jav. V tej dobe boli v Silicon Valley extrémne populárne firemné názvy kombinujúce slová ako Kalifornia, elektronika, počítač či technológia, čo malo vplyv aj na to, ako sa Noyce a Moore rozhodovali.

Gordon Moore a Robert Noyce pri práci v roku 1970 /Foto: Intel Free Press/

Napokon vybrali asi 20 kandidátov, z ktorých najvážnejšími boli názvy Esscotec, ako zloženina slov „Elektronické nepohyblivé počítačové technológie“ (Electronic Solid State Computer Technology), ďalej Tronicom, čo bol koniec a začiatok slov „elektronický počítač“ (Electronic Computer) a napokon Intel, čo bola zloženina slov integrovaná elektronika (Integrated Electronics). Posledný menovaný sa zakladateľom zapáčil najviac, hlavne vďaka narážke na slovo inteligencia a nový názov bol na svete.

JAPONSKÉ KALKULAČKY A JEDEN ČIP, KTORÝ VLÁDNE VŠETKÝM

Firmy v polovodičovom priemysle sa na konci 60. rokov mohli vydať dvoma základnými cestami. Prvá bola navrhovanie špecifických čipov na prianie konkrétnych firemných zákazníkov (a ich počítačov), pri ktorých najprv zákazník vykonal požiadavku a polovodičová firma následne čip navrhla, vyvinula a vyrobila priamo pre neho. Druhou cestou, ktorá je preferovaná dnes, je navrhovanie všeobecných čipov, pri ktorých polovodičová firma vyvinie a vyrobí čipy na vlastné náklady a následne ich ponúka firmám, ktoré ich používajú pri návrhu a výrobe svojho hardvéru.

Intel chcel raziť druhú cestu, pričom prvé produkty, ktoré prvá desiatka jeho zamestnancov začala vyvíjať, boli čipy operačnej pamäte (Intel 3101, SRAM) s kapacitou 64 bitov a čipy pamäte úložiska s kapacitou 1024 bitov (Intel 3301, ROM). Obe vychádzali zo Schottkyho TTL bipolárnej konštrukcie, ktorou bola známa firma Fairchild Semiconductor, ktorú Intel v neskorších produktoch nahradil modernejšími MOSFET tranzistormi.

Zástup 32 čipov operačnej pamäte Intel 3101 osadených na počítači „D“ firmy Burroughs pre použitie v Americkom letectve v roku 1969 /Foto: Evan Wasserman/

Noyce a Moore si však boli vedomí, že vývoj nových produktov pre sériovú výrobu bude trvať mesiace, počas ktorých im nikto za ich vývoj nezaplatí. Dočasne tak chceli firmu finančne zabezpečiť tým, že budú vyvíjať aj malý počet čipov na zákazku, podľa požiadaviek konkrétneho zákazníka.

Robert Noyce sa tak pár mesiacov po založení firmy, na konci roku 1968, vybral do Japonska nejakého zákazníka nájsť. Zamieril hlavne do firmy Sharp, ktorá bola v tej dobe jedným z najväčších svetových výrobcov kalkulačiek.

Slovo kalkulačka je v slovenčine úzko späté s malými vreckovými školskými zariadeniami, ktoré sa presadili neskôr, avšak pôvodne šlo skrátka o druh počítača, špeciálne navrhnutého pre konkrétne matematické úlohy. Veľkosťou pripomínal sprvu skriňu a neskôr registračnú pokladňu, pričom práve v 60. rokoch zažívali tieto zariadenia boom v podnikovom prostredí. Označenie „kalkulačka“ sa používalo v priebehu 40. a 50. rokov prakticky pre akékoľvek počítače, pretože slovo počítač (computer) pôvodne označovalo hlavne ľudí, ktorí sa výpočtami živili (počtári).

Noyce bohužiaľ zistil, že Sharp už má uzavreté kontrakty na výrobu čipov všetkých aktuálne chystaných produktov. Stretol sa však s jej významným firemným inžinierom a vývojárom, Tadaši Sasakim, ktorý mal Roberta Noyca vo veľkej úcte, vďaka jeho kľúčovej práci v histórii integrovaných obvodov.

Busicom kalkulačka (vpravo) a jej základná doska s čipmi (v strede) /Foto: Ruud Dingemans/

Sasaki chcel Noycovi a jeho mladej firme nejako pomôcť, a tak ho zoznámil so svojím dlhoročným priateľom Jošio Kojimom, s ktorým študoval na univerzite a ktorý viedol firmu Nippon Calculating Machine Corporation, známejšiu pod označením Busicom (Business Computer), podľa mena svojich kalkulačiek. Tá ledva zvládala boj s aktuálnou veľkou konkurenciou a pre Sharp nepredstavovala žiadnu hrozbu. Sasaki tak Noyca a riaditeľa Busicom zoznámil, v snahe pomôcť im obom.

Príbeh prvého procesu tým vlastne naozaj začal, pretože v apríli 1969 Busicom podpísal s Intelom kontrakt na dodanie čipov pre svoje nadchádzajúce nové kalkulačky. Na konci júna 1969 prišli do Intelu traja zamestnanci Busicomu, s konkrétnymi požiadavkami a plánmi, pričom tým hlavným bol len 26-ročný inžinier Masatoši Šima, rodák z mesta Šizuoka, nachádzajúcom sa 150 km od Tokia (narodil sa uprostred besnenia druhej svetovej vojny).

Pôvodným plánom bolo, že inžinieri Busicomu navrhnú základnú schému niekoľkých čipov, ktoré následne Intel vyvinie a vyrobí pomocou nového výrobného procesu používajúceho MOSFET tranzistory. Intel mal za vývoj dostať 100 000 dolárov a následne 50 dolárov za každý jeden vyrobený čip (Busicom sa zaviazal objednať minimálne 60 000 kusov). Dohromady tak išlo o kontrakt za 3,1 milióna dolárov.

Inžinier firmy Busicom, Masatoši Šima, ktorý sa podieľal na návrhu logiky procesora a na veľkej časti programovej práce koncových produktov /Personal photo/

Masatoši Šima viedol celú prezentáciu, pričom Intelu predložil návrhy špecifikácií deviatich rozličných čipov, ktoré mali budúce kalkulačky Busicomu poháňať. Na svoju dobu boli značne komplexné a každý z nich mal obsahovať 3000 až 5000 tranzistorov. To bol značný pokrok oproti aktuálnym kalkulačkám, ktoré sa obvykle skladali zo šiestich čipov so 600 až 1000 tranzistormi.

Noyce a Moore dali japonskú zákazku na starosti 32-ročnému inžinierovi Marcianovi „Ted“ Hoffovi, ktorého zamestnali pár mesiacov predtým. Ted Hoff pôvodne pracoval na výskume integrovaných obvodov na Stanfordovej univerzite, pričom sa zaujímal o ich využitie v oblasti pamätí. Bol len dvanásty zamestnanec Intelu v poradí, pričom Noyce mu pridelil pozíciu manažéra aplikačného výskumu, kde sa v prvých mesiacoch podieľal na vývoji RAM a ich MOSFET tranzistorov.

Ted Hoff si k projektu prizval ďalšieho inžiniera Intelu, 28-ročného Stanleyho Mazora, rodáka z Chicaga, pričom obaja neboli príliš nadšení z prezentovaných nápadov od Japoncov. Hoff sa nazdával, že čipy sú príliš komplikované a majú príliš veľa tranzistorov na to, aby sa aj s klesajúcou cenou výroby dostali k hladine 50 dolárov za kus.

Ich názory boli v priamom rozpore s inžiniermi Busicomu. Masatoši Šima mal so svojím tímom schémy čipov hotové na 80 až 90 % a očakával, že skompletovanie a vytvorenie výrobného návrhu Intelu nebude dlho trvať. Keď zistil, že čipy Intel považuje za príliš komplikované, navrhol schému rozšíriť na 12 menej komplexných čipov.

Nestačilo to však. Pri celom procese sa veľmi rýchlo ukázalo, že Intel je len malá a pár mesiacov stará firma, ktorá sa navyše na iné čipy ako RAM príliš nezameriava. Šima na svoje rozčarovanie zistil, že Intel nemá špecialistov na obvody a výpočtovú logiku, ktorí by jeho požiadavky a návrhy priamo konvertovali na konkrétne logické a obvodové schémy pre výrobu.

Jeho prezentovaným zmenám v návrhoch inžinieri Intelu príliš nerozumeli, nakoľko vo firme prakticky neexistoval človek, ktorý by mal predstavu o tom, ako vlastne kalkulačky fungujú a nikto vlastne podrobne nerozumel, čo jednotlivé čipy robia.

Ted Hoff, autor úvodného návrhu a základnej architektúry procesora 4004 /Foto: Intel/

Po niekoľkých prezentáciách Ted Hoff stále trval na tom, že aj celá 12-čipová schéma je stále príliš komplikovaná. Poukazoval na to, že kontrolná logika pre rozličné pripájateľné zariadenia kalkulačky bola vždy samostatná, že aj tie jednoduché inštrukcie boli príliš komplexné a ku všetkému, pamäťový register vyžadoval precízne a komplexné časovanie.

Cítil, že omnoho lepší prístup by bolo použitie jednoduchých inštrukcií, na úkor toho, že zaberajú viac priestoru v pamäti, čo s pokrokom v MOSFET tranzistoroch nebol už taký problém ako v minulosti. Poukázal na to, že kalkulačka by namiesto špecifických čipov teda mohla niesť univerzálny čip, ktorý by spracovával jednoduchšie univerzálne inštrukcie.

V integrovanej ROM pamäti by bol zavedený len matematický program, ktorý by na univerzálnom procesore vykonával aritmetické funkcie softvérovo, pričom procesor by okrem matematických úloh bol schopný spracovávať aj iné informácie, ako skenovanie periférií, zobrazovanie údajov, údržbu a všetky ostatné funkcie, o ktoré sa pôvodne starali špecializované čipy.

Namiesto kalkulačky by tak vznikol počítač, ktorý by funkciu kalkulačky skrátka len vykonával formou softvérovej emulácie. Nielen to, takýto univerzálny mikroprocesor by mohol spracovávať prakticky čokoľvek, od výpočtov kalkulačky, cez ovládanie semaforov, výťahov či iných strojov.

Stanley Mazor, podieľajúci sa na architektúre a blokových diagramoch /Foto: Intel/

V auguste 1969 tento nápad Ted Hoof predniesol výkonnému riaditeľovi Intelu, Robertu Noycovi, ktorý s ním prekvapivo súhlasil. Videl totiž, že zhruba 20 inžinierov, ktorých mal vo svojej firme k dispozícii, by nedokázalo včas navrhnúť a vyrobiť toľko rozličných a komplexných čipov, ako Busicom požadoval. Rozhodol sa teda pre zmenu stratégie a riaditeľovi Busicomu oznámil, že ich predstava o 12 špecializovaných čipoch bola príliš komplexná a nedá sa realizovať v požadovaných 50 dolároch za kus.

Cena by musela stúpnuť na 300 dolárov. Namiesto toho im delegoval alternatívnu ideu univerzálneho čipu, mikroprocesora, ktorý by rolu zastal. Robert Noyce si na celú situáciu neskôr spomínal s tým, že vývoj procesora bol pre Intel prakticky nevyhnutný, pretože na realizáciu pôvodného 12-čipového plánu prakticky nemal prostriedky.

Dvadsať inžinierov Intelu, z čoho len piati boli návrhári integrovaných obvodov, bolo skrátka málo. Väčšina sa pritom venovala vývoju RAM. Návrh mikroprocesora bol teda prakticky jedinou schodnou cestou, ako mohol Intel zákazku Busicomu realizovať. Noyce situáciu popísal starým známym porekadlom, že „nutnosť je matkou všetkých vynálezov“.

Do realizácie však bolo ešte ďaleko. V priebehu septembra až novembra 1969 prebiehali práce na oboch verziách. Ted Hoff pracoval na návrhu mikroprocesora a Masatoši Šima z Busicomu dokončoval (priamo v USA v budove Intelu) svoj návrh 12 čipov.

Ted Hoff si bol istý, že univerzálny čip v podobe mikroprocesora je možné vyrobiť. Nebol prvý s touto ideou. V priebehu 60. rokov sa touto témou zaoberalo viacero firiem a tímov, avšak nikdy nie konkrétne. Šlo vždy len o ideu budúcnosti, ktorá bola niekoľko rokov a možno niekoľko dekád ďaleko. Skoro všetci počítali s tým, že jedného dňa sa mikroprocesor na trhu objaví, ale práve Hoff bol jeden z prvých, ktorý si bol istý, že doba už dozrela a začal ho realizovať.

Prototyp kalkulačky Busicom 141-PF /Foto: Mark Richards/

V jeho prospech hralo to, že si na rozdiel od ostatných firiem mohol dovoliť s prelomovým projektom riskovať. Na poli výroby špecifických čipov nemal Intel žiadny trhový podiel a nemal teda ani aký stratiť.

Masatoši Šima z Busicomu však Hoffov entuziazmus nezdieľal. Ideu univerzálneho procesoru síce považoval za peknú a zaujímavú, ale videl, že od idey je k realizácii ďaleko. Videl, že Ted Hoff nemá ani zďaleka doriešené decimálne operácie, rozhrania klávesnice, kontrolu v reálnom čase a skrátka nič, čo už jeho na 90 % hotový projekt 12 čipov mal. Obával sa takisto nutnosti väčšej ROM, ktorú koncept s mikroprocesorom vyžadoval. Úplne najviac ho ale frustrovalo to, že Ted Hoff sa o detaily celej implementácie prakticky vôbec nestaral.

Všetko to skončilo v októbri 1969, kedy Intel navštívili vedúci predstavitelia Busicomu a nechali si od inžinierov oba návrhy prezentovať. Masatoši Šima prezentoval návrh svojich 12 čipov, zatiaľ čo Ted Hoff alternatívu, v ktorej sa celé útroby kalkulačky skladali len zo štyroch čipov. Dvojkilobajtovej ROM pamäte, na trvalé uloženie programu (čip Intel 4001), ďalej 320 bitovej operačnej pamäte v podobe RAM čipu Intel 4002, desaťbitového registra (čip Intel 4003) a napokon štvorbitovej centrálnej procesorovej jednotky – mikroprocesora Intel 4004.

Hoff bol pri prezentácii presvedčený, že Japonci dajú prednosť svojmu riešeniu, ale na jeho prekvapenie sa ukázalo, že to bolo naopak. Dali prednosť riešeniu s mikroprocesorom a podpísali finálny kontrakt na ich objednávku.

VEĎ TEN NÁVRHÁR SA O TOM PROJEKTE DOZVEDEL LEN MINULÝ TÝŽDEŇ!

Masatoši Šima rozhodnutie akceptoval a svoju 12-čipovú schému opustil. Spolu s o dva roky starším inžinierom Intelu, Stanleym Mazorom, sa následne pustili do skompletovania návrhu mikroprocesora Teda Hoffa a doriešili mnohé chýbajúce detaily.

Prácu dokončili v priebehu decembra 1969 a Šima sa následne vrátil do Japonska, kde začal preprogramovávať softvér kalkulačky a chystať ho na nové hardvérové riešenie. V nasledujúcich mesiacoch vypracoval celú hardvérovú dokumentáciu, manuály, špecifikácie a doriešil niekoľko chýbajúcich záležitostí v hardvérovej architektúre chystaného CPU. Následne sa s hotovou prácou vrátil v apríli roku 1970 do Intelu, aby sa pozrel na to, ako firma pokročila v návrhu obvodov a príprave výroby.

V šoku zistil, že Intel s projektom nijak nepokročil a posledné mesiace sa mu vôbec nevenoval. Manažment Intelu preradil Teda Hoffa na iný projekt, v rámci ktorého navrhoval ďalšiu generáciu mikroprocesora, označovaného ako 8008, pre terminál Datapoint 2200 americkej firmy Computer Terminal. Vývoj procesora Busicom zveril manažment Intelu celkom inému človeku, ktorý u predošlého návrhu nebol.

Počiatky polovodičovej výroby a produkcia prvých waferov vo fabrike Intelu /Foto: Intel/

Masatoši Šimu to značne nazlostilo, pretože tým hrozil posun celého projektu a vzhľadom na rýchly pokrok v priemysle sa mohlo stať, že v čase keď kalkulačky dorazia na trh, budú už nekonkurencieschopné. Situácia ale nebola taká zlá, akoby sa mohlo zdať. Ted Hoff totiž nemal absolútne žiadne skúsenosti s reálnym hardvérovým návrhom čipov a ich výrobou. Okrem toho, špecializoval sa hlavne na pamäte a nie výpočtové čipy a svoje znalosti tak v nasledujúcom pokroku a samotnej realizácii čipu už nemohol uplatňovať.

Zakladatelia a hlavy Intelu v podobe Gordona Moora a Roberta Noyca dobre vedeli, že na prácu na projekte prvého procesora potrebujú nejaké skúsené eso, ktoré celý projekt dokáže realizovať a zo sna a návrhu urobí skutočnosť. Po správnom človeku sa začali obzerať už v októbri 1969, po tom ako manažment Bussicomu po svojej návšteve riešenie s procesorom schválil. Ale problémom bolo, že počet podobných expertov bol v Silicon Valley stále veľmi malý a navyše, požiadavky Intelu boli extrémne vysoké.

Trvalo šesť mesiacov, kým správneho človeka našli. Priamo z Fairchild Semiconductor sa im podarilo zlákať 29-ročného a extrémne schopného talianskeho rodáka Federica Faggina. Faggin bol mladý nadaný fyzik, ktorý vo svojej krátkej kariére stihol vyučovať na univerzite v meste Padova (región Benátok) a pracovať pre niekoľko talianskych firiem vyvíjajúcich v tej dobe nové kremíkové polovodiče. V roku 1968 prišiel do USA pracovať pre Fairchild Semiconductor a vo firme zohral významnú rolu pri vývoji kremíkových hradiel pre vysokovýkonné integrované obvody.

Intel mu ponúkol prácu v apríli roku 1970 s tým, že potrebuje niekoho na vedenie projektu výroby nového mikroprocesora. Faggin mal pôvodne dojem, že Intel má už celú architektúru a návrh logiky procesora dokončený a potrebuje niekoho na vytvorenie masiek a výrobných schém. Prácu teda prijal. Ukázalo sa však, že projekt bol dopečený prakticky len spolovice. Mnoho z dizajnu architektúry a logiky nebolo nielenže vôbec dokončené, ale v Inteli dokonca okrem neho nebol ani nikto, kto by ich dokončiť dokázal.

Taliansky autor konečného fyzického dizajnu a samotnej konštrukcie prvého CPU, Federico Faggin /Personal photo/

Jeho prvou úlohou bolo teda navrhnúť metodológiu toho, ako návrh čipu dokončiť a prísť na to, ako ho realizovať na výrobnej schéme tranzistorov z kremíkových hradiel. Tento prvý deň, keď Federico Faggin nastúpil do Intelu a keď sa dozvedel, že projekt mikroprocesora bol v značne menej pokročilom stave, ako čakal, bol zhodou okolností zároveň aj dňom, kedy sa po štyroch mesiacoch z Japonska do Intelu vrátil Masatoši Šima.

Keď sa Šima s rozčarovaním dozvedel, že vývoj procesora v Inteli už nevedie Ted Hoff, ale niekto nový, zašiel sa posťažovať o tom, že projekt vôbec nepokročil, práve za novým vedúcim vývoja Federicom Fagginom. V šoku sa pritom dozvedel, že nielenže Faggin nastúpil do Intelu práve dnes, ale o celom projekte procesora sa dozvedel len minulý týždeň a nemá ešte ani potuchy, aké sú detaily celého projektu.

Federico Faggin rýchlo zistil, že aj keď len práve nastúpil, už má vlastne šesť mesiacov meškanie a prisľúbil Šimovi a Busicomu, že prvé testovacie vzorky čipov budú hotové do konca roku. Asi netreba pripomínať o aký heroický sľub šlo. Aby ho Faggin dodržal, nasledujúcich osem mesiacov roku pracoval 80 hodín týždenne, aby stratený čas dohnal.

Po nasledujúce mesiace Šima zostal v Inteli a pomáhal Fagginovi vo vývoji. Aj keď o fyzickej výrobe skutočných čipov nemal ani potuchy, pomáhal spoločne so Stanleym Mazorom pilovať schému logiky čipov. Z hľadiska vývoja koncových produktov však Faggin celý projekt dokončoval v nasledujúcich mesiacoch roku 1970 prakticky sám, pričom neskôr na toto obdobie spomínal so slovami „Vývojom a návrhmi som trávil 12 až 16 hodín denne, pričom som tak zúfalo chcel odviesť dokonalú prácu, že som sa skoro upracoval na smrť“.

Finálne obvody procesoru Intel 4004

Počas zvyšku roku 1970 vyriešil Faggin všetky nedostatky a diery v architektúre, vyprodukoval finálny návrh logiky a dizajn obvodov a vyvinul nový výrobný proces schopný vyprodukovať všetky štyri druhy čipov. Výrobný dizajn pamäte úložiska v podobe čipu 4001 dokončil v októbri a čipy RAM a registru (4002 a 4003) o mesiac neskôr. Prototyp procesora v podobe čipu 4004 bol napokon dokončený v januári 1971, pričom vo februári bola ešte vykonaná posledná úprava a finalizácia koncových masiek.

FUNGUJE TO!

Samotné narodenie prvého mikroprocesora na svete sa udialo v polovici januára roku 1971. Bol to moment, keď prvé čipy vzišli z linky a obvody konkrétneho čipu pod elektrickým prúdom začali vykonávať prvú prácu. Federico toto samotné zrodenie zažil takpovediac sám. Prvé wafery z výrobnej linky dorazili do jeho laboratória zhruba o 18. hodine, keď už väčšina ľudí odišla domov. On sám sa však procesora nemohol dočkať.

S rukami roztrasenými od vzrušenia vložil jeden z waferov do testovacieho stroja a na obvody jedného z procesorov napojil testovacie prístroje a elektródy. Tak rýchlo ako bilo jeho srdce sa roztikal náhle po prvý raz aj takt univerzálneho mikroprocesora. Všetko sa rozbehlo a na radosť Faggina sa začalo ukazovať, že operácie bežali hladko a obvody robia presne to, čo sa od nich očakáva. Radosť tak bola rýchlo vystriedaná obrovskou úľavou a vydýchnutím po viac ako ôsmich mesiacoch hektickej práce. Procesor fungoval.

Faggin v testovaní a experimentoch pokračoval až do tretej hodiny ráno, kedy sa vyčerpaný ale rozradostený pobral z laboratória domov. Doma našiel bdelú manželku, ktorá ho očakávala s obavami, pričom jej len nadšene zakričaním oznámil: „Funguje to!“ a spoločne celý úspech oslávili. Rýchlosť, s akou Faggin dokázal celý návrh procesora a ďalších troch čipov pripraviť pre výrobu bola vskutku obdivuhodná a svedčila o jeho obrovskom talente a schopnostiach.

Pohľad na samotné obvody čipu Intel 4004 a ikonický podpis Federica Faggina

Procesor v podobe „štyritisícštvorky“ bol vôbec prvým sériovo vyrábaným mikroprocesorom na svete. Nebolo to ale všetko. Mal ešte aj jednu zaujímavú zvláštnosť, ktorou sa takisto zapísal do histórie. Ak sa pod mikroskopom pozriete na odhalené útroby celého procesora, s tranzistormi a integrovanými obvodmi, na náprotivnom boku firemného loga Intelu nájdete aj miniatúrny podpis jeho autora, Federica Faggina.

Ide o malé písmenká FF, reprezentujúce jeho iniciály, ktoré na masky pridal na poslednú chvíľu neplánovane a spontánne ako hrdý otec. V tej dobe šlo v rámci polovodičového priemyslu o originálnu ideu, ktorá bola v nasledujúcich rokoch a dekádach imitovaná mnohými návrhármi a tvorcami čipov. Faggin pôvodne podpis F.F. umiestnil priamo do schémy, ale v neskorších produkčných sériách ho presunul na okraj, čo pripomína podpis maliara obrazu.

Mikroprocesor Intel 4004 bol vyrobený 10-mikrometrovým procesom (0,01 mm). V dnes používaných jednotkách (aktuálne používaná 12 a 7 nm technológia) ide teda vlastne o 10 000 nm výrobný proces. Samotný zlatistý čip procesora, vyňatý z keramického puzdra s nožičkami, mal rozmery 3 x 4 mm.

Obsahoval 2300 tranzistorov a pri frekvencii 740 kHz dokázal vykonávať 92 000 operácii za sekundu. Na dnešné pomery to síce môže pôsobiť úsmevne, pretože moderné CPU ich zvládnu za sekundu urobiť niekoľko stoviek miliárd, avšak treba si uvedomiť, že v roku 1946, teda len o 25 rokov skôr, bol na podobný výkon potrebný 27-tonový stroj ENIAC, ktorý bol dlhý 26 metrov, spotrebovával 150 kW a chladili ho dva letecké motory.

Intel 4004 osadený na svojej prvej základnej doske kalkulačky Busicomu

Kompletná súprava štyroch čipov bola v nasledujúcich dňoch zaslaná do Busicomu, kde Masatoši Šima, ktorý v posledných mesiacoch vyvinul programy na ich otestovanie, celý koncept overil a presvedčil sa, že kalkulačky v novej unikátnej podobe pracujú tak, ako sa od nich očakávalo. Busicom začal kalkulačky s osadenými čipmi od Intelu vyrábať v priebehu apríla roku 1971. Okrem nich čipy použil takisto v registračných pokladniach a iných účtovacích mechanizmoch, pričom kompletné predaje dosiahli 100 000 kusov.

PODPÍSANÉ KUSY KREMÍKA A ICH ODKAZ

O prvom mikroprocesore sa nedá povedať, že by okamžite od základu zmenil celý priemysel. S odstupom času ale môžeme vidieť, že aj keď prerod trval niekoľko rokov, práve tento projekt a snaha Intelu bola ozajstným impulzom. To je pomerne zaujímavé, pretože z historického hľadiska nebol prvý mikroprocesor niečo, čo malo prioritu a čo bolo určené na úplnú transformáciu počítačového odvetvia (na rozdiel od tranzistora či polovodičových RAM).

Faggin vždy cítil, že pri výrobe musel s vedením Intelu neustále bojovať o zdroje. Netušil pritom, aký bol preto dôvod. Bolo možné, že Intel viac zdrojov v tej dobe skrátka nemal a nemohol ich preto ani poskytnúť. Omnoho pravdepodobnejšie ale bolo, že manažment projektu CPU skrátka neprikladal veľkú prioritu a uprednostňoval pamäťový biznis. Zo strany Intelu to bolo, pravdaže, oprávnené. Na konci roku 1970 sa firme práve začínalo dariť vďaka veľmi úspešnému DRAM čipu operačnej pamäte, s kapacitou 1 kilobit. V rokoch 1971 a 1972 už polov

odičové pamäte nahrádzali pamäte s magnetickým jadierkom skutočne vo veľkom a DRAM čipy Intel 1103 tomuto trhu začali celkom dominovať. Intel nimi zásoboval 15 z celkových 18 najväčších výrobcov počítačov a nebolo sa preto čomu čudovať, že procesory boli na okraji záujmu.

Výroba čipov Intelu v roku 1974 /Foto: Intel/

V apríli 1971 sa po dodávke prvých procesorov Busicom do Intelu vrátil a pôvodné kontrakty chcel prerokovať. Dúfal, že s väčšou objednávkou získa menšiu cenu za čip. Faggin a Hoff túto zmenu situácie využili a hlavám Intelu v podobe Noyca a Moora odporučili, aby ponúkli Busicomu nižšiu cenu za čipy výmenou za to, že sa Busicom vzdá exkluzívnych práv na 4004 a Intel ho bude môcť predávať aj ďalším zákazníkom.

Noyce ich rady počúvol a právnici firmy následne vyjednali zmenu v dvoch fázach. Pri prvom poklese ceny Intel dostal obmedzené práva na predaj, podmienené tým, že procesory môže predávať iba firmám, ktoré nevyrábajú kalkulačky a v druhej fáze po ďalšom zlacnení už získal univerzálne neobmedzené práva.

Aj napriek tomu sa však obchodné oddelenie Intelu do predaja procesorov príliš nehrnulo. Ľudia z marketingu a predajov potenciál 4004 príliš nevideli a nazdávali sa, že mikroprocesory sú určené iba pre mikropočítače, ktorých sa celosvetovo predávalo len okolo 20 000 kusov ročne. Keďže zároveň vedeli, že na tento konkrétny trh vchádzajú už neskoro, počítali s tým, že prinajlepšom sa im podarí získať 10 % podiel, čo je len 2000 počítačov a podľa marketingu to nestálo za úsilie.

Napokon však vyhral argument, že každý predaný procesor je zároveň aj bránou k predaju RAM čipu, ktorý procesor potreboval, čo nakoniec rozhodlo a 15. novembra 1971 sa objavila v obchodnom žurnále Electronic News prvá reklama. Reakcia na ňu bola väčšia ako Intel čakal. Behom nasledujúcich dní spoločnosť dostala viac ako 5000 firemných žiadostí o zaslanie špecifikácií a podrobností, čo bola dovtedy najväčšia reakcia na ohlásenie akýchkoľvek jej predošlých produktov. To však automaticky neznamenalo úspech. V prvých mesiacoch Intel minul na tlač a rozosielanie procesorových manuálov viac ako zarobil na predajoch 4004.

Pred Intelom totiž stála veľmi ťažká úloha. Musel vykonávať nevďačnú a hlavne bezplatnú osvetu inžinierov, v snahe presvedčiť ich, aby začali dávať prednosť softvérovým riešeniam pred hardvérovými. Inžinieri mali o nové spôsoby návrhov záujem, ale naučenie toho, aby dávali pri vývoji prednosť nefyzickému programovaniu pred jednoúčelovými fyzickými hardvérovými obvodmi, si vyžadovalo čas (aj vďaka tomu sa ukázalo, aký kus práce Masatoši Šima a jeho tím pri programovaní architektúry kalkulačiek pre CPU urobil). Intel všetkému pomáhal vydaním dizajnových nástrojov a prototypových dosiek, určených na testovanie a vývoj CPU využívajúcich riešení, ktorých predaj napokon prekročil aj predaje samotných mikroprocesorov.

Pôvodný manuál mikroprocesoru 4004

Intel skrátka tvoril nový trh, čo nebolo jednoduché. Procesory sa u manažmentu firmy stretávali s nepochopením a dokonca s nevôľou a miernu zmenu priniesol až o rok neskôr druhý procesor v podobe 8-bitového 8008, ktorý bol značne univerzálnejší a komerčne úspešnejší, ako štvorbitová 4004. Skutočným zlomom sa stal v roku 1974 až tretí procesor Intelu, v podobe osembitového produktu 8080, ktorý éru rozširovania CPU naštartoval skutočne vo veľkom. Tržby procesorov v tomto roku začali dosahovať 30 % celkových tržieb Intelu, čo manažment skutočne presvedčilo o tom, že tento biznis môže byť pre firmu zaujímavý a perspektívny. Do vývoja CPU tak Intel odvtedy začal smerovať viac výskumu aj financií.

Federico Faggin vyvíjal pre Intel všetky tri prvé CPU (4004, 8008 a 8080), pričom následne v roku 1974 z firmy odišiel a založil konkurenčnú procesorovú firmu Zilog. Tá bola v priebehu 70. rokov pomerne úspešná, najmä vďaka Fagginovmu procesoru Zilog Z80, ktorý bol kompatibilný s jeho predošlým procesorom Intel 8080, avšak omnoho lacnejší. Hojne sa tak používal na prelome 70. a 80. rokov v mnohých domácich počítačoch, ako TRS-80 a ZX Spectrum. Ten bol v predaji aj v bývalom Československu v predajniach Tuzex.

V roku 1975 sa k Fagginovi pridal do firmy aj bývalý zamestnanec Busicomu, Masatoši Šima. So svojimi procesormi následne Intelu zdarne konkurovali, a to až do začiatku 80. rokov, kedy nastala éra konceptu IBM PC a výkonným procesorom začali po nasledujúce dekády dominovať už len firmy Intel a AMD.

Federico Faggin (vľavo), Ted Hoff, and Stanley Mazor (vpravo) držia procesory Intel 4004 pri príležitosti svojho uvedenia do Národnej siene slávy vynálezcov v roku 1996 /Foto: Paul Sakuma/

Historické uznanie a sláva je ošemetná záležitosť. V minulých dekádach mnoho literatúry prikladalo zásluhy na vynáleze mikroprocesora skoro výhradne Tedovi Hoffovi. Ako ste sa ale mohli presvedčiť v tomto článku, história bola vskutku komplexná a nedala sa zjednodušovať. Z historického hľadiska je fakt, kto vlastne mikroprocesor vymyslel, veľmi zahmlený. Daný koncept bol totiž mnohými firmami a inžiniermi vytvorený ako koncept mnoho rokov pred 4004.

To, čo sa však 4004 nedá uprieť, je implementácia a realizácia ekonomicky udržateľného produktu. Intel bol bezpochyby prvou firmou, ktorá jednočipový mikroprocesor naozaj vytvorila a skomercionalizovala, pričom jeho použitie malo ozajstný technický aj ekonomický zmysel. V tomto príbehu hrá dôležitú rolu aj Busicom, ktorý poskytol produkt, kde procesor mohol byť aplikovaný a takisto poskytoval financovanie a technickú pomoc celému projektu.

Z hľadiska konkrétnych ľudí mali najväčší podiel na podobe prvého mikroprocesora Ted Hoff (koncept a nedokončená architektúra) a Federico Faggin (realizácia a výroba). Ted Hoff s pomocou Stanleyho Mazora vytvoril a definoval architektúru, ktorá bola omnoho jednoduchšia a rýchlejšia ako zákazník (Busicom) chcel. Ted Hoff dokázal redukovať komplexnosť celého návrhu použitím dynamickej pamäte, ktorá preniesla na seba mnoho činností z registra, vďaka čomu dostal správny pocit, že procesor mohol byť skutočne v danú dobu už realizovateľný na jedinom čipe. Po skončení architektonickej fázy prišla na radu fáza dizajnová a výrobná, ktorú vykonal predovšetkým Federico Faggin, s pomocou Masatoši Šimu. Šlo hlavne o dokončenie architektúry, návrh logiky, rozloženia čipu i samotnej výroby, ktorej sa už Hoff vôbec nezúčastnil.

Celej štvorici sa v neskorších rokoch dostalo zaslúžené uznanie a pozbierali mnoho ocenení. Dodnes všetci žijú. Ted Hoff má dnes 81 rokov, Federico Faggin a Stanley Mazor 77 rokov a Masatoši Šima 75 rokov. Všetci tak stále vidia, kam sa ich vízia posunula a ako zmenila svet.

Prečítajte si aj ďalšie články z rubriky Príbehy z histórie IT:

lab001_nowatlab002_nowatlab003_nowat

O autorovi

Profesionálnej žurnalistike sa venujem od roku 2006. Zameriavam sa najmä na prehľadové a analytické články z prostredia hardvéru, výrobných procesov polovodičov, umelej inteligencie a ďalších technológií. Mojou doménou je takisto servis hardvéru aj softvéru.

Jeden komentár

Pridaj komentár

Objednajte si ročné predplatné TOUCHIT v limitovanej edícii
s bezdrôtovými slúchadlami a rúškom.
Kliknite a zistite viac>>