Intel 4004: jak japoński kalkulator stworzył erę mikroprocesorów

Zamówienie z Japonii, które wszystko zmieniło

Jesienią 1969 roku do siedziby Intela w Mountain View przybył przedstawiciel japońskiej firmy Busicom – producenta kalkulatorów biurowych. Firma planowała nową serię zaawansowanych urządzeń i potrzebowała do tego aż 12 wyspecjalizowanych układów scalonych. Każdy miałby obsługiwać inną funkcję: klawiaturę, wyświetlacz, drukarkę i logikę obliczeń.

Dla Intela, założonego zaledwie rok wcześniej przez Roberta Noyce'a i Gordona Moore'a, było to trudne zlecenie. Firma specjalizowała się głównie w pamięciach RAM i dopiero budowała swoje kompetencje w projektowaniu chipów na zamówienie. Równoległe zaprojektowanie 12 skomplikowanych układów graniczyło z możliwościami całego zespołu.

Projekt trafił na biurko jednego inżyniera, który miał na ten problem zupełnie inne spojrzenie – i to spojrzenie zmieniło historię informatyki.

Ted Hoff i rewolucja zamknięta w jednym chipie

Marcian 'Ted' Hoff, szef działu badań aplikacyjnych Intela, zaproponował coś radykalnie prostszego niż 12 oddzielnych układów: jeden chip ogólnego przeznaczenia, który byłby programowalny – działający jak miniaturowy komputer.

Hoff inspirował się architekturą DEC PDP-8, minikomputera o eleganckiej i prostej budowie. Kluczowy wniosek był następujący: zamiast kodować logikę bezpośrednio w krzem, wystarczy stworzyć procesor zdolny odczytywać i wykonywać instrukcje z zewnętrznej pamięci. Jeden układ, nieskończenie wiele zastosowań.

Busicom początkowo odrzuciło ten pomysł. Japońscy inżynierowie byli przekonani, że taki chip będzie za wolny i za mało wydajny w porównaniu z rozwiązaniem dedykowanym. Hoff wytrwale bronił swojej koncepcji przez kolejne miesiące. Ostatecznie Intel zaproponował kompromis: nowa architektura w zamian za niższą cenę jednostkową produkowanych chipów. Busicom zgodziło się – i nie wiedziało jeszcze, że właśnie oddało historię.

Federico Faggin: człowiek, który narysował przyszłość

Pomysł Hoffa był genialnie prosty. Jednak ktoś musiał zamienić go w działający krzem. W 1970 roku Intel zatrudnił włoskiego inżyniera Federico Faggina – eksperta od technologii MOS, który wcześniej pracował w Fairchild Semiconductor i sam opracował nowatorską technikę produkcji układów scalonych.

Faggin przez prawie rok ręcznie projektował układ złożony z 2300 tranzystorów umieszczonych na powierzchni zaledwie 12 mm² – mniejszej niż paznokieć małego palca. Każda ścieżka przewodząca musiała być precyzyjnie wyliczona. Błąd rzędu mikrona oznaczał niesprawny chip.

Do zespołu dołączył też japoński inżynier Masatoshi Shima delegowany przez Busicom oraz Stanley Mazor z Intela, pomagający definiować listę instrukcji procesora. Razem stworzyli coś, czego świat jeszcze nie widział: kompletny procesor centralny zamknięty w jednym układzie scalonym.

Pierwszy działający prototyp Intel 4004 opuścił linię produkcyjną wiosną 1971 roku. Faggin wspominał później, że gdy chip zadziałał za pierwszym razem – po miesiącach wyczerpującej pracy – przez chwilę stał w milczeniu, nie mogąc uwierzyć własnym oczom.

Co potrafił Intel 4004 i co to znaczyło w 1971 roku

Oficjalna premiera Intel 4004 odbyła się 15 listopada 1971 roku, ogłoszona na łamach branżowego magazynu Electronic News. Parametry układu z dzisiejszej perspektywy wyglądają skromnie, lecz w realiach 1971 roku stanowiły prawdziwy przełom:

• Taktowanie: do 740 kHz (dziś typowy procesor pracuje z prędkością 3–5 GHz)
• Architektura: 4-bitowa – przetwarzał cztery bity danych jednocześnie
• Liczba tranzystorów: 2 300 (dziś w jednym chipie mieści się ponad 25 miliardów)
• Technologia litografii: 10 mikrometrów (dziś: 2–3 nanometry – ponad 3000 razy mniej)
• Lista instrukcji: 46 rozkazów maszynowych
• Cena w roku premiery: około 200 dolarów za jednostkę

Najważniejsze jednak nie były liczby, lecz sama idea. Po raz pierwszy w historii cały mózg komputera zmieścił się na jednym chipie wielkości paznokcia. Wcześniej podobne możliwości obliczeniowe wymagały szaf pełnych elektroniki, kosztujących setki tysięcy dolarów i zajmujących całe pomieszczenia. Teraz można było to kupić za 200 dolarów.

Jak Intel odzyskał wynalazek, który zmienił świat

Był jednak problem prawny. Chip zaprojektowano na zlecenie Busicom i formalnie to japońska firma była właścicielem projektu. Intel nie mógł sprzedawać 4004 innym klientom bez jej zgody. Tymczasem w Intelu dojrzewało przekonanie, że ten mikroprocesor to coś znacznie większego niż chip do kalkulatora.

W połowie 1971 roku Intel zaproponował Busicom układ: w zamian za prawo do komercjalizacji procesora na rynku otwartym, obniży cenę jednostkową chipów dla japońskiej firmy. Busicom, zmęczone rosnącą presją cenową na rynku kalkulatorów, przystało na warunki. Oddało Intelowi coś, co okazało się jedną z najcenniejszych własności intelektualnych w historii technologii – w zamian za rabat na zamówionych układach.

Intel niezwłocznie uruchomił sprzedaż 4004 na rynku otwartym. Chip trafiał do drukarek, mierników, systemów sterowania i pierwszych hobbystycznych mikrokomputerów. Każde zastosowanie udowadniało tę samą tezę: jeden programowalny procesor może zastąpić dziesiątki wyspecjalizowanych układów i całkowicie zmienić ekonomikę elektroniki.

Dziedzictwo, które trwa do dziś

Intel 4004 bezpośrednio zapoczątkował linię procesorów trwającą do dziś. Po nim przyszedł 8008, potem 8080, następnie 8086 – i cała rodzina x86, na której działają miliardy komputerów, serwerów i laptopów na całym świecie. Gdy w 1981 roku IBM szukał procesora do swojego pierwszego PC, sięgnął po Intel 8088 – wnuka 4004.

Federico Faggin, rozczarowany tym, że Intel długo nie przyznawał mu publicznego uznania za zaprojektowanie chipa, odszedł z firmy w 1974 roku. Założył własną spółkę Zilog, która stworzyła procesor Z80 – jeden z najpopularniejszych układów lat 80., stosowany w komputerach Sinclair ZX Spectrum i setkach urządzeń przemysłowych.

W 2009 roku IEEE uznał Intel 4004 za oficjalny kamień milowy historii elektryki i elektroniki. Z okazji 40. rocznicy premiery w 2011 roku Intel opublikował działający emulator chipa, dostępny publicznie w sieci – każdy może dziś uruchomić kod na wirtualnym 4004.

Dziś oryginalne egzemplarze Intela 4004 można oglądać w muzeach techniki. Ale jego prawdziwe muzeum to każdy komputer, smartfon, serwer i urządzenie IoT, które gdziekolwiek na świecie teraz działa. Wszystko to jest potomkiem jednego, małego chipu zamówionego przez japońską firmę kalkulatorową ponad pół wieku temu.