Intel 4004

Der Intel 4004 ist ein 4-Bit-Mikroprozessor des Mikrochipherstellers Intel, der am 15. November 1971 auf den Markt kam. Er gilt als der erste Ein-Chip-Mikroprozessor, der in Serie produziert und am freien Markt vertrieben wurde. Meist wird er auch als erster Mikroprozessor überhaupt bezeichnet, was aber nicht richtig ist, da bei Texas Instruments bereits 1968 ein Mikroprozessor als Auftragsarbeit entwickelt wurde, der aber nie in Serie ging.

Intel C4004

Heute zählt der 4004 zu den begehrtesten Objekten für Chip-Sammler. Am seltensten ist der C4004 in weißer Keramik mit Goldkappe und sichtbaren Leiterbahnen.

Entwicklung

Architektur des i4004.

Der Intel 4004 wurde bereits im Jahr 1969 von der japanischen Firma Busicom zunächst für neuartige und hochwertige Rechenmaschinen bei Intel in Auftrag gegeben. Busicom verfügte bereits über sehr viel Erfahrung mit elektronischen Rechnern, suchte aber einen Partner, der die Halbleiter noch dichter auf einen Chip integrieren konnte. Intel war damals einer der Hersteller mit der größten verfügbaren Integrationsdichte. Das erste Modell mit Intel Mikroprozessor war der Busicom 141-PF.

Intels Ted Hoff formulierte 1969 die architektonische Idee, nahm aber nicht an der Entwicklung des ersten Mikroprozessors teil. Federico Faggin wurde 1970, nachdem er Fairchild verließ (wo er 1968 die ursprüngliche Technologie für Siliziumgatter entwickelt hatte, welche den Mikroprozessor erst ermöglichte), von Intel angestellt um die Entwicklung zu beaufsichtigen und den 4004 zu entwerfen. Faggin war sehr vertraut mit Computerarchitektur, denn er hatte an dem Projekt eines kleinen elektronischen Computers bei der Firma Olivetti 1961 in Italien teilgenommen. Sobald er Intel beitrat, entwickelte Faggin eine neue Designmethode mit Siliziumgattern, welche er für den 4004 und für alle frühen Mikroprozessoren von Intel (8008, 4040, 8080) benutzte. Er führte auch verschiedene Designerneuerungen ein, die sehr wichtig für das Gelingen des Projektes waren. Masatoshi Shima kam von Busicom, assistierte Faggin während der Entwicklung des Projektes und schrieb die Software für den Busicom Calculator. Faggin gründete 1974 Zilog, die erste Firma der Welt, die sich ausschließlich des Mikroprozessors annahm, und kreierte die Architektur des Z80. Shima schloss sich Zilog an und entwickelte den Z80 unter Faggins Aufsicht.

Eigenschaften

Pin-Belegung.

Das Design basierte auf den Erfahrungen anderer CPUs jener Zeit und sah zunächst vier einzelne Bausteine vor:

• 4001, ein 2048-Bit-ROM (adressiert in 256 8-Bit Befehle) mit einem 4-Bit-Ausgabeport
• 4002, 80×4-Bit-RAM-Datenspeicher mit einem 4-Bit-I/O-Port; der RAM-Bereich des Chips ist in vier „Registern“ zu 20 × 4 Bit organisiert:
  • 16 Datenwörter (im ursprünglichen Taschenrechnerentwurf für die Ziffernanzeige der Mantisse)
  • 4 Statuswörter (im ursprünglichen Taschenrechnerentwurf für die Ziffernanzeige des Exponenten und für die Vorzeichen)
• 4003, I/O-Erweiterungschip, bestehend aus einem statischen Schieberegister
• 4004, die eigentliche CPU

Obwohl der Datenbus des Intel 4004 nur 4 Bit breit war, betrug die Befehlsbreite 8 Bit. Der Prozessor hatte 16 Register mit 4 Bit (oder 8 mit 8 Bit) sowie einen CALL- und einen RET-Befehl für Unterprogrammaufrufe, mit einem Stack von bis zu vier Rücksprungadressen.

Intel kaufte später die Rechte am Design des Intel 4004 für 60.000 US-Dollar von Busicom zurück, was sich noch als genialer Schachzug erweisen sollte. 1974 wurde der 4040 produziert, der 14 zusätzliche Befehle, acht Rücksprungadressen und einen größeren Adressraum (8 KBit) bot.

Seit Jahren hält sich das Gerücht, dass der i4004 in den Raumsonden Pioneer 10 und Pioneer 11 eingesetzt wurde. Das war aber nie der Fall. Der technische Entwurf der Raumsonden wurde im Februar 1969 festgelegt und verwendete nur bis zu diesem Zeitpunkt verfügbare Teile. Der Intel 4004 wurde aber erst 4 Monate vor dem Start von Pioneer 10 erfunden.

Zum 35. Jahrestag des 4004 wurde im November 2006 in Santa Clara die Ausstellung „Intel Museum“ nahe der Firmenzentrale eröffnet. Intel hat im Zuge dessen einen 4004 aus 2300 diskret aufgebauten Transistoren im Maßstab 130:1 nachgebaut.^[1] Das voll funktionsfähige Modell verarbeitet zur Demonstration Programme aus dem Jahre 1971.

Technische Daten

Intel D4004.

Intel C4004 mit sichtbaren Leiterbahnen (grey traces)

• Herstellung: anfangs 2"-Wafer dann 3"-Wafer, 5 Layer
• Technik: PMOS
• Strukturbreite: 10 µm
• Anzahl Transistoren: 2300^[2]
• Taktfrequenz: 500 bis 740 kHz
• Zyklen pro Instruktion: 8
• Daten-Adressraum (Harvard-Architektur): 5120 Bit
• Anzahl Befehle: 46
• Bauform: 16 Pin Dual in-line package (DIP)

Der Vertrieb startete am 15. November 1971.

Das Design wurde im Jahre 1974 durch den Intel 4040 ersetzt.

Der Prozessor wurde noch bis 1981 produziert.^[3]

Die Schaltpläne wurden am 15. November 2006 – 35 Jahre nach der Produktveröffentlichung durch Intel – für den nichtkommerziellen Einsatz freigegeben.^[4]

Siehe auch

• Liste von Mikroprozessoren

Original-Dokumente über den 4004

• Die Titelseite des IEDM (International Electron Devices Meeting - 1968) Programms Die Siliziumgate-Technologie (SGT) wurde erstmals von ihrem Entwickler Federico Faggin, während der IEDM am 23. Oktober 1968, in Washington, D.C., präsentiert. SGT später ermöglichte die Intel Mikroprozessor-Design
• Die Titelseite der Zeitschrift "Electronics" vom 29. September 1969 zeigt den Fairchild 3708 Den ersten kommerziellen integrierten Schaltkreis, der die Siliziumgate-Technologie verwendet. Der Fairchild 3708 wurde von Federico Faggin 1968 bei der Firma Fairchild entworfen
• Die Initialen F.F. auf den 4004 von Federico Faggin, der Designer der CPU und der andere Speicher-Chips (1970–1971)
• Prototyp der Busicom Rechenmaschine im Entwicklungsstadium - 1971 (Ein Geschenk von Federico Faggin an das Computer History Museum, Mountain View, California) Der Katalog der CHM Sammlung zeigt Bilder des Prototypen der Busicom 141-PF Rechenmaschine im Entwicklungsstadium, welche den ersten Microprozessor verbaut hatte, der jemals produziert wurde. Dieses Einzelstueck war ein Geschenk des Busicom Praesidenten Yoshio Kojima an Federico Faggin auf Grund seiner erfolgreichen Leitung im Design und der Entwicklung des 4004 sowie drei weiteren Speichern als auch des I/O Chips (Der MCS-4 Chipsatz). Nach 25 Jahren der Verwahrung spendete es Faggin 1996 dem CHM.
• F. Faggin and M. E. Hoff: "Standard parts and custom design merge in four-chip processor kit". Electronics/April 24, 1972, S. 112–116
• F. Faggin, M. Shima, M. E. Hoff, Jr., H. Feeney, S. Mazor: "The MCS-4 An LSI micro computer system". IEEE '72 Region Six Conference

Quellen

Einzelnachweise

1. ↑ Andreas Stiller: Prozessorgeflüster. In: c't 25/2006. Heise Zeitschriften Verlag, S. 20, ISSN 0724-8679
2. ↑ Designdaten zum i4004
3. ↑ CPU History - The CPU Museum - Life Cycle of the CPU
4. ↑ Seite des Intel Museum zum 4004 mit den CPU-Schaltplänen, Maskendaten.

Intel Datenblätter

• Datenblatt Intel 4004 (PDF-Datei; 238 kB)
• Datenblatt Intel MCS-4 (PDF-Datei; 10,67 MB)

Weblinks

 Commons: Intel 4004 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• www.CPU-Galaxy.at: Intel 4004 - Sammler Webseite mit vielen Bildern
• Intel 4004 35th Anniversary Project mit vielen weitere Informationen
• Intel 4004 35th Anniversary Präsentationen zu 4004 von Ted Hoff und Federico Faggin
• intel4004.com Hintergrundinformationen (englisch)
• computerhistory.org: Computer History Museum timeline/1971-MPU
• tagesschau.de: 40 Jahre Mikrochip

Liste der Mikroprozessoren von Intel | Intel-Prozessoren | Modellnummern

Non-x86-Prozessoren: 4004 | 4040 | 8008 | 8080 | 8085 | iAPX 432 | i860 | i960 | Itanium | Itanium 2

Bis 4. Generation: 8086 | 8088 | 80186 | 80188 | 80286 | i386 | i486DX | i486DX2 | DX4 | i486GX | i486SL/SL-NM | i486SX | i486SX2

Pentium-Serie:  Desktop: Pentium (MMX) | Pentium II | Pentium III | Pentium 4 | Pentium 4 XE | Pentium D | Pentium XE | Pentium Dual-Core  

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Core-Serie:  Core Solo | Core Duo | Core 2 | Intel-Core-i-Serie: Core i3, Core i5, Core i7 (Liste)

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