Первые микропроцессоры

Всякая формализованная задача автоматического управления решается путем применения ряда операций (сложения, умножения, интегрирования, логики и т. д.), которые могут выполняться либо специализированным устройством (схемой), либо универсальным (программируемым) вычислителем. Совершенствование полупроводниковых интегральных схем, о которых рассказывалось в предыдущей статье [1], сделало возможной техническую реализацию всей задачи на одном чипе в виде большой интегральной схемы (БИС) специализированного устройства или микрокомпьютера как универсального вычислителя, называемого микроконтроллером (рис. 1) [2].

Рис. 1. Микроконтроллер

Наиболее существенной частью (сердцем) микроконтроллера является центральное процессорное устройство (микропроцессор) МП, выполняющее арифметические, логические операции и операции управления процессом вычислений в соответствии с записанной в нем программой [2, 3]. Кроме того, как и обычный компьютер, микроконтроллер содержит блоки постоянного (ПЗУ) и оперативного (ОЗУ) запоминающих устройств и блок ввода—вывода В/В, соединенные цифровой шиной.

Микропроцессор на одном чипе появился в 1970-х гг. как итог процесса интеграции цифрового процессорного устройства (ЦПУ) компьютера, начинавшегося с десятка микросхем (чипов). Примером его реализации является ЦПУ MP944 бортового компьютера американского истребителя F14, разработанное компанией Garrett AiResearch в 1970 г. [2, 3, 4, 5]. Этот компьютер заменил электромеханический вычислитель предыдущего поколения истребителя «Фантом» на кулачках и шестернях, решавший задачи управления полетом путем изменения геометрии крыла. Схему нового вычислителя разработал молодой специалист с бакалаврским дипломом Калифорнийского политехнического университета (Помона) Рэй Холт (Ray Holt). Контроллер компьютера содержал блоки памяти на чипах ОЗУ и ПЗУ, а его ЦПУ включало арифметико—логическое устройство (АЛУ), выполненное на шести чипах четырех видов: умножитель, делитель, арифметические и логические функции и функция управления. Было трудно найти компанию, способную изготовить столь сложные узкоспециализированные чипы, — за исключением стартапа American Microsystems, однако и они отказались подписывать контракт, узнав, что весь объем выпуска не превышает 1000 шт. Тогда президент компании Garrett AiResearch просто купил этот стартап на бирже, а после выполнения заказа продал его, оперативно решив таким образом острый вопрос. F14 был принят на вооружение в 1974 г., но технические решения по бортовому компьютеру не были запатентованы и оставались строго засекреченными до 1998 г.

Это дало возможность американскому инженеру и основателю компании Microcomputer Гилберту Хайату (Gilbert Hyatt), имевшему диплом магистра компьютерных наук, оформить в 1970 г. и получить через 20 лет в 1990 г. патент, описывающий систему управления трехкоординатным фрезерным станком Ст с микроконтроллером на одном чипе, показанную на рис. 2 [2, 3, 6, 7]. Она содержит электроприводы ЭПx, ЭПу, ЭПz (по трем координатам соответственно), управляемые чипом микроконтроллера МК, с дополнительным блоком внешнего ПЗУ, пультом управления ПУ и блоком задания БЗ (например, на перфоленте).

Рис. 2. Управление станком Хайата

Патентные материалы включали подробное описание структуры микропроцессора, входящего в состав микроконтроллера, и его программу, однако при тогдашнем уровне технологии практическая реализация процессора на одном чипе была невозможной.

В 1967 г. инженер компании Fairchild Ли Бойсель (Lee Boysel), выпускник Мичиганского университета, разработал технологию изготовления БИС на MOS-транзисторах, которую он унес с собой, образовав в Кремниевой долине в 1968 г. собственную преуспевающую компанию Four-Phase Systems [2, 3, 4, 6, 8, 9]. С помощью этой технологии ему удалось создать одно из первых АЛУ на чипе типа AL1, которое широко применялось и принесло миллионные прибыли, однако его автору посчастливилось избежать судебных исков только благодаря широкой реорганизации, проходившей в это время в компании Fairchild. Бойсель называл свой чип первым микропроцессором, и позднее он даже создал демонстрационный макет (рис. 3) микроконтроллера, который действует как текстовый процессор, содержащий чип AL1 (МП) (1), ПЗУ (2), ОЗУ (3) и устройство ввода—вывода (4), и подключен к компьютерному терминалу [10].

Рис. 3. Макет Бойселя

Однако на практике для создания полноценного микроконтроллера требовалось использовать не менее трех чипов AL1. Поэтому сам чип Бойселя не может претендовать на роль первого микропроцессора: он не содержит устройства управления процессом вычисления, роль которого в макете Бойселя исполнял чип ПЗУ (2).

Наиболее известным стал микропроцессор 4004, созданный совместными усилиями Intel и японской компании Busicom в 1971 г. (рис. 4) [2, 3, 4, 6, 7, 11].

Рис. 4. Микропроцессор 4004

Инициатором проекта был вице—президент японской компании Sharp Тадаши Сасаки (Tadashi Sasaki), имевший докторскую степень Киотского университета и руководивший работами по замене электромеханических калькуляторов и кассовых аппаратов на электронные. Он одним из первых пришел к мысли о целесообразности применения в калькуляторах комплекта БИС, в пределе сводимого к одному чипу. Однако американская компания Rockwell, имевшая исключительные права на поставки в Sharp всей полупроводниковой комплектации, не только не одобрила эту идею, но и запретила обращаться к конкурентам. Тогда Сасаки пошел на хитрость, финансово поддержав новую японскую компанию Busicom с условием ее сотрудничества с Intel, руководителя которой Нойса он знал лично [1].

В июне 1969 г. инженер Масатоши Шима (Masatoshi Shima) прибыл в Америку с заказом на 12 специализированных чипов вычислителя калькулятора. У Шима было химическое образование, однако он самостоятельно освоил электронику и программирование. В Intel работа была поручена Теду Хоффу (Ted Hoff), имевшему докторскую степень электротехники Стэнфордского университета. Изучив техническое задание, он нашел его трудновыполнимым, а цену будущего продукта неприемлемо высокой. Вместо этого он предложил решать задачу универсальным вычислителем (комплектом 4000) в виде микроконтроллера, сделанного по структуре мини—компьютера PDP-8, с которым был хорошо знаком (рис. 5).

Рис. 5. Комплект 4000

Аналогично изображенному на рис. 1 вычислитель содержал четыре чипа: микропроцессор МП (чип 4004), блок памяти ПЗУ (чип 4001), блок ОЗУ (чип 4002) и блок ввода—вывода (чип 4003), соединенные цифровой шиной. Проект привлекал Intel еще и тем, что включал чипы памяти, которые тогда были основным бизнесом компании.

Контракт был подписан, и Шима улетел в Японию переделывать проект калькулятора, а когда вернулся в Intel через три месяца, то обнаружил, что работа нисколько не продвинулась из—за того, что ни Хофф, ни другие специалисты Intel не умели проектировать подобные чипы. Дело сдвинулось с мертвой точки лишь после переманивания из Fairchild итальянского инженера Федерико Фаджина (Federico Faggin), имевшего степень доктора физики университета Падуи, который разработал в Fairchild оригинальную MOS-технологию изготовления чипов. Благодаря героическим усилиям самого Фаджина, перешедшего на 80-часовую рабочую неделю, и помощи Шима первые образцы комплекта 4000 были испытаны уже в начале 1971 г. Программное обеспечение разработал Стэнли Мазор (Stanley Mazor), выпускник университета Сан—Франциско. Сразу же начались поставки, что позволило Busicom выпустить 100 тыс. калькуляторов.

Intel предусмотрительно выкупил у Busicom права на производство и продажу отдельного микропроцессора 4004, который быстро нашел применение в простых устройствах и системах автоматики. Это был четырехразрядный микропроцессор, содержавший 2300 транзисторов и имевший вычислительную мощность первого знаменитого электронного компьютера ENIAC на 17 тыс. лампах, построенного в США в 1945 г. и весившего 30 т. При этом сам полупроводниковый кристалл, размещенный внутри корпуса 4004 (рис. 4), был совсем крошечный, подобный показанному на рис. 6 [4].

Рис. 6. Кристалл микропроцессора

Параллельно другой микропроцессор был разработан практически в том же 1971 г. компанией Texas Instruments для компании Computer Terminal, которая задумала в 1969 г. создать универсальный компьютерный терминал — по факту простейший настольный компьютер Datapoint 2200, аналогичный показанному на рис. 3 [8, 9]. Предполагалось использовать в нем чип восьмиразрядного микропроцессора, который и был заказан независимо компаниям Intel и Texas Instruments. В Intel был создан чип 8008, а в Texas Instruments — чип TMX1795, которые в конце концов оба были отвергнуты заказчиком, заменившим их набором транзисторной логики, обладавшей по тем временам большим быстродействием.

Однако коммерческие права на разработанные чипы компания легкомысленно уступила, что и позволило Intel впоследствии создать знаменитые микропроцессоры 8080 и 8086, ставшие ядром всех будущих персональных компьютеров IBM. Чип TMX1795 же отдельно не поставлялся, а входил в состав популярных калькуляторов с микроконтроллером на чипе компании Texas Instruments [9].

Микропроцессор TMX1795 (рис. 7), описанный в патенте США [12], входит в состав вычислительной системы, а по сути — микроконтроллера, созданного по схеме рис. 1. Микропроцессор содержит АЛУ, рассчитанное на восемь операций, встроенное ОЗУ на 64 кбайта, устройство управления УУ и регистр временного хранения Р1, подключенные к общей 8-разрядной цифровой шине. Устройство управления выполнено в виде декодера ДК, который формирует 18 команд управления как самим микропроцессором, так и внешними ПЗУ, ОЗУ и устройством ввода/вывода микроконтроллера. Декодер принимает внешние сигналы контроля и управляется встроенными таймерами Т и инструкциями, хранящимися в регистре инструкций Р2, а также содержит внутреннее 8-разрядное устройство ввода/вывода В/В.

Рис. 7. TMX1795

Микропроцессор был создан в 1971 г. инженером компании Texas Instruments Гарри Буном (Gary Boon), имевшим степень магистра по автоматическому управлению университета штата Айова.

Отдельного внимания заслуживает патентная история микропроцессора на чипе [2, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12]. Технические решения бортового вычислителя Холта не были запатентованы из—за секретности. Бойсель не патентовал чип AL1, поскольку построил весь свой бизнес на компьютерах, а не на интегральных схемах. Хофф и Фаджин пытались запатентовать 4004, но не встретили понимания патентного поверенного, который посчитал, что архитектура микропроцессора заимствована из обычного компьютера, пускай даже маленького, и потому не имеет новизны. В результате Intel довольствовался двумя второстепенными патентами на организацию системы памяти. Это не помешало компании Texas Instruments получить в 1973 г. основополагающий патент Буна на микропроцессор на чипе (рис. 7) с приоритетом от 1971 г. [12]. Более того, Буну и его коллеге Майку Кохрану (Mike Cochran) удалось создать в 1971 г. и запатентовать в 1978 г. (также с приоритетом от 1971 г.) калькулятор на чипе TMS1802NC, имеющий структуру микроконтроллера (рис. 1) [9]. Этот патент был дополнен рядом других патентов компании на подобные калькуляторы, которые выпускались массовым тиражом.

Все это поставило компанию Texas Instruments, имевшую 5000 патентов, в положение монополиста, что привело к возбуждению с конца 1980-х гг. ряда судебных процессов «TI против всех», на которых компания требовала роялти со всех производителей микропроцессорной техники, в том числе с Intel [8, 9]. Однако в 1990 г. был опубликован патент Хайата на микроконтроллер на чипе (рис. 2), заявка на который была подана ранее заявок Буна из Texas Instruments, что позволило Хайату получить $70 млн в виде роялти. Правда, в 1996 г. суд, начатый Texas Instruments, претензии Хайата отверг, основываясь на утверждении экспертов о том, что его чип не мог быть создан при тогдашнем уровне технологии и практически не был реализован [3, 6, 7].

Масла в огонь подлил и Бойсель, продемонстрировавший в 1995 г. в зале судебных заседаний по делу Texas Instruments свой действующий макет (рис. 3) на чипе AL1, который, по его мнению, и являлся первым микроконтроллером на чипе, содержащим микропроцессор [3, 4, 8, 9]. Эксперты со стороны Texas Instruments с трудом доказали, что АЛУ Бойселя не обеспечивает управления процессом вычисления по загружаемой программе и потому не является полноценным микропроцессором. Тем не менее все это ставило под сомнение приоритетные права Texas Instruments, в результате чего компания пошла на заключение перекрестных лицензионных соглашений по микропроцессорам с крупнейшими американскими производителями электроники [4, 9].

Микропроцессор на одном чипе — изумительная вершина развития электроники. «История электроники составляет лишь малую часть человеческого опыта. За столетие мы перешли от устройств с одной лампой к устройствам с сотнями миллиардов транзисторов. Будущее для нас непостижимо, но, конечно, поразительное станет обычным делом» [4].

• Микропроцессоры были созданы в начале 1970-х гг. несколькими американскими компаниями.
• Среди первых можно назвать чипы БИС, которые входили в состав специализированных микрокомпьютеров, разработанных Холтом в компании Garrett AiResearch и Бойселем в компании Four-Phase Systems.
• Первым универсальным микропроцессором стал чип 4004 компании Intel, спроектированный по заданию компании Busicom.
• Практически одновременно Бун создал микропроцессор TMX1795, входивший в состав калькулятора компании Texas Instruments.
• Патентные права на микропроцессор были в центре многих судебных разбирательств, улаженных заключением лицензионных соглашений.