Intel 4004

Processeur Intel 4004

Le 4004 d'Intel est le premier microprocesseur commercialisé^[1],[2]. Avec 2300 transistors et une puissance d'exécution d'environ 90 000 opérations par seconde à une fréquence maximale de 740 KHz^[3], il est comparable à l'ENIAC, qui occupe 167 m² pour un poids total de 30 tonnes^[4].

Concepteurs

Le 4004 a été conçu par deux ingénieurs d'Intel : Marcian Hoff, qui mit son architecture au point en 1969, et Federico Faggin, l'unique designer de puce du projet MCS-4. Faggin avait une expérience de la conception de transistor MOSFET sur silicium, et notamment de la nouvelle technique dite de « self-aligned gates », qu'il avait mise au point à Fairchild Semiconductor en 1968. Ce dernier a dirigé avec succès le projet MCS-4 en 1970-1971.

Au moment de l’invention du microprocesseur les ingénieurs savaient concevoir l'architecture d'un microprocesseur et en définir la logique, mais personne n’était encore en mesure d'en réaliser un sur silicium^[5].

Historique

Microprocesseur Intel 4004

En 1969, la société japonaise Busicom, premier gros client d'Intel (fondé la même année, en 1968) se rapprocha d'Intel afin de discuter du développement de circuits intégrés dont elle avait conçu l'architecture logique. Ceux-ci leur étaient nécessaires pour réaliser un type de calculatrices. L'architecture utilisée par Busicom était répartie en sept puces : un CPU à but spécifique lui même divisé en trois puces avec une mémoire en lecture seule (ROM) dédiée au stockage des programmes ; un registre à décalage ayant pour but de stocker l'information; et deux puces d'entrée et sortie (I/O).

Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff), assisté par Stan Mazor d'Intel, proposa une architecture plus simple employant quatre puces : une architecture de CPU d'utilité générale utilisant la RAM pour stocker l'information qui pouvait potentiellement être intégrée dans une puce, une puce de mémoire en lecture seule (ROM), une puce de mémoire à accès aléatoire (RAM) et une puce entrée et sortie (I/O). Les ingénieurs de Busicom évaluèrent la proposition de Hoff et l'acceptèrent en octobre 1969.

Federico Faggin, qui était alors employé chez Fairchild Semiconductor, fut engagé chez Intel en avril 1970 pour y diriger le projet et réaliser le 4004. Durant son passage chez Fairchild, Faggin créa en 1968 la technologie originale du silicon gate avec porte auto-alignée ("self-aligned gate"), Silicon Gate Technology (SGT), une technologie qui permit de réaliser le microprocesseur, et réalisa le premier circuit intégré MOS du monde utilisant SGT (le Fairchild 3708), prouvant la viabilité de la nouvelle technologie. Alors qu'il travaillait chez Olivetti à Borgolombardo en Italie en 1961, Faggin avait acquis experience sur la conception et la réalisation d'un petit ordinateur électronique et etait très familier avec son architecture. À Intel, Federico Faggin créa une nouvelle méthodologie de projet, inexistante jusque là, employant la technologie SGT pour la logique du processeur, qui permit d'intégrer le microprocesseur dans une seule puce. Il fut impliqué aussi dans tous les aspects du développement avec l'assistance de Masatoshi Shima de Busicom. Shima, par la suite, écrivit le logiciel pour la calculatrice imprimante de bureau pour Busicom, le premier produit final à utiliser le microprocesseur.

Etant donné que Busicom avait les droits exclusifs sur le 4004, Intel ne pouvait le vendre à aucun autre client. Faggin, voyant le potentiel que le 4004 pouvait avoir sur des applications générales, exhorta la direction d'Intel à renégocier le contrat avec Busicom pour permettre d'élargir le marché du microprocesseur. Ed Gelbach, issu de la société Texas Instruments, qui venait juste d'être nommé vice président de la section marketing et ventes d'Intel, comprit rapidement le potentiel du microprocesseur et décida de le commercialiser. Le 4004 fut enfin introduit sur le marché général en novembre 1971, ouvrant ainsi un nouveau chapitre dans l'histoire de la microélectronique.

Bien que le 4004 soit largement considéré comme le premier microprocesseur, un autre modèle a été développé un an avant en 1970 par Ray Holt de la société américaine Central Air Data Computer pour équiper l'avion de chasse militaire F-14 Tomcat de l'avionneur Grumman. Toutefois, l'unité centrale de traitement (CPU) de Holtz, ainsi que les autres CPU antérieurs à 1970, était composée d'au moins de 3 puces (chips) LSI et n'était donc pas intégrée dans un chip unique; il ne s'agissait donc pas d'un microprocesseur.

Caractéristiques techniques

Les 4004 sont sortis dans un boîtier DIP à 16 broches en céramique le 15 novembre 1971.

Le 4004 a été également fourni avec une famille de composants d'appui. Par exemple, chaque Program ROM verrouillait intérieurement pour sa propre utilisation les 12 bits d'adresses de programme du 4004, ce qui laissait 4 Kio d'accès mémoire au bus d'adresse de 4 bits si les 16 ROM étaient installées. Le circuit du 4004 contenait 2 300 transistors, et fut suivi l'année suivante du premier microprocesseur 8 bits de 3 300 transistors, le Intel 8008 (et le Intel 4040, un 4004 révisé).

Le quatrième produit sur le marché des microprocesseurs d'Intel fut le processeur qui commença la révolution des micro-ordinateurs, les Intel 8080.

Architecture du microprocesseur Intel 4004

Brochage du microprocesseur Intel 4004

• Premier microprocesseur de l'histoire et de l'industrie
• Performances équivalentes aux 66 m³ d'un ENIAC concentré sur 10 mm²
• Calculateur 4 bits, 16 registres de données 4 bits, jeu de 46 instructions
• 1 280 demi-octets de données, 4 Kio d'instructions programme en mémoire ROM de 256 octets
• Largeur du bus de donnée 4 bits, largeur du bus d'adresse 10 bits, mémoire adressable 640 octets
• Fréquence d'horloge : 740 kHz, 8 cycles (10,8 μs) par instruction, 16 broches DIP (soudées), 15 V
• 2 300 transistors MOS (Metal-Oxide Semiconductor) en technologie 10 μm, 60 000 instructions par seconde
• Architecture Harvard : Stockage séparé des programmes et des données, contrairement à la plupart des architectures Harvard fabriquées, le 4004 avec son besoin de réduire le nombre de broches, utilise un simple bus multiplexé de 4 bits pour les transferts :
  • 12 bits d'adresses (mémoire adressable 640 octets)
  • 8 bits d'instructions, qui ne doivent pas être placées dans la même mémoire que les 4 bits de données.
• 46 instructions au total (41 d'entre elles sont 8 bits, et 5 d'entre elles sont 16 bits).
• 16 registres de 4 bits chacun.
• Pile interne de sous-programme profonde de 3 niveaux.
• Format de la puce : 3,81 mm de long sur 2,79 mm de large : 10,62 mm² à peine.
• Tarif industriel 200 dollars

Famille de composants complémentaires

• 4001 : ROM de 256 octets (programme de 256 instructions de 8 bits), et port intégré d'entrée/sortie sur 4 bits.
• 4002 : RAM de 40 octets (donnée de 80 mots de 4 bits), et port intégré d'entrée/sortie sur 4 bits. La partie mémoire de la puce est organisée en quatre registres de vingt mots de 4 bits :
  • 16 mots de données (utilisés pour les chiffres de la mantisse dans la calculatrice d'origine)
  • 4 mots de statut (utilisés pour les exposants et les signes dans la calculatrice d'origine)
• 4003 : sortie registre à décalage de 10 bits pour scanner les claviers, affichages, imprimantes, etc.

À peu près un an et demi après l'avènement du MCS-4, son concepteur (designer) Federico Faggin, ajouta les chips 4008 et 4009 pour permettre la connexion directe du 4004 aux mémoires standard, augmentant ainsi le nombre de composantes mémorielles qui pouvaient être utilisées.

• 4008 : adresse verrouillée de 8 bits pour l'accès aux puces de mémoires standards, et port intégré d'entrée/sortie sur 4 bits
• 4009 : convertisseur d'entrée/sortie et de programmes pour les mémoires standards et les puces d'entrées/sorties.

Note : Dans la série MCS-4 originale, le 4004 ne nécessitait pas les chips optionnels 4008/4009 pour fonctionner en tant que système parce qu'il se connectait directement avec jusqu'à seize 4001 (ROM) et seize 4002 (RAM)

Objet de collection

L'Intel 4004, est naturellement, une des puces collectionnées les plus recherchées au monde. Les 4004 de très grande valeur sont ceux qui sont en or et blanc, avec ce qu'on appelle « des traces grises » sur la partie blanche. En 2007, de telles puces ont atteint environ 1500$ sur eBay. Celles en blanc et or sans traces grises sont de valeurs légèrement inférieures et atteignent typiquement 600 à 800 $. Les puces sans « code de date » en dessous, sont des versions plus anciennes, et donc valent légèrement plus, de l'ordre de 1200$. On note d'autres puces de valeurs telles que les Intel 4040.

Notes et références

Voir aussi

Liens externes

• (en) Schéma du 4004
• Initiales F.F. sur la conception du 4004 Le 4004 est signé avec les initiales F.F. de son concepteur, Federico Faggin. La signature de la puce a été un geste spontané de fierté dans sa réalisation et aussi une idée originale, imité après lui par de nombreux ingénieurs d'Intel.
• Couverture du programme IDEM (International Electron Devices Meeting). La "Silicon Gate Technology" avec "self-aligned gates" a été présenté pour la première fois par son développeur, Federico Faggin, à l'IEDM, le 23 octobre 1968 en Washington, DC. Cette technologie a permis la conception et la fabrication des mémoires à semiconducteurs (mémoires RAM dynamiques, mémoires non-volatiles), des capteurs d'image CCD, et du premier microprocesseur, fournissant pour la première fois les éléments fondamentaux d'un ordinateur “general purpose” avec des circuits intégrés LSI .
• La couverture de la revue "Electronics" (29 septembre 1969) montre le Fairchild 3708, conçu par Federico Faggin: le premier circuit intégré MOS commercial du monde à utiliser la "Silicon Gate Technology", développée par Faggin à la Fairchild Semiconductor en 1968.
• Trente cinquième anniversaire du Intel 4004 Présentations en direct sur le 4004 par Ted Hoff et Federico Faggin enregistrées par YouTube
• Prototype d'ingénierie de la calculatrice Busicom (don de Federico Faggin au Computer History Museum, Mountain View, California). Le catalogue de la collection du musée montre les photos du prototype d'ingénierie de la calculatrice imprimante de bureau “Busicom 141-PF” qui utilisa le premier microprocesseur jamais produit. Ce prototype unique a été présenté par le président de Busicom Mr. Yoshio Kojima à Federico Faggin en reconnaissance de son succès dans la direction de la conception et le développement du 4004 et trois autres puces de mémoire et I / O (le MCS-4 chipset). Après l'avoir gardé à sa maison pendant 25 ans, Faggin l’a donné au CHM en 1996.

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