Przemówienie Frederico Faginna


 

Znaki firmowe

Narodziny Mikroprocesora - Moje Wspomnienia
Federico Faggin

Referat na zamówienie przedstawiony na Microprocessor Forum w San Jose
Kalifornia, 15 października 2001

 

 

Jest dla mnie przyjemnością bycie tutaj dziś wieczorem i dzielenie się z wami moją przygodą z mikroprocesorem. Gdy patrzę wstecz, wydaje mi się, że całe poprzednie doświadczenie przygotowało mnie do opracowania pierwszego mikroprocesora. W wieku 19 lat w firmie Olivetti we Włoszech byłem jednym z projektantów i budowniczych małego komputera cyfrowego. Mówię małego, lecz w rzeczywistości miał on rozmiary sporej szafki. Był rok 1961.

Później po ukończeniu studiów fizyki ciała stałego na Uniwersytecie w Padwie zostałem kierownikiem oddziału półprzewodników polowych MOS filii firmy Fairchild we Włoszech - teraz ma ona nazwę ST Microelectronics - gdzie opracowałem ich pierwszą technologię procesu MOS i zaprojektowałem kilka układów scalonych. Następnie w lutym 1968 roku przyjechałem do Stanów Zjednoczonych, aby podjąć pracę w R&D Laboratory należącym do firmy Fairchild Semiconductor w Palo Alto. W firmie Fairchild kontynuując wstępne prace wykonane przez Toma Kleina zaprojektowałem technologię bramki krzemowej, która była pierwszym na świecie procesem wytwarzania układów scalonych MOS z kanałem P i samocentrującymi się bramkami krzemowymi. Zaprojektowałem również pierwszą wersję handlową układu scalonego (Fairchild 3708) z samocentrującymi się bramkami. Dzięki bramkom krzemowym stało się możliwe budowanie układów scalonych od 3 do 5 razy szybszych, 50%...100% bardziej upakowanych, bardziej niezawodnych i z dużo mniejszymi prądami upływu niż za pomocą technologii bramek aluminiowych, która była jedyną  alternatywną technologią MOS dostępną w tym czasie. Firma Intel, założona w 1968 roku głównie przez pracowników Fairchilda - wśród nich był mój szef, Les Vadasz oraz Andy Grove, obaj zaznajomieni z moimi osiągnięciami - zaadoptowała nową technologię bramki krzemowej.

Kalkulatory firmy Busicom

W kwietniu 1969 japońska firma Busicom produkująca kalkulatory po usłyszeniu, iż Intel jest w posiadaniu najlepszej technologii wytwarzania układów scalonych na rynku, zwróciła się do tej firmy z bardzo wymagającym, nietypowym zamówieniem. Projekt Busicom odnosił się do programowalnego komputera dziesiętnego z opartymi na pamięci ROM makroinstrukcjami i pamięcią danych z rejestrów przesuwnych, wszystko to podzielone na siedem różnych układów scalonych. Układy te miały być używane w rodzinie produktów, poczynając od biurkowego kalkulatora z drukarką na najniższym poziomie, a kończąc na szczycie na rejestratorach gotówki i maszynach fakturujących. Dr Ted Hoff, który w owym czasie zajmował w firmie Intel stanowisko kierownika departamentu badań nad zastosowaniami, został wyznaczony do oceny tej propozycji. Ted znał się na komputerach pracując wcześniej z maszynami IBM 1620 oraz 1130 na Uniwersytecie Stanford. Przyjrzawszy się projektowi Busicom był zaskoczony jego złożonością. Martwił go również rozmiar zadania. W firmie Intel nie pracowało wystarczająco wielu inżynierów do wykonania całej tej pracy. Za namową Boba Noyce'a Ted zaczął rozważać alternatywne, prostsze projekty, które mogłyby wykorzystywać 3-tranzystorowe komórki pamięci RAM zamiast 6-tranzystorowych komórek rejestrów przesuwających. W naturalny sposób doprowadziło go to do rozważenia projektu komputera ogólnego przeznaczenia, który mógłby zostać zaprogramowany do pełnienia roli kalkulatora.

Dr Ted Hoff z firmy Intel

Te początkowe prace miały miejsce w czerwcu i sierpniu 1969 roku. We wrześniu do zespołu Hoffa przyłączył się Stan Mazor przechodząc z firmy Fairchild. Z dodatkową osobą w grupie prace nabrały tempa. Pracując wspólnie z inżynierami z Busicom, czasami w klimacie lekkiego współzawodnictwa, architektura CPU i trzech pozostałych układów towarzyszących nabrała wystarczających kształtów, aby zadowolić ludzi z Busicom. W październiku 1969 zarząd Busicom wybrał architekturę Intela zamiast architektury opracowanej we własnej firmie. Masatoshi Shima, główny projektant w Busicom, pozostał w firmie Intel aż do grudnia 1969 w celu zaprogramowania kilku krytycznych procedur za pomocą nowo powstałych instrukcji, aby upewnić się, iż pracę tę rzeczywiście da się wykonać. Intel miał natychmiast rozpocząć opracowywanie logiki i projektu obwodu czterech układów scalonych, co miało zakończyć się siedem miesięcy później zgodnie z bardzo optymistycznym harmonogramem rozwoju przygotowanym przez Lesa Vadasza.

W kwietniu 1970 przyłączyłem się do Intela jako kierownik projektu zestawu układów scalonych dla Busicom. Les Vadasz, mój nowy szef, a rozmowie kwalifikacyjnej raczej był skryty w stosunku do mnie. Wiedziałem tylko, iż muszę zaprojektować zbiór czterech układów w logice nieregularnej. Pierwszego dnia pracy przedstawiono mnie Stanowi Mazorowi, który podał mi ogólne specyfikacje tego zbioru układów - najważniejszymi z nich były schematy blokowe oraz zestaw instrukcji. Powiedział mi również, iż na drugi dzień przyjedzie z Japonii Shima. Oboje udaliśmy się na powitanie Shimy na lotnisku w San Francisco, a gdy tylko Shima usadowił się w moim biurze, poprosił mnie o pokazanie mu poczynionego postępu. Spodziewał się sprawdzenia projektu logicznego i obwodów, jak było zaplanowane,  lecz od jego wyjazdu z Intela w grudniu nie wykonano żadnej pracy. Dałem mu materiały, które dopiero co otrzymałem sam od Stana, a on natychmiast powiedział, że to już ma. "To tylko pomysł" powiedział, "gdzie jest projekt". Shima się zdenerwował, ponieważ jego harmonogram produktu został nieodwracalnie nadwyrężony.

Masatoshi
Shima

Co najmniej tydzień zajęło mi uspokojenie go i wyjaśnienie, iż dopiero co przyłączyłem się do Intela i nie byłem w stanie wykonać całego projektu w jeden dzień. W końcu udało mi się przekonać go, iż obaj płyniemy tą samą łódką, i jeśli przestanie się rzucać, a zacznie pomagać, to możemy właściwie zakończyć całą pracę nawet wcześniej. Od tego dnia byłem zdany tylko na siebie. Zostałem kierownikiem projektu, lecz nie miałem personelu, Hoff i Mazor już się nim nie zajmowali, a mój szef, Vadasz, kierownik departamentu projektów półprzewodnikowych MOS był w 100% zajęty pamięcią dynamiczną DRAM 1kbit o symbolu 1103, przyszłością firmy Intel.

Pamięć DRAM 1kb Intel C1103A-2

Kilka dni po przybyciu Shimy przygotowałem nowy harmonogram projektu, bardziej realistyczny od tego, który poprzednio otrzymał. Obiecałem iż otrzymanie pierwszych próbek zajmie dziewięć miesięcy, mając świadomość, że wciąż jestem bardzo optymistyczny. Zatem twierdziłem teraz, iż projekt zajmie dziewięć miesięcy zamiast siedmiu, a spóźnialiśmy się już pięć miesięcy. Poprzez Pacyfik nadchodziły nerwowe telefony w języku japońskim. Projekt o mały włos nie został zamknięty, lecz w końcu zarząd Busicom zdecydował kontynuowanie go i poprosił Shimę, aby pozostał i pomagał mi przez sześć miesięcy. Na pewno nie był to dobry początek.




Rodzina MCS-4

Moim pierwszym zadaniem było opracowanie metodologii projektowania  układów scalonych z nieregularną logiką przy wykorzystaniu technologii bramki krzemowej. Tej pracy nigdy wcześniej nie wykonano. Intel wykorzystywał technologię bramki krzemowej jedynie w układach pamięciowych i nie miał żadnego doświadczenia w nieregularnej logice. Miałem do dyspozycji swoje dwa wynalazki, które umożliwiły wykonanie CPU: zastosowanie zagrzebanych złączy oraz obciążenia typu bootstrap. Pierwsza innowacja pozwalała na wykonywanie bezpośrednich połączeń pomiędzy warstwami krzemowymi i złączami bez konieczności stosowania metalu. Użyta właściwie dostarczała drugiej warstwy połączeń osiągając gęstość bramek niezbędną dla efektywnego cenowo układu. Drugą innowacją było podciąganie napięcia - sztuczka w obwodzie, szeroko stosowana w układach z metalową bramką MOS - lecz uważana za nieodpowiednią dla technologii bramek krzemowych bez zastosowania dodatkowej warstwy maskującej. Obciążenie bootstrap umożliwiało użycie dynamicznych węzłów bez poświęcania mocy i szybkości lub konieczności użycia większej liczby tranzystorów dla wykonania zadania. Nie istniała inna technika o dobrym rozwiązaniu pod względem mocy i szybkości, z wyjątkiem czterofazowej logiki, która posiadała swoje własne istotne wady. Odkryłem sposób realizacji obciążenia bootstrap bez kroku z dodatkowym maskowaniem, co utorowało drogę dla ekonomicznego projektu. Bez wątpienia szybkość i gęstość obwodów uzyskana dzięki technologii bramek krzemowych były decydującymi czynnikami narodzin mikroprocesora w 1971 roku zamiast w kilka lat później. Wymyśliłem również metodę projektowania logiki nieregularnej, która łączy ze sobą elementy podstawowe logiki i obwodu z informacją o ułożeniu, co upraszcza projekt i robi go mniej podatnym na błędy. Następnie rozpocząłem projekt najpierw układu 40001. Układ ten był 2 kilobitową programowalną pamięcią ROM z maską metalową i 4 bitowym programowalnym portem wejścia/wyjścia. Następnie nadeszła kolej na projekt 4003, najprostszego ze wszystkich czterech układów, będącego 10 bitowym, statycznym rejestrem przesuwnym o szeregowym wejściu i równoległym wyjściu. Później zaprojektowałem układ 4002, 320 bitową pamięć dynamiczną RAM z 4 bitowym portem wyjścia, a na końcu układ 4004, 4-bitową jednostkę CPU. W tym czasie Shima, pod moim kierownictwem, bardzo mi pomógł w różnych dziedzinach technicznych. Reszta zespołu składała się z trzech rysowników warstw oraz technika elektroniki.

Projekt przypominał przyspieszoną budowę czterech budynków, z równoczesnym projektowaniem i konstruowaniem. Wszystko wykonywaliśmy ręcznie: na schematy obwodów stosowaliśmy duże arkusze z niebieskimi liniami, zbiorcze rozmieszczenie elementów rysowaliśmy kolorowymi kredkami na mylarze w powiększeniu 500 razy. Później nadeszło wycinanie w rubinie, wykonane ręcznie dla każdej warstwy przy pomocy stołu precyzyjnego przycinania. Musieliśmy również zbudować tester i programy testowe zarówno dla charakterystyki układu jak i dla testów produkcyjnych. Pracowałem od 70 do 80 godzin tygodniowo aż do zakończenia projektu. Miałem szczęście, iż Marzia - nasze pierwsze dziecko, właśnie urodzone w marcu 1970 - pochłaniało całą energię mojej żony, Elvii. Spędziła ona trzy letnie miesiące u swojej rodziny we Włoszech, dzięki czemu mogłem pracować z czystym sumieniem na okrągło.

Płytka krzemowa
ze strukturami układów scalonych

Pierwszy został wyprodukowany układ 4001 w październiku 1970. Byłem podenerwowany, ponieważ nigdy wcześniej nie projektowałem układu o takiej złożoności. Na szczęście układ działał wspaniale umacniając mnie w wierze, iż reszta projektu również będzie zdrowa. Shima bardziej odprężony dobrymi wiadomościami pojechał w tym czasie z powrotem do Japonii. W listopadzie zostały wyprodukowane układy 4003 oraz 4002 i również oba działały. Aż w końcu nadszedł wielki dzień. Było to pod koniec grudnia 1970 roku. Gdyby 4004 działał, zmieściłbym się w niemożliwym, dziewięciomiesięcznym harmonogramie. Na szczęście w czasie, gdy otrzymałem płytki krzemowe z 4004, wszyscy opuścili laboratorium, więc nikt nie był świadkiem tego, jak bardzo trzęsły mi się ręce. Załadowałem pierwszą dwucalową płytkę do próbnika  i opuściłem czujniki na strukturę - do kilku krytycznych sygnałów podłączony był również oscyloskop. Wcisnąłem przycisk rozpoczęcia testów i... nic. Naprawdę nic, plamka oscyloskopu nawet nie drgnęła. Powiedziałem sobie, że jest to wadliwa struktura i wypróbuję inną: ta sama historia, nic się nie poruszyło. Zmieniłem płytkę krzemową i powtórzyłem ten proces. Ten sam wynik. Teraz pociłem się już obficie myśląc: Jak mogłem to tak spartaczyć? Testowałem płytkę za płytką. Ani śladu życia. Po 20 minutach agonii zdecydowałem się w końcu spojrzeć przez mikroskop; coś musiało być źle! Nie zajęło wiele czasu stwierdzenie, iż krok maskowania zagrzebanej warstwy nie został wykonany w procesie. Nic dziwnego, że nie było życia! Większość bramek została zwarta! Uspokoiłem się co do siebie, lecz złość mi rosła na oddział wytwórczy za ich partactwo, które kosztować mnie miało dodatkowe trzy tygodnie opóźnienia. Teraz projekt na pewno miał się spóźnić.

Nowe układy 4004 otrzymałem w końcu w styczniu 1971 roku. Spędziłem sam większość nocy na testowaniu ich. Wszystko, co testowałem, pracowało doskonale i o czwartej nad ranem wróciłem do domu w stanie euforii dzieląc swoje podniecenie z Elvią, która czekała na mnie. Tej nocy narodził się układ 4004. W następnych dniach odkryłem kilka mniej istotnych problemów, które jednak wkrótce poprawiłem, lecz teraz Busicom mogło z zaufaniem kontynuować projekt kalkulatora. W pełni działające próbki przesłałem do Busicom pod koniec marca - zestaw kalkulatora zawierał jeden układ 4004, dwa 4002, trzy 4003 i cztery 4001, w których mieściło się firmowe oprogramowanie kalkulatora - a do kwietnia nadeszła informacja, iż kalkulator działa doskonale. Teraz mogliśmy rozpocząć produkcję.

Mikroprocesor 8 bitowy
 Intel 8008

Wkrótce po przyłączeniu się do Intela dowiedziałem się, iż rodzina układów 4000 była wyłącznym projektem dla firmy Busicom. Rozczarowało mnie to, ponieważ chciałem zaprojektować standardowy produkt. Dowiedziałem się również, iż prowadzono pracę nad innym jednoukładowym CPU o oznaczeniu 1201.  Układ ten był krzemową realizacją architektury mikrokomputera zaprojektowanego przez firmę Datapoint dla ich inteligentnego terminala. Był to jeszcze jeden wyłączny projekt, za który odpowiedzialność ponosił Hal Feeney. Właściwie sądziłem, iż 1201 stanie się pierwszym na świecie mikroprocesorem, ponieważ projekt ten już się rozpoczął i Hal miał do opracowania tylko jeden układ, podczas gdy ja miałem ich cztery - 4004 miał być opracowany jako ostatni. Pogodziłem się z tym faktem i wkrótce byłem zbyt zajęty, aby się tym martwić. Lecz w krótkim czasie projekt układu 1201 stracił na żywotności, a Hal został skierowany do opracowywania nowego układu pamięci. W styczniu 1971 odziedziczyłem ten projekt zapakowany w pudełkach wraz z Halem, który go doprowadził do końca pod moim kierownictwem.

Inicjały Hala Feeney'a
na strukturze 8008

W tym samym czasie zacząłem namawiać kierownictwo do detalicznej sprzedaży mikroprocesorów. Od wszystkich otrzymywałem wiadomość, łącznie z Hoffem i Mazorem, iż 1201 mógłby być OK., ale 4004 nadawał się głównie do kalkulatorów i trudno byłoby namówić Busicom do odstąpienia wyłączności. Lecz ja chciałem zobaczyć 4004 na rynku! Wykłócałem się, iż 4004 mógł być efektywnie użyty w wielu aplikacjach sterujących i w celu udowodnienia tej tezy, zastosowałem go jako kontroler w testerze produkcyjnym mojego projektu. Wykorzystałem ten sukces projektu do przekonywującego pokazu dla kierownictwa, iż ktokolwiek inny również mógłby wykorzystać ten układ. Nieco później dowiedziałem się od Shimy, że Busicom jest w kłopotach finansowych. Zasugerowałem wtedy Bobowi Noyce renegocjowanie kontraktu sprzedaży wyłączności za zmniejszenie ceny produktu. Strategia odniosła skutek i do listopada 1971 roku rodzina 4000 została przedstawiona światu pod nazwą 4 bitowego systemu mikrokomputerowego MCS-4. Do kwietnia 1972 ogłoszono również na rynku układ 1201 pod nazwą 8008. Był to pierwszy na świecie 8 bitowy mikroprocesor, serce rodziny MCS-8.

Hoff, Feeney, Mazor i ja wspólnie zajmowaliśmy się wspomaganiem marketingu nowo powstałego departamentu handlowego mikrokomputerów pod kierownictwem Hanka Smitha. Żywo pamiętam wyprawę do Europy z Hankiem w celu odwiedzenia klientów, która miała miejsce pod koniec lata 1971 roku, na kilka miesięcy przed prezentacją układów MCS-4. Stwierdziłem, iż im bardziej klient był związany z komputerami, tym oporniej rozważał zastosowanie mikroprocesora. Najgorzej marketing poszedł nam w siedzibie firmy Nixdorf Computer, gdzie nieomal nas wyśmiano za słabą architekturę naszych maszyn. Z pewnością część ich krytyki miała podstawy, lecz stopień ich wrogości można było usprawiedliwić jedynie tym, iż zdawali sobie sprawę z początków wojny w świecie półprzewodników. Wiemy, kto pozostał, gdy patrzymy na to z perspektywy 30 lat!

Mikroprocesor 8 bitowy
Intel 8080

Pierwsze zastosowania zamawiali głównie użytkownicy nie związani z komputerami, którzy mieli problem do rozwiązania, a nie filozoficzną debatę. Dla wielu małych zastosowań zadanie zaprojektowania struktury sprzętowej przy użyciu konwencjonalnych składników było zbyt druzgocące finansowo i mało elastyczne. Mikroprocesor pozwalał na elastyczność poprzez wymianę oprogramowania. Pierwszymi zastosowaniami rodziny MCS-4 oprócz kalkulatorów były sterowniki pomp benzynowych, sterowniki ruchu drogowego i automatyczne analizatory krwi. Pierwszymi zastosowaniami 8008 były inteligentne terminale oraz programowane mikrokomputery. Okazało się, iż MCS-4 stał się pierwowzorem rynku mikrokontrolerów, natomiast 8008 stał się pierwowzorem rynku mikroprocesorów.

Mikroprocesor 8 bitowy
Motorola 6800

Podczas mojej wyprawy do Europy w 1971 słuchając zdań klientów doszedłem do wniosku, iż możemy uzyskać coś więcej. W ciągu kilku następnych miesięcy opracowałem podstawową architekturę tego, co miało stać się układem 8080. Opisałem to w notatce dla Vadasza w kwietniu 1972 roku ponaglając go, aby pozwolił mi natychmiast rozpocząć prace projektowe. Lecz Intelowi się nie spieszyło, chcieli najpierw zobaczyć jak sprawdzają się na rynku nowe produkty, zanim zainwestują w nie więcej swoich zasobów. Projekt rozpoczął się dopiero w listopadzie 1972 i nasz rynek wyprzedził zaledwie o 6 miesięcy mikroprocesor Motorola 6800. Mimo to układ 8080 odniósł duży sukces.

W owym czasie firma Intel zajmowała się produkcją pamięci. Mikroprocesory były istotne tylko dlatego, iż pomagały sprzedawać układy pamięci. W firmie Intel zawsze czułem się jak obywatel drugiej kategorii. Wierzyłem w mikroprocesory, dlatego zdecydowałem się założyć własną firmę, całkowicie poświęconą nowemu produktowi. Decyzję tę podjąłem w lecie 1974, w kilka miesięcy po wprowadzeniu na rynek 8080. Ostatecznie opuściłem Intel w październiku 1974 i wraz z Ralphem Ungermanem, jednym z kierowników, który się do mnie zgłosił, założyłem firmę Zilog.

Najpopularniejszy na świecie
mikroprocesor 8 bitowy Z80

Rodzinę mikroprocesorową Z80 wymyśliłem w grudniu 1974 roku. Była sobota. Od dłuższego czasu głowiłem się nad określeniem naszego pierwszego produktu. Nagle doznałem olśnienia: wykrzyknąłem na głos, Super-80! I z tym okrzykiem pojawiła mi się przed oczami podstawowa architektura rodziny Z80! Nie pozostało mi dosyć czasu na tę historię, zaznaczę tylko, iż Z80 jest jednym z najbardziej udanych mikroprocesorów, które kiedykolwiek wyprodukowano: wciąż jest produkowany w dużych seriach, w 25 lat po wprowadzeniu na rynek.

Z firmą Zilog rozpoczął się nowy etap w moim życiu. Zmieniłem się z pracownika w szefa przedsiębiorstwa, którą to pracę wykonywałem jeszcze kilka lat temu. Przez ostatnie 25 lat uruchomiłem i zarządzałem trzema przedsiębiorstwami. Dwa lata temu zdecydowałem się trochę zwolnić tempo. Teraz jestem Prezesem Zarządu mojego ostatniego przedsiębiorstwa, firmy Synaptics. Produkujemy interfejsy łączące komputer z człowiekiem wykorzystujące sieci neuronowe oraz technologię zmieszanych sygnałów. Jestem również członkiem zarządu IDT, oraz należę do pięciu innych spółek. Po raz pierwszy w życiu mam mnóstwo czasu na podróżowanie dla przyjemności, czytanie o wielu interesujących rzeczach i w ogóle cieszenie się życiem. Jednakże nie jestem jeszcze gotów do przejścia na emeryturę: gdyby pojawił się jakiś dobry projekt, wiem, że moje twórcze soki popłynęłyby znów wartkim strumieniem.



List do administratora Serwisu Edukacyjnego Nauczycieli I LO

Twój email: (jeśli chcesz otrzymać odpowiedź)
Temat:
Uwaga: ← tutaj wpisz wyraz  ilo , inaczej list zostanie zignorowany

Poniżej wpisz swoje uwagi lub pytania dotyczące tego rozdziału (max. 2048 znaków).

Liczba znaków do wykorzystania: 2048

 

W związku z dużą liczbą listów do naszego serwisu edukacyjnego nie będziemy udzielać odpowiedzi na prośby rozwiązywania zadań, pisania programów zaliczeniowych, przesyłania materiałów czy też tłumaczenia zagadnień szeroko opisywanych w podręcznikach.



   I Liceum Ogólnokształcące   
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie

©2018 mgr Jerzy Wałaszek

Dokument ten rozpowszechniany jest zgodnie z zasadami licencji
GNU Free Documentation License.