Intel 4004 - Définition

Introduction

Le 4004 d'Intel est le premier microprocesseur commercialisé. Avec 2300 transistors et une puissance d'exécution d'environ 60 000 opérations par seconde à une fréquence de 108 KHz, il est comparable à l'ENIAC, qui occupe 65 m³.

Concepteurs du 4004

Il a été conçu par deux ingénieurs d'Intel : Marcian Hoff qui mit son architecture au point en 1969 et Federico Faggin - le seul contribuant expérimenté dans la technologie de procédé Silicon Gate MOS et en conceptions logiques à circuits discrets (random logic design) - qui a été personnellement à l'origine de la percée du "silicon design" indispensable à la réalisation du 4004, et qui a dirigé avec succès le projet MCS-4 en 1970-1971.

« L'intégration sur silicium est l'essence du premier microprocesseur »

— Federico Faggin

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.

Caractéristiques techniques

Les 4004 sont sortis dans un pack 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 65 mètres cube d'un ENIAC concentré sur 10 mm carrés
• Calculateur 4 bits, 16 registres de données 4 bits, jeu de 46 instructions
• 1280 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 : 740kHz, 8 cycles (10.8us) par instruction, 16 broches DIP (soudé), 15 volt
• 2300 transistors MOS (Metal-Oxide Semiconductor) en technologie 10 microns, 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

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 ; une mémoire à enregistrement décalé (Shift Register) 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. A 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. Heureusement au même moment, Ed Gelbach, issu de la société Texas Instruments, qui venait juste d'être nommé vice président de la mercatique et des 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.