Die Geburt des Mikroprozessors: Der Intel 4004

Nachdem die Menschen auf dem Mond gelandet waren und der Übergang vom Röhrenradio zum Transistorradio vollzogen war, schien die Welt nur noch auf eine neue Erfindung zu warten - den Mikroprozessor. Frisch gegründet und bereit, auf der Welle der aufkeimenden Halbleiterindustrie zu reiten, fiel diese Aufgabe Intel zu. Die Auszeichnung hätte jedoch leicht einem der vielen anderen Akteure der Branche zuteil werden können, wären da nicht das Engagement und die Fähigkeiten von Federico Faggin gewesen.

In den 1960er Jahren verstand man unter einem Computer einen „Großrechner“, wie zum Beispiel das System/360 von IBM, eine Anlage, die von vielen Anwendern und Programmen gemeinsam genutzt wurde. Der Speicher wurde mit magnetischen Ferritkernen realisiert, und die verfügbaren integrierten Schaltungen (IC) basierten hauptsächlich auf der Transistor-Transistor-Logik (TTL). Intel war überzeugt, dass die Zukunft in der Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie (MOS) lag, die die Magnetkernspeicher ablösen würde.

1969 wurde Intel von der japanischen Busicom Corporation mit der Entwicklung einer Reihe von ICs beauftragt, die die Grundlage für ihren ersten elektronischen Taschenrechner, den Prototyp des druckenden 141-PF-Rechners, bilden sollten [1] [2]. Dabei kamen 12 Chips zum Einsatz, von denen drei die zentrale Recheneinheit (CPU) bildeten. Ziel war es, eine Plattform für elektronische Taschenrechner zu entwickeln, die durch einfachen Austausch der ROM-ICs (Read-Only Memory) modifiziert werden konnte. Das Team von Intel sah Raum für eine Optimierung des Entwurfs, unter anderem, weil die erforderlichen Gehäuse nicht mit dem damals verwendeten 16-Pin-Standard übereinstimmten. Es wurde eine Vier-Chip-Lösung vorgeschlagen, bei der die CPU in einem einzigen Gehäuse integriert war. Damit war das "Busicom-Projekt" geboren, das nach einigen Entwurfsarbeiten gegen Ende des Jahres jedoch in eine Sackgasse geriet.

Damals war TTL die bevorzugte Technologie, und es gab eine Reihe von Logikbausteinen und Speichern. MOS war vielversprechend, da es bei gleichen Kosten und gleicher Verlustleistung die zehnfache Dichte von TTL bieten konnte. Allerdings war die Geschwindigkeit viel geringer, und die Technologie galt allgemein als unzuverlässig. Intel war es gelungen, einen statischen MOS-Direktzugriffsspeicher (SRAM), den 1101, auf den Markt zu bringen, aber die erstmalige Produktion konnte nur zwei funktionierende Chips pro Wafer liefern [3]. Das Geschwindigkeitsproblem hing mit der Kapazität des Gates zusammen, die durch das verwendete Aluminium und dem Herstellungsprozess selbst verursacht wurde. Man fand heraus, dass diese Kapazität durch die Verwendung eines Silizium-Gates reduziert werden könnte, wodurch das Gate "selbstausgerichtet" und die gesamte Struktur kleiner werden könnte. Leider erwies sich das bisher verwendete amorphe Silizium jedoch als zu spröde und anfällig für Risse während der Oxidationsschritte. 

MOS – die neue Technologie

Federico Faggin wechselte Anfang 1970 zu Intel, nachdem er bei Fairchild an der MOS-Technologie gearbeitet hatte. Dort hatte er eine Reihe von Problemen gelöst, die für die Entwicklung eines Mikroprozessors entscheidend waren. Erstens hatte er das amorphe Silizium-Gate durch polykristallines Silizium ersetzt, was zu einem viel zuverlässigeren Herstellungsprozess führte. Zweitens hatte er eine Methode für Kontakte entwickelt, die den Einsatz von Aluminium überflüssig machte, was zu einer dichteren Schaltung führte. Und schließlich hatte er ein spezielles Verfahren entwickelt, das volle und schnellere Schwankungen des Ausgangssignals ermöglichte. Die Anwendung dieser Technologie auf den 3708 von Fairchild, einen achtkanaligen Analogmultiplexer, hatte zur Folge, dass das Design viermal schneller war, einen zehnmal geringeren Leckstrom aufwies und zweieinhalbmal kleinere Multiplexing-Transistoren besaß als der 3705, sein Vorgänger, der mit Metall-Gate-MOS gefertigt wurde.

Während die Entwickler von Intel mit der Arbeit am 1103, ihrem ersten dynamischen MOS-RAM (DRAM), beschäftigt waren, erhielt Faggin die wenigen Unterlagen des Busicom-Projekts und musste sich selbst darum kümmern. Die vier Chips bestanden aus dem 4001, einem 2048-Bit-Metallmasken-ROM, dem 4002, einem 320-Bit-RAM, dem 4003, einem statischen 10-Bit-Schieberegister mit seriellen Ein- und Ausgängen und Gated-Parallel-Ausgängen, und dem 4004 [4], einem 4-Bit-Prozessor, dessen Entwurf unvollständig war. Die 4000er Produktnummerierung wich von Intels Standard-Ansatz ab. Dennoch erlaubte sie es, die vier Chips als kompatible Teile einer kompletten Mikrocomputerplattform zu betrachten, die später als MCS-4 [5] (Micro-Computer Set) bekannt wurde (Bild1).

Verzögerungen

Als Masatoshi Shima, der leitende Ingenieur von Busicom, nur wenige Tage, nachdem Faggin seine neue Aufgabe angetreten hatte, erfuhr, dass die Chips, von denen sein Rechner abhing, noch nicht einmal entwickelt worden waren, gab es Probleme.  Unter dem Druck, den Zeitplan von Busicom einzuhalten, erklärte sich Faggin dann bereit, bis Dezember 1970 einen voll funktionsfähigen Chipsatz zu liefern. Die Herausforderungen waren immens. Jeder Baustein musste von Hand entworfen und layoutet werden, während bei der Herstellung die neueste MOS-Technologie zum Einsatz kam. Das Team von Intel wurde durch den 4004 dazu gebracht, die Grenzen der MOS-Fertigung voll auszutesten.Shima erhielt die Erlaubnis, sechs Monate lang in den USA zu bleiben, um Faggin bei der Entwicklung zu unterstützen. Je weiter das Projekt voranschritt, desto mehr Entwickler und Layouter wurden eingesetzt. Gegen Oktober trafen die ersten Muster des 4001 ein, dicht gefolgt vom 4003. Beide Geräte funktionierten auf Anhieb und erfüllten sogar die Vorgaben für die Taktrate und die Signal- und Versorgungsspannen. Der 4002 erforderte nur eine kleine Korrektur, die leicht zu beheben war.

Erste Tests

Kurz vor Silvester wurde dann der 4004 geliefert. Als die Prüfsonde vorsichtig an ihren Platz gesenkt wurde, funktionierte der erste Chip nicht. Auch der nächste Chip und ein weiterer Wafer zeigten ebenfalls keine Lebenszeichen. Eine sorgfältige Inspektion des Wafers mit einem Mikroskop zeigte, dass die „Buried Contact Layers“ vollständig fehlten, so dass die meisten Gates der Transistoren nicht angeschlossen waren. Bei der Lieferung einer neuen Charge von Wafern drei Wochen später erwies sich das Produkt als voll funktionsfähig.

Der 4004 war der erste kommerziell hergestellte Mikroprozessor, der mit bis zu 740 kHz arbeitete und für Ein-Wort-Befehle 10,8 µs - und für Zwei-Wort-Befehle 21,6 µs benötigte (Bild 2). Von den 16 vorhandenen Pins waren zwei für einen Zweiphasentakt, zwei für die Stromversorgung und zwei weitere für Reset und Test vorgesehen. Vier Pins wurden einem bidirektionalen 4-Bit-Datenbus zugewiesen, einer für ein ROM-Select-Signal und ein weiterer für einen Sync-Ausgang. Die restlichen vier Pins dienten der Auswahl von RAM-Bänken. Der Prozessor unterstützte keine Interrupts, verfügte aber über einen dreistufigen Stack. Die 4001-ROM-Chips besaßen einen 4-Bit-Eingangs-Ausgangsanschluss, während die 4002-RAM-Bausteine einen 4-Bit-Ausgangsanschluss hatten. Das Schieberegister 4003 wurde als Schnittstelle zu diesen Ports entwickelt. Zusammen ermöglichten diese Schnittstellen den Anschluss von Tastaturen, Druckern und anderen Geräten.

4004 für größere Zielgruppe

Die MCS-4-Architektur wurde exklusiv für Busicom entwickelt, was bedeutete, dass es nicht an andere verkauft werden konnte. Dies erwies sich für Faggin als frustrierend, denn er erkannte das unglaubliche Potenzial dieser frei programmierbaren Verarbeitungsplattform. Um dem Management von Intel zu beweisen, dass das Potenzial über elektronische Rechner hinausging, baute Faggin einen Wafer-Sortier-Tester für den 4004 mit dem MCS-4-Chipsatz. Busicom befand sich ebenfalls in finanziellen Schwierigkeiten, und als Intel ihnen die betreffenden Chips zu einem niedrigeren Preis anbot, um die Exklusivitätsvereinbarung aufzuheben, akzeptierten sie. Damit wurden der MCS-4-Chipsatz und der 4004 für alle verfügbar.

Busicom verwendete den MCS-4-Chipsatz für andere Anwendungen wie Geldautomaten, Registrierkassen und Abrechnungsmaschinen. Andere Unternehmen nutzten ihn zum Betrieb des ersten mikroprozessorgesteuerten Flipperspiels "Flicker“ [6], eines Bowling-Simulators,  elektrischer Schreibmaschinen und sogar zum Betrieb einer der ersten bei Wahlen eingesetzten Maschinen. Faggin setzte die Entwicklung von Prozessoren fort und übernahm das 8-Bit-Projekt 1201 von Intel, das 1972 als 8008-Prozessor auf den Markt kam. Beide Prozessoren wurden aufgerüstet, so dass die Ingenieure 1974 sowohl den 4040 als auch den 8080 entwickeln konnten. Zu diesem Zeitpunkt hatte Faggin das Gefühl, dass Intel nur an Mikroprozessoren interessiert war, um sein Kernprodukt, den Speicher, zu verkaufen. Um sich auf Mikroprozessoren zu konzentrieren, verließ er das Unternehmen Ende 1974 und gründete Zilog, wo er den äußerst erfolgreichen Z80 entwickelte, der die Revolution der Heimcomputer in den 1980er Jahren einleitete.

Stuart Cording ist Ingenieur und Journalist mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Elektronikindustrie. Sie können viele seiner Elektor-Artikel unter https://www.elektormagazine.com/cording. 

Dieser Artikel erschien zuerst in der Sonderausgabe November 2021 von Elektor.