Калькулятор, который породил микропроцессор: калькулятор Busicom 141-PF и микропроцессор Intel 4004

Захватывающая история о том, почему разработка калькулятора привела к разработке первого коммерческого микропроцессора, и неожиданные последствия.

© 2009 Nigel Tout

Это новая статья, которая не была первоначально представлена в «The International Calculator Collector».

Корпорация Busicom

Один из наиболее технологически предприимчивых производителей калькуляторов в конце 1960-х и в начале 1970-х был небольшой японской компанией Busicom Corporation. Под его предыдущим названием Nippon Calculating Machine Corporation (NCM) это произвело механические калькуляторы завихрения в середине 1960-х.

NCM/Busicom HL21 механический калькулятор завихрения.

Во второй половине 1960-х Busicom развил и продал продвинутую серию электронных настольных калькуляторов. В это время электроника калькулятора была на переднем крае развития полупроводника и, как другие компании, Busicom использовал в своих интересах эти события, которые увеличили число компонентов, которые могли быть включены в интегральную схему. Это приводит к сокращению сложности, и следовательно размеру и стоимости электронных калькуляторов.

В конце 1960-х Бузиком искал контракты с американскими компаниями полупроводника, которые были тогда лидерами в развитии полупроводника, чтобы произвести передовые интегральные схемы для его калькуляторов и другой офисной техники.

Два контракта в особенности имели большое технологическое значение. Первой была с Mostek для развития продвинутого LSI (Интеграция высокого уровня) технология для основных калькуляторов Бузикома, которые были произведены на ее фабрике Осаки.

Второй контракт был с небольшой компанией по запуску, основанной в 1968, названной Intel Corporation. Рассказ об этом контракте сказан здесь:

Busicom встречает Intel

Начиная с 1968 года молодой инженер в Busicom, Masatoshi Сима, работало над дизайном первого калькулятора Бузикома с печатной продукцией, Busicom 141-PF. Из-за давления для быстрого развития, наблюдателя Сима, Тадаси Танба, используя его опыт, работая в продвинутом производителе компьютеров Control Data Corporation, начал дизайн, основанный на запрограммированном подходе, используя технологию программного обеспечения с настольными аппаратными средствами калькулятора. Это позволило бы легким изменениям быть примененными, чтобы изменить спецификацию калькулятора или управлять другими продуктами в их линии коммерческого продукта.

Сима, у кого был некоторый программный опыт, проявила этот подход "компьютерной системы" далее и произвела дизайн для 141-PF, включающего арифметические единицы (змеи), единицы множителя, регистры, постоянная память, и он даже определил макронабор команд, чтобы управлять этой десятичной компьютерной системой.

Тадаси Сасаки был руководителем для Sharp Corporation, крупного производителя электронных калькуляторов, и имел хорошие рабочие отношения с Бобом Нойсом из Fairchild Semiconductor Corporation, американского изготовителя интегральной схемы. В 1968 Нойс оставил Фэирчайлда, чтобы запустить Intel Corporation с Гордоном Муром, и вскоре после этого навестил Сасаки в Sharp в Японии, чтобы попытаться продать интегральные схемы Intel. К сожалению, Sharp был законтрактован Роквеллу на исключительную поставку интегральных схем калькулятора, таким образом, никакой бизнес с Intel не был возможен.

Однако Сасаки закончил тот же самый университетский отдел как Иосио Кохима, президент и приезжающая Busicom Corporation, и так чувствовавшее сочувствие к Кохиме и его компании, которая боролась в финансовом отношении. Это привело к Сасаки, как руководитель крупной Sharp Corporation, предложив некоторую техническую помощь намного меньшему Busicom, состояние бизнеса, которое было позволено в Японии. Однако работая негласно, Сасаки пошел шаг вперед и предложил финансы Busicom при условии, что это сократило Intel Corporation, чтобы развить интегральные схемы для дизайна "компьютерной системы" Сима Masatoshi для калькулятора на 141-PF.

Предложение intel

В 1969 Masatoshi Shima была одним из трех сотрудников Busicom, которые путешествовали от Японии до Intel в США с деталями предложения по интегральным схемам для 141-PF и другим современным калькуляторам, которые будут отличаться только содержанием инструкций в ROM (Read-Only Memory) жареный картофель.

Intel поместил Маркиэна Э. "Теда" Хоффа, отвечающего за проект с помощью Стэнли Мэзора, другого инженера.

Был небольшой прогресс на первом году проекта. Intel знал мало об электронике калькулятора и как использовать предложенный принтер линии и не был очень восторжен по поводу развития предложенных интегральных схем. Также это полагало, что для его малочисленного штата развития было слишком много требуемого жареного картофеля, проекты были слишком сложными и потребовали нестандартной упаковки с большими количествами булавок, и у них было достаточно, чтобы сделать работу над RAM (Random-Access Memory) жареный картофель, который был основным продуктом Intel и начинал иметь хороший сбыт.

Hoff работал с DEC PDP-8 компьютер и ценил его RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектура, которая упростила электронику за счет большей памяти для большей требуемой программы. И, счастливо, Intel был изготовителем микросхемы памяти.

Хофф предложил очень упрощенную систему, используя несколько стандартизированного жареного картофеля, использующего ограниченный набор команд так, чтобы различные комбинации простых инструкций могли использоваться для различных действий, таких как чтение клавиатуры и вождение принтера. Использование маленького чипсета, чтобы произвести вычислительную систему было фактически чем-то, что было предсказано многими в вычислении и отраслях промышленности полупроводника в течение некоторого времени, но Intel имел производственные возможности и здесь был конкретным предложением.

Intel колебался. На положительной стороне было бы намного меньше разработки чипов, требуемой для предложения Хоффа, чем предложение Бузикома, но это все еще действительно не имело штат развития в наличии, и это сделает какие-либо деньги после затрат на развитие для маленького массового производства специализированного жареного картофеля для одной компании?

В течение нескольких месяцев Сима и Hoff продолжали работать над их различными проектами в Intel. Однако в октябре 1969, руководители Busicom посетили Intel, и им дали представления этих двух предложений. Руководители Busicom решили пойти с предложением Хоффа, возможно несколько удивительно, так как они, как будут ожидать, одобрят свое внутреннее предложение.

Так как дизайн Хоффа должен был идти вперед, Сима пропустила работу, которую он делал и начал работать над дизайном Хоффа, и затем возвратился в Японию в конце 1969, чтобы закончить программирование и произвести документацию. Когда Сима возвратилась в Intel в апреле 1970, чтобы начать работу, как развитие прогрессировало, он был ошеломлен, чтобы найти, что ничто далее не было сделано. Hoff был перемещен от этой работы до развития другого центрального процессора для интеллектуального терминала для Computer Terminal Corporation. Этот CPU стал бы очень успешным Intel 8008.

Все не было потеряно, однако, так как Intel тем временем принял на работу Федерико Фагхина, чтобы закончить дизайн схем, и он достиг Intel незадолго до визита Сима. Фагхин, у которого уже была репутация одного из лучших проектировщиков чипа, работал, с помощью Сима и Mazor, в течение следующего года, чтобы усовершенствовать чипсет и получить ее в производство.

Чипсет включил:

• 4001, 2048-битная программируемая для чтения с программируемой памятью (ROM) с 4-битным программируемым портом ввода-вывода. Это ПЗУ было только маской, программируемой во время  производства, и была организована как 256 x 8-битные слова.
• 4002, 320-битное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и 4-битный выходной порт.
• 4003, 10-разрядный сдвиговый регистр.
• 4004, 4-битный центральный процессор (процессор) (микропроцессор) с максимальной тактовой частотой 750 кГц.

Полный 4004 чипсета послали в Busicom в начале 1971, и к марту Сима построила рабочий калькулятор на 141-PF. В следующем месяце Busicom начал производить калькулятор на 141-PF, вместе с другим деловым оборудованием, включающим чипсет.

Калькулятор Busicom 141-PF, обозначенный как NCR 18-36, продающийся в National Cash Register Company.

Впервые, классическая система микропроцессора:
В середине микропроцессор (4004), слева ROM (4001), и справа RAM (4002).

Единая плата управления калькулятора Busicom 141-PF, показывающая микропроцессор Intel 4004 и связанные с ним интегральные схемы.
Это:

• 4 off 4001, Постоянное запоминающее устроойство (ROM). У правления также есть один пробел, который отмечен для еще 4001.
• 2 off 4002, Запоминающее устройство с произвольным доступом (RAM).
• 3 off 4003, сдвиговый регистр
• 1 off 4004, 4-битный микропроцессор (центральный процессор, центральный процессор).

Черные устройства с 'O' или 'R' на вершине - единственные транзисторы.

Рассвет Микропроцессора

Таким образом, сцена собиралась для Intel продолжить производить 4000 серийных чипсетов и для Busicom, чтобы продать их включенный в его калькуляторы и другие коммерческие продукты.

Busicom, однако, все еще усиливали финансовые проблемы падением цен на электронные калькуляторы, поскольку больше компаний увеличило производство, и стоимость электронных компонентов упала.

Так, почти немедленно Бузиком начал пересматривать стоимость чипсета, чтобы попытаться получить его по сниженной цене. Faggin рекомендовал Бобу Нойсу (президент Intel), что они должны сократить расходы до Бузикома, но только если они могли убедить Бузикома отказаться от его условия на нем являющийся единственным покупателем чипсета. Хотя не было большого энтузиазма в некоторых четвертях в Intel для такого соглашения Бузиком, согласованный на него, и Intel стал свободным продать чипсет любому. Этому дали имя МГЦ 4 (Микрокомпьютерная Система 4 бита).

Но кто интересовался бы использованием Микрокомпьютерной Системы?

В то время, с одной стороны компьютеры были в основном восприняты как являющийся огромными основными машинами, которые потребовали комнат с кондиционированным воздухом и армии дежурных. Принимая во внимание, что, с другой стороны, маленькие машины, которыми в электронном виде управляют, использовали много небольших логических схем или дорогих, сделанных на заказ, интегральных схем. Микрокомпьютерная Система немедленно не казалась подходящей ни для одного из этих заявлений.

Управление Intel все еще не было очень восторженно также, и было чувство, что они не хотели входить в бизнес компьютерных систем с MCS-4. Однако Faggin сделал производственного тестера для 4004, которые фактически использовали 4000 чипсетов, таким образом демонстрируя, что у этого было другое общее использование, а также в калькуляторах.

К счастью, для MCS-4, Intel только что нанял нового директора по маркетингу, Эда Гелбака, который ранее был в Texas Instruments (TI), где был намного больший интерес к общим логическим схемам, и он был всем в пользу MCS-4.

Фактически торговая реклама показала к потрясенному Intel, что TI имел полный MOS (Металлически-окисный Полупроводник) LSI (Интеграция высокого уровня) производственные возможности и работал над разработкой CPU (Центральная Единица Процессора = микропроцессор). Это было для Computer Terminal Corporation (CTC), с которой у Intel также был контракт. Поскольку оказалось, что Intel предложил свой собственный дизайн микропроцессора, 1201 (который был позже переименован в 8008), в который проект Тед Хофф был перемещен от 4004. TI фактически испытал значительные проблемы, пытающиеся развивать их дизайн для CTC.

Ответ на первую рекламу Intel для MCS-4 в 1971 и на первой ярмарке, на которой это показали, был подавляющим, фактически лучше, чем для любого другого компонента, который это начало.

Значительно, начальные продажи MCS-4 чипсета были маленькими (часто в количествах один или два, поскольку образцы были куплены, чтобы испытать) и Intel сделали больше денег, продав средства проектирования, такие как правления prototyping и ассемблер программного обеспечения и симуляторы инженерам-разработчикам. Это продемонстрировало, что был большой интерес к исследованию возможностей микропроцессора и что продажа микропроцессоров потребовала другого подхода к продаже других компонентов.

Заключение

Микропроцессор собирался стать стандартным компонентом и должен был быть разработан во все виды продуктов, значительно ускорив цифровую революцию. 8008 intel были скоро начаты, и далее улучшенные микропроцессоры, постоянно сопровождаемые, 8080, 8086. Другие компании полупроводника принесли там собственные проекты микропроцессора, включая Texas Instruments. К середине 1970-х первые персональные компьютеры прибывали в рынок, и в 1981 IBM запустила свой PC, из которого было разработано столько других персональных компьютеров. Развитие intel продолжало производить 80286 микропроцессоров, эти 80386, и на известном Pentium и его stablemates.

Федерико Фагхин покинул Intel в 1974, чтобы запустить Zilog, где он проектировал микропроцессор Z80, улучшение на Intel 8080 и один из самых высоких микропроцессоров продажи в мире.

Intel никогда не патентовал 4004 микропроцессора, так как они рассмотрели его как просто другое применение LSI (Интеграция Высокого Уровня) полупроводники. Texas Instruments просил американский патент на микропроцессоре в 1971, и это было присуждено одному из его сотрудников, Гэри Бун в 1973 (США патент 3,757,306).

Интересно, в 1990 сообщалось, что Гильберту П. Хьятту, изобретателю в южной Калифорнии, предоставили патент для дизайна для строительства компьютера на однокристальной схеме. Хьятт подал для патента в 1970, основанного на работе, которую он начал в 1968. Далее сообщается, что этот патент был лишен законной силы после того, как Texas Instruments умолял, то никакое такое устройство не было произведено в это время и что это было неспособно к тому, чтобы быть произведенным с технологией, тогда доступной.

И что касается Busicom: 

Использование микропроцессоров в простых калькуляторах не было экономическим, хотя серийные микропроцессоры Texas Instruments TMS1000 будут использоваться в некоторых более сложных моделях.

В то время как калькулятор на 141-PF разрабатывался, "калькулятор на чипе" был поставлен на рынок Mostek, фактически следующим из контракта от Бузикома, упомянутого около верхней части этой статьи. Бузиком использовал Mostek MK6010 "калькулятор на чипе", чтобы запустить первый карманный калькулятор, Busicom LE-120A "Handy" в начале 1971. Более поздний калькулятор Busicom 121-PK пека был оперативно идентичным 141-PF, но был намного более дешевым и использовал Mostek MK6018 и интегральные схемы калькулятора MK6019.

В то время как 4000 серийных чипсетов микропроцессора развивались, "калькулятор на чипе" MK6010 был разработан для Busicom от Mostek. Использование всего одного чипа и нескольких дополнительных компонентов позволило производство первого карманного калькулятора, Busicom LE-120A "Handy" показанный здесь.

С драматическим сокращением стоимости калькуляторов продолжающиеся финансовые затруднения Busicom наконец взяли верх над ним, и это прекратило производство в 1974. Однако название Busicom было куплено дистрибьютором и продвигается калькуляторы по сей день, хотя произведено множеством компаний.

Общие ссылки:

• Aspray, William, "The Intel 4004 Microprocessor: What Constituted Invention?", IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 19, No. 3, 1997.
• Malone, Michael S., (1995) "The Microprocessor: A Biography", Santa Clara, Telios.

Определенные ссылки:

1. Intel MCS-4 Microcomputer Set, instruction sheet, November 1971: http://datasheets.chipdb.org/Intel/MCS-4/datashts/MCS4_Data_Sheet_Nov71.pdf.