Procesor, który zmienił świat - Intel świętuje 50. rocznicę powstania Intel 4004

Intel 4004 został wprowadzony na rynek w listopadzie 1971 roku – to pierwszy dostępny komercyjnie mikroprocesor wykorzystywany w kalkulatorach biurkowych. Na ówczesne czasy był pionierskim osiągnięciem, a jego sukces dowiódł, że złożone obwody scalone można zmieścić w układzie wielkości paznokcia.

„Patrząc wstecz na rok 1970, było oczywiste, że mikroprocesory zmienią sposób, w jaki projektujemy systemy, przechodząc od wykorzystania sprzętu do oprogramowania. Jednak tempo ich rozwoju i wprowadzenia do użytku w przemyśle było naprawdę zaskakujące” – stwierdził były inżynier Intela Federico Faggin, który zaprojektował oraz wyprodukował układ Intel 4004 we współpracy z Teddem Hoffem i Stanem Mazorem.

Specyfikacja procesora Intel 4004

Za opracowaniem Intel 4004 stoi trzech inżynierów Intela: Ted Hoff, Federico Faggin i Stan Mazor (niektóre źródła wspominają tutaj jeszcze o japońskim inżynierze Masatoshi Shim). Specyfikacja procesora (delikatnie mówiąc) różni się od współczesnych jednostek (chociażby takich jak ostatnio testowany przez nas Core i9-12900K).

Układ składał się z 2250 tranzystorów i został wykonany w 10-mikrometrowym (10000-nanometrowym) procesie technologicznym pMOS. 4004 oferował tylko jeden rdzeń i, w zależności od wersji, pracował z taktowaniem 500 kHz (0,5 MHz) lub 750 kHz (0,75 MHz).

Jak powstał pierwszy procesor?

Jaka była historia wynalezienia Intel 4004? Świetnie opisuje to Elizabeth Jones, historyczka Intel Corporation:

„Policz to samodzielnie, nie zawsze będziesz mieć przy sobie kalkulator.”

Jeżeli urodziliście się przed połową lat 70. XX wieku, gdy kalkulator kieszonkowy pozostawał w domenie fantastyki naukowej, prawdopodobnie często słyszeliście takie słowa. Jednak w 2021 roku rzadko już zdarza się je usłyszeć, nawet w szkole. Dziś większość z nas ma kalkulator w kieszeni. Mamy też przy sobie telefon, aparat fotograficzny, odtwarzacz MP4, mapy z możliwością nawigacji… można tak wyliczać bez końca.

Zazwyczaj traktujemy te narzędzia jako coś oczywistego. Nie byłoby ich jednak, gdyby nie Intel 4004 – pierwszy dostępny komercyjnie mikroprocesor – oraz ewolucja technologiczna, która nastąpiła za jego sprawą w następnym półwieczu. 

Dziś mikroprocesory zapewniają działanie sieci energetycznych podczas ekstremalnych warunków pogodowych, eliminując przerwy w dostawie prądu i utrzymując ciepło w naszych domach. Noszone w plecakach układy wykorzystują sztuczną inteligencję, aby pomagać osobom niedowidzącym w orientacji w otaczającym świecie, omijaniu przeszkód i bezpiecznym pokonywaniu przejść dla pieszych. Przekładają też w czasie rzeczywistym mimikę twarzy na komendy wydawane wózkowi inwalidzkiemu, umożliwiając użytkownikom samodzielność niezależnie od ograniczeń fizycznych. 

Zaczęło się od kalkulatora

A wszystko zaczęło się od kalkulatora. W 1969 roku japoński producent Nippon Calculating Machine Corp. zwrócił się do firmy Intel z prośbą o zaprojektowanie obwodów scalonych dla prototypowego kalkulatora Busicom 141-PF. Pierwotne plany zakładały opracowanie 12 wyspecjalizowanych układów, ale pracownicy Intela Marcian „Ted” Hoff, Stan Mazor i Federico Faggin zmodyfikowali projekt, ostatecznie ograniczając liczebność układów do czterech, w tym procesora 4004, który został oficjalnie zaprezentowany w listopadzie 1971 roku.

Kalkulator Nippon Calculating Machine Busicom 141-PF - to właśnie tutaj znalazł zastosowanie mikroprocesor Intel 4004

Przed pojawieniem się nie większego od paznokcia mikroprocesora 4004 porównywalną moc obliczeniową oferowały jedynie komputery, które zajmowały całe pokoje, co było niepraktyczne i nieefektywne z punktu widzenia wykorzystania przestrzeni.

„To historia zmniejszania przedmiotów” – mówi czołowa specjalistka techniczna firmy Intel Genevieve Bell. „Zmniejszając je, powiększamy zarazem liczbę miejsc, w których się mieszczą, oraz potencjalnych zastosowań.”

Model 4004 był tylko początkiem, a rozwój jak na razie następował powoli. Gdy inżynierowie Intela pokazali, w jaki sposób można wykorzystać procesor, projektanci rozwinęli tę koncepcję – układy stopniowo malały, a zarazem wykładniczo rosła ich moc obliczeniowa. „4004 był tak rewolucyjny, że Intel potrzebował około pięciu lat, żeby nauczyć inżynierów, jak budować nowe produkty oparte na mikroprocesorach” – mówi współwynalazca układu Mazor. „Ostatecznie firma odniosła w tym zakresie spory sukces, a co było dalej, wszyscy wiemy.”

Schemat procesora Intel 4004 (w prawym dolnym rogu widać nawet rok zaprojektowania - 1971)

„Spory sukces” to jedno z największych niedomówień w historii

W 2021 roku mikroprocesory są obecne w niemal każdym aspekcie życia codziennego na całym świecie. Laptopy. Smartfony. Komputery do gier. Inteligentne urządzenia łączące się z internetem. Technologia mikroprocesorowa, której rozwój zapoczątkował Intel 4004, pozwala nam pozostawać w kontakcie z przyjaciółmi, rodziną i współpracownikami podczas pandemii, eliminuje bariery geograficzne oraz dostarcza niezliczonych atrakcji w wolnym czasie. 

A to tylko ułamek jej możliwości. Przykładem może być pandemia COVID-19. Intel nawiązał współpracę z Radą Badań Naukowych i Przemysłowych Indii oraz Międzynarodowym Instytutem Informatycznym w Hajdarabadzie, aby stworzyć szybsze i tańsze testy służące do wykrywania koronawirusa. Technologia przyspieszyła także sekwencjonowanie genomu tego patogenu, co pozwoliło lepiej zrozumieć przebieg epidemii.

Intel współpracował też z indyjskim Krajowym Stowarzyszeniem Firm Programistycznych i Usługowych przy budowie ekosystemu aplikacji i złożonego z wielu chmur obliczeniowych zaplecza umożliwiającego diagnostykę COVID-19 na skalę populacyjną. Pomogło to naukowcom przewidywać ogniska choroby oraz usprawnić zarządzanie opieką medyczną. 

Co łączy te osiągnięcia? Zgadza się, wszystkie one są oparte na dostosowywanej do różnych potrzeb technologii mikroprocesorowej. 

„Kierunek postępu nie zawsze był oczywisty” – mówi Faggin. „W 1971 roku nie zdawano sobie na przykład sprawy z możliwości wykorzystania mikroprocesora o niewiarygodnej mocy jako aparatu słuchowego.” Dziś jest to oczywiste.

Intel 4004 zapoczątkował erę nowoczesnych komputerów

Podczas gdy model 4004 – pierwszy dostępny komercyjnie mikroprocesor wykorzystywany w kalkulatorach biurkowych – zapoczątkował erę nowoczesnych komputerów, architektura najnowszych procesorów Intel Core 12. generacji oraz Intel Xeon Scalable 3. generacji otwiera nowe możliwości w zakresie rozrywki, pracy, sztucznej inteligencji, obliczeń w chmurze, łączności 5G i przetwarzania brzegowego. Nowe układy optymalizują przetwarzanie danych i umożliwiają uruchamianie aplikacji na komputerze stacjonarnym czy laptopie, w chmurze, na urządzeniu brzegowym lub w kieszeni.

Dziś nosimy przy sobie znacznie więcej niż tylko kalkulator – a to wszystko dzięki Intelowi 4004.

Źródło: Intel, WikiChip