微處理器研發(fā)記

戴吾三

微處理器是繼晶體管、集成電路之后的又一重大發(fā)明，它的出現(xiàn)引發(fā)了計算機(jī)技術(shù)革命，深刻地影響了整個世界。微處理器的研發(fā)是個生動的創(chuàng)新案例，同時也是英特爾公司的成長故事。

繼晶體管、集成電路發(fā)明之后，微處理器的發(fā)明又掀起一場技術(shù)革命，引發(fā)了計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的變革，深刻地影響了全世界。

年輕的英特爾公司是4004、8008和8080微處理器的誕生地，這并非是精心策劃的過程，而是技術(shù)、資金、團(tuán)隊、市場、競爭等多種因素相互交織的結(jié)果。微處理器的問世，首先要從一份合同講起。

Busicom的合同

1960年代，隨著集成電路的發(fā)明和應(yīng)用，一場制造輕便桌面計算器的競賽揭開了帷幕。日本涌現(xiàn)出眾多制造計算器的公司，相比本國的其他同行，一家名為Busicom的公司更富有冒險精神。

那時，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研究者已普遍認(rèn)識到，用新的金屬一氧化物一半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)來創(chuàng)建一個包含多種功能的芯片，在理論上是可行的。換言之，有可能設(shè)計和制造出一種芯片，其表面的不同區(qū)域分別是邏輯/計算、只讀存儲器（用于永久保存固件程序）、隨機(jī)存取存儲器緩存（用于暫時保存輸入的數(shù)據(jù)和輸出的結(jié)果）、輸入/輸出管理以及電源控制，這些區(qū)域可以連接起來，從而使得單芯片能夠執(zhí)行多芯片主板上的所有任務(wù)。這種神奇的芯片被稱作微處理器，意為“一顆芯片上的中央處理單元”，而當(dāng)時計算器的中央處理器用的是一整塊帶有多顆芯片的主板。

及至1969年，微處理器實現(xiàn)的可能性開始顯現(xiàn)，美國無線電公司、IBM等企業(yè)巨頭已朝這個方向小心努力，但他們很清楚，微處理器的研發(fā)過程會很艱難，如果沒有明顯的市場需求，不能輕率地往里砸錢，因為這可不是筆小數(shù)。

Busicom不甘落后，決定在技術(shù)上放手一搏，意圖超越其他競爭公司，成為行業(yè)的領(lǐng)先者。公司打算向一家有實力的芯片公司投入經(jīng)費，支持其研發(fā)新芯片。如果成功，那么Busicom將在整個計算器行業(yè)占據(jù)領(lǐng)先地位；如果失敗，則由芯片制造商承擔(dān)風(fēng)險，公司再另外想轍。當(dāng)時，Busicom還不敢奢望微處理器能夠做成單顆芯片，畢竟這種技術(shù)難度太大，公司認(rèn)為一組含有10顆定制芯片的微處理器方案的實現(xiàn)可能性會大些，其實這在尺寸和成本上已是一個重大突破。Busi-com看好新成立的英特爾公司，其中一個原因是，英特爾公司的創(chuàng)始人諾伊斯（R.Noyce）也曾參與仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）公司的創(chuàng)建，他在日本業(yè)界具有極高的人氣。

Busicom帶著芯片投資的意向找到英特爾，而諾伊斯也沒想太多，對于資金緊缺的新公司來說非常需要投資，他樂意簽下這份大單。而后，Busicom派出一個三人組成的設(shè)計團(tuán)隊到英特爾做芯片的開發(fā)設(shè)計，他們把先前確定的方案中10顆芯片改為12顆芯片，為了實現(xiàn)功能，每顆芯片都至少要集成3000個晶體管，這是以往的計算器芯片中晶體管數(shù)量的三四倍。

從諾伊斯的角度看，與Busicom簽訂合同是個很不錯的交易。Busicom的島正利（Masatoshi Shima）富有才華，勇挑設(shè)計重?fù)?dān)，而英特爾除了派一個項目總監(jiān)和提供實驗室外，不需投入更多的人力和資金，公司根本不需要承擔(dān)風(fēng)險，因為即使有風(fēng)險也是Busicon的。

霍夫的洞察

英特爾指派霍夫（M.E.Hoff）協(xié)助Busicom開發(fā)新芯片。霍夫1937年10月28日出生于紐約的羅切斯特，少年時代就已顯露出發(fā)明的天賦。1954年，他參加著名的科學(xué)競賽項目“西屋科學(xué)天才獎”（WestinghouseScience Talent Search）并入圍決賽，得到了全國關(guān)注。之后，霍夫進(jìn)入倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer P0lytech-nic Institute）的電氣工程專業(yè)學(xué)習(xí)。暑假時，他到通用鐵路信號公司（General Railway Signal Corporation）實習(xí)，與那里的工程師合作，申請了他最早的兩項專利。

霍夫從倫斯勒理工學(xué)院畢業(yè)后，憑獎學(xué)金進(jìn)入斯坦福大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)電氣工程，1959年獲碩士學(xué)位，1962年獲博士學(xué)位。讀博士期間，霍夫與導(dǎo)師威德勞（B.Widrow）教授共同發(fā)明了“最小均方濾波器”，并獲得專利，這種設(shè)備能夠適應(yīng)環(huán)境設(shè)置而減少信號干擾，迄今仍有使用。

霍夫畢業(yè)后成為威德勞教授的研究助手，1968年英特爾公司成立，31歲的霍夫應(yīng)邀加盟，員工編號為12。當(dāng)時，英特爾正在集中研發(fā)存儲芯片。而霍夫也對單芯片中央處理器感興趣，利用業(yè)余時間進(jìn)行了很多研究。為了開發(fā)多功能芯片組，他清楚應(yīng)該去找一個全新的小型機(jī)行業(yè)作為切入點。這些新式的、更小的電腦比它們的前輩更小、更便宜，而且已經(jīng)塑造出一個價值很高的細(xì)分市場。

幾乎從與Busicom接觸的第一天起，霍夫就感到他們的構(gòu)想過于復(fù)雜，他甚至確信這種設(shè)計會失敗，很可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果?；舴蛟噲D扭轉(zhuǎn)Busicom研究團(tuán)隊的研究方向。不料，他說得越多，團(tuán)隊越是固執(zhí)己見?；舴蚧貞浀溃骸八麄儽硎径迷鯓釉O(shè)計計算器。換句話說，就是‘不要打擾我們，我們知道在干什么。你走開吧！”沒辦法，霍夫只好遷就Busicom設(shè)計團(tuán)隊，但他同時把情況和自己的解決方案向諾伊斯做了匯報。

諾伊斯很快認(rèn)識到霍夫所說的意義，鼓勵霍夫拿出自己的處理器設(shè)計方案。嘗試了一個多月后，霍夫意識到他的長處在于搭建硬件架構(gòu)，而非運行通用處理器所需的軟件，于是便把剛從仙童公司跳槽來的梅澤爾（S.Mazor）拉了進(jìn)來，讓梅澤爾負(fù)責(zé)新的四芯設(shè)計方案的軟件架構(gòu)，以及為已命名為“Intel 4004”的主算術(shù)處理器芯片編寫指令集。梅澤爾比霍夫小4歲，謙遜有禮，做事低調(diào)，兩人密切合作，用了兩周時間就確定了4004的體系架構(gòu)。

此時，諾伊斯便有理由給Busicom的總裁寫信，信中表達(dá)了對Busicom團(tuán)隊設(shè)計方案的顧慮，并談到英特爾替代的設(shè)計方案。雙方經(jīng)過一系列書信往來后，1969年10月。Busicom派出一個專家代表團(tuán)來美國加州考察。最終，Busicom接受了英特爾公司的設(shè)計方案——只用4顆全新芯片，每顆芯片上集成不超過2000個晶體管。相比之下，Busicom設(shè)計團(tuán)隊已難以走出復(fù)雜的設(shè)計困境。

盡管說服了Busicom，但英特爾公司高興不起來，由于受存儲芯片制造的影響，公司財務(wù)一再虧損，不得已進(jìn)行裁員，根本沒有心思啟動這個新項目。轉(zhuǎn)眼到了1970年3月，眼看實在不能再拖了，英特爾才決定啟動Busicom的項目。

法金的創(chuàng)造

為了保證Busicom的項目量產(chǎn)成功，英特爾公司想到一個人，他就是任職于仙童公司的法金（F.Faggin）。

1941年12月1日，法金出生于意大利的維琴察（Vicenza），父親是一位文科教授，翻澤過古羅馬作家的作品。1965年，法金畢業(yè)于帕多瓦大學(xué)，獲物理學(xué)博士學(xué)位。之后，他進(jìn)入意大利SGS微電子公司工作，為公司開發(fā)了MOS工藝技術(shù)，并設(shè)計出第一批集成電路。1968年，法金移民美國加州，進(jìn)入仙童公司。在較短時間里，他就開發(fā)成功自對準(zhǔn)硅柵技術(shù)，這后來成為CMOS計算機(jī)芯片制造的基礎(chǔ)。之后，他還發(fā)明了觸摸板和觸摸屏，這促使移動計算和智能手機(jī)革命成為現(xiàn)實。

法金在仙童公司工作很自在，但他更渴望能處于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的最前沿，故當(dāng)英特爾公司邀他加盟時，他立即心動了。來到英特爾后，他被告知將負(fù)責(zé)難度極大的新項目——制造單芯片計算機(jī)。由于先前的研究進(jìn)度大大滯后，引起B(yǎng)usicom的嚴(yán)重不滿，在這種情況下，法金肩負(fù)重任，他每天工作12到16個小時，試圖解決先前沒有預(yù)見到的一個巨大技術(shù)難題：必須采用低電壓以防燒壞硅晶表面，但同時得確保芯片的電路信號足夠強(qiáng)，可以被準(zhǔn)確讀取。法金后來回憶說：“我首先解決了剩下的架構(gòu)問題，然后為芯片組的設(shè)計系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，最后開始進(jìn)行邏輯和電路設(shè)計以及四個芯片的布局。我必須用硅柵技術(shù)為隨機(jī)邏輯設(shè)計開發(fā)一種新的方法，這是我從來沒有做過的?！?/p>

到1970年夏天結(jié)束時，法金和島正利完成了四芯片組的設(shè)計，并掌握了相應(yīng)的基本技術(shù)。英特爾將這類芯片組命名為“4000家族”，表明這是一組四顆不同的芯片，這個命名規(guī)則也被用在了每顆芯片上：4001是2048比特的只讀存儲器（ROM）芯片，用于存儲程序。4002是320比特的隨機(jī)存儲器（RAM）芯片，用于緩存將要操作的數(shù)據(jù)。4003是10比特的輸入輸出寄存器，用于將數(shù)據(jù)送進(jìn)主處理器和移出結(jié)果。4004是4比特（即4位）的中央處理器邏輯芯片，它是芯片組中最重要的芯片。

幾年后，當(dāng)英特爾真正制造出單芯片微處理器時，業(yè)內(nèi)開始稱之前富有開創(chuàng)性的芯片組為“處理器芯片”。因而，如今往往只用4004微處理器來指代英特爾4000家族的四個芯片。

1970年10月起，芯片組原型開始制作，先是做出4001。繼之是4002和4003，檢測結(jié)果都非常順利。新年前夕，4004芯片原型制成并進(jìn)行了檢測。法金有些擔(dān)心，因為其復(fù)雜性比前三款芯片要高得多。檢測結(jié)果則非常具有戲劇性：起初芯片檢測沒有任何反映，這讓法金大為驚訝，接下來他用顯微鏡進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)芯片表面有一整層電路沒有裝上，原來是制作原型的工程師漏掉了，這個檢測失敗源于制造失誤，而非設(shè)計錯誤。

到了1971年2月，此時距英特爾公司與Busicom簽訂合同幾乎已有兩年，4004進(jìn)入批量生產(chǎn)。幾周后，英特爾把第一批4000家族的芯片組發(fā)往日本的Busicom。

自此，微處理器時代拉開了帷幕。

從4004到8080

1971年2月，諾伊斯踏上前往日本的旅程，他去拜訪Busicom，并向總裁小島介紹交付了第一批4000系列芯片組。不料現(xiàn)實讓他大吃一驚，就在這半年的時間內(nèi)，桌面計算器市場快速萎縮，產(chǎn)品價格大幅下降。Busicom采用四芯片控制器的高性能打印機(jī)計算器計劃，明擺著是個昂貴且不合時宜的錯誤。

為了維護(hù)英特爾的利益，公司內(nèi)部多次討論后，諾伊斯決定再與小島談一談。1971年5月，Busicom簽字同意放棄除計算器外的使用4000芯片組的專屬權(quán)利。有西方學(xué)者評論：Busicom的這個決定可以說是20世紀(jì)最大的商業(yè)失誤之一，如果他們堅持保留4000芯片組的所有權(quán)，就會擁有當(dāng)時世界上唯一一種可以運行的微處理器設(shè)計，單靠專利授權(quán)公司在未來幾年就會賺得數(shù)十億美元。然而，當(dāng)時Busicom正處于越來越絕望的境地，到1971年底，在與英特爾的談判中，它甚至連在計算器上使用微處理器的專屬權(quán)利都放棄了。市場無情，Busicom在行業(yè)大洗牌中被掃地出局。

此時，英特爾面臨的問題是，如何給4000系列找到新的應(yīng)用市場。經(jīng)過論證，英特爾決定生產(chǎn)相關(guān)的測試設(shè)備。誰知沒過多久，美國德州儀器公司的單芯片微處理器宣布問世，該微處理器不僅在架構(gòu)上優(yōu)于4000家族的四芯片方案，而且采用的是基于用超小線寬MOS的大規(guī)模集成電路技術(shù)。德州儀器開發(fā)的芯片是為計算機(jī)終端公司（Computer Terminal Corporation，CTC）量身定做的，讓英特爾無地自容的是，CTC先前與英特爾合作開發(fā)1201芯片，但后來英特爾把這個項目搞砸了。1201芯片是8位架構(gòu)，而非4位，這樣的設(shè)計在商業(yè)中更為實用。

德州儀器令人震驚的產(chǎn)品讓英特爾快速行動起來。這次行動的主導(dǎo)者是首席運營官格魯夫（A.Grove），他的競爭欲望被點燃了，即使他并沒有看好微處理器的未來發(fā)展，但他仍決心贏得這場角逐。格魯夫主動去找CTC，重新爭取到了合同。英特爾微處理器設(shè)計團(tuán)隊集結(jié)力量，4004的設(shè)計經(jīng)驗很快應(yīng)用到1201芯片的研發(fā)中。

然而世事難料，CTC的生意出了問題，經(jīng)協(xié)商，英特爾讓其退出了合同，并得到1201芯片的全部商業(yè)專利。英特爾將1201更名為8008，并且很快找到一家新客戶——日本精工（Seiko）公司，新芯片可以用在精工制造的新款電子手表上。

1972年4月，8008芯片正式對外發(fā)布，這距離1971年11月發(fā)布4004芯片只有短短5個月的時間。在微處理器領(lǐng)域，這個驚人的上市速度堪稱空前絕后。8008并不簡單只是4004的增強(qiáng)版，它有著多個重大的技術(shù)飛躍：4004的晶體管數(shù)為2300個，8008的晶體管增加到3500個；4004的時鐘頻率是108千赫，8008則提高到800千赫。4位微處理器只能執(zhí)行一些計算器的簡單計算，或是完成電子游戲中的一些簡單控制，要想真正完成計算和實現(xiàn)控制功能，8位微處理器是必需的。

起初，微處理器對許多人來說似乎太過激進(jìn)，太超前。他們已習(xí)慣計算機(jī)的龐大體型、復(fù)雜的設(shè)置，而今微處理器只有毛毛蟲大，一下子很難適應(yīng)。為此，英特爾調(diào)動一切手段培訓(xùn)客戶，開拓市場，并且發(fā)放了無數(shù)手冊、設(shè)計和仿真工具，幫助客戶探索和適應(yīng)這項新型處理器。很快，微處理器的普及呈星火燎原之勢，裝配著8008芯片的小型計算機(jī)因其體積小、運行可靠、性價比高，受到了市場的青睞。

與此同時，法金領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊為了將四芯片的8008變成單芯片并使其更強(qiáng)大，甚至把島正利招募到了新的設(shè)計團(tuán)隊中。1974年3月，在法金和他的團(tuán)隊著手設(shè)計僅僅9個月后，英特爾正式推出了真正的單芯片微處理器8080，這是20世紀(jì)最具影響力的電子元器件。與8008相比，8080內(nèi)含6000個晶體管，時鐘頻率提升到2兆赫，每秒鐘可以執(zhí)行50萬次計算。

回顧歷史，盡管英特爾公司有過多次輝煌，但沒有一次比8080的誕生和推出更轟動了。其后3個月內(nèi)，德州儀器公司也推出了自己的微處理器，摩托羅拉等公司也很快跟進(jìn)。但那時，英特爾已經(jīng)憑借4004、8008和8080三款微處理器組成的產(chǎn)品家族，牢牢占據(jù)了市場的領(lǐng)頭地位。

榮譽(yù)與專利權(quán)

沒過多少年，英特爾便成了微處理器的代名詞，是世界上最有影響的公司之一。英特爾認(rèn)為有必要發(fā)布公司的正史，其中包括對4004“真正”發(fā)明者的認(rèn)定。在微處理器問世后的十幾年里，除了霍夫外，所有參與4004項目的成員都離開了英特爾，英特爾對于這些參與者的評價顯得十分微妙。

英特爾力挺霍夫。在公司文檔和記錄，甚至包括新建的英特爾博物館，幾乎都把發(fā)明4004的功勞全部記到了霍夫頭上。對于島正利來說，他早就被英特爾對待他的方式所激怒了，他對英特爾編撰的官方歷史更是怒不可遏，因為他在很大程度上被忽略了。島正利認(rèn)為4004的成功大部分應(yīng)歸功于他，他做了大量的設(shè)計工作。英特爾的原型實驗者后來承認(rèn)，島正利的邏輯設(shè)計是在晶體管級用手工完成的，那是一張很容易理解的芯片制造的“平面圖”。島正利認(rèn)為，4000家族中唯一真正具有革命性的就是4004微處理器芯片，他則是它的首席設(shè)計師，因而他比任何人都更有資格被稱為微處理器的發(fā)明者。日本媒體更是愿意講述島正利是4004發(fā)明主角的故事。盡管法金主持了8008和8080微處理器的設(shè)計，但因他早在1974年離開英特爾，后創(chuàng)建的Zilog公司又與英特爾成為競爭對手，結(jié)果他的名字從英特爾的正史中被抹去了數(shù)十年。梅澤爾極為謙虛，不愿加入榮譽(yù)之爭。

關(guān)于發(fā)明微處理器的榮譽(yù)，最客觀的評價是：提出構(gòu)想的霍夫、創(chuàng)造實現(xiàn)者法金、設(shè)計者島正利以及程序員梅澤爾。隨著時間推移，美國對微處理器發(fā)明權(quán)的歸屬認(rèn)定逐漸明朗。2009年，霍夫、法金和梅澤爾一起榮獲了美國“國家技術(shù)與創(chuàng)新獎”（National Medal ofTechnology and Innovation）。這種榮譽(yù)共享方式與集成電路（基爾比和諾伊斯）和晶體管（巴丁、布拉頓和肖克利）的發(fā)明者類似。

一說到專利權(quán)，通常伴有意想不到的煩惱。英特爾公司在研發(fā)微處理器之初，認(rèn)為這是一種現(xiàn)有的技術(shù)應(yīng)用，并沒有想到申請相關(guān)專利。按霍夫的說法：“從來沒有真正獲得微處理器自身的專利。我們獲得的是它的一種特定的實施例”。結(jié)果卻由強(qiáng)勁的競爭對手德州儀器拔得了頭籌。1971年，德州儀器公司的工程師布恩（G.Boone）和科克倫（M.Cochran）證明了“單芯片計算機(jī)”概念的可行性，為此申請了美國專利，后來獲批。1972年，德州儀器型號為TMS-1000的4位單芯片微型計算機(jī)上市。1979年，該芯片銷售了2600萬個，部分芯片用于德州儀器自己的產(chǎn)品（如計算器），其他則用于自動洗衣機(jī)、電子游戲機(jī)等電子產(chǎn)品。不過到1970年代末，德州儀器創(chuàng)新乏力，雖然在1976年推出了16位的TMS-9900，但應(yīng)用并不成功。

1990年7月17日，一個原本無名的工程師海厄特（G.Hyatt）突然冒出來，他宣稱獲得了“單一芯片集成電路計算機(jī)結(jié)構(gòu)”的專利，至此“微處理器的發(fā)明者”又多了一人。原來，海厄特與人在1968年合伙創(chuàng)辦了微型計算機(jī)公司，他也是公司的主要設(shè)計師。1970年年末，海厄特申請了專利，其中一項是單一集成電路的計算機(jī)。海厄特的公司只開了3年就倒閉了，而他的專利申請多次被拒，但他屢敗屢試，終于在1990年獲得了該項專利。消息傳來，震動了整個半導(dǎo)體界，也迅即引發(fā)了有關(guān)微處理器專利的爭論。許多人認(rèn)為海厄特的微處理器專利沒有什么意義，關(guān)鍵問題是如何將其制作出來。及至1996年，美國專利局宣布撤銷原先的認(rèn)定，認(rèn)為海厄特設(shè)想的微處理器無法用當(dāng)時的技術(shù)制造出，由此布恩和科克倫才是微處理器的發(fā)明者。海厄特當(dāng)時已經(jīng)收取了幾千萬美元的專利費，之后他又因繳稅問題與加州法院打官司，鬧得不亦樂乎。

今天，微處理器已無處不在，不論是手機(jī)、iPad等信息工具，或是形形色色的家電產(chǎn)品，還是汽車引擎控制，以及數(shù)控機(jī)床、無人機(jī)等，都嵌入了各類不同的微處理器。微處理器，讓我們實實在在感受到科技創(chuàng)新的力量。

目前，集成電路的晶體管數(shù)目仍遵從摩爾定律增長，微處理器的晶體管數(shù)已突破百億。微處理器制造已形成龐大的產(chǎn)業(yè)，世界前十大微處理器廠商的年利潤都以億（美元）計，而英特爾高居榜首，其年利潤超過300億美元。

關(guān)鍵詞：微處理器 英特爾 霍夫 法金 MOS