8. Микропроцессор

8. Микропроцессор

Новость о прорыве Intel в области MOS-технологии памяти с ее чипами 1101 и 1103 вызвала ревнивые чувства со стороны конкурирующих электронных компаний, но был один человек, который испытал при этом просто отчаяние. Работавший в отделе исследований Fairchild Semiconductor молодой инженер-итальянец Федерико Фаггин получил ссуду от европейского совместного предприятия, в котором свою долю имела Fairchild. В Fairchild он работал над кремниевым затвором (технологией, которая оказалась ключом к чипу памяти 1101 Intel) и с все возраставшим разочарованием наблюдал, как Fairchild не может реализовать его идею. Нойс и Мур взяли на работу десятки людей из Fairchild, вплоть до персонала самого низшего уровня, — всех тех, кто наиболее плотно занимался процессом кремниевого затвора. А теперь их компания, похоже, будет пожинать плоды в одиночку. Однако у Фаггина не было возможности вслед за другими исследователями Fairchild перейти в Intel. Он решил остаться в Америке насовсем и, пока шло рассмотрение его заявления об изменении статуса временно въехавшего на постоянного резидента, не мог менять место работы.

Прошел еще год. Однажды Фаггин позвонил Лесу Вадажу в Intel и сказал, что хотел бы перейти в молодую компанию. Он сделал только одну оговорку: ему хотелось бы заниматься разработкой чипов, а не процессами производства. Вадаж пригласил его на собеседование в Маунтин-Вью, но отказался сказать что-либо конкретное о том, какую работу Фаггин может получить в Intel. Так что Фаггин действовал вслепую, когда принял предложение Вадажа и Гроува, дал уведомление в Fairchild и через две недели явился на работу в Intel.

Было ясно, что на новой работе ему скучать не придется. В первый же рабочий день Вадаж объяснил Фаггину, что Intel подписала контракт на разработку серии чипов для японской фирмы Nippon Calculating Machine Corporation. Фаггин должен был возглавить проект, и в первую очередь ему предстояло встретиться с представителем заказчика, который должен был прилететь на следующий день из Токио, чтобы проверить, как идет работа над проектом.

Полдня, проведенные за чтением документации и разговорами с новыми коллегами, дали Фаггину необходимую базу. Продукт, над которым работала Intel, представлял собой настольную счетную машину для продажи под торговой маркой Busicom. Предложение от японцев поступило в тот момент, когда Intel отчаянно боролась за любые заказы. Для начала технические представители заказчика попросили Intel (если фирма действительно хочет получить этот заказ) разработать и изготовить набор из восьми логических чипов специально для их калькулятора, а также запрограммировать их на основные арифметические функции, которые он должен выполнять. Однако в условиях, когда уже шли работы над тремя проектами схем памяти, Intel просто не имела ресурсов для разработки восьми новых логических чипов. И вот Тэд Хофф, блестящий инженер из Станфорда (именно он придумал идею ячейки DRAM), предложил альтернативный вариант. Почему бы не создать миниатюрный компьютер общего назначения, который можно было бы запрограммировать на выполнение арифметики для настольного калькулятора заказчика?

Компьютер общего назначения, такой как PDP-8, - в отличие от специальных логических схем, соответствующих требованиям спецификации Busicom, имел функции подпрограмм: он мог остановиться во время выполнения шагов программы, выйти из нее и заняться другим заданием, а затем вернуться на то место, где была прервана программа. Хофф считал, что, если он сможет добавить возможность подпрограмм к разработке Busicom, можно будет взять все сложные функции, необходимые для калькулятора, и превратить их в набор подпрограмм. Затем базовый компьютер нужно упростить до такой степени, чтобы он выполнял только простейшие задачи, а все остальное — даже такие базовые задачи, как сложение двух целых чисел, — можно свести к комбинации этих простейших задач.

Это было блестящее предвидение. Однако позже, обсуждая его, Хофф умудрялся представить идею почти очевидной. "Я использовал цифровой компьютер PDP-8 для выполнения полномасштабных программ на языке Fortran, — вспоминал он. — причем центральный процессор у PDP-8 был гораздо проще, чем у машинки Busicom. Вся сложность заключалась в памяти. Маленькие биты находились в программе, а не в логических устройствах".

Поразмыслив несколько дней, Хофф набросал план, для которого требовалось четыре чипа: центральный процессор; чип памяти с произвольной выборкой (RAM); чип постоянной памяти (ROM), где должна храниться специальная программа для функций Busicom; устройство для ввода/вывода. Осуществить такую разработку было значительно проще, чем проектировать набор из восьми чипов, а главное, дешевле.

Сначала японская компания отнеслась к идее скептически, тем более что ее инженеры уже потратили месяцы на предварительную работу над логической схемой спецификации. Однако постепенно японские менеджеры осознали ее преимущества. Идея Хоффа о проектировании устройства общего назначения позволила бы им в будущем предложить ассортимент более сложных калькуляторов, не создавая принципиально нового набора логических чипов. В условиях рынка, где конкуренция возрастает, надо приветствовать все, что позволит продать лучший калькулятор по более низкой цене, чем у конкурентов. И если Хофф убежден, что сможет поставить им свой набор из четырех чипов и крошечный компьютер общего назначения, выполняющий все арифметические программы, то неужели японские инженеры будут сомневаться в нем? Компания внесла аванс в сумме 100 тыс. дол. и хотела убедиться в том, что чипы для ее нового продукта готовятся к производству.

Здесь и возникала проблема. После того как Хофф выступил со своей блестящей идеей, ему поручили сконцентрировать усилия на других проектах. В работе наметился некоторый прогресс, когда Стэн Мэйзор, инженер, пришедший из Fairchild, добавил несколько инструкций к архитектуре и написал пробные программы, позволяющие проверить возможности реализации проекта калькулятора. Но к апрелю 1970 года, когда Фаггин пришел в Intel, чип был еще очень далек от завершения. Набор инструкций, которыми должен управлять центральный процессор, был согласован и утвержден японскими инженерами как корректный. Хофф подготовил общий чертеж чипа, показывающий приблизительно, сколько потребуется транзисторов и какие действия будут выполняться. Но когда Фаггин попросил ознакомиться с подробным чертежом, он ужаснулся. Чертежа не было, а представитель Busicom прибывает завтра для проверки хода работ.

Масатоши Шима, инженер из Busicom, лучился улыбкой при встрече с Фаггином и его коллегами в аэропорту. Настроение у него, однако, испортилось, когда он увидел материалы, которые Фаггин был вынужден ему показать. Шима, будучи сам талантливым инженером, сразу понял, что с момента его прошлого визита ничего не изменилось.

— Вы плохие! — кричал он. — Вы обещали! Вы сказали, чертеж сделан! Нет чертежа! Это всего лишь идея! Это ничто! Я приехал с проверкой, но здесь нечего проверять!

Фаггину рекомендовали не говорить, что он только что принят на работу, однако скрывать правду было бесполезно. Объяснив Шиме, что произошло, он выразил желание немедленно приступить к работе. Это был первый процессор в его жизни, а для работы над ним ему отвели жесткие временные рамки.

Вместе с Мэйзором, коллегой по проектированию схемы, Фаггин умудрился превратить идеи в действующие образцы за невероятно короткий срок. Он оказался таким скрупулезным разработчиком схем, что образцы первых трех устройств из четырех (ROM, RAM и устройства ввода/вывода), сойдя с линии, работали идеально. Четвертый, процессор, оказался посложнее.

Первый образец был совершенно негодным, и Фаггину потребовалось время, чтобы понять, в чем дело: схема, которую нужно было разместить на чипе, состояла из нескольких уровней, один уровень при производстве был пропущен. Второй образец работал и требовал только небольшой доводки. Через три месяца после прибытия Фаггина из Fairchild и Шимы из Японии Фаггин и Мэйзор, опровергнув правило "Один человек, один чип, один год", создали четыре работающих чипа.

Однако к тому времени конкуренция на японском рынке калькуляторов усилилась. Боссы Шимы в Токио решили, что они не смогут производить машинки Busicom с прибылью, если заплатят Intel первоначально согласованную цену за ее чипы. Они прибыли в Intel, чтобы потребовать снижения цены.

Если бы Intel иначе отреагировала на это, она никогда бы не стала сегодняшней Intel. Однако Боб Нойс, получивший хороший совет от Хоффа и Фаггина, в точности знал, чего хочет. Он хотел вернуть заказчику 60 тыс. дол., но взамен добивался изменения условий лицензии. Вместо того чтобы передать исключительные права на разработанные чипы заказчику, сказал он, Intel хочет получить право продавать разработку другим потребителям. Из Токио ответили положительно, но выдвинули одно условие. Если Intel согласится не продавать процессор общего назначения, разработанный для Busicom конкурирующим компаниям, производящим калькуляторы, она может его использовать.

За невероятные успехи в срочной разработке чипов Фаггин дорого заплатил. Его жена с маленьким ребенком вернулась в Италию, а он работал по двенадцать, четырнадцать, шестнадцать часов даже в выходные. В то время Гроув проводил кампанию по превращению Intel в более серьезное и профессиональное предприятие, и Лес Вадаж, следуя примеру Гроува, не прощал Фаггину опозданий на работу. Эти претензии раздражали Фаггина. Все в лаборатории знали, что он иногда задерживался на работе до рассвета и уходил домой, чтобы урвать несколько часов для отдыха и потом снова вернуться на завод. Однако Вадаж оставался глух к его доводам. В результате отношения между ними испортились и талантливый молодой разработчик схем начал находить свою работу в исследовательском отделе Intel все более жалкой.

Однако у нее были и положительные стороны. Фаггин скучал по родной Виченце, тем не менее возвращаться в Италию не хотел. Он начал привыкать к сияющему голубому небу северной Калифорнии и красотам фруктовых садов на юге, до которых еше не добралась электронная индустрия. Еда и напитки, которые употребляли американцы: "Джелл-О", холодное молоко и слабый кофе, уже не казались ему странными, как и их возражения против цивилизованной традиции выпивать стакан вина за обедом. Ему нравился четкий порядок в работе, характерный для Intel. Все пропорции были такими же, как между дюймом и сантиметром. Машины, дома, холодильники, кредитные карты — все в Штатах было в два с половиной раза больше, чем в Европе. Взвесив все за и против, Фаггин решил, что можно остаться в Калифорнии. Будущее представлялось интересным.

"Новая эра в интегральной электронике" — под таким заголовком была. опубликована рекламная статья в "Electronic News" за 1971 год. В ней Intel анонсировала свой микропроцессор под номером 4004. Гордон Мур пошел еще дальше, назвав этот микропроцессор "одним из самых революционных продуктов в истории человечества".

Однако в то время это так не выглядело.

Люди, занимавшиеся компьютерным бизнесом, рассматривали микропроцессор 4004 как прелестную новинку. Они знали, что его мощность равна мощности ENIAC — первой в мире ЭВМ на вакуумных трубках, которая была создана в 1946 году в Университете штата Пенсильвания по контракту с правительством США. Предназначенная для расчетов баллистических и детонационных таблиц для американских вооруженных сил, ENIAC занимала целую комнату, в ней было восемнадцать тысяч вакуумных трубок, а потребляла она 20 киловатт электроэнергии — этой мощности было достаточно для отопления нескольких частных домов. В отличие от этой ЭВМ чип 4004 легко мог уместиться в спичечном коробке и стоил меньше 100 дол.

Однако ЭВМ 1946 года не могла служить образцом для сравнения. За те четверть века, что прошли с момента ее создания, появились более современные машины, использующие интегральные схемы. Для 1971 года 4004-й предлагал оптимальное сочетание цены и производительности, но, строго говоря, он не был серьезным претендентом на работу внутри "реальных" компьютеров. Имея возможность обрабатывать одновременно только 4 бит информации, он работал во много раз медленнее и был менее мощным, чем шедевр 1971 года в области центральных процессоров. Как-то один специалист, разговаривая с Бобом Нойсом о компьютерной индустрии, которая с нетерпением ждала революционного момента, пошутил, что не хотел бы лишиться целого компьютера из-за трещины в полу. Даже Стэн Мэйзор, входивший в группу, занимавшуюся разработкой микропроцессоров, не советовал своим друзьям доверять компьютеру, который они в состоянии поднять. Надо было иметь дар предвидения, чтобы понять, что за 4004-м последует серия усовершенствованных версий, которые будут удваивать производительность каждые полтора года в течение четверти века, а со временем микропроцессоры заменят огромные монолиты эры больших ЭВМ. Это приведет к тому, что компьютер будет стоять на каждом рабочем столе.

У коммерсантов Intel новый чип вызывал пессимизм. Даже если производительность устройства будет повышаться так же быстро, как производительность устройств памяти, создаваемых компанией (а это еще было под большим вопросом), вызывало беспокойство емкость рынка микропроцессоров. В конце концов, в 1970 году во всем мире было продано только двадцать тысяч ЭВМ. Даже при оптимистическом предположении, что Intel отвоюет 10 % рынка, она все равно сможет продать только две тысячи устройств в год. Это составляло недельный объем выпуска и никоим образом не компенсировало внушительные затраты отдела исследований и развития.

Итак, если не вытеснить большие ЭВМ с рынка, то для чего нужна эта новая безделушка? Ее создатели из исследовательской лаборатории Intel были полны идеями. Если чип используется в калькуляторах, таких как Busicom, говорили разработчики, он может добавить интеллекта и целому ряду электрических устройств для бизнеса: кассовым аппаратам, автоматам для размена монет, светофорам, весам, анализаторам крови, автоматам для составления коктейлей, микроволновым печам, автомобилям — да чему угодно! До сих пор процесс снабжения этих приборов интеллектом был непомерно дорогим, потому что для каждого из них нужно было создавать специальное вычислительное оборудование. Микропроцессор 4004 мог все изменить. Поскольку он представлял собой миниатюрный компьютер общего назначения, он мог быть использован промышленными разработчиками для выполнения различных задач. Разница состояла бы только в программном обеспечении — программе, управляющей чипом.

Потенциальными потребителями чипа 4004 были инженеры крупнейших американских промышленных компаний. Однако о компьютерном программировании мало кто из них знал. Первыми оценили потенциал маленького чипа маленькие компании, не имевшие прочных позиций на рынке. Это создало новую проблему в коммерческом отделе Intel. Список потребителей ее устройств памяти можно было озаглавить "Кто есть кто в компьютерной индустрии": это крупные, надежные и устойчивые фирмы, не только оплачивающие счета за истекший месяцу но и постоянно делающие новые заказы. А первые фирмы, пожелавшие приобрести 4004-й, были гораздо менее известными. Кто-то из сотрудников коммерческого отдела Intel по поводу списка покупателей 4004-го пошутил, что это не столько "Кто есть кто", сколько "А это кто?".

В августе 1972 года Intel выпустила свой второй микропроцессор. Как и в случае с 4004-м, его разработка началась по заказу — на этот раз для компании Computer Terminals Corporation (СТС), которая хотела создать новый дисплейный терминал. Согласно спецификации, предложенной СТС, новый процессор обрабатывал данные фрагментами одновременно по восемь бит, а не по четыре. Однако, когда дело дошло до выпуска на рынок, Эд Гелбах обнаружил, что большинству потребителей Intel трудно разобраться в принятой компанией системе нумерации устройств по функциям, мощности и дате выпуска. Они думали, что 4004-й получил свой номер из-за того, что был первым 4-битным микропроцессором компании. Поэтому, естественно, считали, что первая 8-битная машина Intel будет названа 8008.

Выпуск микропроцессора 8008 возбудил интерес к идее использования микропроцессоров Intel не только в бизнес-компьютерах, но и в средствах интеллектуализации промышленной продукции. Однако программировать 8008-й было ненамного легче, чем 4004-го. Пока не были разработаны несколько компиляторов, приходилось писать инструкции на языке ассемблера, шаг за шагом указывающие чипу, что надо ввести некий фрагмент данных, сохранить его в таком-то регистре, прибавить к содержимому другого регистра, вывести результат и т. д. Готовую программу на ассемблере затем надо было перевести на язык машинных кодов: последовательность двузначных шестнадцатеричных чисел, которые одно за другим вводились в процессор из чипа памяти, где хранилась программа.

Звучит, конечно, сложно и непривычно, но так оно и было. Только две категории людей могли бы этим заниматься: инженеры, видевшие реальную коммерческую выгоду от внедрения чипа в продукцию, и подростки-хакеры, у которых было мало надежды обзавестись собственным компьютером.

Среди первых таких хакеров были двое ребят, семнадцати и девятнадцати лет, из частной высшей школы в Сиэтле. Билл Гейтс и Пол Аллен, объединив свои капиталы, собрали 360 дол., чтобы купить процессор 8008 в местном магазине электроники. Но даже будущие основатели Microsoft не могли заставить 8008-й поддерживать язык программирования Basic. Они предприняли неудачную попытку на основе этого чипа создать для местной транспортной компании машину, которая анализировала бы подсчеты количества автомобилей на улицах, выводимые на телеграфных лентах.

Всерьез отнестись к микропроцессору многих инженеров заставила первая система поддержки разработок Intel. Продаваемая в больших синих коробках система под названием "Intellec-4" представляла собой инструмент, с помощью которого инженеры легче и быстрее разрабатывали и тестировали программы для новых микропроцессоров.

Отладочные системы оказались отличным способом привлечения потребителей к линии продуктов Intel. Если покупатель тратил 5 тыс. дол. на "Intellec-4", он, скорее всего в течение года выкладывал еще 50 тыс. дол. за микропроцессоры. Кроме того, для каждого микропроцессора требовалось еще полдюжины других периферийных чипов, в том числе память, ROM, устройства ввода/вывода. Такой бизнес Эду Гелбаху нравился.

Даже те, кто не верил, что новое устройство — самое главное событие в электронной индустрии, осознали перспективность микропроцессора. Возможно, сам по себе он и не был очень прибыльным, зато позволял продавать больше запоминающих устройств, что уже неплохо.