Η οικογένεια MCS-4
Ο 4004 ήταν μέρος μιας οικογένειας LSI τσιπ με όνομα MCS-4. Τα τσιπ αυτά ήταν απαραίτητα για την κατασκευή ενός υπολογιστή. Τα υπόλοιπα μέλη της οικογένειας ήταν μνήμες και κυκλώματα εισόδου/εξόδου.

• 4001: 256-byte ROM
• 4002: 40-byte RAM
• 4003: 10-bit parallel output shift register
• 4008: 8-bit address latch for access to standard memory chips
• 4009: program and I/O access converter to standard memory and I/O chips
• 4269: keyboard/display interface
• 4289: memory interface (combined functions of 4008 and 4009)

Η ονοματολογία των τσιπ οφείλετε στον Federico Faggin, ο οποίος έσπασε το σύστημα αρίθμησης που χρησιμοποιούσε η Intel μέχρι τότε και ήταν της μορφής 1302, 1105, 1507, 1202 αντίστοιχα για τα 4001, 4002, 4003, 4004. Αν ακολουθούσε την αρίθμηση της Intel θα χανόταν η ιδέα ότι τα τσιπ ήταν μέρος μιας οικογένειας εξαρτημάτων που προορίζονται να λειτουργούν απρόσκοπτα μεταξύ τους.

Αλλά…

Αυτή, λοιπόν, είναι η επίσημη ιστορία του πρώτου μικροεπεξεργαστή, έτσι όπως έχει καταγραφεί σε γενικές γραμμές στα βιβλία της τεχνολογίας. Ή μήπως, στην πραγματικότητα, τα πράγματα δεν έγιναν ακριβώς έτσι;Πίσω από τη λάμψη των προβολέων και τις διαφημίσεις της Intel, η αλήθεια είναι πολύ πιο περίπλοκη, αφού την πατρότητα του πρώτου μικροεπεξεργαστή στον κόσμο τη διεκδικούν με πάθος και άλλοι, κρυφοί διεκδικητές. Άνθρωποι και εταιρείες που εργάζονταν μέσα σε συνθήκες απόλυτης μυστικότητας, έτοιμοι να αμφισβητήσουν τα πρωτεία του 4004.

• Ο πρώτος και πιο ισχυρός από αυτούς τους διεκδικητές είναι η εταιρεία Texas Instruments, η οποία εμφάνισε στο προσκήνιο τον δικό της 4-bit επεξεργαστή, με το όνομα TMS 1000. Ήταν ένα μικρό τεχνολογικό θαύμα που αναπτύχθηκε σχεδόν παράλληλα με το δημιούργημα της Intel. Η Texas Instruments είχε καταφέρει να στριμώξει πάνω στο ίδιο κομμάτι πυριτίου όχι μόνο την CPU, αλλά και τη μνήμη, δημιουργώντας ουσιαστικά τον πρόδρομο των σύγχρονων μικροελεγκτών και ξεκινώντας έναν αόρατο, αλλά λυσσαλέο πόλεμο πατεντών πίσω από τις κλειστές πόρτες των δικαστηρίων.

• Ένας ακόμα, εξαιρετικά άγνωστος αλλά καθοριστικός διεκδικητής, κρυβόταν στη συνεργασία των εταιρειών Pico Electronics και General Instrument. Μαζί, δημιούργησαν το δικό τους πρωτοποριακό ολοκληρωμένο κύκλωμα, το GI 250, το οποίο σχεδιάστηκε ειδικά για να αποτελέσει την καρδιά της εξελιγμένης αριθμομηχανής Monroe/Litton Royal Digital III. Το συγκλονιστικό με αυτή την περίπτωση είναι ότι το συγκεκριμένο τσιπ είχε ολοκληρωθεί και βρισκόταν σε λειτουργία ήδη από το 1970 – έναν ολόκληρο χρόνο πριν η Intel αποκαλύψει με τυμπανοκρουσίες τον 4004! Ήταν μια σιωπηλή επανάσταση που γεννήθηκε μακριά από τη Silicon Valley, αποδεικνύοντας ότι το μέλλον του πυριτίου σιγόβραζε ταυτόχρονα σε πολλά διαφορετικά σημεία του πλανήτη.

• ​Η πιο μυθιστορηματική και δικαστική ανατροπή, όμως, ακούει στο όνομα Gilbert P. Hyatt. Ο ανεξάρτητος αυτός εφευρέτης διεκδίκησε την πατρότητα της τεχνολογίας, βασιζόμενος σε μια δική του ευρεσιτεχνία, η οποία χρονολογείται πριν από κάθε κίνηση της Texas Instruments και της Intel. Στην ιστορική αυτή πατέντα, ο Hyatt περιέγραφε με απίστευτη ακρίβεια την αρχιτεκτονική και τη λογική σχεδίαση ενός ολοκληρωμένου μικροελεγκτή. Η διεκδίκησή του έσκασε σαν βόμβα μεγατόνων στη βιομηχανία, πυροδοτώντας έναν δικαστικό πόλεμο εκατομμυρίων δολαρίων και αποδεικνύοντας ότι πίσω από τις μεγάλες εταιρείες, υπήρχαν μοναχικοί οραματιστές που είχαν ήδη συλλάβει το μέλλον στο χαρτί.
• Σε αυτή τη γεμάτη ίντριγκα λίστα, προστίθεται και το όνομα του Lee Boysel, ο οποίος δημιούργησε για λογαριασμό της Four-Phase Systems το AL1 – ένα επαναστατικό τσιπ 8-bit. Ο Boysel είχε κατασκευάσει αυτό το μικρό θαύμα πυριτίου ήδη από το 1969, πολύ πριν η Intel εμφανίσει τον 4004. Η ύπαρξη του AL1 έμελλε να παίξει έναν μυθικό ρόλο χρόνια αργότερα στα δικαστήρια: χρησιμοποιήθηκε ως η απόλυτη, ζωντανή απόδειξη για να καταρριφθούν οι διεκδικήσεις άλλων εφευρετών, αποδεικνύοντας ότι ο Boysel είχε ήδη βάλει σε λειτουργία έναν αληθινό μικροεπεξεργαστή, όταν οι υπόλοιποι έκαναν ακόμα σχέδια στο χαρτί.

Ωστόσο, μέσα στο σκοτάδι των στρατιωτικών μυστικών, κρύβεται ακόμα ένας διεκδικητής, ο οποίος κρατά ίσως το πιο ισχυρό χαρτί για τον τίτλο του πραγματικού δημιουργού του πρώτου επεξεργαστή. Το όνομά του; Raymond Holt.

Για δεκαετίες, κανείς στον κόσμο δεν γνώριζε τι είχε καταφέρει αυτός ο άνθρωπος. Οι λεπτομέρειες της συγκλονιστικής εργασίας του ήταν αυστηρά απόρρητες, για να έρθουν τελικά στο φως μόλις το 1998. Ήταν τότε που, μετά από επίμονο αίτημα του ίδιου του Holt, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ αποφάσισε να αποχαρακτηρίσει τα σχετικά έγγραφα, αποκαλύπτοντας στη σοκαρισμένη τεχνολογική κοινότητα ένα μυστικό που άλλαζε τα πάντα.

Η ιστορία ξαναγράφεται… 

Ας ταξιδέψουμε πίσω στον χρόνο, στο μακρινό 1968. Βρισκόμαστε σε μια εποχή όπου η Intel έχει μόλις γεννηθεί, ο όρος «προσωπικός υπολογιστής» δεν υπάρχει ούτε ως επιστημονική φαντασία, και οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές είναι τεράστια μεγαθήρια που καταλαμβάνουν δωμάτια πολλών τετραγωνικών μέτρων. Μέσα σε αυτό το σκηνικό, η αεροναυπηγική εταιρεία Grumman κερδίζει τον απαιτητικό διαγωνισμό για το νέο, υπερσύγχρονο μαχητικό αεροσκάφος του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ. Πρόκειται για το αεροπλάνο που έμελλε να γίνει ο απόλυτος κυρίαρχος των αιθέρων και να αποκτήσει παγκόσμια φήμη: το θρυλικό F-14A Tomcat.

Η εταιρεία Garrett AiResearch (στην οποία εργάζονταν δύο λαμπροί μηχανικοί, ο Ray Holt και ο Steve Geller) κλήθηκε να φέρει εις πέρας μια σχεδόν ακατόρθωτη αποστολή: να κατασκευάσει έναν πρωτοποριακό ψηφιακό υπολογιστή, ο οποίος θα ανταγωνιζόταν στα ίσια τα ηλεκτρομηχανικά συστήματα που βρίσκονταν τότε υπό ανάπτυξη. Αυτός ο υπολογιστής προοριζόταν για την καρδιά του νέου μαχητικού, ως το κεντρικό σύστημα ελέγχου πτήσης, και ονομάστηκε Central Air Data Computer ή απλά CADC.

Ήταν μια κίνηση γεμάτη ρίσκο, που άνοιγε ένα εντελώς ανεξερεύνητο μονοπάτι. Τι ακριβώς, όμως, έκανε αυτός ο μυστηριώδης, απόρρητος υπολογιστής και γιατί η λειτουργία του ήταν τόσο κρίσιμη για τον θρύλο των αιθέρων;

Ο CADC είχε επωμιστεί το τιτάνιο έργο να εκτελεί δύο ζωτικής σημασίας λειτουργίες: τον απόλυτο έλεγχο των κινούμενων επιφανειών του αεροπλάνου και την ακαριαία απεικόνιση των κρίσιμων πληροφοριών στο πιλοτήριο. Για να τα καταφέρει, αυτός ο πρωτοποριακός υπολογιστής «ρουφούσε» ασταμάτητα δεδομένα από πέντε βασικές πηγές:

•  Τον στατικό αισθητήρα πίεσης
•  Τον δυναμικό αισθητήρα πίεσης
•  Τον αισθητήρα θερμοκρασίας του περιβάλλοντος
•  Την εισαγωγή αναλογικών πληροφοριών από τον ίδιο τον πιλότο
•  Την εισαγωγή ψηφιακών πληροφοριών από τα συστήματα ελέγχου

Επεξεργαζόμενος αυτά τα δεδομένα με αστραπιαία ταχύτητα, ο CADC έλεγχε με απόλυτη ακρίβεια τη γεωμετρία των φτερών, τη θέση των φλαπς, αλλά και τη λειτουργία των «glove vanes» – των μικρών πτερυγίων που ξεπρόβαλαν αυτόματα στη μύτη του αεροσκάφους μόνο όταν αυτό έσπαγε το φράγμα του ήχου και έμπαινε σε υπερηχητικές ταχύτητες. Παράλληλα, τροφοδοτούσε με ζωντανές μετρήσεις τέσσερις βασικούς πίνακες οργάνων στο πιλοτήριο, κρατώντας τον πιλότο ενήμερο για το υψόμετρο, την ταχύτητα του αέρα, την ταχύτητα του αεροσκάφους και την κάθετη ταχύτητα ανόδου ή καθόδου.

Για να διασφαλιστεί ότι τίποτα δεν θα πήγαινε στραβά, ο CADC διέθετε ένα πρωτοποριακό, ενσωματωμένο σύστημα αυτοελέγχου σε πραγματικό χρόνο, ενώ στο αεροσκάφος υπήρχε πάντα και ένας δεύτερος, ολόκληρος εφεδρικός υπολογιστής. Οποιοδήποτε μικρό σφάλμα ή αστοχία εντοπιζόταν στον πρώτο, είχε ως αποτέλεσμα την ακαριαία, αυτόματη μεταπήδηση στον δεύτερο, θωρακίζοντας τη ζωή του πληρώματος στους αιθέρες.

Ως ένας υπολογιστής αυστηρά στρατιωτικής χρήσης, ο CADC έπρεπε να ικανοποιεί μια λίστα από εξωπραγματικές, σχεδόν απάνθρωπες προδιαγραφές που έθετε το αμερικανικό Ναυτικό. Οι απαιτήσεις αυτές ανάγκαζαν τους μηχανικούς να ξεπεράσουν τα όρια της τότε γνωστής επιστήμης, καθώς το σύστημα έπρεπε:

• Να στριμωχτεί και να χωρέσει ολόκληρο πάνω σε μια μικροσκοπική κάρτα διαστάσεων μόλις 4 x 10 ιντσών.
• Να διαθέτει τέτοια ευελιξία, ώστε να μπορεί να αναβαθμίζεται και να ανταποκρίνεται στις αυξανόμενες υπολογιστικές ανάγκες του αεροσκάφους κατά τη διάρκεια των ετών.
• Να μπορεί να επαναπρογραμματιστεί εύκολα, εκτελώντας εντελώς διαφορετικές λειτουργίες ανάλογα με την αποστολή.
• Να είναι ικανός να εντοπίζει ακαριαία οποιοδήποτε σφάλμα στη λειτουργία του και να το αναφέρει αυτόματα στον πιλότο.
• Να παραμένει απόλυτα λειτουργικός και σταθερός κάτω από την πίεση των υψηλών δυνάμεων G και σε ταχύτητες που έσπαγαν το φράγμα του ήχου.
• Και τέλος, το πιο εντυπωσιακό: η ενεργειακή του κατανάλωση δεν έπρεπε σε καμία περίπτωση να ξεπερνά τα 10 Watts σε θερμοκρασία δωματίου.

Αυτές οι ακραίες απαιτήσεις έβαλαν οριστικό λουκέτο στις παλιές ηλεκτρομηχανικές μεθόδους. Ο μόνος τρόπος για να γεννηθεί το F-14 Tomcat, ήταν να γεννηθεί πρώτα μια ολοκαίνουργια τεχνολογία.

Όπως αναφέραμε, το ημερολόγιο δείχνει το έτος 1968. Κοιτάζοντας τον τεχνολογικό χάρτη της εποχής, οι σχεδιαστές του CADC είχαν μπροστά τους τρεις συγκεκριμένες επιλογές για να υλοποιήσουν το όραμά τους:

• Την τεχνολογία TTL bi-polar
• Τα MOS chip modules (απλές πύλες AND/OR και flip-flops)
• Τα προηγμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα LSI (Large Scale Integration)

Η TTL bi-polar προσέγγιση απορρίφθηκε σχεδόν αμέσως, καθώς θα απαιτούσε έναν εφιαλτικό αριθμό εξαρτημάτων που θα εκτόξευαν την ενεργειακή κατανάλωση στα ύψη. Τα απλά MOS τσιπ είχαν την ίδια μοίρα, ο τεράστιος αριθμός και ο χώρος που χρειάζονταν για να αγγίξουν την απαραίτητη υπολογιστική ισχύ έκαναν την επιλογή τους απαγορευτική.

Μπροστά στο αδιέξοδο, οι μηχανικοί πήραν μια τολμηρή απόφαση. Αναγκάστηκαν να στραφούν σε μια ολοκαίνουργια, πειραματική για την εποχή τεχνολογία, η οποία θεωρούνταν τότε το απόλυτο «state-of-the-art»: την P-Channel MOS (PMOS). Οι λόγοι που τους έσπρωξαν σε αυτή την επιλογή ήταν η εκπληκτική πυκνότητα των τρανζίστορ που πρόσφερε, οι εξαιρετικά χαμηλές απαιτήσεις σε ηλεκτρική ισχύ και το λογικό της κόστος.

Για να μετατραπούν αυτά τα πρωτοποριακά σχέδια σε πραγματικό, λειτουργικό πυρίτιο, επιλέχθηκε τελικά η εταιρεία American Microsystems (AMI). Η AMI διέθετε τεράστια εμπειρία στη σχεδίαση custom ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, είχε στις τάξεις της μια ομάδα από εξαιρετικά ικανούς μηχανικούς, κατείχε αποδεδειγμένη τεχνογνωσία στην τεχνολογία P-MOS και, πάνω από όλα, έδειξε μια μοναδική προθυμία να συνεργαστεί στενά σε αυτό το άκρως απόρρητο στρατιωτικό εγχείρημα.

Το τελικό αποτέλεσμα αυτής της τιτάνιας προσπάθειας ήταν ένας γενικής χρήσης υπολογιστής των 20-bit, ο οποίος βασιζόταν σε μια διάταξη πολλαπλών επεξεργαστών και χρησιμοποιούσε την επαναστατική τεχνολογία pipelined. Για να καταλάβουμε το μέγεθος του επιτεύγματος, η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) του CADC αποτελούνταν από έξι διαφορετικά, εξειδικευμένα τσιπ που συνεργάζονταν αρμονικά.

Αυτό το ιστορικό chipset, που έλαβε την κωδική ονομασία MP944, αποτελούνταν από τα παρακάτω δομικά στοιχεία:

• Parallel Multiplier Unit (PMU)
• Parallel Divider Unit (PDU)
• Random Access Storage (RAS)
• Read Only Memory (ROM)
• Special Logic Function (SLF)
• Steering Logic Unit (SLU)

Αυτό το σύμπλεγμα πυριτίου δεν ήταν απλώς ένας επεξεργαστής, ήταν ένας προπομπός του μέλλοντος, που πετούσε στους αιθέρες την ώρα που ο υπόλοιπος κόσμος δεν είχε δει καν πώς μοιάζει ένας υπολογιστής τσέπης.

Στην πλήρη του διάταξη, το εντυπωσιακό αυτό σύστημα περιείχε μία μονάδα PMU, μία PDU, μία SLF, τρεις μνήμες RAS, τρεις μονάδες SLU και συνολικά 19 ROMs. Ο συνολικός αριθμός των τρανζίστορ αυτού του πρωτοποριακού υπολογιστή έφτανε το ασύλληπτο για την εποχή νούμερο των 74.442, εκ των οποίων τα 62.092 χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά για τις αποθηκευμένες εντολές του προγράμματος μέσα στη ROM. Το παζλ του CADC συμπλήρωναν δύο αισθητήρες quartz, ένας μετατροπέας analog-to-digital (A/D) των 20-bit και ένας μετατροπέας digital-to-analog (D/A) επίσης των 20-bit, αμφότεροι εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας, καθώς και ένα εξαιρετικά αποδοτικό σύστημα τροφοδοσίας.

Αυτό το τεχνολογικό έπος σχεδιάστηκε και πήρε σάρκα και οστά στα εργαστήρια της Garrett AiResearch από μια κλειστή, δεμένη ομάδα μόλις 25 ατόμων, με επικεφαλής τους Steve Geller και Ray Holt και με την πολύτιμη υποστήριξη της American Microsystems. Η σχεδίαση ξεκίνησε μέσα στο 1968 και ολοκληρώθηκε  τον Ιούνιο του 1970, κερδίζοντας κατά κράτος τον σκληρό ανταγωνισμό από μια σειρά ηλεκτρομηχανικών συστημάτων που είχαν προταθεί για το F-14A.

Η δικαίωση για την ομάδα δεν άργησε να έρθει. Στις 21 Δεκεμβρίου 1970, το πρωτότυπο F-14 με τον αριθμό 1 άνοιξε τα φτερά του και σκέπασε τους αιθέρες στην παρθενική του πτήση, κουβαλώντας στα σπλάχνα του τον πρώτο αληθινό μικροεπεξεργαστή της ιστορίας. Συνολικά, κατασκευάστηκαν 557 αεροσκάφη F-14A, τα οποία υπηρέτησαν για δεκαετίες.

Για το κλείσιμο αυτής της παρουσίασης, κρατήσαμε τα ίδια τα λόγια ενός εκ των δύο κορυφαίων σχεδιαστών του CADC, του Raymond Holt. Είναι μια συγκλονιστική κατάθεση ψυχής που αποκαθιστά την αλήθεια:

«Η λεπτή γραμμή ανάμεσα σε έναν μίνι υπολογιστή, έναν μικροϋπολογιστή ή έναν μικροεπεξεργαστή αποτέλεσε σημείο έντονης τριβής για πάρα πολλά χρόνια, καθώς η ποσότητα των συστημάτων που πληρούσαν αυτούς τους ορισμούς ήταν ελάχιστη και οι άνθρωποι που ασχολούνταν μαζί τους ακόμα λιγότεροι. Καθώς η αγορά των μικρών υπολογιστικών συσκευών άρχισε να επεκτείνεται ραγδαία, η Intel κατάφερε να κυριαρχήσει απόλυτα σε αυτήν. Κατά συνέπεια, η αντίληψη που είναι ριζωμένη στον κόσμο σήμερα, είναι ότι πριν από την έλευση του 4004, το 1971, δεν υπήρχαν υπολογιστές ή άλλες συσκευές υψηλής ολοκλήρωσης. 

Στην πραγματικότητα, το 1971 ήταν σχεδόν δύο χρόνια μετά την έναρξη της σχεδίασης του δικού μας CADC. Ως σχεδιαστής του, λοιπόν, παίρνω το θάρρος να τον ονομάσω ως τον πρώτο πραγματικό μικροεπεξεργαστή της ιστορίας, διότι, πολύ απλά, έτσι τον αποκαλούσαμε και εμείς τότε μεταξύ μας. Ήταν ένα μνημειώδες επίτευγμα, που γεννήθηκε κάτω από απίστευτα αυστηρούς περιορισμούς, από μια σπουδαία ομάδα, για ένα μαχητικό αεροσκάφος παγκόσμιας κλάσης». 

Η ιστορία τελικά γράφεται από τους νικητές του μάρκετινγκ, όμως η αλήθεια θα πετάει πάντα ψηλά, κρυμμένη στα φτερά του F-14 Tomcat.