Подождите...Каталог
Микропроцессор Intel 8008, совершивший переворот в электронной отрасли, был выпущен более 50 лет назад. Это был первый 8-разрядный процессор Intel и прямой предок процессоров семейства x86, одним из которых вы, вероятно, пользуетесь в данный момент.
Я не смог найти в сети достаточно хорошие фотографии чипа 8008, поэтому просто сделал несколько детальных снимков физического образца. Эти фото приводятся здесь в качестве иллюстраций по ходу обсуждения внутреннего устройства микросхемы 8008.
На фото ниже мы видим кремниевый чип в корпусировке 8008 (нажмите для увеличения). Невооруженным глазом видны проводящие дорожки и транзисторы, составляющие чип. Располагающиеся по периметру прямоугольники, которых всего 18, – это контактные площадки, соединяющиеся с внешними контактами миниатюрными связками проводов.
На правом краю чипа видна надпись "8008", а на нижнем – "© Intel 1971". Сверху можно найти инициалы HF, которые расшифровываются как Хэл Фини (Hal Feeney) и принадлежат разработчику логической схемы и физической компоновки чипа. Ведущими разработчиками микросхемы 8008 также являются Тед Хофф (Ted Hoff), Стэн Мейзор (Stan Mazor) и Федерико Фэггин (Federico Faggin).
На рисунке ниже выделены основные функциональные блоки чипа. Слева – 8-разрядное арифметико-логическое устройство (Arithmetic/Logic Unit, ALU), которое выполняет актуальные вычислительные операции с данными.1)
ALU использует два временных регистра (ALU registers), в которых удерживаются входные значения операндов. Эти регистры занимают значительную часть площади чипа – не потому что они сложные, а потому что содержат большие транзисторы, обеспечивающие сигналам достаточную мощность для прохождения по цепям ALU.
Под регистрами ALU находится устройство переноса (Carry), работающее по принципу ускоренного группового переноса (переноса с предвидением). В операциях сложения и вычитания это устройство параллельно формирует все восемь значений сигнала переноса, что значительно ускоряет вычисления.2) Поскольку в операциях с числами меньших порядков переносы осуществляются в рамках меньшей разрядности, а числа более высокого порядка подразумевают переносы в старшие разряды, электрическая схема устройства переноса состоит из каскадов разной разрядности и имеет треугольную форму.
Треугольная схема ALU необычна. У большинства процессоров она выстроена побитно в правильный прямоугольник (схема bit-slice). Однако у 8008 восемь разрядных блоков (по одному на каждый бит) располагаются физически хаотично, благодаря чему схемы ALU и устройства переноса стыкуются друг с другом «по диагонали». ALU поддерживает восемь простых операций.3)
В центре чипа располагаются командный регистр (Instruction register) и логический блок декодирования команд (Instruction decode), который определяет значение каждой 8-битной машинной команды. Декодирование осуществляется с помощью программируемой логической матрицы (Programmable Logic Array, PLA), которая представляет собой набор вентилей, отвечающий двоичным паттернам команд и формирующий соответствующие сигналы, передаваемые остальным блокам чипа. С правой стороны располагаются блоки временного хранения данных. У процессора 8008 вверху справа находятся семь регистров (Registers). Под ними располагается адресный стек, состоящий из восьми 14-битных адресов. В отличие от большинства процессоров, в чипе 8008 стек вызовов хранится на чипе и занимает место встроенной памяти. Счетчик программных вызовов (program counter, PC) просто занимает одно из 14-битных слов в адресном стеке, что существенно упрощает вызовы процедур и возвраты в главную программу. В процессоре 8008 блоки временного хранения данных используют динамическую память.
Физическая компоновка чипа очень близка к его функциональной блок-схеме из руководства пользователя 8008 User's Manual (см. рисунок ниже): блоки в чипе находятся примерно на тех же местах, что и на функциональной схеме.
Что показывает иллюстрация ниже? Давайте представим чип как комбинацию трех слоев. На рисунке ниже изображен фрагмент чипа крупным планом с указанием этих слоев. Самый верхний слой – это металлическая проводка. Это наиболее заметная часть микросхемы, что не удивительно (металл видно сразу). На данном фрагменте чипа провода располагаются преимущественно горизонтально. Под металлическими проводами лежит слой из поликристаллического кремния (поликремния), который на фото, сделанном под микроскопом, имеет выраженный оранжевый цвет.
Основой чипа служит кремниевая «вафля», которая на фото выглядит пурпурно-серой. Чистый кремний – это практически непроводящий материал. Полупроводниковый кристалл из него получают путем легирования – добавления примесей на определенные участки. Находящийся в самом низу кремниевый слой визуально трудно различить, но можно увидеть черные линии вдоль границ между участками чистого и легированного кремния. На фото видны несколько таких кремниевых "проводов".4)
Ключевыми элементами чипа являются транзисторы, и транзисторы формируются там, где поликремний пересекают провода из легированного кремния. На фото участки поликремния в местах формирования транзисторов выглядят ярко оранжевыми.
Неудобной особенностью чипа 8008 является то, что у него только 18 контактов, и это делает его более медленным и намного более сложным в использовании. Процессор 8008 использует 14 адресных битов и 8 битов данных, так что 18 контактов недостаточно для того, чтобы каждый битовый сигнал имел свой отдельный контакт. Вместо этого чип использует 8 контактов данных в трех циклах, за которые передаются: адресные биты с низким уровнем сигнала (0), адресные биты с высоким уровнем сигнала (1) и биты данных. Компьютер с процессором 8008 вынужден использовать еще ряд чипов поддержки, которые обеспечивают взаимодействие с этой неудобной архитектурой шины.5)
Объективных причин для заключения чипа в 18-контактую схему, вообще говоря, не было. Другие производители делали корпусировку с 40 или 48 контактами, но 16 «ножек» были своего рода "религией Intel".6) И для перехода даже на 18 контактов пришлось преодолеть немалое сопротивление. Только через несколько лет, к моменту выхода процессора 8080, в Intel перешли на 40-контактные чипы. Чип 8080 был намного популярнее 8008, отчасти потому, что имел более простую архитектуру шины, которую стало возможным использовать благодаря корпусировке на 40 контактов.
Направленное перемещение потоков данных в чипе обеспечивает шина данных. На рисунке ниже показана 8-разрядная шина данных процессора 8008, где 8 линий передачи данных обозначены разными цветами. Шина данных соединяет 8 контактов данных и проходит примерно по периметру верхней половины чипа. Шина проходит между ALU слева, командным регистром посередине и регистрами данных и адресным стеком справа. В левой части микросхемы шина разделяется на две ветви, которые проходят по обеим сторонам ALU.
Красным и синим цветом на схеме показаны цепи питания. Организация цепей питания в микропроцессоре – тот аспект, который часто недооценивают. Энергия для питания компонентов процессора передается в слое металлической проводки, поскольку металл имеет низкое сопротивление. Но, так как в чипах того времени металлический слой был только один, схема распределения питания должны была быть тщательно продумана, чтобы дорожки не пересекались.7) На рисунке выше линии Vcc (+) показаны синим, а линии Vdd (-) – красным. Напряжение питания подается на контакты Vcc (слева) и Vdd (справа) и далее по ветвящейся сети тонких не контактирующих друг с другом проводов подводится ко всем компонентам чипа.
Чтобы показать, как чип выглядит в деталях, я привожу здесь крупное фото регистрового файла процессора 8008 (рисунок ниже). Регистровый файл состоит из ячеек динамической памяти (DRAM), образующих сетку 8 х 7; каждая ячейка для удержания одного бита данных использует три транзистора.8) (На фото транзисторы выглядят как маленькие прямоугольнички, которым поликремний придает более яркий оранжевый цвет.) Каждый ряд сетки – это один из семи 8-битовых регистров процессора 8008 (A, B, C, D, E, H, L). Слева видны семь пар горизонтальных проводов: это линии выбора чтения и выбора записи для каждого регистра. В вертикальном направлении насчитывается восемь линий, обеспечивающих чтение или запись содержимого каждого бита, и пять линий с более толстыми проводами, обеспечивающих подачу напряжения Vcc. Использование в регистрах ячеек DRAM (а не более распространенных статических триггеров) – интересное решение. Учитывая, что на тот момент компания Intel была основным производителем памяти, я полагаю, что они выбрали DRAM исходя из собственного экспертного опыта в этой области.
Процессор 8008 использует полевые транзисторы с изолированным затвором типа PMOS (p-канальные МОП-транзисторы). Упрощенно можно представить PMOS-транзистор как переключатель между двумя кремниевыми проводами, управляемый входным сигналом, который подается на поликремниевый затвор. Когда на затвор подается низкий уровень сигнала (0 на входе), транзистор закрыт и на выходе сигнал высокий (1). Если вы знакомы с принципом работы транзисторов типа NMOS (n-канальных МОП-транзисторов), которые использовались, например, в микропроцессоре 6502, то PMOS могут поначалу вводить в недоумение, потому что работают с точностью до наоборот.
Схема логического вентиля NAND на транзисторах PMOS показана на рисунке ниже. Когда на обоих входах сигнал высокий, транзисторы выключены и за счет резистора выходной сигнал низкий. Когда на любом из входов сигнал низкий, транзистор проводит ток, соединяя выход с полюсом +5 В, и на выходе сигнал высокий. Таким образом реализуется логическая функция "не-И" (NAND). Для обеспечения совместимости с 5-вольтовыми цепями TTL (на биполярных транзисторах) в схемах на PMOS (соответственно, и в процессоре 8008) используются необычные потенциалы входного напряжения: -9 В и +5 В.
Из технических соображений резистор фактически выполняется заодно с транзистором. На рисунке ниже показано, как подключается транзистор, чтобы он мог работать как понижающий резистор.9) Фрагмент фото справа показывает, как эта схема выглядит на чипе. Металлический контакт -9 В – сверху, сам транзистор – посередине, а кремниевый выход – внизу.
Непростая история процессора 8008 началась с выхода Datapoint 2200, популярного компьютера, который был представлен в 1970 году как программируемый терминал. (Некоторые считают Datapoint 2200 первым в истории персональным компьютером.) Вместо микропроцессора в Datapoint 2200 использовался центральный процессор (CPU) размером с плату, собранный из отдельных чипов TTL. (В эпоху миникомпьютеров это был стандартный способ сборки CPU.) Datapoint и Intel тогда решили, что эту плату можно заменить одним чипом на МОП-транзисторах, и в Intel приступили к разработке проекта 8008, результатом которого должен был стать этот чип. Немного позднее Texas Instruments также заключили контракт с Datapoint на разработку одночипового процессора. Оба чипа разрабатывались в расчете на 8-разрядную архитектуру набора команд Datapoint 2200.
Процессор 8008 был впервые отмечен в прессе в 1970 году как первый центральный процессор на одном MOS-чипе, предназначенный для «умного терминала» DataPoint 2200. В заметке "Electronic Design" от 25 октября 1970 года упоминалось также, что чип может выполнять 30 различных команд, среди которых – «сложение с переносом», «сравнение», «выполнение команды при истинности условия» и «переход к другой команде при ложности условия», при этом каждая операция занимает от 6 до 10 мкс; чип содержит восемь 8-разрядных регистров данных и 8-разрядное параллельное двоичное ALU, а также 14-разрядный счетчик программных вызовов и семь 14-разрядных слов для хранения адресов вызываемых процедур.
Хотя Intel сперва заявила о начале поставок новых чипов в январе 1971 года, фактические отгрузки начались более чем на год позже, в апреле 1972 года.
Приблизительно в марте 1971 года Texas Instruments сделали свой микропроцессор под названием TMC 1795. С некоторой задержкой, Intel закончила свой проект 8008 позднее, примерно к концу 1971 года. По ряду причин Datapoint отклонила оба микропроцессора, предпочтя собрать более быстрый большой CPU на базе новых чипов TTL, включая чип ALU 74181.
После этого TI безуспешно пытались продавать процессоры TMC 1795 таким компаниям, как, например, Ford, но в конце концов забросили этот проект, сконцентрировавшись на гораздо более прибыльных чипах для калькуляторов. В Intel, наоборот, стали продвигать чип 8008 как универсальный микропроцессор, что привело в конечном счете к появлению архитектуры x86, которой в настоящее время так или иначе пользуются все. И, хотя TI первыми сделали 8-разрядный микропроцессор, именно компания Intel сделала свой чип успешным, создав микропроцессорную индустрию.
Генеалогическое дерево процессора 8008: черные стрелки означают обратную совместимость по набору команд; серые стрелки означают значительные изменения в архитектуре.
На рисунке выше показано "генеалогическое дерево" 8008 с несколькими производными и параллельными ветками процессоров. Архитектура набора команд Datapoint 2200 легла в основу TMC 1795, Intel 8008 и утвержденного процессора для второй версии Datapoint 2200.10) То есть, четыре совершенно разных процессора базировались на архитектуре команд Datapoint 2200. Процессор 8080 был значительно усовершенствованной версией 8008. Относительно 8008 в нем был существенно расширен набор команд и изменен порядок машинных инструкций в целях повышения эффективности вычислений. Процессор 8080 использовался в таких передовых микрокомпьютерах того времени, как Altair и Imsai. После завершения работы над проектами 4004 и 8080 разработчики Федерико Фэггин и Масатоши Шима (Masatoshi Shima) ушли из Intel в Zilog и приняли участие в создании Z-80 – еще более продвинутого микропроцессора, чем 8080, пользовавшегося большой популярностью.
Шаг к 16-разрядному процессору 8086 уже можно назвать семимильным. Большую часть ассемблеровского кода 8080 в принципе можно перевести на машинный язык 8086 и запустить на этом процессоре, но это нетривиальная задача, поскольку нaбор команд и его архитектура поменялись радикально. Тем не менее, некоторые характеристики Datapoint 2200 перешли в современные процессоры x86. Например, в Datapoint 2200 был последовательный процессор, который обрабатывал байты побитно. Так как бит самого младшего разряда должен обрабатываться первым, в Datapoint 2200 использовался порядок записи байтов little-endian – от младшего разряда к старшему. Из соображений совместимости в 8008 тоже был принят порядок little-endian, и он до сих пор используется в процессорах Intel. Еще одна фишка из Datapoint 2200 – флаг четности, поскольку вычисление четности имело важное значение для коммуникаций терминала. Флаг четности продолжает использоваться и в архитектуре x86.
В части архитектуры процессор 8008 не имеет никакого отношения к 4-разрядному процессору Intel 4004. То есть 8008 – это ни в коем случае не 8-разрядная версия 4-разрядного 4004. «Подобие» наименований этих двух процессоров – чисто маркетинговый ход; на стадии разработки процессор 8008 в проектной документации фигурировал под неброским наименованием "1201".
Оба чипа – и 4004, и 8008 – использовали транзисторы PMOS обогащенного типа (enhancement-mode) с поликремниевым затвором, которые применялись сравнительно недолго. Этим обусловлено уникальное положение этих чипов в аспекте развития технологий полупроводникового производства.
Процессор 8008 (как и современные процессоры) использует транзисторы MOS (или МОП – металл-оксид-полупроводник, полевые транзисторы с изолированным затвором). Эти транзисторы прошли долгий путь, прежде чем были окончательно приняты в отрасли, так как были медленнее и менее надежны, чем биполярные транзисторы, использовавшиеся в большинстве компьютеров в 1960-е годы. К концу 1960-х транзисторы MOS в интегральных микросхемах стали использоваться более широко; стандартным вариантом этой технологии были транзисторы PMOS с металлическим затвором. Металл затворов транзисторов также использовался для электрического соединения компонентов чипа. Чипы, по существу, включали в себя два функциональных слоя: сам кремний и металлическую проводку сверху. Эта технология применялась во многих чипах Texas Instruments для калькуляторов, а также в микропроцессоре TMC 1795 (с таким же набором команд, как у 8008).
Инновацией, которая имела ключевое практическое значение для 8008, стала технология самосовмещенного затвора (self-aligned gate) – вместо металлического затвора в транзисторах стал использоваться поликремниевый. Хотя эта технология была изобретена компаниями Fairchild и Bell Labs, именно компания Intel продвинула ее в массовое производство. Транзисторы с поликремниевым затвором работали намного быстрее транзисторов с металлическим затвором (что обусловлено физикой полупроводников). Кроме того, добавление поликремниевого слоя существенно облегчило маршрутизацию сигналов в чипе, что позволило увеличить плотность микросхемы. Иллюстрация ниже показывает преимущество использования самосовмещенных затворов: чип TMC 1795 с металлическими затворами по площади больше чипов 4004 и 8008, вместе взятых.
Совершенствование полупроводниковых технологий продолжилось, и в скором времени вместо транзисторов PMOS стали использовать транзисторы NMOS. Хотя PMOS изначально были проще в изготовлении, NMOS были быстрее, поэтому, как только технология NMOS вышла на нужный уровень надежности, транзисторы NMOS победили.
Внедрение технологии NMOS привело к появлению более мощных чипов, таких как Intel 8080 и Motorola 6800 (оба вышли в 1974 году). Еще одна инновационная технология того времени – ионная имплантация – позволила изменить характеристики транзисторов, в частности, создать транзисторы обедненного типа (depletion-mode), которые могли работать как повышающие резисторы. Эти транзисторы повысили производительность и снизили энергопотребление чипов. Они также позволили создать чипы, работающие от стандартных 5-вольтовых источников питания.11)
Сочетание технологий NMOS и depletion-mode использовалось в большинстве микропроцессоров конца 1970-х – начала 1980-х годов; в их числе такие модели, как 6502 (1975 г.), Z-80 (1976 г.), 68000 (1979 г.) и ряд чипов Intel, начиная с 8085 (1976 г.) и кончая 80286 (1982 г.).
В середине 1980-х на сцену вышла технология комплементарных МОП-транзисторов (КМОП, CMOS), использующая пары транзисторов NMOS и PMOS, что позволило значительно снизить энергопотребление (и нагрев) чипов. По этой технологии были изготовлены такие чипы, как 80386 (1986 г.), 68020 (1984 г.) и ARM1 (1985 г.). В настоящее время почти все процессоры используют технологию CMOS.12)
Итак, как вы сами можете видеть, для технологий полупроводниковых чипов 1970-е годы были временем больших перемен. Процессоры 4004 и 8008 создавались тогда, когда область открытий новых технологических возможностей пересеклась с массовым потребительским рынком.
В этом разделе я расскажу, как я сделал фото микросхемы процессора 8008. Первое, что нужно сделать – вскрыть корпус чипа, чтобы обнажить микросхему. Большинство этих чипов имеют эпоксидные корпуса, которые можно растворить в кислоте, что, однако, небезопасно.
Я предпочел не связываться с азотной кислотой и применил более простой подход. Есть также версия 8008 в керамическом корпусе (см. рисунок выше), которую я и купил на eBay. Надрезав корпус чипа по шву стамеской, я разломил его пополам. Половинка корпуса с открытой микросхемой показана на рисунке ниже. Большая часть металлических контактов отломана, но их расположение в корпусе визуально определяется. Справа от микросхемы – маленький квадратик: он соединяет полюс Vcc с «землей» (подложкой чипа). По краям микросхемы также можно разглядеть контактные площадки и пару связок проводов.
Открыв чип, нужно вооружиться микроскопом, чтобы сделать нормальные фотографии. В обычном микроскопе свет направлен снизу вверх, что не является хорошим вариантом освещения для фотографирования чипа. Поэтому я воспользовался металлургическим микроскопом, в котором свет падает сверху и хорошо освещает микросхему.
Под микроскопом я сделал 48 фото высокого разрешения, которые затем «сшил» в одну картинку с помощью приложения Hugin. Наконец, я отрегулировал контрастность изображения, так, чтобы структурные детали микросхемы были лучше видны. Для сравнения, оригинал изображения (то есть примерно то, что видно непосредственно в микроскоп) представлен на рисунке ниже.
Итак, с помощью фотографий микросхемы 8008 в высоком разрешении мы в общих чертах рассмотрели основные функциональные компоненты этого процессора. Хотя чип 8008 не был первым в истории микропроцессором и даже первым 8-разрядным микропроцессором, его действительно можно считать революционным, так как он запустил настоящую отраслевую революцию, сделавшую в итоге единую интегральную микросхему основным форматом центрального процессора и приведшую к созданию архитектуры x86, которая уже несколько десятилетий доминирует в персональных компьютерах.
1) По свидетельству разработчиков, первые фото готового чипа 8008 датируются октябрем-ноябрем 1971 года. Ф. Фэггин отмечает, что к концу 1971 года "всё работало, за исключением нескольких ошибок". Тогда, на этапе подготовки чипа к запуску в производство, Фэггин устранял баги, приводившие к потере данных в динамической памяти.
2) Схема ускоренного переноса, или переноса с предвидением (carry look ahead circuit), уменьшает задержку по сравнению со стандартной суммирующей схемой с последовательным импульсным (сквозным) переносом (ripple-carry adder) в составе ALU, в которой сигналы переноса распространяются через всю цепь сумматоров.
3) ALU процессора 8008 поддерживает восемь операций: сложение, вычитание, сложение с переносом, вычитание с переносом, логическое И (AND), ИЛИ (OR), исключающее ИЛИ (XOR), сравнение. Оно также выполняет операции сдвига влево и вправо и вращения чисел. Кроме того, к набору команд Datapoint 2200 в 8008 были добавлены команды инкремента и декремента (положительного и отрицательного приращения).
4) В большинстве чипов проводку делают не в кремниевом, а в поликремниевом и металлическом слоях, потому что кремний имеет наибольшее сопротивление. В чипах 4004 и 8008 реализовано нестандартное решение: делать провода в кремниевом слое вместо поликремниевого. Я думаю, что это объясняется сравнительно недавним внедрением поликремния: до этого проводку делали в кремниевом слое, и, возможно, разработчики чипа были привязаны к этой более старой технологии.
5) По словам Ф. Фэггина, для поддержки процессора 8008 требовалось 20 чипов. В противоположность этому, процессор 4004 и более ранние компьютеры на транзисторах MOS, такие как Four Phase и CADC, были разработаны в расчете на небольшое количество совместно работающих MOS-чипов, без дополнительных связующих микросхем. В этом смысле 8008 делал шаг назад, по принципу "вот вам центральный процессор, и разбирайтесь, как из него сделать компьютер."
6) Что касается консерватизма Intel в части количества контактов, то, по свидетельству того же Фэггина, только когда чип памяти 1103 потребовал 18 контактов, в Intel крайне неохотно добавили к 16 «ножкам» еще две. И в компании это трактовалось как "конец света" и повод для погружения в "мировую скорбь".
7) Если две металлические дорожки все-таки вынужденно перекрещиваются, одну из них можно сделать под другой, используя поликремниевый слой. Для обеспечения низкого сопротивления такой пространственный перекресток должен быть достаточно широким, поэтому по возможности их стараются избегать.
8) В регистрах процессора 8008 используются ячейки "3T1C": три транзистора и один конденсатор. Физически отдельный конденсатор в этой схеме отсутствует – вместо него используется емкостное сопротивление затвора транзистора. Интересная особенность ячеек в 8008 – то, что для чтения и записи бита в ячейку используется один и тот же провод, тогда как стандартные ячейки 3T имеют отдельные провода для чтения и для записи. В процессоре 4004 тоже используются отдельные провода, но в 8008 эту схему слегка модифицировали.
9) В более поздних чипах на транзисторах NMOS обедненного типа, таких как 6502, была реализована схема с повышающим резистором, которая обеспечивает более быструю и энергоэффективную логику. Она также отличается в части подключений: затвор подключен к выходу, а не к линии питания.
10) Во второй версии Datapoint 2200 использовался принципиально новый процессор, который, тем не менее, все еще собирался из чипов TTL. В отличие от первой версии с последовательным ALU (обрабатывает биты по одному), во второй версии была реализована параллельная схема ALU на чипах 74181. В результате вторая версия работала намного быстрее.
11) В микропроцессоре Motorola 6800 изначально использовались транзисторы обогащенного типа. Этот чип был оснащен схемой удвоения напряжения, чтобы он мог работать от одного 5-вольтового источника питания.
12) Интересно, что в 2007 году в Intel снова начали использовать транзисторы с металлическими затворами в целях дальнейшей миниатюризации транзисторов. Таким образом, полупроводниковая технология совершила полный оборот по спирали, вернувшись к металлическим затворам, но которые уже делаются из таких продвинутых металлов, как гафний.
Автор этой статьи – Кен Шириф (Ken Shirriff), компьютерный энтузиаст, который живет в Силиконовой долине и занимается реверс-инжинирингом (обратной разработкой) старых чипов и реставрацией классического оборудования, такого как Xerox Alto. Шириф также написал библиотеку Arduino IRremote для инфракрасных пультов управления, пробовал майнить биткоины на 60-летней машине IBM 1401 с перфокартами и добавил шесть новых символов в Юникод, в том числе символ биткоина.
Источник: TechSpot