Intel 4004

Intel 4004
Información
Tipo	Modelo de circuito integrado de 4 bits
Desarrollador	Intel
Fabricante	Intel
Fecha de lanzamiento	15 de noviembre de 1971
Descontinuación	1981
Datos técnicos
Frecuencia de reloj de CPU	740 kHz — 750 kHz
Conjunto de instrucciones	pre x86
Tipo de zócalo	DIP16
Ancho en bits	4 bits
Empaquetados
DIP de 16 pines
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El Intel 4004 (4004), una CPU de 4 bits, fue el primer microprocesador en un simple chip, así como el primero disponible comercialmente. Aproximadamente al mismo tiempo, algunos otros diseños de CPU en circuito integrado, tales como el militar MP944 de 1970, utilizado en el F14 CADC, fueron implementados como chipsets, es decir constelaciones de múltiples chips.

Historia y descripción

El 4004 fue lanzado en un paquete de 16 pines CERDIP el 15 de noviembre de 1971. El 4004 fue el primer procesador de computadora diseñado y fabricado por el fabricante de chips Intel, quien previamente hacía semiconductores de chips de memoria. Marcian "Ted" Hoff formuló la propuesta arquitectónica en 1969. sin embargo, la implementación del microprocesador sólo comenzó en 1970 cuando Federico Faggin fue empleado por Intel, procedente de Fairchild Semiconductor, para dirigir el proyecto y para diseñar el 4004 (1970-1971). En Fairchild, Faggin había desarrollado la tecnología pionera llamada Silicon Gate Technology (SGT) y había también diseñado el primer circuito integrado MOS usando la tecnología SGT (el Fairchild 3708), en 1968, demostrando la viabilidad de la nueva tecnología. Tan pronto como empezó a trabajar para Intel, Faggin creó una nueva metodología de "random logic design" con silicon gate, que no existía previamente, y que la utilizó para encajar el microprocesador en un único chip. Su metodología fue usada en todos los primeros diseños de microprocesadores de Intel (8008, 4040, 8080). Masatoshi Shima de Busicom asistió a Faggin durante el desarrollo de la familia 4004 y más tarde escribió el software para la calculadora Busicom. Shima se unió a la compañía ZiLOG, la primera compañía dedicada exclusivamente a microprocesadores, fundada por Federico Faggin a finales del 1974, y desarrolló el diseño del Z80 con Faggin.

Originalmente diseñado para la compañía japonesa Busicom para ser usado en su línea de calculadoras, el 4004 también fue proporcionado con una familia de chips de soporte especialmente diseñados para él. Por ejemplo, cada "ROM de programa" internamente guardaba para su propio uso los 12 bit de dirección de programa del 4004, lo que permitía, si las 16 ROM fueron instaladas, acceso de 4 KB de memoria desde el bus de direcciones de 4 bits. El circuito 4004 fue construido con 2300 transistores, y fue seguido el año siguiente por el primer microprocesador de 8 bits, el 8008, que contenía 3.300 transistores, y el 4040, que era una versión revisada del 4004.

Como dato curioso las iniciales F. F. fue impresa en cada 4004

Como su cuarta entrada en el mercado de microprocesadores, Intel lanzó el CPU que comenzó la revolución del microcomputador, el 8080, usado en el Altair 8800.

Especificaciones técnicas

• Microprocesador de 4 bits
• Contiene 2300 transistores
• Encapsulado CERDIP de 16 pines
• Máxima velocidad del reloj 740 kHz
• Usa Arquitectura Harvard, es decir, almacenamiento separado de programas y datos. Contrario a la mayoría de los diseños con arquitectura de Harvard, que utilizan buses separados, el 4004, con su necesidad de mantener baja la cuenta de pines, usaba un bus de 4 bits multiplexado para transferir:
  • 12 bits de direcciones (direccionando hasta 4 KB)
  • Instrucciones de 8 bits de ancho, que no deben ser colocadas en la misma memoria de datos de 4 bits de ancho.
• El conjunto de instrucciones está formado por 46 instrucciones (de las cuales 41 son de 8 bits de ancho y 5 de 16 bits de ancho).
• 16 registros de 4 bits cada uno.
• Stack interno de llamadas a subrutinas de tres niveles de profundidad.
• Chipset (circuitos auxiliares) para crear sistemas basados en el 4004.

Microarquitectura y patillaje

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Chips de soporte (chipset)

• 4001: ROM de 256 bytes (256 instrucciones de programa de 8bits), y un puerto incorporado de I/O de 4 bits*
• 4002: RAM de 40 bytes (80 palabras de datos de 4 bits), y un puerto de salida incorporado de 4 bits. La porción de RAM del chip está organizada en cuatro "registros" de veinte palabras de 4 bits:
  • 16 palabras de datos (usadas para los dígitos significativos en el diseño original de la calculadora)
  • 4 palabras de estado (usadas para los dígitos de exponente en el diseño original de la calculadora)
• 4003: shift register (registro de desplazamiento) de salida paralela de 10 bits para explorar teclados, pantallas, impresoras, etc.
• 4008: latch de 8 bits de dirección para acceso a chips de memoria estándar, y un chip incorporado de 4 bits de selección y puerto de I/O*
• 4009: programa y convertidor de acceso I/O a memoria estándar y a chips de I/O*
• 4211: puerto E/S programable desde un coprocesador (circuito integrados con multiplixores) para conectar el intel 4004 a un teclado o interfaz gráfica, usado en algunas calculadoras científicas y militares.

(*) Nota: un chip de 4001 ROM + I/O no se puede utilizar en un sistema junto con un par 4008/4009.

Publicaciones originales

• F. Faggin and M.E. Hoff: "Standard parts and custom design merge in four-chip processor kit". Electronics/April 24, 1972, pp. 112-116.
• F. Faggin, M.Shima, M.E. Hoff, Jr., H. Feeney, S. Mazor: "The MCS-4 An LSI micro computer system". IEEE '72 Region Six Conference
• Diseño del 4004 con firma El Intel 4004 es firmado con las iniciales F.F. de su diseñador Federico Faggin. La firma del CPU fue un gesto espontáneo de orgullo por sus logros y fue también una idea original imitada, después de él, por muchos diseñadores de Intel.
• US Patent 3,753,001 August 14, 1973. Faggin, Federico: Power supply settable bi-stable circuit.
• US Patent 3,821,715 June 28, 1974. Hoff, Marcian; Mazor, Stanley; Faggin, Federico: Memory system for multi-chip digital computer.

Aplicaciones

El diseño del i4004 era muy eficaz para ser empleado en calculadoras y dispositivos de control. Existen incluso unos pocos viejos sistemas de control de semáforos en uso construidos con el i4004.

Artículo de colección

El Intel 4004, naturalmente, es uno los chips antiguos que puede verse en museos históricos de la informática/electrónica junto con otros chips clásicos como el 8008, 8080, 8088/8086, Motorola 6800, o el mítico Z80, así como con memorias de núcleos magnéticos, transistores, equipos con tarjetas perforadas y demás.

Véase también

• Intel 4040
• Intel 8008
• Intel 8080
• Intel 8085

Referencias

Enlaces externos

• The Intel 4004: A testimonial from Federico Faggin, designer of the 4004 and developer of its enabling technology – Faggin's own 4004 website
• Recording of live presentations on the 4004 by Ted Hoff and Federico Faggin for the 35th anniversary of the first microprocessor
• The crucial role of silicon design in the invention of the first microprocessor
• Cover of IEDM program The Silicon Gate Technology (SGT), developed in 1968 by Federico Faggin at Fairchild Semiconductor, was first presented by Faggin at the IEEE International Electron Device Meeting on October 23, 1968 in Washington D.C.. It was the first and only commercial process technology for the fabrication of MOS integrated circuits with self-aligned gate that was later universally adopted by the semiconductor industry. The SGT enabled the design and fabrication of semiconductor memories (dynamic RAM memories, non volatile memories), of CCD image sensors and of the microprocessor, providing for the first time all the fundamental elements of a general purpose computer with LSI integrated circuits.
• Cover of Electronics magazine of September 29, 1969 The cover of Electronics magazine features the Fairchild 3708, the world's first commercial integrated circuit using Silicon Gate Technology, designed by Federico Faggin at Fairchild in 1968. The 3708 proved the viability of the new technology.
• Interview with Masatoshi Shima regarding his role in the 4004 – At the IEEE's History Center pages
• MCS-4 Micro Computer Set Data Sheet (12 pp.) – Intel Corp., November 1971; At the Smithsonian's Chip Collection website
• Comprehensive Intel 4004 chipset information – At Christian Bassow's CPU Museum
• Intel 4004 chip collecting information – At The Antique Chip Collector's Page
• Busicom Calculator Engineering Prototype (Gift of Federico Faggin to the Computer History Museum, Mountain View, California).
• Datasheet Intel 4004
• The MOS Silicon Gate Technology and the First Microprocessors. Article by Federico Faggin published in La Rivista del Nuovo Cimento, Italian Physical Society, Vol. 38, No. 12, 2015. You can read the preprint of the article here:
• “How we made the microprocessor” by Federico Faggin. Nature Electronics, Vol. 1, January 2018. Published online: 8 de enero de 2018