Texas Instruments TMX 1795 — первый в истории микропроцессор на одном кристалле, созданный 24 февраля 1971 года, отмечает юбилей.
Сложно представить современное общество без гаджетов и персональных компьютеров. Они стали неотъемлемой частью нашей профессиональной деятельности, развлечений, комфорта в целом. Даже эту статью любой пользователь может легко прочесть благодаря своему ПК или телефону, например. За этой простотой использования стоят десятилетия развития технологического прогресса.
Прорывом в данной отрасли принято считать 40-е годы 20 века, когда в 1947 году изобрели транзисторы. Они стали заменой хрупким энергоёмким лампам. Пионерами были биполярные транзисторы, усовершенствованные версии которых в ходу и сейчас. Умы лучших инженеров мира захватили мысли о способах комбинирования нескольких узлов на одной интегральной микросхеме. Однако, их сложная структура значительно ограничивала количество элементов на плате. Компьютер на основе таких микросхем всё-таки был создан, отличался от своих предшественников меньшими размерами, но по-прежнему занимал много места. Например, ЭВМ IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была по габаритам как офисный стол.
В 1960-м был представлен новый тип транзисторов: МОП-транзистор – «металл-оксид-полупроводник». Технология не внушала доверие, поскольку рабочие образцы были медленнее, менее надёжные и более затратные, чем биполярные. Использование вычислительных машин из таких компонентов было целесообразно лишь там, где требовалась небольшая производительность или лёгкий компактный агрегат – терминалы данных, калькуляторы, авиакосмическое электронное оборудование.
Буквально к 1964-му интегральные микросхемы на МОП-элементах уже выгодно выделялись высокой плотностью и меньшей стоимостью производства по сравнению с биполярными. Логика микросхем активно совершенствовалась, становилась более продуманной и сложной, что позволило заменить крупные блоки транзисторов компактными (по меркам того времени) интегральными микросхемами, и, следовательно, уменьшить размеры электронных устройств. Идея создания компьютерного процессора в виде одного чипа становилась реальностью. Фактически именно применение МОП-микросхем являлось первым шагом к разработке микропроцессоров в компьютерной области.
Большинство современных инженеров склонны считать 1971 год началом революции в разработке микропроцессоров. Тогда увидели свет 4-битная микросхема 4004 от Intel, следом — 8-битный чип 8008. Но история становления микропроцессора гораздо насыщеннее и увлекательнее. Некоторые ранее не опубликованные документы показывают, как забытый сегодня чип, Texas Instruments (TI) TMX 1795, обогнал Intel 8008 и стал первым 8-битным микропроцессором.
История TMX 1795 началась в 1969 созданием Datapoint 2200 компанией Computer Terminal Corp. (CTC) из Сан-Антонио, Техас. Datapoint 2200 стал компьютером общего назначения. Разработчики, задействованные в проекте, искали решения для снижения энергопотребления и теплоотдачи аппарата. В начале 1970 CTC разместили заказ в Intel на разработку одного чипа на замену процессорной плате. Инженеры Intel подготовили проектную документацию к июню того же года. Несмотря на то, что проект вскоре прервали на 6 месяцев, разработанный дизайн в итоге воплотился в Intel 8008.
Следует понимать, что в тот период Intel была стартапом всего из 100 человек. Логично, что такая серьёзная компания на рынке как Texas Instruments, с 45 тысячами сотрудников, заинтересовалась задачей и предложила свои услуги по разработке процессора для Datapoint 2200.
СТС выдали TI конструкторскую документацию и дали добро.
TI занялась дизайном процессора на одном кристалле в апреле 1970. Над проектом работала команда специалистов, которую возглавил главный инженер — Гэри Бун. Работы завершились в следующем году, чип назвали TMX 1795. Когда проектный образец поставили на производство, название изменили на TMC 1795.
Авторство термина «микропроцессор» принадлежит Viatron Computer Systems. Впервые его использовали в октябре 1968 года, когда в релизе проекта 2101. Первоначально так называлась часть терминала из 18 специальных МОП-чипов на 3-х платах, с клавиатурой и ленточным накопителем, связанный с обособленным мини-компьютером.
Выбор первенства среди микропроцессоров разных компаний — это лингвистический вопрос по определению термина «микропроцессор». В контексте спора между 8008 Intel и TMX 1795 TI термин «микропроцессор» подразумевает центральный процессор, размещённый именно на одном кристалле.
Существует интересная гипотеза, что «микропроцессор», по сути, маркетинговый термин, призванный служить как инструмент продаж инновационных продуктов ведущих компаний отрасли.
Результат выбора также зависит от критериев первенства — в части конструкторской разработки, прототипа, производства микросхем, первых продаж или патентов. Не взирая на разницу мнений по этому поводу, самое главное — микропроцессоры сыграли ключевую роль в развитии компьютерной техники; позволили сделать окружающий нас мир ориентированным на человека, удобным, эргономичным.
Применение МОП-микросхем проложило путь первым микропроцессорам в массовое производство в компьютерной области. Благодаря чему с конца 60-х годов эта отрасль стала высоко динамичной и финансово привлекательной.
Первый компьютер D200 на основе МОП-микросхем был создан в 1967 году компанией Autonetics, расположенной в Калифорнии. Весивший всего несколько килограмм 24-битный компьютер нашёл применение в авиации и для навигации. Его даже планировали установить на космический шаттл.
Central Air Data Computer—это 20-разрядный последовательный компьютер на МОП-микросхемах для управления полетом истребителя F-14. Разработан между 1968 и 1970 годами. Этот компьютер обрабатывал сигналы с датчиков и генерировал выходные данные для приборов и управления самолетом. Важно отметить, что данный проект долгое время был засекречен, был скрыт от огласки общественности. Его разработчик Рэй Холт утверждает на своем веб-сайте, что именно F14A CADC является первым микропроцессором.
Активное обсуждение D200 в СМИ вдохновило Ли Бойсела, покинувшего в 1968 году Fairchild Semiconductor, чтобы основать Four-Phase Systems, на создание ещё более лёгкого аппарата: System IV. Идея разработки пришла к нему ещё во время работы в Fairchild. Также за авторством Ли Бойсела вышли несколько значимых статей о микросхемах МОП и «манифест» 1967 года с разъяснениями их роли в разработке компьютеров. Процессор System IV стал финансово успешным, благодаря чему Four-Phase вошла в список Fortune 1000 ещё до слияния с Motorola в 1981 году.
В ноябре 1967 стартап из Массачусетса Viatron Computer Systems анонсировал System 21—16-битный компьютер с интеллектуальными терминалами, ленточными накопителями и принтером, построенный из заказных МОП-микросхем. У процессора был довольно узкий функционал, в который не вошла даже арифметика. Однако Viatron 2101 обосновано считается первым процессором на нескольких МОП-чипах, выпущенным до Four Phase System/IV.
В контексте технологической гонки японская компания по производству калькуляторов Business Computer Corp. (известный как Busicom) заказал компании Intel изготовление чипов для калькулятора. В результате выполнения заказа в свет вышел процессор Intel 4004, с сопровождающими чипами памяти, ввода и вывода. Калькулятор с 4004-м впервые вышел в начале 1971 года и выигрывал по производительности у конкурентных изделий Mostek, Pico Electronics и General Instrument. Busicom была вынуждена продать свои исключительные права на 4004, когда не смогла соответствовать стремительной динамике отрасли.
В ноябре 1971 года Intel поставило производство 4004 в качестве конечного продукта для компьютерных вычислений. В течение нескольких месяцев на рынок вышли более производительные образцы, а 4004 продолжил функционировать в более простых системах наподобие пинбол-автоматов.
Одним из значимых игроков на рынке 60-х - 70-х годах стал американский гигант Texas Instruments, расположенная в Далласе, — производитель полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе. На сегодняшний день занимает 4-е место в мире по производству полупроводниковых приборов и первое место по производству микросхем для мобильных устройств и цифровых сигнальных процессоров.
В 1954 году компания разработала свой первый транзисторный радиоприёмник. Также в 50-х годах работник Texas Instruments Джек Килби изобрёл интегральные микросхемы независимо от Роберта Нойса из Fairchild Semiconductor. Патент, выданный Килби, оформлен в 1958 году. Серия микросхем 7400, разработанная компанией в 60-е, сработала локомотивом в использовании интегральных микросхем для компьютеров.
17 сентября 1971 года был анонсирована TMS1802NC — первый чип в крайне успешной серии 0100. Эти схемы хорошо работали в качестве калькулятора, но мало что умели ещё.
Внушительным достижением стало то, что TMX 1795 и TMS 0100 (первый микроконтроллер) были разработаны Гэри Буном и его командой, в составе Майка Кокрана, Джерри Вандиерандонка и других, почти одновременно в Texas Instruments.
В 1974 году TI представили микроконтроллер новой усовершенствованной серии TMS 1000, внешне походящей на TMS 0100, однако наполнение было принципиально новым. На смену 11-разрядным кодам операций пришли 8-разрядные, а 11-разрядную десятичную память сменила 4-разрядная двоичная. Некоторые источники даже нарекли серию TMS 1000 первым микропроцессором. Однако, между микроконтроллером и микропроцессором есть важное отличие—микроконтроллер имеет встроенное программное запоминающее устройство, а микропроцессор нет.
Хотя серия TMS 0100 воспринималась как калькулятор на одном чипе, она также обладала функционалом микроконтроллера. Согласно данным из патента она включала такие функции как вольтметр, весы, часы и другие приложения. Благодаря работе над TMS 0100 Texas Instruments зарегистрировали на своё имя несколько ключевых патентов, послуживших им на пользу в ходе патентных тяжб (включая дело Dell).
Значимым этапом в истории компании стала работа над микропроцессором для Datapoint 2200. Первоначально Datapoint 2200 продавался как обычный терминал, но по сути представлял собой мини-компьютер, который можно было программировать.
Некоторые специалисты считают его первым ПК, поскольку он вышел гораздо раньше таких систем, как Apple II и Altair.
В Datapoint 2200 был 8-битный процессор, построенный из десятков микросхем на биполярных транзисторах, что в то время было обычным способом сборки компьютеров. На фото ниже показана плата процессора. В1970 году логика микросхем на биполярных транзисторах была намного живее, чем у МОП. Не взирая на последовательный принцип работы, Datapoint 2200 работал значительно быстрее, чем чип 8008.
При создании Datapoint 2200 разработчики искали способы сделать плату процессора меньше, сократить тепловыделение. Представители Computer Terminal Corp. встретилась с Intel в декабре 1969 года, где Гас Рош, основатель СТС, и дизайнер Джек Фрассанито предложили соучредителю Intel Роберту Нойсу, чтобы его компания разработала процессор с дизайном заказчика.
Нойс сперва отверг эту идею, полагая, что микросхема центрального процессора не будет востребована на рынке. В конечном итоге Intel согласилась выполнить заказ, за основу была взята логика из конструкторской документации СТС. Инженер Intel Стэн Мазор заявил, что компания не только решит поставленные задачи, но и уместит все элементы на одном чипе.
К июню 1970 года Intel разработала функционал чипа, а затем приостановила проект на шесть месяцев. В это время в Electronic Design было первое упоминание о будущем чипе 8008.
Параллельно с этим торговый агент Texas Instruments узнал, что Intel разрабатывает процессор для CTC, и вскоре компания предприняла все усилия, чтобы заполучить этот проект. CTC были не против и предоставили всю документацию для начала над проектом.
Изначально TI предложила 3-хчиповый дизайн, а к одному чипу пришли после недвусмысленного замечания от заказчика по поводу предложения Intel разместить все функциональные блоки центрального процессора на одной микросхеме. Активная работа над проектом началась в апреле 1970 года.
Первое упоминание о TMX появилось в небольшом абзаце, опубликованном в марте 1971 года в журнале Businessweek, оно гласило, что TMX 1795 стало вехой в крупномасштабной интеграции в плане компоновки центрального процессора на одном чипе.
Несколько позже TMX 1795 получил огласку в СМИ. В рекламной статье в издании Electronics описывалось, какую важную роль он сыграет в повышении мощности Datapoint. По всем параметрам проект должен был стать коммерчески успешным первым в истории микропроцессором. Но этому не суждено было сбыться.
До сих пор ведутся споры о том, сколько информации об архитектуре будущего микропроцессора Intel было передано Texas Instruments. По словам Intel, Texas Instruments получила подробную проектную документацию Intel через CTC. В качестве подтверждения этой гипотезы приводится ошибка TMX 1795, которая также была в документации Intel, нарушившая обработку прерываний. Главный инженер TI проекта, Гэри Бун, говорит, что они получали намек на то, что у Intel дела идут лучше, но не получили ненадлежащим образом никакой частной информации. При этом он отметил достижения Intel в разработке 8008 параллельно с TMX 1795.
Между тем, Computer Terminal Corp. продолжала заниматься своими собственными проектами внутри компании и даже разработала импульсный источник питания, который решил вопрос перегрева. Таким образом, CTC больше не интересовал 8008, а свои технические бреши они постепенно закрывали своими силами.
Вскоре после того как опытный образец был передан СТС, его забраковали по 4-м причинам. Во-первых, микросхема не выдержала перепады напряжения свыше 50 мВ. Во-вторых, чип TMX 1795 требовал поддерживающие меры в виде дополнительных микросхем (для 8008 они также требовались и даже в большем количестве), что обесценивало преимущества микропроцессора. В-третьих, СТС самостоятельно решили проблему теплоотдачи с помощью импульсного источника питания. И наконец, к тому моменту они готовились к выпуску 2200 Version II с более высокой производительностью центрального процессора с параллельной реализацией. TMX 1795 (работающий параллельно) был несколько быстрее исходного последовательного Datapoint 2200, но 2200 Version II значительно превосходил обоих.
К тому времени, как у Intel разработал 8008, к концу 1971, СТС уже потеряла интерес к микропроцессорам и избавилась от эксклюзивных прав на дизайн. Intel, конечно же, выпустила 8008 на рынок, анонсировав его в апреле 1972 года. Два года спустя Intel выпустила 8080—микропроцессор, основанный на 8008, но со многими улучшениями.
Инженеры Intel высказали мнение, что ещё одной причиной коммерческого краха TMX 1795 был размер чипа (больше, чем 8008 почти втрое), к тому же в конструкции было много незадействованного места.
Некоторые источники считают TMX 1795 микросхемой, которая на самом деле никогда не работала. Однако на видео 1996 года Гэри Бун демонстрировал TMX, установленную в ПК, на котором удалось запустить простой текстовый редактор, программу сортировки, простую электронную таблицу бюджета и числа Фибоначчи, что стало подтверждением работоспособности чипа.
Гэри Бун демонстрирует TMX 1795 в 1996 году:
После отказа СТС TI пробовала продать чип (слегка доработанный, и потому названный TMC 1795A) различным компаниям. В1971 году Ford Motor Co. выказали интерес к изделию с целью использования в качестве контроллера мотора. Бун был воодушевлён, полагал, что появится массовый рынок сбыта. Сделка обещала быть интересной для TI, однако она не состоялась. Рекламу TMC 1795 прекратили, вложив все силы в более выгодное направление калькуляторов.
В отличие от Intel, которая успешно продавала свою разработку 8008, Texas Instruments отказалась от TMX 1795 почти сразу после отказа СТС. Чип канул бы в лета, если бы не одна вещь, которая оказала огромное влияние на компьютерную индустрию—патенты.
Texas Instruments заранее поняла, что официально оформленные права на интеллектуальную собственность могут быть полезны и прибыльны, в том числе в ходе судебных разбирательств по лицензионным сборам. После разработки интегральной схемы и регистрации прав Texas Instruments вступила в напряжённую битву патентов, получив прозвище «юридическая фирма Далласа» за свою агрессивную некорректную тактику. В период с 1973 по 1985 TI получила на TMX 1795 несколько патентов и часто пользовалась ими в судебных разбирательствах и для выдачи лицензий.
Наличие патентов на TMX 1795 безусловно тревожило Intel, поскольку сама идея создания подобного чипа принадлежала им. Также представители Intel были недовольны тем, что Texas Instruments использовала фрагменты их конструкторской документации при разработке и патентовании TMX 1795. В какой-то момент Intel планировала запатентовать 4004, но поверенный разубедил их, аргументируя тем, что идея размещения компьютера на чипе лежит на поверхности, и патент не стоил бы потраченных ресурсов. Точно так же СТС рассматривала возможность патентования однокристального микропроцессора, но также не сделали это, поскольку поверенный не увидел в идее ничего патентоспособного.
Чтобы получить значительные лицензионные сборы, Texas Instruments подала в суд иски на несколько компаний, использующих свои патенты на микропроцессоры и микроконтроллеры (включая патент TMX 1795) в деле. Гордон Белл назвал это дело «TI против всех».
Ли Бойсел из компании Four-Phase Systems пытался подорвать многочисленные иски TI, показав свою микросхему AL1 в действии в качестве процессора прямо в зале суда в 1995 году. Поскольку этот чип вышел на год раньше, чем TMX 1795, он нанёс урон позиции Texas Instruments по данному делу, несмотря на некоторые технические хитрости, использованные в суде. В результате данной презентации многие люди считают Four-Phase Systems AL1 первым микропроцессором.
В конце 60-х годов было очевидно, что центральный процессор нужно размещать на микросхеме, оставалось вопросом времени увеличение плотности до такой степени, чтобы это стало практичным. За короткий отрезок времени между 1968 и 1971 годами было представлено несколько претендентов на роль первого микропроцессора. Обо многих из них сейчас мало кто вспомнит. Разве что люди, интересующиеся историей железа.
Большинство интересующихся людей отдают пальму первенства Intel 4004, поскольку все компоненты центрального процессора у него были на одном чипе. Бун и Федерико Фаггин из команды Intel 4004 соглашаются, что 4004 выиграл у самых ранних TMX 1795 пару месяцев. Но последний презентовал первый 8-битный микропроцессор.
Если же исходить из менее строгого определения микропроцессора, к примеру, арифметико-логическое устройство на чипе, то первым будет Ли Бойсел—создатель первого чипа Fairchild в 1968 году. AL1 из Four-Phase Systems также может быть кандидатом, поскольку он комбинировал регистры и арифметико-логического устройства на одном чипе, при внешних управляющих контурах. Если принять, что микропроцессор может состоять из нескольких чипов, тогда первым можно считать Autonetics D200.
Патент на процессор на одном кристалле на основе 16-битной последовательной ЭВМ в 1990 году получил Гильберт Хайат, что привело к заявлениям об авторстве Хайата, но TI победила его патент в 1996 году по итогам непростой судебной тяжбы. Таким образом, де-юре и де-факто TI можно считать изобретателем как микропроцессора, так и микроконтроллера на одном чипе, памяти и различных вспомогательных функций.
Интересно, что в 60-е-70-е годы многие инженеры, работавшие обособленно в разных компаниях, практически в одно и то же время пришли к схожим техническим решениям, при этом каждый внёс свой вклад в усовершенствование системы. Этот факт может свидетельствовать о том, что идея создания микропроцессора на 1 чипе была актуальна и необходима в тот период. Предпосылками же к его созданию стали активное усовершенствование технологии МОП и маркетинговые потребности общества.
Ввиду отсутствия коммерческого успеха у TMX 1795, о нём мало кто помнит сегодня. Но надо отдать должное его важной исторической роли. Деятельность TI, развёрнутая вокруг их первого 8-битного процессора, определённо взбудоражила отрасль и общественность в целом, вызвала ещё большую заинтересованность. Несмотря на огрехи, TMX 1795 безусловно можно назвать первым микропроцессором на кристалле.
Статья подготовлена специально для блога компании OTUS.
