Πώς ένας μικροεπεξεργαστής 4-bit, που γεννιέται μέσα από μια ιαπωνική αριθμομηχανή, φέρνει τον κόσμο… στην παλάμη μας
Όλοι ίσως θυμόμαστε έναν καθηγητή μαθηματικών να μας λέει κάποια στιγμή στο σχολείο: «Δεν θα κουβαλάς πάντα μια αριθμομηχανή στην τσέπη σου, λύσε το με το μυαλό».
Σήμερα στην τσέπη μας βρίσκονται όχι απλά αριθμομηχανές, αλλά υπολογιστές πιο ισχυροί από οτιδήποτε μπορούσε να φανταστεί η εποχή των mainframes.
Στο κέντρο αυτής της μετάβασης βρίσκεται ένα chip στο μέγεθος νυχιού: ο Intel 4004, ο πρώτος εμπορικός μικροεπεξεργαστής στον κόσμο, που «συστήνεται» επίσημα στις 15 Νοεμβρίου 1971 και αλλάζει για πάντα την ιστορία της πληροφορικής.
Ένα αίτημα από την Ιαπωνία
Είναι 1969. Η ιαπωνική Nippon Calculating Machine – η Busicom – χτυπά την πόρτα μιας νεαρής εταιρείας πυριτίου στην Καλιφόρνια: της Intel. Ζητά ένα σετ από εξειδικευμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα για μια νέα επιτραπέζια αριθμομηχανή, την Busicom 141-PF.
Το αρχικό σχέδιο προβλέπει δώδεκα διαφορετικά ειδικά σχεδασμένα τσιπ.
Ο νεαρός μηχανικός της Intel, Marcian “Ted” Hoff, κοιτάζει τις προδιαγραφές και βλέπει κάτι περισσότερο από μια αριθμομηχανή.
Διαβάζει πίσω από τις γραμμές: οι λειτουργίες θυμίζουν έναν κανονικό υπολογιστή – αλλά μινιατούρα. Αντί για έναν σωρό από ξεχωριστά κυκλώματα, προτείνει κάτι ριζοσπαστικό για την εποχή: έναν «εγκέφαλο» γενικής χρήσης, έναν επεξεργαστή που μπορεί να προγραμματιστεί για να κάνει πολλά, όχι μόνο πράξεις πάνω σε αριθμούς.
Μαζί με τον συνάδελφό του Stan Mazor αρχίζει να απλοποιεί, να συμπτύσσει, να ξανασχεδιάζει. Από τα δώδεκα τσιπ καταλήγουν σε μια οικογένεια τεσσάρων: ROM, RAM, I/O – και ένα μοναδικό CPU. Αυτό το CPU θα γίνει ο Intel 4004.
Η τέχνη του να μικραίνεις τα πάντα
Για να γίνει πράξη η ιδέα του Hoff, χρειάζεται ένας άνθρωπος που ξέρει να «στριμώχνει» τρανζίστορ εκεί όπου οι άλλοι πιστεύουν ότι δεν χωράνε.
Αυτός λέγεται Federico Faggin, Ιταλός μηχανικός, με προϋπηρεσία στη Fairchild Semiconductor και στη νέα τότε τεχνολογία των silicon gate MOS κυκλωμάτων.
Ο Faggin πιάνει στα χέρια του την αρχιτεκτονική του 4004 και αρχίζει την πραγματική «χειρουργική» πάνω στο πυρίτιο. Αναπτύσσει τεχνικές όπως τα buried contacts και τα bootstrap loads, διπλασιάζει την πυκνότητα των τρανζίστορ, μειώνει το κόστος και ανεβάζει ταχύτητα. Το αποτέλεσμα: ένα τσιπ 4-bit, με 2.300 τρανζίστορ, τεχνολογία κόμβου 10 μm, μέγιστη συχνότητα γύρω στα 740 kHz.
Στο ίδιο πακέτο 16 ακροδεκτών «στριμώχνονται» διευθύνσεις, εντολές και δεδομένα χάρη σε ένα πονηρό, πολυπλεγμένο bus. Το 4004 μπορεί να απευθυνθεί σε μέχρι 4 KB ROM και περίπου 640 bytes RAM – αμελητέο με τα σημερινά μέτρα, αλλά επαναστατικό για την εποχή. Για την ισχύ που τότε απαιτεί μια αίθουσα γεμάτη υπολογιστικά ντουλάπια, τώρα αρκεί ένα κομμάτι κεραμικό όσο ένα νύχι.
Ο εγκέφαλος μιας αριθμομηχανής – και μετά, παντού
Το πρώτο «σπίτι» του Intel 4004 είναι πράγματι μια αριθμομηχανή. Η Busicom 141-PF βγαίνει στην αγορά στις αρχές της δεκαετίας του ’70 με την «καρδιά» της Intel. Για τον τελικό χρήστη δεν υπάρχει κάτι θεαματικό: πρόκειται για μια προηγμένη επιτραπέζια μηχανή με δυνατότητα εκτύπωσης.
Στο παρασκήνιο όμως συμβαίνει το άλμα. Ο 4004 αποδεικνύει ότι ένας γενικής χρήσης επεξεργαστής μπορεί να «κλειστεί» σε ένα μόνο τσιπ και να ελέγχει μηχανές, διαδικασίες, συσκευές. Πολύ γρήγορα αρχίζει να εμφανίζεται σε ταμειακές μηχανές, σε βιομηχανικά συστήματα, σε πρώιμους ελεγκτές, ακόμη και σε coin-op παιχνίδια.
Η Intel, έχοντας εξαγοράσει τα δικαιώματα ώστε να διαθέτει τον 4004 και πέρα από την Busicom, τον βαφτίζει μέρος της σειράς MCS-4 και τον διαφημίζει με το σύνθημα «Announcing a new era of integrated electronics». Η νέα εποχή δεν είναι υπερβολή: από εδώ και πέρα, η ιδέα του single-chip CPU γίνεται πρότυπο για όλη τη βιομηχανία.
Από το δωμάτιο-υπολογιστή στο smartphone και το cloud
Από τον 4004 ξεδιπλώνεται μια ολόκληρη γενιά: 4040, 8008, 8080, και αργότερα οι θρυλικοί 8086/8088 που θα βρεθούν στην καρδιά των πρώτων IBM PC.
Η αρχιτεκτονική της Intel, που ξεκινά με ένα ταπεινό 4-bit τσιπ για αριθμομηχανές, εξελίσσεται στο οικοσύστημα των x86 επεξεργαστών που κυριαρχεί σε προσωπικούς υπολογιστές και servers για δεκαετίες.
Την ίδια στιγμή, η φιλοσοφία του «μικρού εγκεφάλου παντού» γεννά και τον κόσμο των μικροελεγκτών: από τον φούρνο μικροκυμάτων και τα φανάρια στους δρόμους, μέχρι αυτοκίνητα, ιατρικές συσκευές και έξυπνους μετρητές ενέργειας. Στον πυρήνα όλων αυτών βρίσκεται η ίδια ιδέα που δοκιμάζεται πρώτη φορά στον 4004.
Πενήντα χρόνια μετά, μικροεπεξεργαστές, ως άμεσοι ή έμμεσοι απόγονοι του 4004, κρατούν όρθια δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας σε ακραία καιρικά φαινόμενα, τρέχουν αλγορίθμους τεχνητής νοημοσύνης σε σακίδια πλάτης για να βοηθήσουν ανθρώπους με προβλήματα όρασης, μεταφράζουν εκφράσεις προσώπου σε εντολές για αναπηρικά αμαξίδια, κάνουν εφικτή την τηλεϊατρική, τα μαζικά τεστ και την ιχνηλάτηση επιδημιών.
Από την απλή πράξη «5×7» στην οθόνη μιας αριθμομηχανής, μέχρι τη χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος και τη λειτουργία ολόκληρων data centers, η συνέχεια είναι ευθεία γραμμή πάνω στο πυρίτιο.
Η κληρονομιά των 4 bit
Ο Intel 4004 παύει να παράγεται στις αρχές της δεκαετίας του ’80, αλλά η κληρονομιά του μόνο τεχνική δεν είναι. Το ίδιο το τσιπ γίνεται σύμβολο της μετάβασης από τους ογκώδεις, ακριβούς υπολογιστές των λίγων, στην εξατομικευμένη, διάχυτη υπολογιστική ισχύ των πολλών.
Η Intel τον τιμά σε επετείους, ανακατασκευάζει το σχέδιό του σε υπερμεγέθη εκπαιδευτικά μοντέλα, ανοίγει τα σχέδια και τα mask works στο κοινό, ενώ το 2010 ο Federico Faggin, ο Ted Hoff και ο Stan Mazor βραβεύονται με το National Medal of Technology and Innovation στις ΗΠΑ για το έργο τους.
Στην επιφάνεια του πρωτότυπου τσιπ, κρυμμένα σε μια γωνία, παραμένουν χαραγμένα τα αρχικά «F.F.» – μια μικρή υπογραφή πάνω σε μια μεγάλη τομή.
Σήμερα, όταν ένας σύγχρονος Core ή Xeon επεξεργαστής αναλαμβάνει να τρέξει σύνθετα workloads ΤΝ, cloud και 5G, κουβαλά πάνω του δεκαετίες εξέλιξης – αλλά και την ίδια βασική ιδέα: έναν γενικής χρήσης, προγραμματιζόμενο εγκέφαλο σε ένα κομμάτι πυριτίου.
Κάπως έτσι, η παλιά φράση «δεν θα έχεις πάντα αριθμομηχανή στην τσέπη σου» μοιάζει πλέον σχεδόν ειρωνική. Χάρη στον Intel 4004 και σε όσα ακολούθησαν, δεν έχουμε μόνο αριθμομηχανή. Έχουμε ολόκληρο τον ψηφιακό κόσμο… στην παλάμη του χεριού μας.
