曾几何时，电脑占据了整个房间。一项震撼世界的技术是英特尔的 4004 微处理器，本月它已经 50 岁了。它如何为小型现代技术铺平道路？
英特尔于 1969 年与 Nippon Calculating Machine Corp. 建立了合作伙伴关系，推出了一套由四个核心计算芯片组成的精简集 (MCS-4)。脱颖而出的英特尔 4004 中央处理器 (CPU) 帮助迎来了现代电子时代。
Federico Faggin、Stan Mazor、Marcian Hoff 和其他人的创意确实具有革命性。
Intel 4004 芯片的第一次迭代。图片由英特尔提供
英特尔的小型 CPU 仅占据指甲的面积，与著名的 ENIAC 计算机的处理能力相匹配——相反，后者占据了整个房间。
在本文中，让我们深入探讨 4004 的其他特点以及它如何成为当今微处理器的基础。
介绍英特尔 4004在深入研究规格之前，重要的是要记住英特尔的 CPU 产品实际上并不是第一个使用的微处理器。
American Microsystems于 1970 年制造了 MP944，作为 F-14 雄猫中央空气数据计算机的一部分。该芯片在 4004 发射前一年帮助美国海军领先的战斗机平台实现实时飞行计算。
F-14“雄猫”微处理器。图片由First Microprocessor提供
此外，德州仪器 (TI)在英特尔的设计投放市场之前 完成了其TMS1000微处理器的设计。
然而，英特尔 4004 CPU 的早期商业化帮助迅速将其提升到无处不在。
American Microsystems 和 Texas Instruments 的先前芯片在军事上发挥了特殊作用，或者在很晚才向消费者推出。例如，TMS1000 直到 1974 年才广泛使用。
这种市场优势意味着最终导致许多制造商将其设计基于 4004。芯片制造商同样会将其用作来年竞争设计的蓝图。
4004 CPU 的彩色示意图。图片由英特尔提供
也就是说，英特尔 4004 带来了什么？
- 紧凑型设计，非常适合便携式和固定式电子设备
- 一种新的随机逻辑设计理念
- 系统打包和内部整合的新标准
- 更小的硅栅工艺标准
就规格而言——尽管现代标准的动力不足——4004 在当时是革命性的。
它的时钟频率为 740 kHz，采用 10 微米的微小工艺制成。它可以访问 4 KB 的程序存储器和 640 字节的 RAM。
这些因素帮助英特尔 4004 每秒处理超过 92,000 条指令，这在 70 年代初期是一个令人难以置信的能力水平。
CPU 的第一次迭代是 4 位的，具有 2,250 个晶体管，并且基于 PMOS 技术。这种类型的 MOSFET大规模生产相对便宜。它还具有抗干扰能力。
持续到 1982 年的最终设计保留了 4004 的 16 针配置。
然而，值得注意的是 4004 的弱点——即有限的堆栈深度、内存访问复杂性和缺乏中断支持——有助于促进开发。
英特尔还带来了多项改进，从封装材料开始。英特尔 C4004 以白色陶瓷封装开始，而后来的 P4004 则以塑料封装而自豪。
英特尔的 4004 芯片采用塑料封装。图片由英特尔提供
这种封装变化表明 CPU 的热性能在其整个开发生命周期中得到了改善。因此，塑料在工业上变得更经济和更容易使用。
4004 开启了微处理器的未来除了作为商业巨头之外，英特尔的 4004 系列作为概念技术证明取得了巨大的成功。房间大小的计算机一下子变得几乎过时了。
CPU 及其后继产品（如 4040、8008 和 8080）继续证明我们已经为紧凑型电子产品做好了准备。比赛发生了根本性的变化。制造商和设计师现在都在问：“我们可以在尽可能小的空间中装入多少功率？” 此外，4004 背后的随机逻辑最终被随后的许多芯片组所采用。
尽管这肯定不是一夜之间发生的，但英特尔在其芯片组设计方面表现出色，让开发人员和工程师都认可，这有助于影响几项新的创新。
4004 帮助电气工程师将电子产品与微处理器联系起来，这些芯片在此后的 50 年中变得不可或缺。2020 年，微处理器的全球市场估值达到 839 亿美元——这证明了它们的广泛使用。
从 1971 年至今电子设备在缩小，晶体管密度在增长，更小的内部布局需要微型微处理器。这种趋势和超越摩尔定律的愿望推动了芯片组研究的突飞猛进。
微处理器的历史既丰富又复杂。然而，我们已经看到在过去几十年中出现了一些关键趋势。
处理器计算架构已经从 4004 的 4 位系统发展到 8 位、16 位、32 位，现在是 64 位。多年来，根据需要，还出现了其他变体，以解决计算限制。
例如，Panafacom 集团推出了世界上第一个商业化的 16 位微处理器。今天的 x86 处理器家族直接来自 Intel 的 8086 CPU。
内存访问限制意味着有一天我们必须跳到 128 位——这是一种未来派的 CPU，其根源可追溯到英特尔的首款处理器。
英特尔的早期工作促成了当今的处理军备竞赛，其中晶体管数量和处理节点缩小占主导地位。制造商现在可以将无数倍的晶体管封装到微型 SoC 中，这比以往任何时候都多。
随着程序运行变得越来越复杂——并且随着人工智能算法对许多工作负载变得至关重要——微处理器与软件编程的关系变得密不可分。
4004 CPU 为更智能的计算铺平了道路。工程师们正在使用他们拥有的技术。与此同时，公司将数十亿美元投入制造和研发。
此外，量子计算即将到来，即将推出的处理器还有很多工作要做。
神经形态计算也在获得发展。英特尔Horse Ridge II和Loihi 2将在这一转变中发挥重要作用，尽管竞争对手将热衷于紧随其后。
虽然英特尔的 4004 支持一个简单的计算器，但下一代芯片将像人脑一样在逻辑上运行，这在 1971 年是不可想象的。
总而言之，计算领域有很多嗡嗡声，而且微处理器的发展不会很快放缓。哦，我们已经走了多远，但要走多远。
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