La naissance du microprocesseur : l'Intel 4004

Après avoir vu des hommes se poser sur la lune, avoir vu l'avenir décrit dans des séries animées telles que Les Jetsons, et être passé des radios à lampes aux radios à transistors, une seule invention semblait devoir rester en suspens : le microprocesseur. Fraîchement fondée et prête à surfer sur la vague de l'industrie naissante des semi-conducteurs, la tâche est tombée à la porte d'Intel. Cependant, cette distinction aurait facilement pu être attribuée à l'un des nombreux autres acteurs de l'industrie sans le dévouement et les compétences de Federico Faggin. Examinons l'histoire du 4004 (figure 1).

Avant le 4004

Dans les années 1960, l'informatique était synonyme d'ordinateurs centraux, tels que le System/360 d'IBM, dont les performances de traitement étaient partagées entre de nombreux utilisateurs et programmes. La mémoire était mise en œuvre à l'aide de noyaux de ferrite magnétique et les circuits intégrés (CI) disponibles étaient principalement fabriqués à l'aide de la logique transistor-transistor (TTL). Intel était convaincu que l'avenir résidait dans la technologie des semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS) pour supplanter les mémoires à noyau magnétique.

En 1969, la société japonaise Busicom avait demandé à Intel de développer un ensemble de circuits intégrés destinés à former la base de sa première calculatrice électronique, le prototype de calculatrice d'impression 141-PF [1 et 2]. Leur approche utilisait 12 puces, dont trois formaient l'unité centrale de traitement (CPU). L'objectif était de développer une plate-forme pour les calculatrices électroniques qui pouvait être modifiée simplement en changeant les circuits intégrés de mémoire morte (ROM). L'équipe d'Intel a vu qu'il était possible d'optimiser la conception, notamment parce que les boîtiers requis ne correspondaient pas à la norme à 16 broches utilisée à l'époque. Une solution à quatre puces a été proposée avec l'unité centrale intégrée dans un seul boîtier. Le « projet Busicom » était donc né et, après quelques travaux de conception, le projet est tombé dans l'inactivité vers la fin de l'année.

Le TTL était la technologie de choix à l'époque, avec une gamme de dispositifs logiques et de mémoires disponibles. Le MOS était prometteur, capable de fournir une densité 10 fois supérieure à celle du TTL pour le même coût et la même dissipation de puissance. Cependant, sa vitesse était beaucoup plus lente et elle était généralement considérée comme peu fiable. Intel a réussi à mettre sur le marché une mémoire vive statique (SRAM) MOS, la 1101, mais les premières productions ne permettaient de produire que deux puces fonctionnelles par plaquette (wafer) [3]. Le problème de vitesse était lié à la capacitance de la grille causée par une combinaison de l'utilisation d'aluminium et du processus de fabrication. Il avait été déterminé que cette capacité pouvait être réduite en utilisant une grille en silicium, lui permettant d'être auto-alignée et à la structure entière d'être plus petite. Malheureusement, l'approche du silicium amorphe utilisée jusqu'à présent s'est avérée fragile et sujette à des fissures lors des étapes d'oxydation.

Les MOS en question

Federico Faggin est entré chez Intel début 1970, après avoir travaillé sur la technologie MOS chez Fairchild. Il y avait résolu une série de problèmes qui étaient essentiels pour rendre possible la conception d'un microprocesseur. Premièrement, en utilisant le dépôt en phase vapeur, il a remplacé la grille en silicium amorphe par du silicium polycristallin, ce qui a conduit à un processus de fabrication beaucoup plus fiable. Ensuite, il a mis au point une méthode pour enterrer les contacts, ce qui a permis de se passer d'aluminium et d'obtenir un circuit plus dense. Enfin, il a créé une approche de charge d'amorçage qui permet des variations complètes et plus rapides du signal de sortie que ce qui était possible auparavant. L'application de cette technologie au 3708 de Fairchild, un multiplexeur analogique à huit canaux, a permis d'obtenir une conception quatre fois plus rapide, un courant de fuite dix fois plus faible et des transistors de multiplexage deux fois et demie plus petits que le 3705, son prédécesseur qui utilisait la fabrication MOS à grille métallique.

Alors que les concepteurs d'Intel étaient occupés à travailler sur le 1103, leur première mémoire vive dynamique (DRAM) MOS, Faggin a reçu le peu de documentation du projet Busicom et a dû se débrouiller seul. Les quatre puces comprenaient le 4001, une ROM à masque métallique de 2048 bits, le 4002, une RAM de 320 bits, le 4003, un registre à décalage statique de 10 bits avec entrée/sortie série et sorties parallèles à déclenchement, et le 4004 [4], un processeur de 4 bits dont la conception était incomplète. La numérotation des produits 4000 utilisée s'éloignait de l'approche standard d'Intel. Néanmoins, elle permettait aux quatre puces d'être perçues comme des éléments compatibles d'une plate-forme de micro-informatique complète qui fut plus tard connue sous le nom de MCS-4 (Micro-Computer Set) (Figure 2) [5].

Retards dans le projet

L'arrivée soudaine de Masatoshi Shima, l'ingénieur en chef de Busicom, quelques jours seulement après que Faggin ait commencé, a causé des problèmes lorsque Shima a appris que les puces dont dépendait sa calculatrice n'avaient même pas été conçues. Sous pression pour respecter le calendrier de Busicom, Faggin a accepté de fournir un jeu de puces entièrement opérationnel pour décembre 1970. Les défis étaient immenses. Chaque dispositif devait être conçu et dessiné à la main tout en appliquant la dernière technologie MOS au cours du processus de fabrication. L'équipe d'Intel était habituée à concevoir des mémoires dont les caractéristiques étaient répétitives. Le 4004 devait donc pousser tout le monde à l'extrême et tester les limites de la fabrication MOS.

Shima a reçu la permission de rester aux Etats-Unis pendant six mois pour soutenir Faggin pendant le développement. Au fur et à mesure que le projet avançait, de plus en plus de concepteurs et de dessinateurs de plans étaient affectés. Vers octobre, les premiers échantillons du 4001 sont arrivés, suivis de près par le 4003. Les deux appareils ont fonctionné du premier coup et ont même atteint les objectifs de conception fixés pour la vitesse d'horloge et les marges de signal et d'alimentation. Le 4002 n'a nécessité qu'une correction mineure qui a été facilement résolue.
 

Premiers tests

Peu avant le réveillon du Nouvel An, le 4004 a été livré. Alors que la sonde de test était soigneusement mise en place, le premier circuit ne fonctionnait pas. D'autres puces, puis une autre plaquette, n'ont pas non plus montré de signes de vie. Une inspection minutieuse de la plaquette à l'aide d'un microscope a montré que la couche de contact enterrée était complètement absente, laissant la plupart des grilles des transistors non connectées. La livraison d'un nouveau lot de plaquettes, trois semaines plus tard, a montré que la conception était entièrement fonctionnelle.

Le 4004 était le premier microprocesseur commercialisé, fonctionnant jusqu'à 740 kHz, avec des instructions d'un mot à 8 bits nécessitant 10,8 µs et des instructions de deux mots nécessitant 21,6 µs (figure 3). Avec seulement 16 broches disponibles, deux étaient dédiées à une horloge biphasée, deux étaient destinées à l'alimentation, et deux autres étaient prises pour la réinitialisation et le test. Quatre étaient affectées à un bus de données bidirectionnel de 4 bits, une pour un signal de sélection de ROM, et une autre pour une sortie de synchronisation. Les quatre broches restantes étaient utilisées pour sélectionner les banques de RAM. Le processeur ne supportait pas les interruptions mais disposait d'une pile à trois niveaux. Les puces ROM 4001 comprenaient un port d'entrée/sortie de 4 bits, tandis que les dispositifs RAM 4002 avaient un port de sortie de 4 bits. Le registre à décalage 4003 a été conçu pour s'interfacer avec ces ports. Ensemble, ces interfaces permettaient de s'interfacer avec des claviers, des imprimantes et d'autres dispositifs. 

Le 4004 touche un public plus large

La conception du MCS-4 était exclusive à Busicom, ce qui signifie qu'il ne pouvait être vendu à personne d'autre. Cela s'avérait frustrant pour Faggin, qui voyait l'incroyable potentiel de cette plate-forme de traitement librement programmable. Pour prouver à la direction d'Intel que son potentiel dépassait les calculatrices électroniques, Faggin a construit un testeur de tri de plaquettes pour le 4004 en utilisant le chipset MCS-4. Busicom était également en difficulté financière et, lorsqu'Intel leur a proposé les puces à un prix inférieur en échange de l'annulation de l'accord d'exclusivité, ils ont accepté. Et c'est ainsi que le MCS-4 et le 4004 sont devenus accessibles à tous.

Busicom a utilisé la puce MCS-4 pour construire d'autres applications, comme des guichets automatiques, des caisses enregistreuses et des machines à facturer. D'autres sociétés l'ont utilisé pour alimenter le premier jeu de flipper contrôlé par microprocesseur « Flicker » [6], un simulateur de bowling, des machines à écrire électriques et même un système de vote anticipé. Faggin a poursuivi la conception de processeurs, reprenant le projet 8 bits 1201 d'Intel, qui est devenu le processeur 8008 et a été lancé en 1972. Les deux processeurs ont été mis à niveau et les ingénieurs ont reçu le 4040 et le 8080 en 1974. À cette époque, Faggin estime qu'Intel ne s'intéresse aux microprocesseurs que dans le but de vendre son produit principal, la mémoire. Pour se concentrer sur les microprocesseurs, il a quitté l'entreprise pour créer Zilog à la fin de 1974, où il a développé le Z80, qui a connu un grand succès et a contribué à la révolution de l'informatique domestique dans les années 1980.

Stuart Cording est un ingénieur et un journaliste qui a plus de 25 ans d'expérience dans l'industrie électronique. Vous pouvez lire un grand nombre de ses articles sur Elektor à l'adresse https://www.elektormagazine.com/cording. 

Cet article a été publié pour la première fois dans l'édition spéciale de novembre 2021 d'Elektor.


Traduction : Maxime Valens