El camino a los ordenadores personales: El Intel 4004

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Indices: El camino al O.P.       Historia de la Informática

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Ampliado el 16.11.2012

En 1969 Intel era una empresa que se dedicaba a fabricar chips de memoria. Ese año la Nippon Calc Machine Corporation (conocida como la Busicom) estaba diseñando una nueva calculadora de sobremesa con impresora incorporada, la Busicom 141-PF, y solicitó de Intel el diseño de 12 chips personalizados. Los ingenieros de Intel idearon hacer lo mismo con solo 4 chips, incluyendo uno que sería la primera CPU comercial en chip de la historia, poniendo en marcha algo que alteró el curso de la electrónica y la informática.

Marcian Hoff realizó la propuesta de su arquitectura en 1969, pero el diseño comenzó en 1970 cuando Federico Faggin (italiano nacionalizado americano), que trabajaba en la Fairchild, fue contratado por Intel para dirigir el proyecto.

Faggin había ideado la tecnología SGT (Silicon Gate Technology), diseñando en 1968 el primer circuito MOS con tecnología SGT (el Fairchild 3708). Ya en Intel Faggin usó SGT para diseñar una nueva metodología denominada Random Logic Design, que le posibilito diseñar el microprocesador en un único chip. Su metodología fue usada en todos los primeros diseños de microprocesadores de Intel (4040, 8008, 8080).

Masatoshi Shima de Busicom, que diseñó el software de la calculadora, asistió a Faggin durante el desarrollo de la familia 4004, y se le unió posteriormente en ZiLOG (tras diseñar el 8085 en Intel), la primera compañía dedicada exclusivamente a microprocesadores, fundada por Federico Faggin a finales del 1974, de donde surgió el Z80.

El 4004

El nuevo procesador integraba 2.300 transistores (un Pentium usa mas de 560 millones). El ancho de las líneas internas era de 10 micras, lo que representa 10.000 nanómetros (un Pentium normal usa tecnología de 32 nanómetros). Un cabello humano promedio tiene 100.000 nanómetros de ancho, y hay que pensar que en esa época todo se diseñaba y dibujaba a mano.

Los planos originales del 4004, publicados por Intel en 2009

El 4004 era un microprocesador de 4 bits, aunque usaba instrucciones de 8 bits, y manejaba direcciones de memoria de 12 bits (hasta 4 Kb máximo). Trabajaba a 740 Khz, usando un chip de 16 pines. Aunque usa almacenamiento separado de programas y datos, para reducir en número de pines usaba un bus de 4 bits multiplexado para transferir los 12 bits de direcciones en 4 veces y los 8 bits para instrucciones dos veces.

Usaba internamente 16 registros de 4 bits, con un conjunto de 46 instrucciones, de las cuales 41 eran de 8 bits de ancho y 5 eran de 16 bits de ancho. Podía manejar una pila para llamadas a subrutinas de hasta tres niveles de profundidad.

Estructura interna del 4004

La familia del 4004

Intel diseñó un chipset, un conjunto de cuatro chips conocidos como MCS-4, para simplificar el diseño de cualquier circuito para su nuevo procesador, al que luego añadieron dos mas. La familia completa consta de:

• 4001: ROM de 256 bytes (256x8), que incluía un puerto de Entrada/Salida de 4 bits
• 4002: RAM de 40 bytes (80x4), que incluía un puerto de Entrada/Salida de 4 bits. Internamente estaba organizada en cuatro bloques de veinte palabras de 4 bits:
  • 16 palabras para datos (usadas para la mantisa en la calculadora).
  • 4 palabras de estado (usadas para el exponente en la calculadora)
• 4003: Controlador de periféricos, usaba un registro de desplazamiento paralelo de 10 bits, para manejar teclados, pantallas, impresoras, etc.
• 4004: La CPU 
• 4008: Buffer de 8 bits para acceso a la memoria, incorporando de 4 bits de selección y un puerto de Entrada/Salida (no podía usarse junto al 4001).
• 4009: Para el manejo de la Entrada/Salida, con acceso a la memoria y al buffer (no podía usarse junto al 4001).

Patillaje del 4004

Lanzamiento definitivo

Una vez desarrollada la primera unidad, empieza la fase de producción, en que se debe duplicar el esquema para poder realziar varios procesadores a la vez. Esta fase costó tres meses, ya que las primeras unidades contenñian un porcentaje muy alto de chips defectuosos.

Una vez terminado, Intel compró los derechos exclusivos de la Nippon Calc Machine Corporation, retornando el dinero del contrato, y lanzó para todo el mundo el procesador Intel 4004 y su chipset con un anuncio en la edición del 15 de noviembre 1971 de la revista Electronic News, anunciando una nueva era en la electrónica integrada.

Aunque en 1970 ya existía una CPU para uso militar, la F14 CADC (realmente era un procesador mucho mas potente que el de Intel, pero solo se podía usar en los F14, y siendo secreto militar hasta los años 90 no se conocieron los detalles de su diseño), el Intel 4004 de 1971 se convirtió en el primer procesador comercial de propósito general del mercado, diseñado para que los ingenieros pudieran personalizarlo con software para realizar diferentes funciones en una amplia variedad de dispositivos electrónicos.