微处理器研发记

戴吾三

微处理器是继晶体管、集成电路之后的又一重大发明，它的出现引发了计算机技术革命，深刻地影响了整个世界。微处理器的研发是个生动的创新案例，同时也是英特尔公司的成长故事。

继晶体管、集成电路发明之后，微处理器的发明又掀起一场技术革命，引发了计算机产业的变革，深刻地影响了全世界。

年轻的英特尔公司是4004、8008和8080微处理器的诞生地，这并非是精心策划的过程，而是技术、资金、团队、市场、竞争等多种因素相互交织的结果。微处理器的问世，首先要从一份合同讲起。

Busicom的合同

1960年代，随着集成电路的发明和应用，一场制造轻便桌面计算器的竞赛揭开了帷幕。日本涌现出众多制造计算器的公司，相比本国的其他同行，一家名为Busicom的公司更富有冒险精神。

那时，半导体产业的研究者已普遍认识到，用新的金属一氧化物一半导体（MOS）技术来创建一个包含多种功能的芯片，在理论上是可行的。换言之，有可能设计和制造出一种芯片，其表面的不同区域分别是逻辑/计算、只读存储器（用于永久保存固件程序）、随机存取存储器缓存（用于暂时保存输入的数据和输出的结果）、输入/输出管理以及电源控制，这些区域可以连接起来，从而使得单芯片能够执行多芯片主板上的所有任务。这种神奇的芯片被称作微处理器，意为“一颗芯片上的中央处理单元”，而当时计算器的中央处理器用的是一整块带有多颗芯片的主板。

及至1969年，微处理器实现的可能性开始显现，美国无线电公司、IBM等企业巨头已朝这个方向小心努力，但他们很清楚，微处理器的研发过程会很艰难，如果没有明显的市场需求，不能轻率地往里砸钱，因为这可不是笔小数。

Busicom不甘落后，决定在技术上放手一搏，意图超越其他竞争公司，成为行业的领先者。公司打算向一家有实力的芯片公司投入经费，支持其研发新芯片。如果成功，那么Busicom将在整个计算器行业占据领先地位；如果失败，则由芯片制造商承担风险，公司再另外想辙。当时，Busicom还不敢奢望微处理器能够做成单颗芯片，毕竟这种技术难度太大，公司认为一组含有10颗定制芯片的微处理器方案的实现可能性会大些，其实这在尺寸和成本上已是一个重大突破。Busi-com看好新成立的英特尔公司，其中一个原因是，英特尔公司的创始人诺伊斯（R.Noyce）也曾参与仙童半导体（Fairchild Semiconductor）公司的创建，他在日本业界具有极高的人气。

Busicom带着芯片投资的意向找到英特尔，而诺伊斯也没想太多，对于资金紧缺的新公司来说非常需要投资，他乐意签下这份大单。而后，Busicom派出一个三人组成的设计团队到英特尔做芯片的开发设计，他们把先前确定的方案中10颗芯片改为12颗芯片，为了实现功能，每颗芯片都至少要集成3000个晶体管，这是以往的计算器芯片中晶体管数量的三四倍。

从诺伊斯的角度看，与Busicom签订合同是个很不错的交易。Busicom的岛正利（Masatoshi Shima）富有才华，勇挑设计重担，而英特尔除了派一个项目总监和提供实验室外，不需投入更多的人力和资金，公司根本不需要承担风险，因为即使有风险也是Busicon的。

霍夫的洞察

英特尔指派霍夫（M.E.Hoff）协助Busicom开发新芯片。霍夫1937年10月28日出生于纽约的罗切斯特，少年时代就已显露出发明的天赋。1954年，他参加著名的科学竞赛项目“西屋科学天才奖”（WestinghouseScience Talent Search）并入围决赛，得到了全国关注。之后，霍夫进入伦斯勒理工学院（Rensselaer P0lytech-nic Institute）的电气工程专业学习。暑假时，他到通用铁路信号公司（General Railway Signal Corporation）实习，与那里的工程师合作，申请了他最早的两项专利。

霍夫从伦斯勒理工学院毕业后，凭奖学金进入斯坦福大学继续学习电气工程，1959年获硕士学位，1962年获博士学位。读博士期间，霍夫与导师威德劳（B.Widrow）教授共同发明了“最小均方滤波器”，并获得专利，这种设备能够适应环境设置而减少信号干扰，迄今仍有使用。

霍夫毕业后成为威德劳教授的研究助手，1968年英特尔公司成立，31岁的霍夫应邀加盟，员工编号为12。当时，英特尔正在集中研发存储芯片。而霍夫也对单芯片中央处理器感兴趣，利用业余时间进行了很多研究。为了开发多功能芯片组，他清楚应该去找一个全新的小型机行业作为切入点。这些新式的、更小的电脑比它们的前辈更小、更便宜，而且已经塑造出一个价值很高的细分市场。

几乎从与Busicom接触的第一天起，霍夫就感到他们的构想过于复杂，他甚至确信这种设计会失败，很可能产生灾难性的后果。霍夫试图扭转Busicom研究团队的研究方向。不料，他说得越多，团队越是固执己见。霍夫回忆道：“他们表示懂得怎样设计计算器。换句话说，就是‘不要打扰我们，我们知道在干什么。你走开吧！”没办法，霍夫只好迁就Busicom设计团队，但他同时把情况和自己的解决方案向诺伊斯做了汇报。

诺伊斯很快认识到霍夫所说的意义，鼓励霍夫拿出自己的处理器设计方案。尝试了一个多月后，霍夫意识到他的长处在于搭建硬件架构，而非运行通用处理器所需的软件，于是便把刚从仙童公司跳槽来的梅泽尔（S.Mazor）拉了进来，让梅泽尔负责新的四芯设计方案的软件架构，以及为已命名为“Intel 4004”的主算术处理器芯片编写指令集。梅泽尔比霍夫小4岁，谦逊有礼，做事低调，两人密切合作，用了两周时间就确定了4004的体系架构。

此时，诺伊斯便有理由给Busicom的总裁写信，信中表达了对Busicom团队设计方案的顾虑，并谈到英特尔替代的设计方案。双方经过一系列书信往来后，1969年10月。Busicom派出一个专家代表团来美国加州考察。最终，Busicom接受了英特尔公司的设计方案——只用4颗全新芯片，每颗芯片上集成不超过2000个晶体管。相比之下，Busicom设计团队已难以走出复杂的设计困境。

尽管说服了Busicom，但英特尔公司高兴不起来，由于受存储芯片制造的影响，公司财务一再亏损，不得已进行裁员，根本没有心思启动这个新项目。转眼到了1970年3月，眼看实在不能再拖了，英特尔才决定启动Busicom的项目。

法金的创造

为了保证Busicom的项目量产成功，英特尔公司想到一个人，他就是任职于仙童公司的法金（F.Faggin）。

1941年12月1日，法金出生于意大利的维琴察（Vicenza），父亲是一位文科教授，翻泽过古罗马作家的作品。1965年，法金毕业于帕多瓦大学，获物理学博士学位。之后，他进入意大利SGS微电子公司工作，为公司开发了MOS工艺技术，并设计出第一批集成电路。1968年，法金移民美国加州，进入仙童公司。在较短时间里，他就开发成功自对准硅栅技术，这后来成为CMOS计算机芯片制造的基础。之后，他还发明了触摸板和触摸屏，这促使移动计算和智能手机革命成为现实。

法金在仙童公司工作很自在，但他更渴望能处于半导体产业技术创新的最前沿，故当英特尔公司邀他加盟时，他立即心动了。来到英特尔后，他被告知将负责难度极大的新项目——制造单芯片计算机。由于先前的研究进度大大滞后，引起Busicom的严重不满，在这种情况下，法金肩负重任，他每天工作12到16个小时，试图解决先前没有预见到的一个巨大技术难题：必须采用低电压以防烧坏硅晶表面，但同时得确保芯片的电路信号足够强，可以被准确读取。法金后来回忆说：“我首先解决了剩下的架构问题，然后为芯片组的设计系统奠定了基础，最后开始进行逻辑和电路设计以及四个芯片的布局。我必须用硅栅技术为随机逻辑设计开发一种新的方法，这是我从来没有做过的。”

到1970年夏天结束时，法金和岛正利完成了四芯片组的设计，并掌握了相应的基本技术。英特尔将这类芯片组命名为“4000家族”，表明这是一组四颗不同的芯片，这个命名规则也被用在了每颗芯片上：4001是2048比特的只读存储器（ROM）芯片，用于存储程序。4002是320比特的随机存储器（RAM）芯片，用于缓存将要操作的数据。4003是10比特的输入输出寄存器，用于将数据送进主处理器和移出结果。4004是4比特（即4位）的中央处理器逻辑芯片，它是芯片组中最重要的芯片。

几年后，当英特尔真正制造出单芯片微处理器时，业内开始称之前富有开创性的芯片组为“处理器芯片”。因而，如今往往只用4004微处理器来指代英特尔4000家族的四个芯片。

1970年10月起，芯片组原型开始制作，先是做出4001。继之是4002和4003，检测结果都非常顺利。新年前夕，4004芯片原型制成并进行了检测。法金有些担心，因为其复杂性比前三款芯片要高得多。检测结果则非常具有戏剧性：起初芯片检测没有任何反映，这让法金大为惊讶，接下来他用显微镜进行仔细观察，发现芯片表面有一整层电路没有装上，原来是制作原型的工程师漏掉了，这个检测失败源于制造失误，而非设计错误。

到了1971年2月，此时距英特尔公司与Busicom签订合同几乎已有两年，4004进入批量生产。几周后，英特尔把第一批4000家族的芯片组发往日本的Busicom。

自此，微处理器时代拉开了帷幕。

从4004到8080

1971年2月，诺伊斯踏上前往日本的旅程，他去拜访Busicom，并向总裁小岛介绍交付了第一批4000系列芯片组。不料现实让他大吃一惊，就在这半年的时间内，桌面计算器市场快速萎缩，产品价格大幅下降。Busicom采用四芯片控制器的高性能打印机计算器计划，明摆着是个昂贵且不合时宜的错误。

为了维护英特尔的利益，公司内部多次讨论后，诺伊斯决定再与小岛谈一谈。1971年5月，Busicom签字同意放弃除计算器外的使用4000芯片组的专属权利。有西方学者评论：Busicom的这个决定可以说是20世纪最大的商业失误之一，如果他们坚持保留4000芯片组的所有权，就会拥有当时世界上唯一一种可以运行的微处理器设计，单靠专利授权公司在未来几年就会赚得数十亿美元。然而，当时Busicom正处于越来越绝望的境地，到1971年底，在与英特尔的谈判中，它甚至连在计算器上使用微处理器的专属权利都放弃了。市场无情，Busicom在行业大洗牌中被扫地出局。

此时，英特尔面临的问题是，如何给4000系列找到新的应用市场。经过论证，英特尔决定生产相关的测试设备。谁知没过多久，美国德州仪器公司的单芯片微处理器宣布问世，该微处理器不仅在架构上优于4000家族的四芯片方案，而且采用的是基于用超小线宽MOS的大规模集成电路技术。德州仪器开发的芯片是为计算机终端公司（Computer Terminal Corporation，CTC）量身定做的，让英特尔无地自容的是，CTC先前与英特尔合作开发1201芯片，但后来英特尔把这个项目搞砸了。1201芯片是8位架构，而非4位，这样的设计在商业中更为实用。

德州仪器令人震惊的产品让英特尔快速行动起来。这次行动的主导者是首席运营官格鲁夫（A.Grove），他的竞争欲望被点燃了，即使他并没有看好微处理器的未来发展，但他仍决心赢得这场角逐。格鲁夫主动去找CTC，重新争取到了合同。英特尔微处理器设计团队集结力量，4004的设计经验很快应用到1201芯片的研发中。

然而世事难料，CTC的生意出了问题，经协商，英特尔让其退出了合同，并得到1201芯片的全部商业专利。英特尔将1201更名为8008，并且很快找到一家新客户——日本精工（Seiko）公司，新芯片可以用在精工制造的新款电子手表上。

1972年4月，8008芯片正式对外发布，这距离1971年11月发布4004芯片只有短短5个月的时间。在微处理器领域，这个惊人的上市速度堪称空前绝后。8008并不简单只是4004的增强版，它有着多个重大的技术飞跃：4004的晶体管数为2300个，8008的晶体管增加到3500个；4004的时钟频率是108千赫，8008则提高到800千赫。4位微处理器只能执行一些计算器的简单计算，或是完成电子游戏中的一些简单控制，要想真正完成计算和实现控制功能，8位微处理器是必需的。

起初，微处理器对许多人来说似乎太过激进，太超前。他们已习惯计算机的庞大体型、复杂的设置，而今微处理器只有毛毛虫大，一下子很难适应。为此，英特尔调动一切手段培训客户，开拓市场，并且发放了无数手册、设计和仿真工具，帮助客户探索和适应这项新型处理器。很快，微处理器的普及呈星火燎原之势，装配着8008芯片的小型计算机因其体积小、运行可靠、性价比高，受到了市场的青睐。

与此同时，法金领导的团队为了将四芯片的8008变成单芯片并使其更强大，甚至把岛正利招募到了新的设计团队中。1974年3月，在法金和他的团队着手设计仅仅9个月后，英特尔正式推出了真正的单芯片微处理器8080，这是20世纪最具影响力的电子元器件。与8008相比，8080内含6000个晶体管，时钟频率提升到2兆赫，每秒钟可以执行50万次计算。

回顾历史，尽管英特尔公司有过多次辉煌，但没有一次比8080的诞生和推出更轰动了。其后3个月内，德州仪器公司也推出了自己的微处理器，摩托罗拉等公司也很快跟进。但那时，英特尔已经凭借4004、8008和8080三款微处理器组成的产品家族，牢牢占据了市场的领头地位。

荣誉与专利权

没过多少年，英特尔便成了微处理器的代名词，是世界上最有影响的公司之一。英特尔认为有必要发布公司的正史，其中包括对4004“真正”发明者的认定。在微处理器问世后的十几年里，除了霍夫外，所有参与4004项目的成员都离开了英特尔，英特尔对于这些参与者的评价显得十分微妙。

英特尔力挺霍夫。在公司文档和记录，甚至包括新建的英特尔博物馆，几乎都把发明4004的功劳全部记到了霍夫头上。对于岛正利来说，他早就被英特尔对待他的方式所激怒了，他对英特尔编撰的官方历史更是怒不可遏，因为他在很大程度上被忽略了。岛正利认为4004的成功大部分应归功于他，他做了大量的设计工作。英特尔的原型实验者后来承认，岛正利的逻辑设计是在晶体管级用手工完成的，那是一张很容易理解的芯片制造的“平面图”。岛正利认为，4000家族中唯一真正具有革命性的就是4004微处理器芯片，他则是它的首席设计师，因而他比任何人都更有资格被称为微处理器的发明者。日本媒体更是愿意讲述岛正利是4004发明主角的故事。尽管法金主持了8008和8080微处理器的设计，但因他早在1974年离开英特尔，后创建的Zilog公司又与英特尔成为竞争对手，结果他的名字从英特尔的正史中被抹去了数十年。梅泽尔极为谦虚，不愿加入荣誉之争。

关于发明微处理器的荣誉，最客观的评价是：提出构想的霍夫、创造实现者法金、设计者岛正利以及程序员梅泽尔。随着时间推移，美国对微处理器发明权的归属认定逐渐明朗。2009年，霍夫、法金和梅泽尔一起荣获了美国“国家技术与创新奖”（National Medal ofTechnology and Innovation）。这种荣誉共享方式与集成电路（基尔比和诺伊斯）和晶体管（巴丁、布拉顿和肖克利）的发明者类似。

一说到专利权，通常伴有意想不到的烦恼。英特尔公司在研发微处理器之初，认为这是一种现有的技术应用，并没有想到申请相关专利。按霍夫的说法：“从来没有真正获得微处理器自身的专利。我们获得的是它的一种特定的实施例”。结果却由强劲的竞争对手德州仪器拔得了头筹。1971年，德州仪器公司的工程师布恩（G.Boone）和科克伦（M.Cochran）证明了“单芯片计算机”概念的可行性，为此申请了美国专利，后来获批。1972年，德州仪器型号为TMS-1000的4位单芯片微型计算机上市。1979年，该芯片销售了2600万个，部分芯片用于德州仪器自己的产品（如计算器），其他则用于自动洗衣机、电子游戏机等电子产品。不过到1970年代末，德州仪器创新乏力，虽然在1976年推出了16位的TMS-9900，但应用并不成功。

1990年7月17日，一个原本无名的工程师海厄特（G.Hyatt）突然冒出来，他宣称获得了“单一芯片集成电路计算机结构”的专利，至此“微处理器的发明者”又多了一人。原来，海厄特与人在1968年合伙创办了微型计算机公司，他也是公司的主要设计师。1970年年末，海厄特申请了专利，其中一项是单一集成电路的计算机。海厄特的公司只开了3年就倒闭了，而他的专利申请多次被拒，但他屡败屡试，终于在1990年获得了该项专利。消息传来，震动了整个半导体界，也迅即引发了有关微处理器专利的争论。许多人认为海厄特的微处理器专利没有什么意义，关键问题是如何将其制作出来。及至1996年，美国专利局宣布撤销原先的认定，认为海厄特设想的微处理器无法用当时的技术制造出，由此布恩和科克伦才是微处理器的发明者。海厄特当时已经收取了几千万美元的专利费，之后他又因缴税问题与加州法院打官司，闹得不亦乐乎。

今天，微处理器已无处不在，不论是手机、iPad等信息工具，或是形形色色的家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、无人机等，都嵌入了各类不同的微处理器。微处理器，让我们实实在在感受到科技创新的力量。

目前，集成电路的晶体管数目仍遵从摩尔定律增长，微处理器的晶体管数已突破百亿。微处理器制造已形成庞大的产业，世界前十大微处理器厂商的年利润都以亿（美元）计，而英特尔高居榜首，其年利润超过300亿美元。

关键词：微处理器 英特尔 霍夫 法金 MOS