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一顆改變了世界的芯片(下）

8008 的歷史

8008 的復(fù)雜故事始于Datapoint 2200，這是一款于 1970 年作為可編程終端推出的流行計算機。（有些人認為 Datapoint 2200 是第一臺個人計算機。）Datapoint 2200 沒有使用微處理器，而是包含一個由單獨的 TTL 芯片構(gòu)建的板級 CPU。（這是小型機時代構(gòu)建 CPU 的標準方法。）Datapoint 和 Intel 決定可以用單個 MOS 芯片取代該板，Intel 啟動了 8008 項目來構(gòu)建該芯片。稍后，德州儀器 (TI) 也同意為 Datapoint 打造單芯片處理器。這兩款芯片均設(shè)計為與 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架構(gòu)兼容。

1971 年 3 月左右，德州儀器 (TI) 完成了他們的處理器芯片，并將其稱為TMC 1795。在推遲了該項目之后，Intel 于 1971 年底左右完成了 8008 芯片。出于各種原因，Datapoint 拒絕了這兩種微處理器，并基于較新的 TTL 芯片（包括74181 ALU 芯片）構(gòu)建了更快的 CPU 。

TI 嘗試向福特等公司推銷 TMC 1795 處理器，但沒有成功，但最終放棄了該處理器，轉(zhuǎn)而專注于高利潤的計算器芯片。另一方面，英特爾將 8008 作為通用微處理器進行營銷，這最終導致了您現(xiàn)在可能正在使用的 x86 架構(gòu)。雖然 TI 率先推出了 8 位處理器，但英特爾使他們的芯片取得了成功，創(chuàng)造了微處理器行業(yè)。

上圖總結(jié)了 8008 和一些相關(guān)處理器的“家譜”。Datapoint 2200 的架構(gòu)用于 TMC 1795、Intel 8008 和下一版本 Datapoint 2200 。因此，使用 Datapoint 2200 的指令集和架構(gòu)構(gòu)建了四個完全不同的處理器。Intel 8080 處理器是 8008 的大幅改進版本。它顯著擴展了 8008 的指令集，并重新排序了機器代碼指令以提高效率。8080 用于開創(chuàng)性的早期微型計算機，例如 Altair 和 Imsai。在完成了 4004 和 8080 的工作后，設(shè)計師 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 離開英特爾，開發(fā)了 Zilog Z-80 微處理器，該微處理器在 8080 的基礎(chǔ)上進行了改進，并變得非常受歡迎。

向16 位 8086 處理器的轉(zhuǎn)變要少得多。大多數(shù) 8080 匯編代碼可以轉(zhuǎn)換為在 8086 上運行，但這并不簡單，因為指令集和體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化。盡管如此，Datapoint 2200 的一些特性仍然存在于當今的 x86 處理器中。例如，Datapoint 2200 有一個串行處理器，一次處理一位字節(jié)。由于需要首先處理最低位，因此 Datapoint 2200 是小尾數(shù)法。為了兼容性，8008 是小端字節(jié)序，英特爾的處理器仍然如此。Datapoint 2200 的另一個功能是奇偶校驗標志，因為奇偶校驗計算對于終端通信非常重要。奇偶校驗標志一直延續(xù)到 x86 架構(gòu)。

8008 在架構(gòu)上與英特爾的 4 位 4004 處理器無關(guān)。無論如何，8008 都不是 4 位 4004 的 8 位版本。類似的名稱純粹是一種營銷發(fā)明；在設(shè)計階段，8008 有一個平淡無奇的名字“1201”。

8008 如何融入半導體技術(shù)的歷史

4004 和 8008 均采用硅柵增強型 PMOS，這是一種僅短暫使用的半導體技術(shù)。這使芯片處于芯片制造技術(shù)中的一個有趣的點。

8008（和現(xiàn)代處理器）使用 MOS 晶體管。這些晶體管的接受之路很長，與 20 世紀 60 年代大多數(shù)計算機中使用的雙極晶體管相比，速度較慢且可靠性較差。到 20 世紀 60 年代末，MOS 集成電路變得越來越普遍。標準技術(shù)是帶有金屬柵極的 PMOS 晶體管。晶體管的柵極由金屬組成，也用于連接芯片的組件。芯片本質(zhì)上有兩層功能：硅本身和頂部的金屬布線。該技術(shù)被用于許多德州儀器計算器芯片以及TMC 1795芯片（與8008具有相同指令集的芯片）中。

使 8008 變得實用的一項關(guān)鍵創(chuàng)新是自對準柵極——一種使用多晶硅而不是金屬柵極的晶體管。雖然這項技術(shù)是由 Fairchild 和貝爾實驗室發(fā)明的，但推動這項技術(shù)發(fā)展的是英特爾。多晶硅柵極晶體管的性能比金屬柵極好得多（出于復(fù)雜的半導體原因）。此外，添加多晶硅層使芯片中的信號布線變得更加容易，從而使芯片更加密集。下圖顯示了自對準柵極的優(yōu)勢：金屬柵極 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片的總和還要大。

不久之后，半導體技術(shù)再次進步，使用NMOS晶體管代替PMOS晶體管。盡管 PMOS 晶體管最初更容易制造，但 NMOS 晶體管速度更快，因此一旦能夠可靠地制造 NMOS，它們就明顯獲勝。

NMOS 催生了更強大的芯片，例如Intel 8080和 Motorola 6800（均為 1974 年）。這次的另一項技術(shù)改進是通過離子注入來改變晶體管的特性。這使得可以創(chuàng)建用作上拉電阻的“耗盡型”晶體管。這些晶體管提高了芯片性能并降低了功耗。他們還允許創(chuàng)建使用標準五伏電源運行的芯片。

NMOS 晶體管和耗盡型上拉的組合用于 20 世紀 70 年代末和 1980 年代初的大多數(shù)微處理器，例如 6502 (1975)、Z-80 (1976)、68000 (1979) 和 Intel 芯片從 8085 (1976) 到 80286 (1982)。

20 世紀 80 年代中期，CMOS 占據(jù)主導地位，同時使用 NMOS 和 PMOS 晶體管來大幅降低功耗，芯片包括 80386 (1986)、68020 (1984) 和ARM1 (1985)。現(xiàn)在幾乎所有的芯片都是CMOS的。

正如您所看到的，20 世紀 70 年代是半導體芯片技術(shù)發(fā)生巨大變化的時期。當技術(shù)能力與合適的市場相結(jié)合時，4004 和 8008 就誕生了。

如何拍攝Die照片

在本節(jié)中，我將解釋如何獲取 8008 芯片的照片。第一步是打開芯片封裝以暴露芯片。大多數(shù)芯片采用環(huán)氧樹脂封裝，可以用危險的酸溶解。

由于我寧愿避免煮沸硝酸，所以我采取了一種更簡單的方法。8008 也有陶瓷封裝（上圖），這是我在 eBay 上買到的。用鑿子沿接縫敲擊芯片，將兩層陶瓷層分開。下圖顯示了陶瓷封裝的下半部分，裸露的芯片。大多數(shù)金屬引腳已被移除，但它們在封裝中的位置是可見的。Die的右側(cè)是一個小方塊；這會將地 (Vcc) 連接到基板。幾根微小的鍵合線仍然可見，連接到芯片上。