多圖解讀誕生 50 年的革命性8008微處理器

Intel 開(kāi)創(chuàng )性的 8008 微處理器在 50 多年前首次生產(chǎn)。這是 Intel 的第一款 8 位微處理器，也是讀者現在可能正在使用的 x86 處理器家族的祖先。（作者無(wú)法找到 8008 的優(yōu)質(zhì)芯片照片，所以自己親自打開(kāi)了一個(gè)芯片并拍攝了一些詳細的照片）這些新的芯片照片在這篇文章中，并附有關(guān)于 8008 內部設計的討論。

下面的照片展示了 8008 封裝內部的小硅芯片（點(diǎn)擊獲取更高分辨率的照片）。讀者幾乎看不到構成芯片的導線(xiàn)和晶體管。周?chē)姆綁K是 18 個(gè)焊盤(pán)，它們通過(guò)微小的金屬絲與外部 pin 腳相連。

8008 微處理器的芯片照片

可以在芯片的右邊緣看到「8008」的文字，在底邊看到「? Intel 1971」的文字。在右上角出現了「HF」的縮寫(xiě)，代表 Hal Feeney，他是芯片的邏輯設計和物理布局者。8008 的其他關(guān)鍵設計師還有 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。

芯片內部

下面的圖表突出了芯片的一些主要功能模塊。在左側是 8 位算術(shù)/邏輯單元（ALU），它執行實(shí)際的數據計算。

ALU 使用兩個(gè)臨時(shí)寄存器來(lái)保存其輸入值。這些寄存器在芯片上占據顯著(zhù)面積，不是因為它們復雜，而是因為它們需要大的晶體管來(lái)驅動(dòng)通過(guò) ALU 電路的信號。

8008 微處理器的芯片照片，展示了主要組件。

在寄存器下面是進(jìn)位預測電路。對于加法和減法，這個(gè)電路并行計算所有八個(gè)進(jìn)位值以提高性能。由于低階進(jìn)位僅取決于低階位，而高階進(jìn)位取決于多個(gè)位，因此該電路塊呈三角形。

ALU 的三角形布局是不尋常的。大多數處理器將每個(gè)位的電路堆疊成一個(gè)規則的矩形（位切片布局）。然而，8008 有八個(gè)塊（每個(gè)位一個(gè)），它們雜亂無(wú)章地排列以適應三角形進(jìn)位發(fā)生器留下的空間，ALU 支持八種簡(jiǎn)單的操作。

在芯片的中心是指令寄存器和指令解碼邏輯，它決定了每個(gè) 8 位機器指令的含義。解碼是通過(guò)可編程邏輯陣列（PLA）完成的，這是一種門(mén)的排列，用于匹配位模式并為芯片的其余部分生成適當的控制信號，右側是存儲塊。8008 的七個(gè)寄存器位于右上角，在右下角是地址堆棧，它由八個(gè) 14 位地址字組成。與大多數處理器不同，8008 的調用堆棧存儲在芯片上，而不是內存中。程序計數器只是這些地址之一，使子程序調用和返回變得非常簡(jiǎn)單，8008 使用動(dòng)態(tài)內存進(jìn)行這種存儲。

芯片的物理結構與 8008 用戶(hù)手冊（如下）中的框圖非常接近，芯片上的各個(gè)塊幾乎位于與框圖中相同的位置。

8008 微處理器的框圖，來(lái)自用戶(hù)手冊。

芯片的結構

芯片的照片展示了什么？它可以被視為三層。下面的圖表展示了芯片的特寫(xiě)，指出了這些層。最頂層是金屬線(xiàn)，這是最為顯眼的特征。在下面的細節中，這些線(xiàn)路大部分是水平的，多晶硅層位于金屬之下，在顯微鏡下呈現橙色。

8008 芯片的特寫(xiě)照片，展示了金屬層、多晶硅和摻雜硅。

芯片的基礎是硅晶圓，在照片中呈現為紫灰色。純硅本質(zhì)上是一種絕緣體，其區域通過(guò)摻雜雜質(zhì)來(lái)創(chuàng )造半導體硅。由于位于底部，硅層很難區分，但可以看到摻雜硅和未摻雜硅之間的邊界上有黑線(xiàn)。在照片中可以看到幾條垂直的硅「線(xiàn)」。

晶體管是芯片的關(guān)鍵組件，當一個(gè)多晶硅線(xiàn)穿過(guò)摻雜硅時(shí)，就形成了一個(gè)晶體管。在照片中，多晶硅在形成晶體管時(shí)呈現出較亮的橙色。

為什么是 18 pin 腳芯片？

8008 的一個(gè)不便之處是它只有 18pin 腳，這使得芯片速度變慢且難以使用。8008 使用 14 位地址位和 8 位數據位，因此 18pin 腳對于每個(gè)信號來(lái)說(shuō)都不夠用。相反，該芯片有 8 個(gè)數據 pin 腳，這些 pin 腳在三個(gè)周期內被重復使用，以傳輸低地址位、高地址位和數據位。使用 8008 的計算機需要許多支持芯片來(lái)與這種不便的總線(xiàn)架構進(jìn)行交互。

將芯片強行設計為 18 個(gè) pin 腳沒(méi)有充分的理由。其他制造商普遍使用 40 pin 腳或 48 pin 腳的包裝，但 16 pin 腳在英特爾公司卻「被奉為圭臬」，他們非常不情愿地才增加到了 18 pin 腳。幾年后，當 8080 處理器問(wèn)世時(shí)，英特爾已經(jīng)接受了 40 pin 腳芯片。8080 處理器更加流行，部分原因是它采用了 40 pin 腳封裝所允許的更簡(jiǎn)單的總線(xiàn)設計。

芯片中的電源和數據路徑

數據總線(xiàn)為芯片提供數據流。下面的圖表展示了 8008 的 8 位數據總線(xiàn)，用彩虹色表示 8 條數據線(xiàn)。數據總線(xiàn)連接到芯片上半部分外側的 8 個(gè)數據 pin 腳，總線(xiàn)在左側的算術(shù)邏輯單元（ALU）、中間的指令寄存器（IR）以及右側的寄存器和堆棧之間運行，在左側被分成兩部分，分別沿著(zhù) ALU 的兩側延伸。

8008 微處理器的芯片照片。電源總線(xiàn)用紅色和藍色表示，數據總線(xiàn)用 8 種彩虹色表示。

紅色和藍色線(xiàn)條顯示了電源路由。電源路由是微處理器中一個(gè)被低估的方面，由于金屬的電阻較低，因此電源在金屬層中進(jìn)行路由。但由于早期微處理器只有一層金屬，因此必須仔細規劃電源分配，以確保路徑不交叉。上面的圖表顯示了藍色的 Vcc 線(xiàn)和紅色的 Vdd 線(xiàn)。電源通過(guò)左側的 Vcc pin 腳和右側的 Vdd pin 腳提供，然后分支成細小的、相互交織的線(xiàn)路，為芯片的所有部分供電。

寄存器文件

為了詳細展示芯片的外觀(guān)，作者在下面的照片中放大了 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8x7 網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）存儲單元組成，每個(gè)存儲單元使用三個(gè)晶體管來(lái)保存一個(gè)比特位。（可以看到晶體管作為小矩形，其中橙色的多晶硅呈現出稍微更鮮艷的顏色。）每一行都是 8008 的七個(gè) 8 位寄存器之一（A、B、C、D、E、H、L）。在左側，可以看到七對水平線(xiàn)：每個(gè)寄存器的讀取選擇線(xiàn)和寫(xiě)入選擇線(xiàn)。在頂部，可以看到八條垂直線(xiàn)來(lái)讀取或寫(xiě)入每個(gè)比特位的內容，以及五條較粗的線(xiàn)來(lái)提供 Vcc。使用 DRAM 作為寄存器（而不是更常見(jiàn)的靜態(tài)鎖存器）是一個(gè)有趣的選擇。由于當時(shí)英特爾主要是一家內存公司，猜測他們選擇 DRAM 是因為他們在該領(lǐng)域的專(zhuān)長(cháng)。

8008 中的寄存器文件。該芯片有七個(gè) 8 位寄存器：A、B、C、D、E、H、L

PMOS 是如何工作的

8008 使用 PMOS 晶體管。簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以將 PMOS 晶體管視為兩個(gè)硅線(xiàn)之間的開(kāi)關(guān)，由多晶硅的柵極輸入控制。當柵極輸入為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，它可以將其輸出拉高。如果熟悉在像 6502 這樣的微處理器中使用的 NMOS 晶體管，那么 PMOS 可能會(huì )有點(diǎn)令人困惑，因為一切都反過(guò)來(lái)了。

一個(gè)簡(jiǎn)單的 PMOS NAND 門(mén)可以按下面的方式構建。當兩個(gè)輸入都為高電平時(shí)，晶體管關(guān)閉，電阻將輸出拉低。當任何輸入為低電平時(shí)，晶體管將導通，將輸出連接到+5V。因此，該電路實(shí)現了 NAND 門(mén)。為了與 5 伏 TTL 電路兼容，PMOS 門(mén)（因此 8008）使用不常見(jiàn)的電壓供電：-9V 和+5V。

使用 PMOS 邏輯實(shí)現的 NAND 門(mén)

出于技術(shù)原因，電阻實(shí)際上是通過(guò)晶體管來(lái)實(shí)現的。下面的圖表顯示了晶體管是如何連接以作為下拉電阻的，右側的細節顯示了該電路在芯片上的樣子，-9V 金屬線(xiàn)在頂部，晶體管在中間，輸出是底部的硅線(xiàn)。

在 PMOS 中，下拉電阻（左側）是通過(guò)一個(gè)晶體管（中間）來(lái)實(shí)現的。右側的照片顯示了 8008 微處理器中的實(shí)際下拉電阻。

8008 的歷史

8008 的復雜故事始于 Datapoint 2200，這是一臺于 1970 年推出的流行計算機，作為可編程終端推出。（有些人認為 Datapoint 2200 是第一臺個(gè)人電腦。）Datapoint 2200 沒(méi)有使用微處理器，而是使用由單個(gè) TTL 芯片構建的板載 CPU。（這是微型計算機時(shí)代構建 CPU 的標準方式。）Datapoint 和英特爾決定可以用一個(gè) MOS 芯片替換這個(gè)電路板，于是英特爾開(kāi)始了 8008 項目來(lái)制造這個(gè)芯片。不久之后，德州儀器也同意為 Datapoint 制造單芯片處理器。這兩款芯片都是為了與 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架構兼容而設計的。

8008 處理器于 1970 年 10 月 25 日在《Electronic Design》雜志上首次公開(kāi)描述。盡管英特爾聲稱(chēng)該芯片將于 1971 年 1 月交付，但實(shí)際交付時(shí)間卻比預期晚了一年多，直到 1972 年 4 月才完成。

大約在 1971 年 3 月，德州儀器完成了他們的處理器芯片，稱(chēng)為 TMC 1795。在推遲項目后，英特爾在大約 1971 年底完成了 8008 芯片。由于各種原因，Datapoint 拒絕了這兩款微處理器，并基于更新的 TTL 芯片（包括 74181 ALU 芯片）構建了一個(gè)更快的 CPU。

德州儀器試圖將 TMC 1795 處理器推銷(xiāo)給福特等公司，但沒(méi)有成功，最終放棄了這款處理器，轉而專(zhuān)注于利潤豐厚的計算器芯片。另一方面，英特爾將 8008 作為通用微處理器進(jìn)行市場(chǎng)推廣，這最終導致了 x86 架構的誕生。雖然德州儀器率先推出了 8 位處理器，但英特爾卻成功地將他們的芯片推向市場(chǎng)，開(kāi)創(chuàng )了微處理器行業(yè)。

上面的圖表總結了 8008 及其相關(guān)處理器家族的「家譜」。黑色箭頭表示向后兼容性，淺色箭頭表示重要的架構變化。

該圖表概述了 8008 及其相關(guān)處理器的「家族樹(shù)」。Datapoint 2200 的架構被用于 TMC 1795、Intel 8008 以及下一代 Datapoint 220011 中。因此，四個(gè)完全不同的處理器都使用了 Datapoint 2200 的指令集和架構。Intel 8080 處理器是 8008 的改進(jìn)版，顯著(zhù)擴展了 8008 的指令集，并重新排列了機器碼指令以提高效率。8080 被用于開(kāi)創(chuàng )性的早期微計算機中，如 Altair 和 Imsai。在開(kāi)發(fā) 4004 和 8080 之后，設計師 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 離開(kāi)英特爾，構建了 Zilog Z-80 微處理器，該處理器在 8080 的基礎上進(jìn)行了改進(jìn)，并變得非常流行。

跳轉到 16 位的 8086 處理器并不是那么漸進(jìn)的。雖然大多數 8080 匯編代碼都可以轉換為在 8086 上運行，但并非輕而易舉，因為指令集和架構都發(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(gè)串行處理器，每次處理一個(gè)字節的一位。由于需要首先處理最低位，所以 Datapoint 2200 是小端序的。為了兼容，8008 也是小端序的，英特爾的處理器至今仍然如此。Datapoint 2200 的另一個(gè)特性是奇偶校驗標志，因為奇偶校驗計算對于終端的通信很重要。奇偶校驗標志一直延續到 x86 架構。

8008 在架構上與英特爾的 4 位 4004 處理器無(wú)關(guān)。8008 絕對不是 4 位 4004 的 8 位版本。相似的名字純粹是營(yíng)銷(xiāo)發(fā)明；在設計階段，8008 有一個(gè)不那么引人注目的名字「1201」。

8008 在半導體技術(shù)歷史中的位置

4004 和 8008 都使用了硅柵增強型 PMOS（Positive-channel Metal Oxide Semiconductor，正通道金屬氧化物半導體），這是一種只短暫使用過(guò)的半導體技術(shù)。這使得這兩款芯片在芯片制造技術(shù)中處于一個(gè)有趣的位置。

8008（以及現代處理器）使用的是 MOS 晶體管。這些晶體管在得到接受之前經(jīng)歷了漫長(cháng)的道路，因為它們比 1960 年代大多數計算機中使用的雙極晶體管速度慢且可靠性低。到了 1960 年代末，MOS 集成電路開(kāi)始變得更加普遍；當時(shí)的標準技術(shù)是帶有金屬柵的 PMOS 晶體管。晶體管的柵極由金屬制成，同時(shí)也用于連接芯片上的組件。芯片基本上具有兩層功能：硅本身和頂部的金屬布線(xiàn)。這種技術(shù)被用于許多德州儀器的計算器芯片以及 TMC 1795 芯片（與 8008 具有相同指令集的芯片）。

使 8008 成為實(shí)用的關(guān)鍵創(chuàng )新是自對準柵——一種使用多晶硅柵而不是金屬柵的晶體管。盡管這種技術(shù)是由費爾柴爾德（Fairchild）和貝爾實(shí)驗室（Bell Labs）發(fā)明的，但英特爾推動(dòng)了這一技術(shù)的發(fā)展。多晶硅柵晶體管比金屬柵晶體管具有更好的性能（由于復雜的半導體原因）。此外，添加多晶硅層使得芯片中的信號路由變得更加容易，從而使芯片更加密集。下面的圖表顯示了自對準柵的好處：金屬柵的 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片加在一起還要大。

英特爾的 4004 和 8008 處理器比德州儀器的 TMC 1795 芯片要密集得多，這主要是由于它們使用了自對準柵。

不久后，半導體技術(shù)再次進(jìn)步，用 NMOS（Negative-channel Metal Oxide Semiconductor，負通道金屬氧化物半導體）晶體管取代了 PMOS 晶體管。盡管 PMOS 晶體管最初更容易制造，但 NMOS 晶體管更快，因此一旦能夠可靠地制造 NMOS，它們就明顯占據了優(yōu)勢。

NMOS 導致了更加強大的芯片的出現，如英特爾的 8080 和摩托羅拉的 6800（都是 1974 年）。這一時(shí)期另一項技術(shù)改進(jìn)是離子注入，用于改變晶體管的特性。這使得可以創(chuàng )建「耗盡型」晶體管用作上拉電阻。這些晶體管提高了芯片性能并降低了功耗。它們還允許創(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電阻的組合被用于 20 世紀 70 年代末和 80 年代初的大多數微處理器中，如 6502（1975 年）、Z-80（1976 年）、68000（1979 年）以及從 8085（1976 年）到 80286（1982 年）的英特爾芯片。

到 20 世紀 80 年代中期，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）開(kāi)始占據主導地位，它結合了 NMOS 和 PMOS 晶體管，顯著(zhù)降低了功耗，例如 80386（1986 年）、68020（1984 年）和 ARM1（1985 年）?，F在幾乎所有的芯片都是 CMOS。

正如讀者所看到的，20 世紀 70 年代是半導體芯片技術(shù)發(fā)生巨大變化的時(shí)期。4004 和 8008 的創(chuàng )造正是當時(shí)技術(shù)能力與市場(chǎng)需求交匯的結果。

如何拍攝芯片裸片照片

第一步是打開(kāi)芯片封裝以暴露裸片。大多數芯片都裝在環(huán)氧樹(shù)脂封裝中，這些封裝可以用危險的酸來(lái)溶解。

8008 微處理器裝在陶瓷封裝中

由于想要避免煮沸硝酸，本文采用了更簡(jiǎn)單的方法。8008 也有陶瓷封裝版本（如上所示），用鑿子沿著(zhù)接縫輕敲芯片，可以將兩層陶瓷分開(kāi)。下面的照片顯示了陶瓷封裝的下半部分，裸片已經(jīng)暴露出來(lái)。大部分金屬 pin 腳已經(jīng)被移除，但它們在封裝中的位置仍然可見(jiàn)。在裸片的右側是一個(gè)小方塊，它將地線(xiàn)（Vcc）連接到襯底。仍然可以看到幾條微小的連接線(xiàn)，它們連接到裸片上。

在 8008 微處理器的封裝內部，可以看到硅裸片。

一旦裸片暴露出來(lái)，就可以使用顯微鏡拍攝照片。標準的顯微鏡是從下方照亮的，這對于裸片照片來(lái)說(shuō)效果并不好。相反，作者使用了一臺金相顯微鏡，它從上方照亮芯片。

為了拍攝照片，首先做著(zhù)用顯微鏡拍攝了 48 張照片，然后使用 Hugin 拼接軟件將它們組合成一張高分辨率的圖像（細節）。最后，調整了圖像的對比度，使芯片的結構更加清晰可見(jiàn)。下面的原始圖像（大約是通過(guò)顯微鏡看到的樣子）用于比較。

8008 微處理器的裸片照片

結論

雖然 8008 不是第一個(gè)微處理器，甚至不是第一個(gè) 8 位微處理器，但它確實(shí)具有革命性，引發(fā)了微處理器革命，并導致了 x86 架構的出現，該架構在未來(lái)幾十年里主導了個(gè)人電腦。