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[转载]硅谷传奇:微处理器之父 — 泰德•霍夫(一)

已有 6064 次阅读 2015-1-25 02:39 |个人分类:往事如云|系统分类:人物纪事|关键词:RPI,微处理器,霍夫| 微处理器, Rpi, 霍夫 |文章来源:转载

【华夏文摘】老钱:硅谷传奇:微处理器之父 — 泰德•霍夫(一)


Marcian Edward “Ted” Hoff

十九世纪是机械化的世纪,所有重大的科技进步都离不开机械,蒸汽机、火车、汽车是十九世纪和二十世纪初工业化的标志。二十世纪则是电子化的世纪,二十世纪最为重要的事件是电子计算机的发明,以及由它带来的第三次产业革命。今天,电子计算机已进入了社会的各个方面,成为信息时代的人们工作与生活须臾不能离开的工具。计算机是上个世纪最重大的科技发明。

第一台电子计算机的发明人是美国人约翰·文森特·阿塔那索夫(John Atanasoff)他是“电子计算机之父”。阿塔那索夫是爱阿华大学(University of Iowa)物理系教授。阿塔那索夫和他的研究生克利福特•贝瑞(Clifford Berry)于1939年10月研发出了世界上第一台电子计算机。该计算机帮助爱阿华大学的教授和学生们解算了许多复杂的数学方程。阿塔那索夫把这台机器命名为ABC(Atanasoff-Berry-Computer),其中,A、B分别取俩人姓氏的第一个字母,C为计算机的第一个字母。

ABC是第一台现代电子计算机,阿塔那索夫在设计这台计算机时,提出了三个非常重要的设计理念:以二进制逻辑来实现数字运算,以保证精度;利用电子技术来实现控制,逻辑运算和算术运算,以保证计算速度;采用把计算功能和二进制数更新存贮的功能相分离的结构。后来,控制论之父维纳又提出了计算机五原则:不是模拟式,而是数字式的;由电子元件构成,尽量减少机械部件;采用二进制,而不是十进制;内部存放计算表;在计算机内部存贮数据。这些理念直到现在仍然是设计计算机的基本理念。

1946年,宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的莫奇利(John Mauchly)和埃克特(John Eckert)等人研制成功了有名的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)计算机。这台计算机共用了17468只电子管,7200个二极管,70000多个电阻器,10000多只电容器和6000只继电器,电路的焊接点多达50万个,机器被安装在一排2.75米高的金属柜里,占地面积 170 平方米左右,总重量达30吨,其运算速度达到每秒钟 5000 次加法,可以在3/1000秒时间内做完两个10位数乘法。埃尼阿克很不完善,它没有存储器,只有用电子管做的寄存器,仅能寄存10个数码。埃尼阿克能耗也极大,据说一旦它开机后,费城的路灯都会暗下来。从埃尼阿克至今,计算机繁衍了四代,最初是真空管(Vacuum Tube)计算机,然后是晶体管(Transistor)计算机,第三代是集成电路(Integrated Circuit)计算机,第四代是大规模集成电路(Large Scale Integrated Circuit)计算机。


The Atanasoff-Berry-Computer

计算机飞速发展基于二十世纪的三项重要发明:贝尔实验室(Bell Lab) 的肖克利(William Shockley) 等人发明的晶体管;诺伊斯(Robert Noyce)和基尔比(Jack Kilby)发明的集成电路;泰德·霍夫1971年发明的微处理器(Central Process Unit,CPU)。其中最重要的是集成电路的发明和使用集成电路来设计计算机。正是因为使用了集成电路技术,才使得今天的计算机功能要远远超出ABC和埃尼阿克。这一切都要归功于本文的主人公——泰德·霍夫。

不像诺伊斯,霍夫没有因为发明了CPU而获得巨大财富。但他的发明如此重要,使其可以无愧地跻身于20世纪最伟大的科学家之列。英国的《经济学家》杂志将霍夫称作是“第二次世界大战以来最有影响的7位科学家之一”。


ENIAC

泰德·霍夫于1937年10月28日,出生于纽约州的罗切斯特(Rochester )。霍夫的童年是在市郊的北奇利(North Chili)村度过的,他的启蒙教育始于只有一间教室的乡村学校(Churchville-Chili Central High School),一名教师要分别教7个年级的13名学生。霍夫父亲是通用铁路信号公司(General Railway Signal Company)的电气工程师,这使霍夫从小就对电学产生了兴趣。霍夫的叔叔是化学工程师,受叔叔的影响,他迷上了化学。5岁那年,霍夫看见叔叔将两种无色液体倒在一起,使它们变成鲜红色。霍夫对此非常着迷,于是开始自学化学,叔叔送给霍夫一套化学实验设备。霍夫在没有上过高中化学课的情况下,参加了纽约州的化学考试,取得了95分的高分。叔叔给霍夫订了《大众科学》(Popular Science)杂志,这使霍夫在孩提时代就对科学产生了兴趣。父亲的《联合收音机目录》(Allied Radio Catalogue),让霍夫爱不释手,这本书让霍夫钟情于电子技术,并从此开始学习电子学。

1954年,霍夫进入纽约州特洛伊(Troy)的伦塞勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute),攻读电子工程。大学期间,每年暑假他都到通用铁路信号公司的电子实验室做技师。在那儿,他研究了电子跟踪电路(Electronic Track Circuit),并为部分设计提出合理化建议,因此,他的名字也上了专利证书。在另一项应用跟踪电路的照明保护设计项目中,霍夫也获得了专利。1958年,他以获奖论文“晶体管中的电流转换方式”获学士学位。他久闻斯坦福特曼(Frederick Terman )教授的大名,来到了斯坦福大学,在斯坦福的电子工程系攻读硕士和博士学位。

本科时,霍夫很少接触计算机,只选修过一门计算机课程。在斯坦福期间,他对模式识别和图像处理很感兴趣。毕业后作为研究员留在了斯坦福,并与论文导师一起获得了一些专利。霍夫聪颖过人但很谦虚。霍夫的朋友哈罗德·霍依特(Harold Hoyt )在一次校友会上回忆道:“他有一种神奇的力量,只用其他人所用时间的小部分就能解答出复杂的电子工程问题。”在斯坦福,霍夫对计算机发生了浓厚兴趣。为了完成论文,他使用了斯坦福的IBM1620计算机机,这是他第一次有机会编程。1959年,获硕士学位,1962年获博士学位。他的博士论是《适应性神经网络中的学习现象》(Learning Phenomena in Networks of Adaptive Neurons)。此后,霍夫又在斯坦福作了6年的研究员。他的研究之一是和他的论文导师一起研究电化学贮存器,又获得了两项专利。

1968年,英特尔(Intel) 成立。英特尔总裁诺伊斯在搜罗各种研发人员,尤其是有计算机设计背景的人。斯坦福推荐了霍夫。英特尔最初看上的是IBM的一位工程师。但他不愿离开纽约。后来诺伊斯又想请仙童(Fairchild Semiconductor)的一位工程师,但也被谢绝。于是,诺伊斯只得将这位英特尔的未来之星请到了公司,他是英特尔的第十二位员工。

后来,英特尔承认:制造CPU的灵感源于1968年的一部电影,英特尔4004型CPU就是科幻片《2001:奥德赛邀游太空》的主角——得了妄想症的杀人电脑HAL。英特尔是在庆祝CPU诞生30周年纪念日的典礼揭露这个历史秘密的,它说:“1968年的影迷为HAL如痴如醉,它在科幻片中的表现令世人着迷。即使是这部超前的杰出影片,也没有预测到PC及网络技术发展如此之快,今天的一切对那个时代的人来说是不可想象的。”“在那部影片上映后不久,我们公司的工程师特德·霍夫就发明了4004型CPU,它是为日本计算器厂Busicom设计的,它奠定了PC产业的基础。”

微处理器的由来可追溯到50年代末,当时德州仪器(Texas Instruments)的基尔比和仙童半导体的诺依斯同时找到了将大量晶体管及它们间的连线制作在一块硅片上的方法——集成电路。有了集成电路,制造CPU就只是时间问题了。利用集成电路工艺,一个逻辑电路或存贮器,可以制作在一张硅片上。设计者可以把越来越多的晶体管制作在一块硅片上,来实现各种电路功能。这就是今天所有电子产品的基础——大规模集成电路LSI。

当时,霍夫负责英特尔的产品研发,他和一位同事合用一间小实验室。房间里堆着联碳公司的一盒盒元件。当时英特尔的研发重点是半导体存储芯片。

上世纪六七十年代,计算器是高科技办公用品,每台能卖几百美元。日本一家计算器公司Busicom希望英特尔为其高端计算器设计并生产一套芯片。要那么多芯片是因为每块芯片只能完成一个功能,一块负责运算、一块负责存储、一块负责打印输出、一块负责键盘控制。正在设计计算器的Busicom希望获得一套拥有12块特殊芯片的设备,每块芯片上三千到五千个晶体管。公司将向英特尔支付10万美元用于所需设备。Busicom 承诺以每套50美元的价格,至少购买6万套。英特尔同意了。Busicom 公司派了一支工程师团队到英特尔参与设计。

霍夫仔细分析了设计要求后,确信要设计出这套芯片,不可能是这个价格。摩尔(Gordon Moore)对此类业务不感兴趣,他告诉霍夫,如果划不来,就推掉。霍夫不想放弃,有没有方法既能满足客户需求,又能降低设计生产成本呢?霍夫再次认真研究了日本人的方案,他认为设计太复杂了,完全可以设计一款单一的多功能芯片来代替。通过简化设计,能有效降低成本,而且只需修改存储器中的指令,就能让处理器实现不同功能,而不仅仅是用于计算器。霍夫回忆到:“在该项目中,我的职责不包括设计,不久我发现自己身陷其中。我可以不做,当时英特尔刚起步,许多人希望该项目能在财政上成功,我们不想让自己的努力付之东流。”霍夫“对其复杂程度感到惊讶”,他确信在已达成的价格下不可能生产出所需芯片。经过越来越多的思考,霍夫认为自己的单一多功能芯片方案更好。

据说霍夫设计CPU的灵感来自在塔西提岛的海滩,在阳光普照的沙滩,霍夫想着芯片的事。霍夫突然想起一个方案:能不能把仓库、工场和其他东西作在一块芯片上,使处理器(Processor )变小成为微处理器(Microprocessor)呢?为此他设计出了世界上第一个微处理器——CPU。这块芯片有着所有的功能上,再加两个存储芯片,一个存储数据,另一个储存驱动CPU的程序。这个设计不但使计算器变得简单,也大大降低了成本。


Stan Mazor

霍夫把自己的设想告诉了日本人,但他们不卖帐,坚持原方案。霍夫找到诺伊斯,说了他的想法,一个CPU和三块其他芯片就行了。诺伊斯问了一些问题。诺伊斯当时的关注点不在此,但直觉告诉他该方案可行。他鼓励霍夫试一试,还按霍夫的要求让刚从仙童过来的斯坦·麦卓尔(Stan Mazor)协助霍夫设计CPU。诺伊斯很早就有过微处理器的设想。在1960年代未的一次会议上,他就预言过,一个计算机的功能会集成在一块芯片上。当时一位持不同观点的人说:“我不希望我的那台计算机会掉进地板上的一个小洞里。”诺伊斯笑道:“你搞错了。你的书桌上有一百多个计算机,掉一个不算什么。”

当时,业内普遍认为大型机才是大有可为的领域。但霍夫另辟蹊径,他说服了刚从仙童公司跳槽的斯坦·麦卓尔与他合作。霍夫的突破是对芯片组结构的设计。霍夫把一个简单的计算机的整个中央处理单元——CPU,集成在了一块芯片上。他只需再加二块存贮芯片,一个是只读存贮器,另一个是读写存贮器。后来又加了一块输入输出芯片。CPU是一个非常复杂的电路,人称“单片机”,它拥有了所有计算机的逻辑运算功能,其体积只有针尖大小。减少组件的数量不重要,关键在于组织和结构。霍夫说:“真正的关键不在组件的数目,而在于组织,结构概念。你要把一台通用计算机,制造在一个芯片上。”

在英特尔进行该项目的同时,仙童、IBM、Signetics、Four Phase, 以及美国无线电公司(RCA) 也在做。1973年,英特尔申请了CPU专利,Microcomputer公司于1970年申请了一般逻辑性设备的专利,德州仪器于1971年申请了与CPU类似的专利。


Federico Faggin

霍夫的创新在于芯片的结构,不是芯片本身,芯片是费德里科·费金(Federico Faggin )设计出来的。费金是一名天才,意大利移民,只有高中学位。整个结构包括记录、调度、芯片间的联系规则、算术和逻辑运算系统,只把输出输入和程序单元放在了不同的芯片上。霍夫设计出了能够运行常规计算机程序的单片CPU,取代了不同的单个芯片。把承担键盘控制、显示控制、打印控制、算术运算、记录等等功能都集成在了一块芯片上。霍夫的CPU只有1/8英寸长,1/6英寸宽,包括有2250个晶体管,但它的功能超过了ENIAC,它运行起来同60年代价值30万美元的IBM计算机一样,但后者的CPU像桌子一样大。

与八人帮中的拉斯特(Jay Last)一样,费金是一位擅长将想法变为产品的天才。霍夫的设计很快由费金在硅片上实现了。芯片本身——在芯片上用晶体管实现的电路——是费金的成果。1970年春,费金完成了芯片的设计。1971年1月,第一个真正可以运转的CPU4004诞生了。随后,费金主持开发了后续的8位处理器8008和8080。今天,人们常将CPU芯片的发明归功于霍夫,实际上费金功不可抹,他独立完成了芯片的具体设计,并最终使其成为产品。


最初的4004广告

4004的第一个4是指这是4位CPU,后一个4是指这是英特尔制造的第4个专用芯片。4004只是Intel MCS-4系列的其中一块芯片,它需要与另外三块芯片协同工作,包括用于存储数据的4001(动态随机存储器DRAM)、用于保存用户指令的4002(只读存储器ROM)和用于处理I/O接口的4003(寄存器Register)。4004是最关键的中央处理器芯片,用户只需改变一下4002中的指令,就可以让4004实现不同功能。4004采用的是10微米的工艺,有2250个晶体管,时钟频率为74KHz,每秒可执行6万次运算,售价200美元。这是一款划时代的产品。作为历史上第一款微处理器芯片,4004在电子计算机的发展史上,掀开了崭新的一页。

4004是现代计算机小型化的关键性一步,此后由CPU担纲的计算机成了主流。今天,英特尔的CPU时钟频率已达到3GHz,数字处理能力达64位。芯片上的晶体管的尺寸只有几十个纳米,几百个原子的大小,其栅极的氧化层只有十个氧原子的厚度。过去上百吨的庞然大物ENIAC计算机,如今已成了平常百姓的日用品了。


2010年10月,CPU的共同发明人霍夫、费金、麦卓尔从奥巴马总统手中接过美国国家技术创新奖章。

1971年8月,诺伊斯致电Busicom总裁久野小岛(Yoshiokojima)提醒他,该电路的复杂性意味着不可能以50美元生产这些芯片。根据他们的设计方案,每套芯片的成本为300美元。10月,Busicom 的两名高管来英特尔审查两个方案。英特尔的设计为4块芯片,最复杂的芯片有2250个晶体管,成本155美元。Busicom 设计方案的成本是其一倍,要12到15块芯片,每块芯片二千个晶体管。Busicom 高管放弃了自己的方案,选择了英特尔方案。英特尔与Busicom正式签订合同,英特尔按霍夫和麦卓尔的设计方案为Busicom生产处理器芯片,CPU的专利权将归Busicom公司独家拥有。

在英特尔与Busicom签约时,计算机终端公司(Computer Terminal Corporation,CTC)找到英特尔,希望能为他们研制可编程的计算机终端开发一款CPU。为此,霍夫被诺伊斯调来负责CTC的这一新项目。

当4004系列芯片样板送到日本时,Busicom 以英特尔延迟交货为由,拒绝按一年前的价格收货。事实上,当时计算器市场价格大幅跳水,Busicom 公司要降低成本,便希望以过了交货期为由杀价。趁此机会,霍夫、麦卓尔及费金怂恿英特尔与Busicom 谈判,英特尔同意降价,Busicom 放弃了4004的独占权。Busicom 未能意识到CPU的潜在价值,答应了这一条件。固守计算器市场的Busicom公司,丧失了千载难逢的进军CPU市场的机遇,于1974年黯然倒闭。

英特尔的另一项发明促进了霍夫的芯片,提高了它的竞争力。这就是EPROM (Electrical Programmable Read Only Memory 可编程式只读存贮器)。它是由英特尔的多夫·福拉曼(Dov Frohman)发明的。此前,计算机的存贮器几乎是永久性的,很难改变。现在,有了 EPROM,使读写功能和重新编程成为可能。在EPROM之前,只有不稳定的读写存贮器、从工厂定做的只读存贮器和一次性可编程只读存贮器。现在任何人都可以使用EPROM来重新编程而不需要编程去除错误部分。

不久,霍夫和麦卓尔为计算机终端公司设计了一种比4004更强大的CPU——8008。1972年4月,英特尔推出时钟频率200千赫兹的8008CPU,还是10微米技术,晶体管总数增至3500个,内存160KB,在13.5平方毫米的硅片上能执行45种指令。这是真正的微处理器CPU。

但英特尔销售部门并不认为CPU会有好销路,他们认为不值得去生产和推销CPU。他们向霍夫解释说,他不过是电脑业的一个后生,当时每年只能卖掉2000台微电脑,如果英特尔出售他的芯片,那么可能有10%的市场。另外,这样一个要50-100美元成本的芯片怎么能够弥补开发费用呢?当时,PC还未诞生。没人知道PC的未来。以至于没有人,甚至霍夫和他的同事们,能预测霍夫的CPU将会引发计算机和电子工业的一场革命。当时的人们习惯于把计算机想成价值上百万美元的大宗商品,还需要专家来操作和维修。一个在那么便宜的芯片上的计算机,对大多数人来说太不可思议了。


Dov Frohman

尽管霍夫等人在不断催促,但因为4004没有市场需求,英特尔迟迟没有把它推向市场。“我们每个月都向销售部门提出要求,但他们每次商议的结果都是——暂不公布”。最后曾在德州仪器任职的爱德华·盖尔博(Edward Gelbach)出任英特尔销售部主任后,销售部门的态度才积极起来。

要让人们接受CPU绝非易事。1972年,人们开始注意到它了。1972年3月,即英特尔公布4004后4个月,德州仪器公司推出8位的CPU,两家公司产生了争执。最后,英特尔获得了专利权。但霍夫说:“我并不认为一旦为微处理器申请了专利后,就可以声称拥有了微处理器的一切”。

对于霍夫的发明,当时的英特尔高层很多人并不支持。当时英特尔的主营业务是以DRAM为代表的半导体存储器,安迪·格鲁夫(Andy Grove)对CPU很不感冒,他声称:“CPU 对我而言没有任何意义,我为存储器的量产而生,也会为其而死。”不过,市场的反应出乎英特尔的意料,当它在4004广告中宣称这款产品将开创“集成电子——芯片上的微型可编程计算机的新纪元”后,有五千多人立刻写信与英特尔取得联系,希望获得更多有关4004的信息。这种受到业界热捧的现象很快让英特尔认识到了CPU的价值。

1971年11月15日,公司上市后一个月,英特尔发布了CPU,广告宣传非常大胆,称“集成电子——芯片上的微型可编程计算机的新纪元”到来了。五千多人给英特尔写信要求更多的CPU信息,这是英特尔产品发布经历过的最强烈的反响。

在CPU之前,英特尔客户的设计人员把单一功能的芯片组装成一个系统。更改系统时,需要改变硬件的安排。使用英特尔CPU后,则不需要更改硬件,只要更改存储在程序存储器中的指令就能实现。CPU将软件带入了行业。使CPU的客户大增。早期的CPU大多用于控制设备,而不是计算机。1971年末,英特尔聘用了一位营销与公共关系专家里吉斯·麦肯纳(Regis McKenna )为CPU制定销售规划。麦肯纳为CPU制订了专门的市场运作方案。他为4004制订了100多页的用户手册,其他的英特尔芯片的相关手册都不到10页。英特尔寄出的用户手册超过了CPU的实际销售量。英特尔还举办了一系列关于CPU的技术研讨会。很快工业界开始接受CPU了,甚至通用汽车公司,都用上了4004。

英特尔推出4004时,摩尔用少有的夸张口气说到:“这是人类史上最具革命性的产物,我们才是这个时代的革命者,而不是那些在伯克利和其他地方留着长发闹事的学生。”摩尔说的不错,正是这一款单一晶片上的计算机,改变了人们的生活方式,引领了第三次工业革命。而肖克利、诺伊斯、基尔比、摩尔、霍夫才是真正意义上的革命者。

1972年,西雅图的两个高中生,买下了4004的下一个版本8008,他们要用它来计算街道上的车辆流量。为此,他们成立了一家名为Traf-0 Data的公司,但没有成功。几年后,还是这两个年轻人成立了第二家公司——微软。他们就是比尔·盖茨(Bill Gates)和保罗·艾伦(Paul Allan),后来他们与英特尔结下了不解之缘。今天,盖茨的办公室里,还挂着英特尔当初的芯片广告。


Bill Gates and Paul Allen in 1981

霍夫等人继续加以改进。英特尔开始意识到霍夫的CPU应用前景是无限的。1973年8月,8080问世。首次使用了MOS技术,8080成为有史以来最成功的CPU 之一,这也是第一个真正的通用微处理器,是20世纪最后25年里的一项最具有划时代意义的发明。功能是8008 的十倍,每秒能执行29 万条指令,由64字节的可设定地址存储器,最初售价360美元,但成本不到25美元。芯片的销量扶摇直上。8080真正地推动了微机市场。很快8080就成了工业标准,英特尔占领了80%的市场。一段时间里,英特尔甚至用8080作为其电话的最后四位。

计算机爱好者、电脑DIY始祖爱德华·罗伯茨(Henry Edward Roberts)以8080为核心,于当年装配出了世界上第一台PC——Altair 8800, 被美国《大众电子》(Popular Electrinics)杂志称为“世界上第一台堪与商业机相媲美的以成套形式提供的小型计算机”,这个创举使得很多人都开始了购买CPU等散件、自己制造PC并为其开发软件。当时还未满20岁的比尔·盖茨是这些人中的一员,他和好友保罗·艾伦为Altair 8800成功地开发出了BASIC语言,这两个年青人此前就花了376美元购买了一块8008进行编程。英特尔发明的CPU,促成了PC的诞生,也成就了软件产业。

霍夫说:“我对微处理器在PC上的应用也非常惊讶。我没有想到人们会仅仅为了业余爱好而买PC,随着影像游艺机的发展,PC成为人们的又一种娱乐工具。任何一位发明家如果能够创造出什么来提供给人们娱乐,他就能获得成功。”1969年,霍夫研制第一种CPU时,很难把程序员吸引到他的研究组来。因为大家都把精力集中到大型机上。但如今每天都有程序员迈进霍夫的房间,要为CPU编程。


Henry Edward Roberts and Altair 8800

霍夫很快就意识到了这是一场革命:“我们正处于一场革命,它将持续50―100年。今天的年轻人正在成长起来,他们对计算机不再感到害怕,他们将把计算机的使用范围进一步扩大。”

1982 年底,霍夫宣布他将离开自己工作了14年的英特尔。他说他需要变换一下工作环境。他接受了硅谷另一家公司阿塔里(Atari )的聘请,任公司副总裁,负责研发。因为阿塔里有志将计算机推向家庭,而消费市场是霍夫最感兴趣的领域。

但霍夫的运气并不好,1984年7月,该公司就被卖掉了。霍夫开始从事一些独立的咨询和研究工作。他将加州阳光谷(Sunnyvale)家中的车库,改成了实验室。他说他在车库里就可以制造几乎任何想制造的东西。

当他被问到最近在做什么研究时,霍夫总是含糊地说:“我已经研究了计算机界面的方方面面,并准备将计算机应用带入更高的境界。”他幻想有一天计算机能代替日常生活中绝大部分艰苦的工作。

1983年,霍夫因发明了CPU而成为第三个获得伦塞勒理工学院戴维斯杰出工程成就奖的人。

有关《硅谷传奇》和Ted Hoff的参考资料。

华夏文摘第一二三八期(cm1501b)




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