Intel viert 40e verjaardag 4004-microprocessor

De eerste commercieel verkrijgbare microprocessor viert zijn veertigste verjaardag. Chipfabrikant Intel bracht op 15 november 1971 de Intel 4004 uit, een 4bit-cpu met 2300 transistors, een kloksnelheid van 740kHz en een 16-pins connector.

Het ontwerp van de Intel 4004-processor is voor een groot deel gebaseerd op werk van Marcian Hoff - werknemer nummer 12 - en Federico Faggin. De chipontwerpers paste de zogenaamde Silicon Gate-technologie toe op de 4004. Deze techniek, die het mogelijk maakt om meerdere transistors met een hogere kloksnelheid te gebruiken, zou door Intel later ook toegepast worden in de 8008- en 8080-processors.

De 4004 was de eerste halfgeleider die alle onderdelen van een central processor unit, zoals de rom-module en een ram-eenheid, in één chip wist te verpakken. In totaal waren 2300 transistors in de 4004 opgenomen, destijds een record. De kloksnelheid van Intels eerste cpu bedroeg 740kHz, waarbij een spanning nodig was van 15V.

De 4004-processor kon uitsluitend 4bit-berekeningen uitvoeren, waardoor voor 8bit-berekeningen in totaal acht klokcycli nodig waren. Het aantal instructies dat de cpu per seconde kon verwerken bedroeg maximaal 92600, terwijl Intel de 4004 voorzien had van een instructieset van 46 instructies.

De 4004, die met 10 micron techniek werd gemaakt, was uiteindelijk in 1971 pas echt af. In de jaren ervoor werd er door Hoff en Faggin al wel aan het ontwerp gewerkt. Eind december 1970 ontving Hoff de eerste wafers voor de 4004, maar deze werkten niet. Enkele maanden later zou Faggin 's nachts om vier uur zijn vrouw wakker bellen om te vertellen dat het gelukt was. In de eerste lichting 4004's die wel werkten, stonden de initialen FF rechtsonderin gekrast.

Overigens is het nog maar de vraag of de 4004 ooit zou zijn ontwikkeld als Hoff niet was benaderd door Busicom, een Japanse fabrikant van rekenmachines die in de markt was voor een nieuwe chip. Intel dacht voor die order in eerste instantie aan een ontwerp dat uit twaalf bouwstenen bestond, maar Hoff wist het geheel terug te brengen tot vier onderdelen, die op één enkele chip geplaatst werden.

Hoewel het 4004-processorontwerp voor het eerst toegepast werd in de Busicom 141-PF-calculator, zou nog drie jaar en vier chipgeneraties duren voordat een van Intels processors in een commercieel verkrijgbare pc zou worden gebruikt. In de loop der jaren werden minder complexe varianten van de 4004-processor uitgebracht die onder andere de typenummers 4001, 4002 en 4003 kregen opgeplakt. De Intel 4004-processorfamilie werd door de chipfabrikant nog tot 1981 commercieel aangeboden.

Reacties (71)

[sygys]

hadden deze processors ook al die dikke koeling nodig die ze tegenwoordig gebruiken? Ik doe veel met pic processors althans ik programmeer ze voor bijvoorbeeld het aansturen van dingen die de kinderen maken hier op de electro hobby club. bijvoorbeeld om ledjes te laten knipperen enzo. het is wel grappig als je ziet hoe de vooruitgang van deze CPU's zo snel is gegaan de laatste tijd. alles wordt steeds sneller en kleiner... maar ook nog altijd steeds heter.

[Reactie gewijzigd door sygys op 25 juli 2024 04:47]

[synthdood]

Warmte in een chip ontstaat voornamelijk op de klokflanken. Het aantal flanken (en dus de kloksnelheid) in combinatie met het aantal transistoren en de spanning bepaalt dus in grote mate de warmteontwikkeling. Vergelijk de 4004 eens met een i7: 2.300@740KHz vs 731.000.000@3,3GHz De i7 heeft dus ruim 317 duizend maal zoveel transistoren en draait ongeveer 4500 keer zo snel. Even wat grofstoffelijke wiskunde van de koude grond. De warmteontwikkeleing van een i7 zou ongeveer (klokfactor x aantal transistor factor) / (verhouding voedinsspanning) = (317.000x4500)/(15/5) = 475 miljoen keer zo groot zijn als die van de 4004.

Vergeef me de onwetenschappelijke benadering, maar zelfs als ik er een factor 1000 naast zit geeft het wel aan hoe enorm groot het verschil is. Conclusie: de 4004 werd vast niet erg warm

[Fawn]

Je houdt geen rekening met de grootte van het procedé. Als er nu op nanometerschaal wordt gewerkt scheelt dit aanzienlijk in het energieverbruik per transistor.

[YopY]

Nu wil ik weer weten hoe groot een I7 zou zijn als hij met hetzelfde procede als de 4004 gebouwd zou zijn .

(en een 4004 op het procede van de i7)

[Reactie gewijzigd door YopY op 25 juli 2024 04:47]

[CopperCAT]

De i7 op 32nm rechtstreeks op 10µm zetten zou de afmetingen 312x groter maken. Volgens wikipedia heeft de i7 een die size van 216mm². De core is nogal rechthoekig dus stel bij benadering 10.5mm op 21mm.

Op het 4004 proces zou die dus 3276 x 6552mm zijn oftwel 3.2m op 6.5 meter

[ejabberd]

Op het 4004 proces zou die dus 3276 x 6552mm zijn oftwel 3.2m op 6.5 meter

Ik denk dat je de i7 op dat formaat passief zou kunnen koelen

[elteck]

En die voedingspanning van 15V, naar nu +/- 1V....

[batteries4ever]

Nou ja, weten we ook weer waarom de huidige processoren op 15V tamelijk heet worden (heel even maar......).zie ook opmerking van Fawn.

[Sharky]

Ik denk dat deze chips gewoon passief gekoeld werden. Als je kijkt naar de kloksnelheid en het feit dat ze in rekenmachines werden gebruikt lijkt het me dat hier geen enorme heatsink/fan-combo opzat.
En was het deze chip die afrondings-/rekenfouten maakte? Ik weet dat een van de eerste chips van Intel fouten maakte wat het bedrijf bijna de kop kostte.

[iMispel]

Nope, was in de Pentium dit: link
Het gebeurt bij andere fabrikanten trouwens ook hoor dat er fouten in het chip ontwerp sluipen: bv, de TLB van AMD. Met de huidige complexiteit kan ik me best wel voorstellen dat nog steeds kleine fouten in CPU ontwerpen zitten, maar zodanig zeldzaam voorkomen dat ze bijna niet te ontdekken zijn. (als men enkel nog maar het aantal mogelijke inputs van 1 enkele 64bits operand neemt en verondstelt dat aan 4Ghz werkelijk 4 miljard berekeningen per seconde kan uitvoeren, dan duurt het 2^64/((4*10^9)*3600*24*365) - 146 jaar om ze allemaal te testen. Met2 operanten en meerdere instructies wordt dit dus volledig onmogelijk.

edit:
Mijn bereking was ook maar het simpelste voorbeeld: Stel 2 64bits getallen optellen (=2^128 mogelijkheden), en we kunnen een jaar testen, 4 miljard 'tests' per seconde per execution core. Wil je het aantal nodige cores berekenen? (hint: 10^21). Dit is ook nog maar een heel simpel voobeeld, geen rekening houdend met de volgorde waarin verschillende waarin instructies uitgevoerd worden en het antal mogelijke instructies. branch prediction, enz...Dan zou je een getal uitkomen die nog stukken hoger dan het voorgaande (btw: Wikipedia schat het aantal atomen in het universum op 10^80)

[Reactie gewijzigd door iMispel op 25 juli 2024 04:47]

[ATS]

Test er 1000 parallel je kan het in 0,15 jaar. Dat is net iets meer dan een maand...

[Ralph Smeets]

Huidige cpu's zijn erg complex. Het is heel goed mogelijk dat een instructie die je 10 klok-tikken eerder hebt gestart, in combinatie met een instructie die je 3 klok-tikken eerder hebt gestart problemen veroorzaken met een instructie die je nu start. Uit ervaring, (ik heb cpu's getest), zul je heel wat combinatie moeten uitvoeren om achter dit soort fouten te komen. Zoveel dat het onmogelijk is om ze allemaal te testen. Zelfs al zou je duizend cpu's inzetten. Vergeet niet dat het testen van een nieuwe cpu gebeurt voordat deze gefabriceert is. Dat testen gebeurt via simulaties, waarbij je blij mag zijn als je 10 instructies per seconde kunt uitvoeren. En ja, als je hieraan begint, dan gebruik je snel honderden werkstations in parallel en zet je andere middelen als emulatie in om wat sneller te gaan.

Feit blijft dat het onmogelijk is om alles te testen.

[Teigetje!]

Niet onmogelijk maar wel ondoenlijk. De tijd en middelen die het kost zijn exorbitant maar geheel onmogelijk is het niet.

[mad_max234]

Nope, was in de Pentium dit: link
Het gebeurt bij andere fabrikanten trouwens ook hoor dat er fouten in het chip ontwerp sluipen: bv, de TLB van AMD. Met de huidige complexiteit kan ik me best wel voorstellen dat nog steeds kleine fouten in CPU ontwerpen zitten, maar zodanig zeldzaam voorkomen dat ze bijna niet te ontdekken zijn. (als men enkel nog maar het aantal mogelijke inputs van 1 enkele 64bits operand neemt en verondstelt dat aan 4Ghz werkelijk 4 miljard berekeningen per seconde kan uitvoeren, dan duurt het 2^64/((4*10^9)*3600*24*365) - 146 jaar om ze allemaal te testen. Met2 operanten en meerdere instructies wordt dit dus volledig onmogelijk.

Elke cpu heeft tot nu toe bugs gehad, sandy bridge heeft waarschijnlijk net als de Conroe en Penryn 100+ bugs openstaan tijdens de introductie. Deze worden niet opgelost alleen de ergste die echt problemen veroorzaken word omheen gewerkt door microcodes, pas in ergste geval word een respin gedaan als het niet op te lossen is met microcodes en de bug te veel impact heeft op de werking.

Maar alle andere bugs blijven er gewoon inzitten, of worden door microcode tijdens het starten van de je systeem opgelost zodat de gebruiker er geen last van heeft.

Edit/
Je berekening slaat nergens op, bijvoorbeeld AMD cpu's worden getest door clusters GPU's die AMD daar speciaal voor heeft ontwikkeld, voorheen werd dat gedaan met clusters cpu's maar GPU kan dat vele male sneller.

En die 4miljard IPS is ook veel en veel te veel.
Intel Core i7 Extreme 965EE 76,383 MIPS at 3.2 GHz

Ter vergelijking met de 4004.
Intel 4004 92 kIPS at 740 kHz

[Reactie gewijzigd door mad_max234 op 25 juli 2024 04:47]

[CDL76]

Dat was de FDIV bug, die zat in de eerste P1 processoren, vele jaren na de 4004 dus, inmiddels zijn de chips met FDIV geld waard voor verzamelaars, dus mocht je er nog 1 hebben.

Thuis nog een pc met een 8080 geweldig ding.

@sygys de 4004 had helemaal geen koeling net als de daaropvolgende chips, pas vanaf de 386 is er passiefe koeling gekomen.

[bramfm]

Weet je zeker dat dit een 8080 betreft? Een PC met een 8088 of 8086 kan ik mij eerder voorstellen als je IBM's definitie van PC volgt. De 8080 was de opvolger van de 8008.

[pe1dnn]

De 8080 is nogal een ander ding dan een 8086 en 8088. 8080 is een 8 bit processor terwijl de 8086 en 8088 16 bit zijn (waarvan de laatste met 8 bit databus, de goedkopere variant van de 8086).

Hoewel de 8080 de 1e volwassen microprocessor was is de 8080 vooral bekend geworden na het weglopen van Intel ontwerpers in de vorm van de uitgebreidere versie van Zilog: de Z80. Z80 heeft alle 8080 instructies plus nog een extra set 16 bit IX en IY registers waarop dezelfde bewerkingen kunnen worden gedaan als het HL registerpaar.

Z80 wordt tot de dag van vandaag nog steeds gebuikt maar was begin jaren 80 mateloos populair en draaide o.a. CP/M waarvoor later een 16 bit kloon verscheen onder de naam PCDOS. Ook zat deze processor op veel experimenteerbordjes zoals de Micro professor http://en.wikipedia.org/wiki/Micro-Professor_MPF-I en natuurlijk in de Sinclair computers.

Naast de extra registers hadden de 8080 en Z80 een verschil in mnemonic notatie. 8080 gebruike "mov" om een register te laden waar Z80 "ld" gebruikte. "mov B, A" is gelijk aan "ld A, B". Dit was alleen op assembly language taal een verschil, de binaire representatie van beide is identiek.

De kans dat je een Z80 tegenkomt is vele malen groter dan een 8080. Ik denk dat een 8080 computer ook een veel grotere museumwaarde heeft.

Overigens, als je je vinger op een 4 MHz Z80 houdt dan voel je dat hij heet wordt, echter tot en met de 80286 hadden processoren vrijwel nooit andere koeling dan de eigen package.

[elteck]

Nu voel ik me toch wel oud..... Ik heb ook de nodige uren op een Z80 doorgebracht (Wie kent de MSX nog?). Wel lekker stil toen nog, lineaire voeding, geen enkele ventilator. Heb er ooit nog m'n boekverslagen voor de middelbare school op geschreven, en heel wat assambly (machine taal noemden we dat toen nog) progrogrammas. De Z80 heeft een dubbele register set, die je kan omwisselen. Dat was heel handig in subroutines.

Dat was een leuke tijd, die eerste computers hadden nog iets magisch. Het was ook de tijd dat ieder dorp nog z'n eigen radio piraat had, die kat en muis spel speelde met de RCD (Radio Controle Dienst). Mischien was het, omdat ik kind was, dat ik het toen nog iets magisch vond. Gelukkig hebben we nu verstrengeling en super string theorie. Ik zou niet in een wereld zonder een vleugje magie willen leven.

[Fido]

Hoewel geen Intel, had ik een AMD 80286 (16 MHz) processor waar een heatsink op zat.
(deze)

[Reactie gewijzigd door Fido op 25 juli 2024 04:47]

[bramfm]

De foto waar je naar verwijst toont een keramische behuizing die alleen afgesloten kan worden met een kapje na bonding (ipv plastic molding), in mijn ogen geen heatsink. Zie plaatje:
http://ummr.altervista.org/images/DSCN5989.JPG
Bij ICs waar een heatsink wordt gebruikt is Flip chip technolgie meer gebruikelijk ipv bonding. In de tijd van de 386 was flip chip technologie nog niet commercieel beschikbaar.

Flip-chip:
http://www.electroiq.com/...r-thermal-management.html

[edit] Toevoeging Flip-chip

[Reactie gewijzigd door bramfm op 25 juli 2024 04:47]

[Fido]

Hmm.. helaas geen betere foto kunnen vinden, maar in deze afbeelding midden onderin zie je de heatsink waar de processor onder zat. De afbeelding in mijn vorige post laat de onderkant van de processor zien. De heatsink werd dus geklemd op de andere kant.

[edit] Typo

[Reactie gewijzigd door Fido op 25 juli 2024 04:47]

[Royale de Luxe]

de eerste verplicht heatsink kwam er met het gebruik van de 486DX reeks van Intel. tot dan kon je CPU's gewoon zonder meer op het moederbord pluggen.

[BamSlam_]

Sterker nog, er zat helemaal geen koelblok op. Zo heet werden ze niet. Die hele koelmania voor thuiscomputers is pas eind jaren '90 ontstaan.

[Anoniem: 271482]

Alleen de 33Mhz+ 486 CPU's hadden iets aan een koeling. Ik heb een IBM/Cyrix DX2/80 gehad die gewoon 24/7 draaide zonder koeling, werd wel warm, maar binnen de perken.

[bolluserectus]

De clonen zoals AMD en Cyrix werden inderdaad veel warmer..

[i8086]

Nee, andersom dus: De IBM/Cyrix 486DX2 waar Maikel het over heeft kon 80 Mhz draaien met een simpel koelblokje terwijl de Intel 486DX2 maar 66 Mhz kon en ook nog eens een fan nodig had. Ik had destijds een 66 Mhz AMD overgeclocked naar 84 Mhz, wel met een fan weliswaar.

[SRI]

Heter hangt beetje af van wat je zoekt en je ermee doet. Het verbruik voor videokaarten is de laatste tijd wel ernstig gestegen maar geloof dat top processors al lange tijd rond de 130 max zitten, daarna iets van 95 en 65 voor de midrange en energiezuinig van 35 en lager.

Deze processor zou waarschijnlijk niet denderend heet worden ook al is 15 volt erop zetten wel erg veel in vergelijking tot nu, er zitten ook maar weinig transistors in,.. maar ik durf niet met zekerheid te zeggen of hij wel of niet heet wordt...

En als die dingen op de hobby club te heet worden voor een paar ledjes... misschien gewoon de kloksnelheid omlaag zetten? De laatste keer dat ik een chip had die veels te heet werd was omdat ik er 15 volt opzette in plaats van de vereiste 5 volt... maar dat is logisch.

[scsirob]

Nee, die dingen werden niet erg warm. Wel grappig dat je LEDjes aanhaalt, die waren rond de introductie van de 4004 nog nauwelijks commercieel verkrijgbaar..

Overigens kan je ook nu nog processortjes kopen in 16-pin behuizing (en zelfs nog kleiner) die op kloksnelheden tot 20MHz lopen, ergens tussen de 1.8V en 5V voeding nodig hebben en totaal niet warm worden. Kijk naar Atmel AVR of Microchip PIC processortjes.

[Anoniem: 295700]

Ga dan niet met hobby spul aan de gang :-) Je hebt voor hetzelfde geld een ARM Cortex microcontroller die op 50MHz of meer loopt en met 32 bits werkt.

[Iska]

Als je review leest over de Core i7-3960X, zie je op de pagina over verbuik dat de proc. gemiddeld 272W had verbruikt! Al moet ik zeggen dat dat ook wel weer uitzonderlijk veel is

[skelleniels]

En denk je niet dat dat over het volledige systeem gaat?

[Aham brahmasmi]

Steeds heter? Steeds zuiniger juist, alleen wordt de hoeveelheid transistoren ook steeds opgeschroeft om de rekenkracht groter te maken.

[Maasluip]

Nee. Dit waren de meest simpele chips die je kunt bedenken, gewoon een 16-pins DIL.
Plaatje: http://retrothing.typepad...categorized/intel4004.jpg

Koelingblokken voor (Intel) processoren kwamen pas bij de 80486.

[Flappiewappie]

Mooi ook om te zien dat dit ding ook gewoon 10 jaar is mee gegaan. Zul je nu niet meer zo snel tegenkomen.

[Domino]

Waarom niet?

In het artikel staat 'commercieel aangeboden', niet mainstream. Ik weet zeker dat je nu bij Intel nog steeds P6 CPU's kan kopen.

Tot voor kort hadden ze zelfs nog 486 CPU's op voorraad, al waren die alleen bestemd voor de Space Shuttle.

[Blokker_1999]

Men is "recent" gestopt met de productie van P1s bij intel. Maar AMD maakt nog altijd 486s geloof ik. Heb van de week nog nieuwe CPU borden zien passeren in men magazijn met een 486 op van AMD.

--- edit ---
scrap that last. De Intel 486 is uit productie gegaan in 2007 terwijl de pentium reeds uit productie werd genomen in 1999

[Reactie gewijzigd door Blokker_1999 op 25 juli 2024 04:47]

[Pmf1971]

De Hubble ruimtetelescoop draaide tot voor kort op een 386 CPU! Wel Radiation-hardened, dus een DURE.

Alleen met de laatste servicebeurt kreeg de hubble een snellere CPU om de grotere beeldsensor aan te kunnen qua pixelverwerking.

[Carbon]

Tot voor kort hadden ze zelfs nog 486 CPU's op voorraad, al waren die alleen bestemd voor de Space Shuttle.

De Space Shuttle maakt(e) gebruik van 386, 1802 en 6502 CPU's

De Hubble telescoop maakt gebruik van een 486

Bron: SPACE COMPUTERS

[Reactie gewijzigd door Carbon op 25 juli 2024 04:47]

[Wolfos]

Core 2 Duo is anders nog goed genoeg voor de meeste mensen, en die is ook al 5 jaar oud. Ondertussen wil ik er wel van af, maar ik denk niet dat hij in 5 jaar al te traag word voor mainstream gebruik.

[isama]

ik vind mijn e8400 inderdaad prima, ik kan er ook nog prima op gamen, helaas is de videokaart nu de bottleneck, maar de cpu doet het de komende paar jaar nog prima hoop ik.

ot: feli intel, geven jullie nu ook een 40th aniversery edition uit? ik zou het leuk vinden om een 4 bit rekenmachine te maken

[Trommelrem]

Zijn de huidige Intel chips nog compatible met software geschreven voor de 4004, 8008, 8080 en 8085? De huidige Intels zijn wel compatible met de 8088/8086.

[MSalters]

Niet in de minste mate. De 8086 was al niet compatibel met de 8085. Nu moet er bij worden gezegd dat de conversie vrij simpel was.

[Anoniem: 48923]

super chip dit...Leuk om te knutselen met dit soort (oude) chips.

[Greyfox]

Koeling?
hahahaha, daar was men nog helemaal niet mee bezig omdat het niet nodig was.

Dit karakteristieke plaatje van een IC is trouwens wel het symbool voor 'chips' geworden voor de gewone consument.

#vervlogentijden

[Xanquezer]

Het blijft oud, maar toch erg interessant! Gefeliciteert met de veertigste verjaardag!

[Reactie gewijzigd door Xanquezer op 25 juli 2024 04:47]

[Anoniem: 16225]

Toch wel erg leuk hoor deze oude elektronica, pas nog aan een printplaatje van mijn kachel gesleuteld (uit 1984), heerlijk gewoon een dubbelzijdige printplaatje met wat elco's, oude chipjes (met boorgaatjes op print bevestigd), wat potmeters, gewoon netjes overzichtelijk heerlijk en makkelijk te repareren. Moet je nu eens een apparaat open maken, minimaal 4 layers, alles smd, klein, beter weggooien en een nieuw apparaat kopen.

[Game_overrr]

Zo goedkoop zijn ze tegenwoordig,om het weg te gooien. Dat is ook een ding wat zeker is.

[RoadRunner84]

Gefeliciteerd 4004!

[Frag1le]

Transistor Count
Transistor CountIn 1971, the Intel 4004 processor held 2,300 transistors. In 2010, an Intel Core processor that includes a 32nm processing die with second-generation High-k metal gate silicon technology holds 560 million transistors.

Vraagt zich af waar we over 40 jaar zijn...

[Left]

De meest geavanceerde Intel I7's hebben nu zo'n 2 miljard transistors aan boord.
Als je de wet van Moore doortrekt (aantal verdubbelt per 2 jaar) dan hebben cpu's over 40 jaar ongeveer een miljoen keer zoveel transistors, dus 2 * 10^15 transistors.

[Countess]

moore gaat het echter geen 40 jaar meer uithouden. we zitten veel te dicht tegen de atomaire grens aan.

[Free rider]

Gezien de die-foto's (foto's van de chiplayout) wordt er nog steeds twee-dimensionaal gewerkt. Wanneer zou men de derde dimensie ontdekken en in de hoogte gaan werken?

[Alex3]

Dan wordt het lastig de warmte af te voeren.

[boner]

jij denkt zo 2D.... WIe weet kunnen we dan wel te transistoren stapelen oid.....

ALs er 1 industrie is die steeds heeft bewezen dat kannietzeggers ongelijk hebben is het wel de chipindustrie.

[dacken]

Deze processor heeft dus 2300 transistors. Een revolutie voor die tijd.

In 2010, an Intel Core processor that includes a 32nm processing die with second-
generation High-k metal gate silicon technology holds 560 million transistors.

Onvoorstelbaar hoe hard dit gaat!

[kh65]

En net enkele dagen geleden kwam de Sandy Bridge e-series CPU uit.
2.27 miljard transistors...
Dus dat is een factor 1.000.000 in 40 jaar...
Over 40 jaar nog een factor 1000.000 keer zoveel transistors?
Lijkt me onwaarschijnlijk.
Maar dat dachten ze in 1971 vast ook over 2,27 miljard!

[Reactie gewijzigd door kh65 op 25 juli 2024 04:47]

[Timfonie]

Voor wie een overzicht wil van de ontwikkelingen van microprocessors over de jaren heen, met type, jaartal, het aantal transistors, oppervlakte en ets-proces:

Wikipedia: Transistor Count

En inderdaad de 4004 bovenaan de lijst.

[Reactie gewijzigd door Timfonie op 25 juli 2024 04:47]