اولین ریزپردازنده چگونه و توسط چه کسی احتراع شد

اختراع ریزپردازنده (Microprocessor) را می‌توان یکی از مهم‌ترین نقاط عطف در زمینه تکنولوژی تاریخ معاصر خواند. نقطه‌ی عطفی که پردازش کامپیوتری را به مرحله ای جدید و انقلابی رساند.

ریزپردازنده همیشه به‌عنوان یکی از مهم‌ترین و تاثیرگذارترین اختراعات تاریخ مهندسی شناخته شده است. نکته‌ی جالب این است که تفاوت در تعریف این عبارت، باعث شده تا افراد متعددی به‌عنوان مخترع این قطعه‌ی کامپیوتری شناخته شوند. در این میان، کاربرد اصلی کلمه‌ی ریزپردازنده یا Microprocessor بیان‌کننده‌ی کامپیوتری است که از یک معماری ریزبرنامه‌ریزی‌شده (Microprogrammed) استفاده می‌کند. اصطلاح ریزبرنامه‌ریزی، تکنیکی است که برای اولین بار توسط ماریس ویلکرز در سال 1951 مطرح شد.

شرکت Viatran Computer Systems برای اولین بار در سال 1968 از اصطلاح ریزپردازنده برای توضیح دستگاه‌های خود موسوم به System 21 استفاده کرد. کاربرد مدرن این اصطلاح، توضیحی بر واحد ریزپردازش معروف کامپیوترها است؛ همان قطعه‌ی سیلیکونی در هر کامپیوتر که تمام عملیات منطقی سیستم کامپیوتر را انجام می‌دهد. رسانه‌های امروزی از اصطلاح “کامپیوتر روی تراشه” برای آن استفاده می‌کنند.

در این مقاله‌ ی آرسس، مروری بر تاریخچه‌ی این اصطلاح و قطعه خواهیم داشت. این تاریخچه، شامل اولین رویکردها برای ترکیب قطعات سازنده‌ی کامپیوتر روی تراشه‌های کوچک و کوچک‌تر الکترونیک است. در واقع این تاریخچه، روند تشکیل ریزپردازنده‌ها را توضیح می‌دهد.

ادغام تراشه‌های کامپیوتری

یک کامپیوتر همه‌کاره (General Purpose Computer) از سه بلوک عملیاتی پایه‌ای تشکیل شده است. واحد مرکزی پردازش یا همان CPU که عملیات کنترل منطقی و ریاضیاتی را ترکیب می‌کند. واحد بعدی،‌ ذخیره‌سازی است که برنامه‌ها و داده را ذخیره می‌کند. واحدهای ورودی/خروجی یا I/O نیز رابطی بین سیستم و دستگاه‌های خارجی مانند مانیتور، پرینتر، مودم و غیره هستند.

اولین کامپیوتر ترانزیستوری تاریخ با نام Manchester University TC در سال 1953 معرفی شد. اد سک و دیگر مهندسان شرکت وستینگهاوس یازده سال بعد و در مقاله‌ای در IEEE اولین راهکارها برای ادغام چند ترانزیستور در یک تراشه‌ی سیلیکونی و اجرای عملیات اصلی سی‌پی‌یو را توضیح دادند. در این مقاله آمده بود:

روش‌های گفته‌شده در این مقاله، برای اتصال چند دروازه‌ی الکترونیکی روی یک ویفر مدار مجتمع توسعه یافته‌اند. هدف نهایی، انجام عملیات چندبیتی منطقی روی یک لایه از سیلیکون بوده است. در نهایت، انجام این فرآیند به‌نظر ممکن می‌رسد.

در آن زمان،‌ اکثر سیستم‌های کامپیوتری کوچک از تراشه‌های مدار منطقی شامل مدارمجتمع‌‌های استاندارد ساخته شده بودند. به‌عنوان مثال خانواده‌ی SN7400 شرکت Texas Instruments یکی از این مدارمجتمع‌ها (IC) بود که روی بوردهای چاپی مدار استفاده می‌شد. وقتی چگالی این مدارهای مجتمع افزایش یافت، تعداد بوردهای مورد نیاز برای کامپیوترها کاهش یافت (قانون مور). در نهایت در پایان آن دهه، شرکت تولیدکننده‌ی مینی کامپیوتر یعنی Data General،‌ پردازنده‌ی مرکزی 16 بیتی کامپیوتر Nova خود را روی یک مدار چاپی اجرا کرد.

یکپارچه‌سازی در مقیاس بزرگ به‌کمک MOS

یکی از قدم‌های مهم در رسیدن به پیش‌بینی مهندسان وستینگهاوس، با تغییر فناوری تولید مدارهای مجتمع محقق شد. در این تغییر،‌ روش ساخت از دوقطبی، به نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی یا MOS تغییر یافت. تا میانه‌های دهه‌ی 1960، این فناوری یکپارچه‌سازی در مقیاس بزرگ یا LSI را در تراشه‌ها ممکن کرد. در نهایت، تراشه‌ها قابلیت میزبانی از صدها دروازه‌ی منطقی را پیدا کردند.

پس از مدتی، طراحان محصولات دیجیتالی مخصوص مصرف‌کننده مانند ماشین حساب و ساعت،‌ تراشه‌های LSI اختصاصی خود را طراحی کردند. در سال 1965، شرکت سازنده‌ی ماشین حساب Victor Comptometer با شرکت General Microelectronics قراردادی امضا کرد تا طی آن، 23 مدار مجتمع برای استفاده در اولین ماشین حساب الکترونیکی MOS این شرکت،‌ ساخته شود. تا سال 1969، پیشرفت‌ها در این زمینه به‌حدی رسید که شرکت Rockwell Microelectronics تعداد تراشه‌ها را در اولین ماشین پرتابل شرکت شارپ به 4 عدد رساند. در نهایت در سال 1971 راهکارهای مبتنی بر یک تراشه توسط شرکت‌های Mostek و TI معرفی شدند.

در سال‌های ابتدایی دهه‌ی 1970، سیستم‌های کامپیوتری بر اساس LSI رشد قابل توجهی داشته و با نام ریزپردازنده شناخته می‌شدند. توسعه‌دهندگان این ماشین‌ها از همان روش طراحان ماشین‌ حساب برای کاهش تعداد تراشه‌های مورد نیاز برای ساخت سی‌پی‌یو استفاده کردند. آنها در این روش، مدارهای مجتمع LSI را با یکپارچه‌سازی شدیدتر استفاده می‌کردند.

اختراعات گفته‌شده، در آن زمان با نام تراشه‌های ریزپردازنده‌ای شناخته می‌شدند. در ادامه هر قدمی در مسیر قانون مشهور مور، تعداد تراشه‌های مورد نیاز برای ساخت سی‌پی‌یو را کاهش می‌داد. در نهایت، تعداد تراشه‌ها به‌قدری کاهش یافت که به وضعیت کنونی یعنی یک تراشه یا همان ریزپردازنده رسیدیم.

مدعیان پیشگامی در صنعت ریزپردازنده

شرکت بزرگ Fairchild Semiconductor در سال ۱1966 توسعه‌ی سیستم‌های کامپیوتری بر اساس MOS را شروع کرد. اولین محصول، با نام 3804 معرفی شد. طراح 3804 یعنی لی بویسل می‌گفت که این محصول نباید به‌عنوان یک ریزپردازنده در نظر گرفته شود؛ چرا که قابلیت توالی‌دهی چندفازی را ندارد. به‌هرحال طراحی این تراشه قدم مهمی در مسیر توسعه‌ی مشخصات معماری ریزپردازنده‌های بعدی بود.

_{تصویری از لی بویسل و تراشه‌ی AL1}

پس از آن، بویسل کار روی سی‌پی‌یو 8 بیتی AL1 را شروع کرد. این پردازنده برای استفاده در ترمینال‌های کامپیوتر فیرچایلد در سال 1968 طراحی شد. بویسل سپس شرکت خود را با نام Four Phase Systems راه‌اندازی کرد. او طراحی‌های خود را در این شرکت به پایان رساند و اولین تراشه‌های عملیاتی را در آوریل سال 1969 معرفی کرد.

در سوی دیگر میدان پس از رفتن بویسل از شرکت فیرچایلد،‌ آنها با سرمایه‌گذاری روی PPS-25 کار خود را در این زمینه ادامه دادند. این محصول،‌ ترکیبی از تراشه‌های قابل‌برنامه‌ریزی 64 بیتی بود که در سال 1971 معرفی شدند. این محصول در کاربردهای علمی متنوعی به شهرت رسید و از سمت برخی کاربران، لقب ریزپردازنده به آن داده شد.

استیو گلر و ری هولت بازیگران دیگر این صنعت بودند. آنها در سال 1968 برای شرکت Garrett AiResearch Corp کار می‌کردند و قراردادی با Grumman Aircraft داشتند. در این قرداد، این دو دانشمند یک تراشه‌ی ریزپردازنده‌ای حرفه‌ای با نام MP944 طراحی کردند که در جنگنده‌ی F14A نیروی دریایی آمریکا استفاده شد. این پردازنده، شامل تراشه‌های کنترلی و ریاضیاتی متعدد بود: CPU، PMD، PMU و SLU از واحدهایی بودند که در این پردازنده ادغام شدند.

_{ری هولت و تراشه‌ی MP944}

Intel وارد میدان می‌شود

اولین تلاش اینتل در این بخش از محصولات، به MCS-4 اختصاص یافت. این محصول، پربازده‌ترین روش برای ساخت تراشه‌ای متشکل از چند واحد پردازش بود. این محصول اینتل در سال 1971 توسط تیمی از معماران مدارهای منطقی و مهندسان سیلیکون ساخته شد. فدریکو فاگین، مارشن هاف، استنلی میزر و ماساتوشی شیما از افراد دخیل در این پروژه بودند. محصول انقلابی بعدی، 4004 بود که ابتدا به‌عنوان یک سی‌پی‌یو 4 بیتی شناخته شد. در اسناد بعدی، 4004 را به‌عنوان ریزپردازنده‌ی تک‌تراشه‌ای 4 بیتی معرفی کردند.

فاگین و شیما با استفاده از فناوری دروازه‌ی سیلیکونی MOS توانستند 2300 ترانزیستور را در سی‌پی‌یو 4004 ادغام کنند. این محصول، یکی از چگال‌ترین تراشه‌های ساخته‌شده تا آن زمان بود. این سطح از پیچیدگی،‌ بیش از تمامی راهکارهای قبلی، المان‌های منطقی را در یک تراشه جمع کرده بود. این جمع‌آوری باعث شد تا عملیات متنوعی با استفاده از این پردازنده قابل انجام باشد و از همه مهم‌تر، قابلیت‌های برنامه‌نویسی بیش از پیش خود را نشان دادند. در نهایت با اینکه فروش این پردازنده چندان بالا نبود، این پروژه شروعی بر فرصت‌های سودده‌ شرکت اینتل شد.

در مورد محصول بعدی اینتل یعنی 8008، ریشه‌های پروژه هنوز به‌طور کامل مشخص نیستند. از طرفی ویک پور، معاون بخش تحقیق و توسعه‌ی شرکت Computer Terminal Corporation در آن سال‌ها، در مصاحبه‌ای به این نکته اشاره کرده که در سال 1969 با ایده‌ی توسعه‌ی سی‌پی‌یو با یک تراشه به اینتل مراجعه کرده است. او هدف از این طرح را توسعه‌ی پردازنده‌ای با این مشخصات برای ترمینال قابل برنامه‌ریزی Datapoint 2200 عنوان کرده است.

استن میزر یکی دیگر از متخصصان سخت‌افزار است که در مصاحبه‌ای اعلام کرده پیشنهاد ویک پور، در مورد بخش حافظه بوده و یکپارچه‌سازی کل سی‌پی‌یو در طرحی توسط اینتل عنوان شده است. در نهایت پور نیز در سال 2004 ادعای خود را به آنچه که میزر عنوان کرده بود،‌ تغییر داد.

صرف‌نظر از اظهارنظرهای متخصصان گفته‌شده، Intel در ابتدای دهه‌ی 1970 قراردادی با CTC امضا کرد تا یک پردازنده‌ی 8 بیتی توسعه دهند. این پروژه توسط هال فینی شروع شد و پس از تاخیرهای بسیار به‌خاطر اولویت‌های دیگر کاری، قطعات 8008 در سال 1971 به مشتری تحویل داده شدند و خبر عمومی آن در سال 1972 منتشر شد.

_{تیم طراحی اولین تراشه‌های اینتل}

شرکت Texas Instruments یکی دیگر از بازیگران این میدان بود که برای پروژه‌ی شرکت CTC، راهکاری سه‌تراشه‌ای ارائه داد. پس از آنکه توضیحاتی کلی در مورد طرح اینتل به‌ گوش این شرکت رسید، آنها طرح اولیه‌ی خود را رها کرده و در قراردادی با مهندس سخت‌افزار گری بون، طرح ساخت پردازنده‌ی تک‌تراشه‌ای 8 بیتی خود را شروع کردند. محصول آنها با نام TMX1795 آماده شده و در میانه‌های سال 1971 و چند ماه پیش از اینتل ۸۰۰۸ به CTC تحویل داده شد. البته این محصول یک خطای کاربری داشت که در نهایت توسط اینتل برطرف شد.

اگرچه شرکت سی‌تی‌سی در نهایت هیچ‌یک از این نسخه‌ها را استفاده نکرد، اما تجربه‌ی طراحی و ساخت آنها برای هر دو شرکت ارزشمند بود. برای Intel، پردازنده‌ی 8008 به ساخت پردازنده‌ی بسیار موفق ۸۰۸۰ انجامید که در نهایت خانواده‌ی x86 را متولد کرد. طراحی‌های بون برای شرکت TI نیز، سال‌ها به‌عنوان راهکار اصلی پیشرفت این شرکت در صنعت پردازنده‌ها استفاده شد.

در نهایت افتخار به چه کسی می‌رسد

با توجه به تاریخچه‌ی پیچیده‌ای که در بخش‌های قبلی مطالعه کردیم، این سوال پیش می‌آید که در نهایت افتخار اختراع ریزپردازنده به چه شخص یا شرکتی می‌رسد؟ در نهایت، این افتخار به تعریف این عبارت توسط متخصصان مختلف این صنعت وابسته است. به‌عنوان مقال تحلیل‌گر دنیای فناوری نیک تردنیک می‌گوید:

من به طراحی‌های بویسل از AL1 در اسناد منتشرشده از آن نگاه کرده‌ام و معتقدم می‌توان آن را اولین ریزپردازنده‌ی تجاری نامید.

هانک اسمیث، مدیر بازاریابی اینتل در سال 1973، ریزکامپیوتر یا مایکروکامپیوتر را این‌گونه تعریف کرده است:

یک کامپیوتر عادی متشکل از قطعات LSI است که در اطراف یک پردازنده‌ی اصلی ساخته شده‌اند. سی‌پی‌یو (یا ریزپردازنده)، روی یک تراشه‌ یا تعداد کمی تراشه پیاده‌سازی شده است.

در این میان، ری هولت با توجه به تعریف بالا معتقد است که تراشه‌ی MP944 او باید به‌عنوان اولین ریزپردازنده شناخته شود. البته نظرات موافق و مخالف این اظهار نظر در میان متخصصان کامپیوتر به وفور یافت می‌شود. از طرفی، تعریف اسمیث بر اساس چندتراشه‌ای بودن ریزپردازنده، به‌سرعت توسط رسانه‌های فناوری منسوخ شد. آنها مدعی بودند که بیشتر یا تمام المان‌های پردازنده باید مانند آنچه در اینتل 4004 اتفاق افتاده است، روی یک تراشه یکپارچه‌سازی شوند.

_{گری بون و تراشه‌ی TMX1795 شرکت تگزاس اینسترومنتس}

اگرچه اینتل از تعاریف پیش‌آمده خوشنود است، ادبیات اخیر این شرکت تلاش می‌کند تا از هرگونه بحثی در این مورد خودداری کند. آنها محصول خود را با نام «اولین ریزپردازنده‌ی اینتل» معرفی می‌کنند تا هیچ بحثی ایجاد نشود. از طرفی، متخصصانی همچون کن شریف معتقدند اینتل 4004 یک کامپیوتر همه‌کاره نبوده است و خانواده‌های 8008 و 1795 را می‌توان نسل‌های اول ریزکنترلرهای امروزی و اولین ریزپردازنده‌ها نامید.

در نهایت باز هم باید به این نکته اشاره کرد که مشخص کردن پیروز این رقابت، بسته به دیدگاه ناظر آن است. ریزکنترلر، کارایی اضافه‌ای را به هسته‌ی پردازشی اصلی اضافه می‌کند تا راهکارهایی بهینه را برای موردی خاص ارائه دهد. از این موارد می‌تواند به کنترلرهای موتور اتومبیل تا لوازم خانگی و اسباب‌بازی‌ها اشاره کرد. یک ریزکنترلر، یک یا چند پردازنده را با حافظه و دستگاه‌های ورودی و خروجی در یک تراشه ترکیب می‌کند. در نهایت، این طراحی به هزینه‌ی کمتر، انرژی مصرفی کمتر و ابعاد کوچکتر برای دستگاه‌های قابل حمل می‌انجامد.

یکی از بهترین اسنادی که چنین توضیحی را ارائه می‌دهد، توضیحی است که در سال 1990 و توسط تگزاس اینسترومنتس در یک پرونده عنوان شد. این پرونده، در اعتراض به پتنتی به نام گیلبرت هیات به جریان افتاد که در سال 1968 ثبت شده بود. در نهایت،‌ اعتبار این پتنت که توضیحی بر معماری کامپیوتر تک تراشه‌ای بود، لغو شد. دلیل این لغو نیز، اجرایی نشدن پتنت بود؛ اما به‌هرحال هیات پیش از این اتفاق میلیون‌ها دلار به‌خاطر حق پتنت خود درآمد کسب کرد.

اکثر مورخانی که در لایه‌های پیچیده‌ی تاریخچه‌ی ریزپردازنده‌ها تحقیق می‌کنند، به این نتیجه رسیده‌اند که این مفهوم، ایده‌ای بوده که آن سال‌های طلایی، بهترین زمان برای محقق شدن آن بوده است. در طول دهه‌ی ۱۹۶۰، تعداد زیادی تولیدکننده‌ی نیمه‌هادی، تلاش کردند تا چند ترانزیستور را در یک تراشه‌ی سیلیکونی جانمایی کنند. در نتیجه، دولت‌های مختلف نیز هزینه‌ی مورد نیاز را برای طراحان کامپیوتر فراهم کردند تا تعداد تراشه‌های سیستم‌های کامپیوتری را کاهش دهند. در نهایت، پیاده‌سازی کاربردهای اصلی سی‌پی‌یو روی یک تراشه، اجتناب‌ناپذیر و واضح بوده است.