一颗改变了世界的芯片

英特尔突破性的 8008 微处理器于 50 多年前首次生产。这是英特尔的第一个 8 位微处理器，也是您现在可能正在使用的 x86 处理器系列的祖先。我找不到 8008 的好的Die照片，所以我打开了一颗并拍了一些详细的照片。本文中包含这些新芯片照片以及 8008 内部设计的讨论。

 

下图显示了 8008 封装内的微型硅芯片（点击查看更高分辨率的照片）。你几乎看不到构成芯片的电线和晶体管。外部周围的方块是 18 个焊盘，通过微小的键合线连接到外部引脚。

 

 

你可以在芯片的右边缘看到文字“8008”，在下边缘看到“ Intel 1971”。Hal Feeney 的名字缩写 HF 出现在右上角，他负责芯片的逻辑设计和物理布局。8008 的其他主要设计师包括 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。
 

 

芯片内部

 

下图突出显示了该芯片的一些主要功能块。左侧是 8 位算术/逻辑单元 (ALU)，它执行实际的数据计算。

 

ALU 使用两个临时寄存器来保存其输入值。这些寄存器占据了芯片上很大的面积，不是因为它们很复杂，而是因为它们需要大型晶体管来驱动信号通过 ALU 电路。

 

 

寄存器下方是carry look ahead circuitry。对于加法和减法，该电路并行计算所有八个进位值以提高性能。由于低位进位（low-order carry）仅取决于低位位（low-order bits），而高位进位取决于多个位，因此电路块具有三角形形状。

 

ALU 的三角形布局很不寻常。大多数处理器将每个位的电路堆叠成规则的矩形（a bit-slice layout）。然而，8008 有八个块（每一位一个）随意排列，以适应三角形进位生成器留下的空间。ALU 支持八种简单运算。

 

芯片的中心是指令寄存器和指令译码逻辑，决定每条8位机器指令的含义。解码是通过可编程逻辑阵列（PLA）完成的，PLA是一种门的排列，可以匹配位模式并为芯片的其余部分生成适当的控制信号。右侧是存储块。8008的七个寄存器位于右上角。右下角是地址栈，由8个14位地址字组成。与大多数处理器不同，8008 的调用堆栈存储在芯片上而不是内存中。程序计数器只是这些地址之一，使得子程序调用和返回非常简单。8008 使用动态内存进行存储

 

该芯片的物理结构与8008用户手册（如下）中的框图非常接近，芯片上的块位置与框图中的位置几乎相同。

 

 

芯片结构

 

die照片显示什么？出于我们的目的，芯片可以被视为三层。下图显示了芯片的特写，指出了这些层。最顶层是金属布线。这是最明显的特征，看起来是金属的（毫不奇怪）。在下面的细节中，这些电线大多是水平的。多晶硅层位于金属下方，在显微镜下呈橙色。

 

 

芯片的基础是硅片，照片中硅片呈紫灰色。纯硅实际上是一种绝缘体。它的某些区域被“掺杂”了杂质以形成半导体硅。硅层位于底部，很难区分，但可以看到掺杂硅和未掺杂硅之间的边界上有黑线。照片中可以看到一些垂直的硅“线”。

 

晶体管是芯片的关键部件，多晶硅线与掺杂硅交叉的地方形成晶体管。在照片中，多晶硅在形成晶体管时呈现出更亮的橙色。

 

为什么是18针芯片？

 

8008 的一个不方便的特性是它只有 18 个引脚，这使得芯片速度更慢并且更难以使用。8008 使用 14 个地址位和 8 个数据位，因此有 18 个引脚，没有足够的引脚用于每个信号。相反，该芯片有 8 个数据引脚，在三个周期内重复使用，以传输低地址位、高地址位和数据位。使用8008的计算机需要许多支持芯片才能与这种不方便的总线架构交互。

 

没有充分的理由强制芯片变成 18 引脚。40 或 48 引脚封装在其他制造商中很常见，但 16 引脚是“英特尔的信仰”。他们极不情愿地才改为 18 针。几年后，当 8080 处理器问世时，英特尔已经接受了 40 针芯片。8080 更受欢迎，部分原因是它具有 40 引脚封装允许的更简单的总线设计。

 

芯片中的电源和数据路径

 

数据总线提供流经芯片的数据流。下图显示了 8008 的 8 位数据总线，其中 8 条数据线为彩虹色。数据总线连接到芯片上半部外侧的 8 个数据引脚。总线在左侧的 ALU、指令寄存器（中上）以及右侧的寄存器和堆栈之间运行。总线在左侧分开，ALU 两侧各占一半。

 

红线和蓝线显示电源布线。电源布线是微处理器的一个未被充分重视的方面。由于金属层电阻低，电源在金属层中布线。但由于早期微处理器中只有一层金属层，因此必须仔细规划配电，以免路径交叉。上图以蓝色显示 Vcc 线，以红色显示 Vdd 线。电源通过左侧的 Vcc 引脚和右侧的 Vdd 引脚提供，然后分支成细的互锁电线，为芯片的所有部分供电。

 

寄存器文件

 

为了详细展示该芯片的外观，我放大了下图中 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8 x 7 网格的动态 RAM (DRAM) 存储单元组成，每个存储单元使用三个晶体管来保存一位。（您可以将晶体管视为小矩形，其中橙色多晶硅呈现出稍微更鲜艳的颜色。）每一行都是 8008 的七个 8 位寄存器之一（A、B、C、D、E、H、L） ）。在左侧，您可以看到七对水平线：每个寄存器的读选择线和写选择线。在顶部，您可以看到 8 根垂直导线用于读取或写入每位的内容，以及 5 根较粗的导线用于提供 Vcc。使用 DRAM 作为寄存器（而不是更常见的静态锁存器）是一个有趣的选择。由于英特尔当时主要是一家内存公司，我预计他们选择 DRAM 是因为他们在该领域的专业知识。

 

PMOS 的工作原理

 

8008使用PMOS晶体管。为了稍微简化一下，您可以将 PMOS 晶体管视为两条硅线之间的开关，由（多晶硅）栅极输入控制。当其栅极输入较低时，开关闭合，并且可以将其输出拉高。如果您熟悉 6502 等微处理器中使用的 NMOS 晶体管，那么 PMOS 可能会有点令人困惑，因为一切都是倒退的。

 

一个简单的 PMOS 与非门可以如下所示构建。当两个输入都为高电平时，晶体管关闭，电阻器将输出拉低。当任何输入为低电平时，晶体管将导通，将输出连接到+5。因此，该电路实现了与非门。为了与 5 伏 TTL 电路兼容，PMOS 栅极（以及 8008）采用异常电压供电：-9V 和 +5V。

 

 

由于技术原因，电阻器实际上是用晶体管实现的。下图显示了晶体管如何连接以充当下拉电阻。右侧的详细信息显示了该电路在芯片上的显示方式。-9V金属线在顶部，晶体管在中间，输出是底部的硅线。

 

 

8008 的历史

 

8008 的复杂故事始于Datapoint 2200，这是一款于 1970 年作为可编程终端推出的流行计算机。（有些人认为 Datapoint 2200 是第一台个人计算机。）Datapoint 2200 没有使用微处理器，而是包含一个由单独的 TTL 芯片构建的板级 CPU。（这是小型机时代构建 CPU 的标准方法。）Datapoint 和 Intel 决定可以用单个 MOS 芯片取代该板，Intel 启动了 8008 项目来构建该芯片。稍后，德州仪器 (TI) 也同意为 Datapoint 打造单芯片处理器。这两款芯片均设计为与 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架构兼容。

 

 

1971 年 3 月左右，德州仪器 (TI) 完成了他们的处理器芯片，并将其称为TMC 1795。在推迟了该项目之后，Intel 于 1971 年底左右完成了 8008 芯片。出于各种原因，Datapoint 拒绝了这两种微处理器，并基于较新的 TTL 芯片（包括74181 ALU 芯片）构建了更快的 CPU 。

 

TI 尝试向福特等公司推销 TMC 1795 处理器，但没有成功，但最终放弃了该处理器，转而专注于高利润的计算器芯片。另一方面，英特尔将 8008 作为通用微处理器进行营销，这最终导致了您现在可能正在使用的 x86 架构。虽然 TI 率先推出了 8 位处理器，但英特尔使他们的芯片取得了成功，创造了微处理器行业。

 

 

上图总结了 8008 和一些相关处理器的“家谱”。Datapoint 2200 的架构用于 TMC 1795、Intel 8008 和下一版本 Datapoint 2200 。因此，使用 Datapoint 2200 的指令集和架构构建了四个完全不同的处理器。Intel 8080 处理器是 8008 的大幅改进版本。它显着扩展了 8008 的指令集，并重新排序了机器代码指令以提高效率。8080 用于开创性的早期微型计算机，例如 Altair 和 Imsai。在完成了 4004 和 8080 的工作后，设计师 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 离开英特尔，开发了 Zilog Z-80 微处理器，该微处理器在 8080 的基础上进行了改进，并变得非常受欢迎。

 

向16 位 8086 处理器的转变要少得多。大多数 8080 汇编代码可以转换为在 8086 上运行，但这并不简单，因为指令集和体系结构发生了根本性的变化。尽管如此，Datapoint 2200 的一些特性仍然存在于当今的 x86 处理器中。例如，Datapoint 2200 有一个串行处理器，一次处理一位字节。由于需要首先处理最低位，因此 Datapoint 2200 是小尾数法。为了兼容性，8008 是小端字节序，英特尔的处理器仍然如此。Datapoint 2200 的另一个功能是奇偶校验标志，因为奇偶校验计算对于终端通信非常重要。奇偶校验标志一直延续到 x86 架构。

 

8008 在架构上与英特尔的 4 位 4004 处理器无关。无论如何，8008 都不是 4 位 4004 的 8 位版本。类似的名称纯粹是一种营销发明；在设计阶段，8008 有一个平淡无奇的名字“1201”。

 

8008 如何融入半导体技术的历史

 

4004 和 8008 均采用硅栅增强型 PMOS，这是一种仅短暂使用的半导体技术。这使芯片处于芯片制造技术中的一个有趣的点。

 

8008（和现代处理器）使用 MOS 晶体管。这些晶体管的接受之路很长，与 20 世纪 60 年代大多数计算机中使用的双极晶体管相比，速度较慢且可靠性较差。到 20 世纪 60 年代末，MOS 集成电路变得越来越普遍。标准技术是带有金属栅极的 PMOS 晶体管。晶体管的栅极由金属组成，也用于连接芯片的组件。芯片本质上有两层功能：硅本身和顶部的金属布线。该技术被用于许多德州仪器计算器芯片以及TMC 1795芯片（与8008具有相同指令集的芯片）中。

 

使 8008 变得实用的一项关键创新是自对准栅极——一种使用多晶硅而不是金属栅极的晶体管。虽然这项技术是由 Fairchild 和贝尔实验室发明的，但推动这项技术发展的是英特尔。多晶硅栅极晶体管的性能比金属栅极好得多（出于复杂的半导体原因）。此外，添加多晶硅层使芯片中的信号布线变得更加容易，从而使芯片更加密集。下图显示了自对准栅极的优势：金属栅极 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片的总和还要大。

 

 

不久之后，半导体技术再次进步，使用NMOS晶体管代替PMOS晶体管。尽管 PMOS 晶体管最初更容易制造，但 NMOS 晶体管速度更快，因此一旦能够可靠地制造 NMOS，它们就明显获胜。

 

NMOS 催生了更强大的芯片，例如Intel 8080和 Motorola 6800（均为 1974 年）。这次的另一项技术改进是通过离子注入来改变晶体管的特性。这使得可以创建用作上拉电阻的“耗尽型”晶体管。这些晶体管提高了芯片性能并降低了功耗。他们还允许创建使用标准五伏电源运行的芯片。

 

NMOS 晶体管和耗尽型上拉的组合用于 20 世纪 70 年代末和 1980 年代初的大多数微处理器，例如 6502 (1975)、Z-80 (1976)、68000 (1979) 和 Intel 芯片从 8085 (1976) 到 80286 (1982)。

 

20 世纪 80 年代中期，CMOS 占据主导地位，同时使用 NMOS 和 PMOS 晶体管来大幅降低功耗，芯片包括 80386 (1986)、68020 (1984) 和ARM1 (1985)。现在几乎所有的芯片都是CMOS的。

 

正如您所看到的，20 世纪 70 年代是半导体芯片技术发生巨大变化的时期。当技术能力与合适的市场相结合时，4004 和 8008 就诞生了。

 

如何拍摄Die照片

 

在本节中，我将解释如何获取 8008 芯片的照片。第一步是打开芯片封装以暴露芯片。大多数芯片采用环氧树脂封装，可以用危险的酸溶解。

 

 

由于我宁愿避免煮沸硝酸，所以我采取了一种更简单的方法。8008 也有陶瓷封装（上图），这是我在 eBay 上买到的。用凿子沿接缝敲击芯片，将两层陶瓷层分开。下图显示了陶瓷封装的下半部分，裸露的芯片。大多数金属引脚已被移除，但它们在封装中的位置是可见的。Die的右侧是一个小方块；这会将地 (Vcc) 连接到基板。几根微小的键合线仍然可见，连接到芯片上。

 

 

一旦芯片曝光，就可以使用显微镜拍照。标准显微镜从下方发出光线，这对于拍摄照片来说效果不佳。相反，我使用了金相显微镜，它从上方发出光线来照亮芯片。

 

我通过显微镜拍摄了 48 张照片，然后使用 Hugin 拼接软件将它们组合成一张高分辨率图像。最后，我调整了图像对比度，使芯片的结构更加清晰。原始图像（大约是您通过显微镜看到的图像）如下以供比较。

 

 

结论

虽然 8008 不是第一个微处理器，甚至不是第一个 8 位微处理器，但它确实具有革命性，引发了微处理器革命，并导致了在未来几十年主导个人计算机的 x86 架构。
 

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