به مناسبت ۵۰ سالگی ریزپردازنده‌ها؛ نگاهی به تراشه افسانه‌ای اینتل ۴۰۰۴

اینتل شرکتی چند ملیتی آمریکایی است که دفتر اصلی آن در شهر سانتا کلارا ایالت کالیفرنیا قرار دارد و از نظر درآمد، بزرگترین تولیدکننده تراشه‌ در سطح دنیا محسوب می‌شود. در رده‌بندی فورچون ۵۰۰ سال ۲۰۲۱، اینتل در رتبه چهلمین شرکت بزرگ آمریکایی از لحاظ درآمد کلی قرار گرفته و جهشی پنج پله‌ای را نسبت به سال گذشته شاهد بوده است. اما داستان ورود اینتل به عرصه ریزپردازنده‌ها از کجا شروع شد و چگونه توانست در این صنعت به موفقیت برسد؟

اولین ریزپردازنده تک تراشه تجاری

در سال ۱۹۶۹ شرکت ژاپنی Busicom، اینتل را برای تولید تراشه‌های مختص ماشین حساب‌های خود انتخاب کرد. اینتل موفق شد تراشه MSC-4 را در همین راستا طراحی کند که متشکل از چهار مدار مجتمع (IC) یکپارچه بود و می‌توانست به شکل چشمگیری از پیچیدگی طراحی داخلی ماشین حساب‌ها بکاهد. در ادامه اینتل محصول توسعه‌ یافته جدید خود را در قالب اولین ریزپردازنده تک تراشه‌ به صورت تجاری با نام «Intel 4004» به جهان معرفی نمود. ریزپردازنده مورد بحث قادر بود از سه تراشه ۴۰۰۱ و ۴۰۰۲ به همراه ۴۰۰۳ نیز پشتیبانی کند که از میان آن‌ها، تراشه ۴۰۰۲ به عنوان حافظه رم با حجم ۴۰ بایت مورد استفاده قرار می‌گرفت.

«فدریکو فاجین» (Federico Faggin) همراه با «تد هاف» (Ted Hoff) طراحان ارشد اینتل بودند که در طراحی تراشه برای ماشین حساب Busicom با «ماساتوشی شیما» (Masatoshi Shima) از شرکت ژاپنی همکاری می‌کردند. هاف توانسته بود به معماری مورد نیاز در سال ۱۹۶۹ دست پیدا کند اما در نهایت نقشی در توسعه اولین ریزپردازنده اینتل نداشت. فاجین یکی از باتجربه‌ترین افراد در تیم طراحی بود که توانست سیستم منطق متغیر جدیدی طراحی کند. روش ابداع شده توسط او ساخت بسیاری از ریزپردازنده‌های تک تراشه‌ای را ممکن ساخت و تاثیرات آن در محصولات ابتدایی اینتل و ریزپردازنده هشت بیت Z80 ساخت Zilog دیده می‌شود. او در سال ۱۹۷۴ Zilog را تاسیس کرد و به اولین شرکتی تبدیل شد که به صورت انحصاری روی ریزپردازنده‌ها تمرکز داشت. کمی بعد شیما نیز به او ملحق شد و در توسعه معماری Z80 به وی کمک کرد.

ریزپردازنده اینتل ۴۰۰۴ در ابتدا به عنوان قلب تپنده ماشین حساب Busicom 141-PF در اواسط سال ۱۹۷۱ وارد بازار شد. علاقه‌مندان می‌توانند با مراجعه به این صفحه، کار با شبیه‌ساز ماشین حساب گفته شده را تجربه کنند. پس از بازنگری قرارداد میان اینتل و ژاپنی‌ها و پرداخت ۶۰ هزار دلار به تولیدکننده ماشین حساب‌ها، امکان فروش تراشه MCS-4 به سایر شرکت‌ها نیز فراهم شد. تنها پس از گذشت مدت کوتاهی، اینتل با سفارش یک آگهی در نشریه Electronic News به تاریخ ۱۵ نوامبر ۱۹۷۱، محصول پیشرفته خود را به سایرین معرفی کرد.

در تبلیغ چاپ شده برای تراشه اینتل ۴۰۰۴، نوید عصر جدیدی برای تجهیزات الکترونیک داده شده و عبارت کامپیوتر قابل برنامه‌ریزی میکرو روی تراشه مورد اشاره قرار گرفته بود. پیش از این محصول، واحد‌های پردازش مرکزی (CPU) کامپیوترها به طور معمول از چندین تخته مدار مجهز به مدارهای مجتمع تشکیل می‌شدند که قطعات الکترونیک به صورت مجزا روی آن‌ها قرار می‌گرفتند. به لطف نوآوری صورت گرفته از سوی اینتل، تمامی مدارها در داخل یک تراشه سیلیکونی تجمیع شده بودند که ابعادی کوچک‌تر از ناخن انگشت داشت. جهش اساسی به سمت کوچک کردن قطعات توسط تراشه ۴۰۰۴ موجب پدید آمدن رایانه‌های کوچک‌تر شد که در دهه‌های بعدی به کامپیوترهای خانگی تبدیل شدند.

آیا اینتل ۴۰۰۴ اولین ریزپردازنده بود؟

جنجال‌های بسیاری بر سر اولین ریزپردازنده ساخته شده توسط بشر وجود دارد. به همین دلیل رسانه‌ها در هنگام اشاره به اینتل ۴۰۰۴ از عبارت‌هایی مانند «تک تراشه» یا «تجاری» استفاده می‌کنند تا بتوانند لقب اولین را به آن اختصاص دهند. در زمان معرفی تراشه مذکور از سوی اینتل، ریزپردازنده‌ای متشکل از چندین تراشه درون جنگنده‌های F-14 Tomcat نیروی دریایی ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته بود. همچنین سایر رقبا از جمله تگزاس اینسترومنتس (TI) در حال توسعه ریزپردازنده‌های تک تراشه خود بودند.

با این حال تراشه ۴۰۰۴ توجه بسیاری را به سوی خود جلب کرده است؛ زیرا پایه‌گذار کسب و کار پرسود ریزپردازنده‌ها برای اینتل بوده است که سالیان زیادی ادامه داشت و توانست آینده کامپیوترهای شخصی را شکل دهد.

مقایسه اینتل ۴۰۰۴ با Core i9-12900K

تراشه ۴۰۰۴ اینتل از فرکانس کاری ۷۴۰ کیلوهرتز بهره می‌برد و ۲۲۵۰ ترانزیستور با فرایند ساخت ۱۰ میکرومتری درون آن قرار گرفته بود. از آن زمان تا به امروز، ریزپردازنده‌ها تغییرات گسترده و چشمگیری را شاهد بوده‌اند. برای درک این مسئله می‌توانید به مقایسه مشخصات اینتل ۴۰۰۴ با پردازنده به روز Core i9-12900K توجه کنید که در جدول پایین شرح داده شده است.

مدل پردازنده	اینتل ۴۰۰۴	اینتل Core i9-12900K
تاریخ معرفی	۱۵ نوامبر ۱۹۷۱	۲۷ اکتبر ۲۰۲۱
قیمت طبق سال ۲۰۲۱	۴۰۱.۴۱ دلار	۵۸۹ دلار
قیمت طبق سال ۱۹۷۱	۶۰ دلار	۸۷.۸۲ دلار
حداکثر فرکانس کاری	۷۴۰ کیلوهرتز	۵.۲ گیگاهرتز
حجم کلمه	۴ بیت	۶۴ بیت
تعداد هسته	۱	۱۶
تعداد رشته	۱	۲۴
محدودیت حافظه	۴ کیلوبایت	۱۲۸ گیگابایت
قدرت مصرفی	۱ وات	۱۲۵ تا ۲۴۱ وات
فرایند تولید	۱۰ میکرومتری	۷ نانومتری
اندازه بُرد	۱۲ میلی‌متر مربع	۲۱۵ میلی‌متر مربع
تعداد ترانزیستور	۲۲۵۰	۲۱.۷ میلیارد

از میان تمامی ارقام موجود در جدول بالا، جهش خیره کننده تعداد ترانزیستورها از ۲۲۵۰ واحد به ۲۱.۷ میلیارد، غیرقابل چشم‌پوشی است. البته تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده در Core i9-12900K براساس مقدار سطح و فرایند تولید تخمین زده شده است و ممکن است میزان واقعی با رقم اعلام شده کمی تفاوت داشته باشد. فرایند‌های ساخت پیشرفته‌تر مانند ۷ نانومتری موجب شده است تا چگالی ترانزیستورها در هر میلی‌متر مربع افزایش چشمگیری پیدا کند و تعداد کلی ترانزیستورها جهش نجومی داشته باشد.

همچنین نباید فراموش کنیم که تراشه‌های امروزی اینتل تنها شامل واحد پردازش مرکزی نمی‌شوند و قسمت‌های مختلف دیگری از جمله کنترلر پرسرعت حافظه و واحد پردازش گرافیکی (GPU)‌ یکپارچه را درون خود جای داده‌اند.

کاربردهای ریزپردازنده اینتل ۴۰۰۴

به دلیل محدودیت‌های عملکردی و حضور زود هنگام رقبای قدرتمندتر مانند اینتل ۸۰۰۸، ریزپردازنده ۴۰۰۴ نتوانست در محصولات چندانی ظاهر شود. با این حال به برخی از دستگاه‌های مجهز به تراشه گفته شده در لیست زیر به ترتیب زمان عرضه به بازار اشاره شده است.

• ماشین حساب رومیزی 141 PF ساخت Busicom (۱۹۷۱)
• سیستم توسعه اینتل SIM 4 (۱۹۷۲)
• سیستم توسعه Intellec 4 (۱۹۷۳)
• شبیه‌ساز بولینگ آرکید Bally Alley (۱۹۷۴)
• نمونه اولیه ماشین پین بال Bally Flicker (۱۹۷۴)
• پردازشگر متن Wang 1222 (۱۹۷۵)
• ماشین رای‌گیری کامپیوتری Compuvote (۱۹۷۶)

میراث اینتل ۴۰۰۴

تنها پس از گذشت پنج ماه از معرفی ریزپردازنده ۴۰۰۴ در نشریه Electronic News، اینتل تراشه ۸۰۰۸ را به عنوان اولین ریزپردازنده ۸ بیت عرضه کرد. این محصول توانست ساخت نسل جدیدی از دستگاه‌های کامپیوتری خانگی مانند Mark-8 را ممکن سازد که توسط علاقه‌مندان در خانه صورت می‌گرفت.

پس از تراشه ۸۰۰۸، اینتل محصولات دیگری مثل ۸۰۸۰ هشت بیت و ۸۰۸۶ شانزده بیت را معرفی نمود که هر مدل در رایانه‌های خانگی خاصی مورد استفاده قرار می‌گرفت. افزایش قدرت سریع ریزپردازنده‌ها موجب شد تا اینتل ۴۰۰۴ به زودی کنار گذاشته شود اما تاثیر آن تا به امروز باقی مانده است. در ۵۰ سال گذشته، ریزپردازنده‌ها تقریباً توانسته‌اند تمامی جنبه‌های صنعت را تحت تاثیر قرار دهند و اقتصاد جهانی را متحول سازند. شاید روزی بتوان اهمیت ساخت ریزپردازنده ها را با تاثیر کشف آتش روی رشد تمدن انسانی مقایسه کرد.

کوچک کردن فناوری موجب توقف نوآوری در زمینه ریزپردازنده‌ها نشد. امروزه‌ شرکت‌ها قابلیت‌ها و عملکردهای مختلفی که در گذشته توسط چندین تراشه صورت می‌گرفتند را درون یک تراشه تحت عنوان «سامانه روی یک تراشه» (SOC) تعبیه می‌کنند که از مشهورترین مثال‌های اخیر آن می‌توان به سری M1 اپل اشاره کرد.