50 anni di processori: Intel 4004, com'era fatto e perché aprì una nuova era

Era il 15 novembre 1971 quando Intel presentò pubblicamente il suo primo microprocessore commerciale a chip singolo.
Il suo nome era Intel 4004 e il debutto coincide con un annuncio che apparve nella rivista Electronic News (vedere l’immagine più avanti).

Prima dell’Intel 4004 le CPU erano composti da una o più schede elettroniche abbinate a circuiti integrati e componenti discreti.
Grazie alle innovazioni di Intel tutta quella circuiteria poteva essere finalmente condensata in un singolo pezzo di silicio più piccolo di un’unghia. La radicale miniaturizzazione introdotta con Intel 4004 rese possibile lo sviluppo di computer sempre più compatti nel corso del decennio successivo.

Nel 1969 un produttore giapponese di calcolatrici, Busicom, si rivolse proprio a Intel (che fu fondata a luglio 1968 da Robert Noyce e Gordon Moore) per la creazione di un chip destinato a un suo nuovo prodotto.
Gli ingegneri di Intel – al progetto lavorarono l’italiano Federico Faggin, Ted Hoff, Stan Mazor e Masatoshi Shima; gli ultimi due arrivarono da Busicom – idearono un chip chiamato MCS-4, abbreviazione di Micro Computer System, composto da quattro circuiti integrati (IC) che semplificavano notevolmente il design interno della calcolatrice.
Intel 4004 fu lanciato per la prima volta come parte della calcolatrice Busicom 141-PF a metà 1971.

Dopo una rinegoziazione del contratto con Busicom, Intel divenne libera di vendere il chip MCS-4 ad altri soggetti tanto che la società presentò Intel 4004 al mercato mainstream proprio a metà novembre 1971.

Il microprocessore Intel 4004 viene ricordato con affetto perché ha segnato l’inizio del lungo e fortunato business dell’azienda di Santa Clara. All’epoca concorrenti come Texas-Instruments stavano sviluppando i propri processori single-chip ma Intel ebbe il merito di portare il suo prodotto a una platea più ampia.

La tecnologia dei microprocessori è radicalmente cambiata dal 1971 a oggi: basti pensare che l’Intel 4004, realizzato con un processo a 10 micrometri (10.000 nm), aveva una frequenza di clock pari a 740 KHz (ovvero 0,00074 GHz) e conteneva solo 2.250 transistor. Era una CPU a 4 bit e core singolo (1 thread) che supportava 4 KB (0,000004 GB) di RAM. Aveva una superficie di 12 mm².
Il recente Intel Core i9-12900K (Alder Lake-S) è realizzato a 10 nm (Intel 7) lavora a 5,2 GHz, 64 bit, conta 16 core fisici e 24 thread, supporta 128 GB di RAM. La dimensione è pari a 215,25 mm². Si stima che il Core i9-12900K utilizzi 21,7 miliardi di transistor.

L’enorme aumento del numero di transistor è stato possibile in particolare grazie alla dimensione del processo enormemente ridotta (7 nm contro 10 µm).
Il chip più recente di Intel racchiude inoltre molto di più di una semplice CPU nel suo die: ospita un controller di memoria ad alta velocità, una GPU e molto altro in un unico pacchetto.
In un altro articolo abbiamo visto come funziona un processore in breve.

L’eredità del processore Intel 4004

Solo cinque mesi dopo che Intel aveva annunciato il 4004 su Electronic News l’azienda presentò Intel 8008, il primo microprocessore a 8 bit.
L’8008 rappresentò davvero una rivoluzione e fece letteralmente sbocciare il business dei personal computer.

Dopo l’8008, Intel proseguì con gli 8080 a 8 bit e 8086 a 16 bit: una rapida escalation guidata dalla legge di Moore che tutti ritenevano oggi ormai morta e sepolta ma che Pat Gelsinger, CEO dell’azienda di Santa Clara, è sicuro di riportare in auge.

Federico Faggin e Masatoshi Shima lavorarono sui successori del 4004 fino al 1974 quando l’inventore e imprenditore italiano naturalizzato statunitense lasciò Intel per fondare la sua ZiLOG. Masatoshi Shima lo seguì più tardi. Erano anni complessi, anche in forza della crisi petrolifera e della recessione che ne scaturì.
ZiLOG portò sul mercato lo Z80 che fu ampiamente utilizzato dal Sinclair ZX80 (Clive Sinclair ci ha purtroppo lasciato a settembre 2021) e sulle calcolatrici tascabili con abilità grafiche come la TI-81 di Texas-Instruments.

Motorola introdusse il suo processore 6800 a 8 bit nel 1974 per proseguire negli anni seguenti con il 6809 e il 6801. Il Motorola 6801 con 35.000 transistor e il 6809 con 40.000 transistor giocavano in “campionati superiori”. L’architettura del set di istruzioni (ISA) era a 16 bit.
Sotto la guida di MOS Technology un ex di Motorola, Chuck Peddle, disegnò un discendente del 6800, il 6502. Fu un microprocessore enormemente popolare che fu dapprima utilizzato nell’Atari 800, Apple I, II, Commodore PET e VIC-20; più tardi, in versione modificata e aggiornata nel Commodore 64 (processore 6510, era il 1982).

La miniaturizzazione non si è fermata con i tradizionali microprocessori: le aziende continuano oggi a integrare caratteristiche e funzioni precedentemente disponibili soltanto come chip separati disponibili in SoC (System-on-a-Chip).
Ha fatto scalpore l’abbandono della piattaforma x86 da parte di Apple che ha scelto di passare a SoC di derivazione ARM anche per i suoi Mac: la storia della Mela è stata di recente ripercorsa da Steven Sinofsky.