Il microprocessore che ha cambiato il mondo: guarda il leggendario Intel 4004 sotto il microscopio dopo 54 anni

Il 15 novembre 1971, Intel lanciava il primo microprocessore commerciale a singolo chip: l’Intel 4004. Il piccolo circuito integrato rappresentò una rivoluzione epocale nella storia dell’informatica. Quasi 54 anni dopo, poter osservare questo capolavoro della microelettronica sotto un microscopio moderno è un’esperienza quasi magica, come afferma l’appassionato e storico dei chip noto online con l’appellativo di CPU Duke.

Un tuffo nella storia della microelettronica

L’Intel 4004 non era solo il primo microprocessore: era la dimostrazione che l’intera CPU poteva essere condensata in un singolo circuito integrato. Basato su tecnologia MOS a canale p da 10.000 nanometri (oggi siamo arrivati a 1,8 nanometri), il 4004 conteneva circa 2.300 transistor e inaugurava l’architettura che sarebbe poi evoluta nella famiglia x86. La sua capacità di eseguire calcoli elementari aprì la strada a computer più compatti e, nel lungo periodo, all’elettronica moderna.

Grazie alla donazione dell’Enter Technikwelt Solothurn Museum (Svizzera), CPU Duke ha avuto l’opportunità di osservare un 4004 storico attraverso un microscopio stereo Wild Heerbrugg Leica, dotato di ring light e tavola XY.

Nell’immagine la configurazione allestita da CPU Duke per esaminare il die dello storico microprocessore Intel.

Un microscopio stereo è un dispositivo che permette di vedere l’oggetto in 3D, utile per osservare dettagli di chip e circuiti; ring light è una luce circolare attorno all’obiettivo che illumina uniformemente il chip senza creare ombre fastidiose; la tavola XY è un supporto che permette di muovere il chip avanti/indietro e a destra/sinistra con precisione, così da esplorare tutta la superficie senza spostare manualmente il pezzo.

Questa configurazione ha permesso di visualizzare lo strato di polisilicio del chip senza ricorrere a setup complessi. Il decapping (rimozione del “guscio” o del package di un chip per esporre il silicio e i suoi strati interni) è avvenuto senza danni ai bond wire, rendendo possibile l’osservazione del livello metallico superiore del chip: un vero e proprio viaggio nel cuore dell’informatica.

Perché il 4004 è così importante

Come abbiamo osservato in altri nostri approfondimenti, l’Intel 4004 ha segnato l’inizio di una nuova era in cui le CPU non erano più costituite da enormi rack di transistor discreti, ma da un singolo chip in grado di gestire tutte le operazioni logiche e aritmetiche. La miniaturizzazione ha permesso di creare computer più piccoli, più veloci e meno costosi, gettando le basi per tutto ciò che oggi diamo per scontato: dai PC alle console di gioco, dagli smartphone ai dispositivi IoT.

Il 4004 è un microprocessore a 4 bit con una frequenza di clock di 740 kHz (ovvero 0,00074 GHz) e una tensione operativa di 15 V, valori che oggi sembrano quasi incredibili se confrontati con i moderni processori. La memoria indirizzabile era limitata a 4 kB (0,000004 GB) e la velocità di esecuzione raggiungeva le 92.000 istruzioni al secondo, lontanissima dai miliardi di istruzioni al secondo dei chip contemporanei

Oggi qualcuno si è divertito a caricare Linux su Intel 4004, dopo 5 giorni. Un’ulteriore evidente dimostrazione della versatilità del primo microprocessore programmabile.

Nonostante le prestazioni modeste, il 4004 rappresentava una rivoluzione: per la prima volta, un chip poteva essere programmato tramite software, anziché essere vincolato a un unico compito fisso.

L’origine e il contesto storico

Il progetto del 4004 nacque nel 1971 su richiesta della società giapponese Busicom, che produceva calcolatrici da tavolo. Il piano originale prevedeva un set di dodici chip dedicati, ma l’ingegnere Intel Ted Hoff propose un approccio radicalmente più semplice: quattro chip programmabili in grado di svolgere compiti diversi. Hoff, assieme all’assistente Stanley Mazor, definì l’architettura e il set di istruzioni, ma non partecipò alle fasi successive di progettazione fisica del chip.

Il progetto rimase fermo per diversi mesi fino all’ingresso del vicentino Federico Faggin nel 1970, assunto come capo-progetto e designer dei chip. Faggin, con il supporto di Masatoshi Shima (ingegnere di Busicom) per la logica e il software della calcolatrice, completò il design in nove mesi, implementando le innovazioni necessarie per trasformare il 4004 in un microprocessore funzionante e affidabile.

Paradossalmente, Busicom non apprezzò subito l’innovazione: il calo della domanda di calcolatori portò l’azienda a richiedere una riduzione del prezzo e a mantenere inizialmente i diritti sul chip.

Tuttavia, riconoscendo il potenziale del 4004, Intel riacquistò i diritti grazie all’intervento del CEO Robert Noyce, aprendo la strada alla crescita dell’azienda fino a diventare un colosso del settore dei semiconduttori.

Innovazioni tecnologiche: il contributo di Federico Faggin

Faggin introdusse e perfezionò la tecnologia MOS Silicon Gate (SGT), sviluppata inizialmente alla Fairchild nel 1968, con porte “self-aligned gate”. La tecnologia permise di realizzare circuiti integrati più veloci e compatti, riducendo l’area richiesta e aumentando la frequenza operativa.

Grazie a queste innovazioni, il 4004 divenne il primo microprocessore monolitico, capace di eseguire diverse istruzioni programmabili in software, aprendo la strada all’informatica moderna.

Lo stesso Faggin spiegò che l’essenza del primo microprocessore è il suo design in silicio, sottolineando quanto fosse fondamentale la combinazione tra architettura logica e implementazione fisica nel chip.

I chip originali riportano le iniziali F.F., incise da Faggin come firma del progetto: le potete trovare in basso a destra nella vista al microscopio del die del 4004, così come pubblicata ad alta  risoluzione da CPU Duke:

Fonte dell’immagine: CPU Duke

Commercializzazione e impatto storico

Inizialmente il 4004 fu impiegato esclusivamente nelle calcolatrici Busicom, ma Intel convinse l’azienda giapponese a permetterne l’uso in sistemi diversi dai calcolatori, in cambio di una riduzione del prezzo della fornitura dei componenti.

Il 15 novembre 1971, Intel presentò pubblicamente il chip con lo slogan: “Announcing a new era of integrated electronics”. L’anno successivo seguirono l’Intel 8008 e il 4040, estendendo le capacità della famiglia MCS.

Dorato o bianco, con le tracce grigie visibili, il 4004 è uno dei chip più ricercati dai collezionisti, con quotazioni che nel 2004 arrivavano fino a 400 euro.

Credit: Tutte le immagini pubblicate nell’articolo sono di CPU Duke.