一顆改變了世界的芯片

英特爾突破性的 8008 微處理器于 50 多年前首次生產。這是英特爾的第一個 8 位微處理器，也是您現在可能正在使用的 x86 處理器系列的祖先。我找不到 8008 的好的Die照片，所以我打開了一顆并拍了一些詳細的照片。本文中包含這些新芯片照片以及 8008 內部設計的討論。

下圖顯示了 8008 封裝內的微型硅芯片（點擊查看更高分辨率的照片）。你幾乎看不到構成芯片的電線和晶體管。外部周圍的方塊是 18 個焊盤，通過微小的鍵合線連接到外部引腳。

你可以在芯片的右邊緣看到文字“8008”，在下邊緣看到“ Intel 1971”。Hal Feeney 的名字縮寫 HF 出現在右上角，他負責芯片的邏輯設計和物理布局。8008 的其他主要設計師包括 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。

芯片內部

下圖突出顯示了該芯片的一些主要功能塊。左側是 8 位算術/邏輯單元 (ALU)，它執行實際的數據計算。

ALU 使用兩個臨時寄存器來保存其輸入值。這些寄存器占據了芯片上很大的面積，不是因為它們很復雜，而是因為它們需要大型晶體管來驅動信號通過 ALU 電路。

寄存器下方是carry look ahead circuitry。對于加法和減法，該電路并行計算所有八個進位值以提高性能。由于低位進位（low-order carry）僅取決于低位位（low-order bits），而高位進位取決于多個位，因此電路塊具有三角形形狀。

ALU 的三角形布局很不尋常。大多數處理器將每個位的電路堆疊成規則的矩形（a bit-slice layout）。然而，8008 有八個塊（每一位一個）隨意排列，以適應三角形進位生成器留下的空間。ALU 支持八種簡單運算。

芯片的中心是指令寄存器和指令譯碼邏輯，決定每條8位機器指令的含義。解碼是通過可編程邏輯陣列（PLA）完成的，PLA是一種門的排列，可以匹配位模式并為芯片的其余部分生成適當的控制信號。右側是存儲塊。8008的七個寄存器位于右上角。右下角是地址棧，由8個14位地址字組成。與大多數處理器不同，8008 的調用堆棧存儲在芯片上而不是內存中。程序計數器只是這些地址之一，使得子程序調用和返回非常簡單。8008 使用動態內存進行存儲

該芯片的物理結構與8008用戶手冊（如下）中的框圖非常接近，芯片上的塊位置與框圖中的位置幾乎相同。

芯片結構

die照片顯示什么？出于我們的目的，芯片可以被視為三層。下圖顯示了芯片的特寫，指出了這些層。最頂層是金屬布線。這是最明顯的特征，看起來是金屬的（毫不奇怪）。在下面的細節中，這些電線大多是水平的。多晶硅層位于金屬下方，在顯微鏡下呈橙色。

芯片的基礎是硅片，照片中硅片呈紫灰色。純硅實際上是一種絕緣體。它的某些區域被“摻雜”了雜質以形成半導體硅。硅層位于底部，很難區分，但可以看到摻雜硅和未摻雜硅之間的邊界上有黑線。照片中可以看到一些垂直的硅“線”。

晶體管是芯片的關鍵部件，多晶硅線與摻雜硅交叉的地方形成晶體管。在照片中，多晶硅在形成晶體管時呈現出更亮的橙色。

為什么是18針芯片？

8008 的一個不方便的特性是它只有 18 個引腳，這使得芯片速度更慢并且更難以使用。8008 使用 14 個地址位和 8 個數據位，因此有 18 個引腳，沒有足夠的引腳用于每個信號。相反，該芯片有 8 個數據引腳，在三個周期內重復使用，以傳輸低地址位、高地址位和數據位。使用8008的計算機需要許多支持芯片才能與這種不方便的總線架構交互。

沒有充分的理由強制芯片變成 18 引腳。40 或 48 引腳封裝在其他制造商中很常見，但 16 引腳是“英特爾的信仰”。他們極不情愿地才改為 18 針。幾年后，當 8080 處理器問世時，英特爾已經接受了 40 針芯片。8080 更受歡迎，部分原因是它具有 40 引腳封裝允許的更簡單的總線設計。

芯片中的電源和數據路徑

數據總線提供流經芯片的數據流。下圖顯示了 8008 的 8 位數據總線，其中 8 條數據線為彩虹色。數據總線連接到芯片上半部外側的 8 個數據引腳?？偩€在左側的 ALU、指令寄存器（中上）以及右側的寄存器和堆棧之間運行?？偩€在左側分開，ALU 兩側各占一半。

紅線和藍線顯示電源布線。電源布線是微處理器的一個未被充分重視的方面。由于金屬層電阻低，電源在金屬層中布線。但由于早期微處理器中只有一層金屬層，因此必須仔細規劃配電，以免路徑交叉。上圖以藍色顯示 Vcc 線，以紅色顯示 Vdd 線。電源通過左側的 Vcc 引腳和右側的 Vdd 引腳提供，然后分支成細的互鎖電線，為芯片的所有部分供電。

寄存器文件

為了詳細展示該芯片的外觀，我放大了下圖中 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8 x 7 網格的動態 RAM (DRAM) 存儲單元組成，每個存儲單元使用三個晶體管來保存一位。（您可以將晶體管視為小矩形，其中橙色多晶硅呈現出稍微更鮮艷的顏色。）每一行都是 8008 的七個 8 位寄存器之一（A、B、C、D、E、H、L） ）。在左側，您可以看到七對水平線：每個寄存器的讀選擇線和寫選擇線。在頂部，您可以看到 8 根垂直導線用于讀取或寫入每位的內容，以及 5 根較粗的導線用于提供 Vcc。使用 DRAM 作為寄存器（而不是更常見的靜態鎖存器）是一個有趣的選擇。由于英特爾當時主要是一家內存公司，我預計他們選擇 DRAM 是因為他們在該領域的專業知識。

PMOS 的工作原理

8008使用PMOS晶體管。為了稍微簡化一下，您可以將 PMOS 晶體管視為兩條硅線之間的開關，由（多晶硅）柵極輸入控制。當其柵極輸入較低時，開關閉合，并且可以將其輸出拉高。如果您熟悉 6502 等微處理器中使用的 NMOS 晶體管，那么 PMOS 可能會有點令人困惑，因為一切都是倒退的。

一個簡單的 PMOS 與非門可以如下所示構建。當兩個輸入都為高電平時，晶體管關閉，電阻器將輸出拉低。當任何輸入為低電平時，晶體管將導通，將輸出連接到+5。因此，該電路實現了與非門。為了與 5 伏 TTL 電路兼容，PMOS 柵極（以及 8008）采用異常電壓供電：-9V 和 +5V。

由于技術原因，電阻器實際上是用晶體管實現的。下圖顯示了晶體管如何連接以充當下拉電阻。右側的詳細信息顯示了該電路在芯片上的顯示方式。-9V金屬線在頂部，晶體管在中間，輸出是底部的硅線。

8008 的歷史

8008 的復雜故事始于Datapoint 2200，這是一款于 1970 年作為可編程終端推出的流行計算機。（有些人認為 Datapoint 2200 是第一臺個人計算機。）Datapoint 2200 沒有使用微處理器，而是包含一個由單獨的 TTL 芯片構建的板級 CPU。（這是小型機時代構建 CPU 的標準方法。）Datapoint 和 Intel 決定可以用單個 MOS 芯片取代該板，Intel 啟動了 8008 項目來構建該芯片。稍后，德州儀器 (TI) 也同意為 Datapoint 打造單芯片處理器。這兩款芯片均設計為與 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架構兼容。

1971 年 3 月左右，德州儀器 (TI) 完成了他們的處理器芯片，并將其稱為TMC 1795。在推遲了該項目之后，Intel 于 1971 年底左右完成了 8008 芯片。出于各種原因，Datapoint 拒絕了這兩種微處理器，并基于較新的 TTL 芯片（包括74181 ALU 芯片）構建了更快的 CPU 。

TI 嘗試向福特等公司推銷 TMC 1795 處理器，但沒有成功，但最終放棄了該處理器，轉而專注于高利潤的計算器芯片。另一方面，英特爾將 8008 作為通用微處理器進行營銷，這最終導致了您現在可能正在使用的 x86 架構。雖然 TI 率先推出了 8 位處理器，但英特爾使他們的芯片取得了成功，創造了微處理器行業。

上圖總結了 8008 和一些相關處理器的“家譜”。Datapoint 2200 的架構用于 TMC 1795、Intel 8008 和下一版本 Datapoint 2200 。因此，使用 Datapoint 2200 的指令集和架構構建了四個完全不同的處理器。Intel 8080 處理器是 8008 的大幅改進版本。它顯著擴展了 8008 的指令集，并重新排序了機器代碼指令以提高效率。8080 用于開創性的早期微型計算機，例如 Altair 和 Imsai。在完成了 4004 和 8080 的工作后，設計師 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 離開英特爾，開發了 Zilog Z-80 微處理器，該微處理器在 8080 的基礎上進行了改進，并變得非常受歡迎。

向16 位8086處理器的轉變要少得多。大多數 8080 匯編代碼可以轉換為在 8086 上運行，但這并不簡單，因為指令集和體系結構發生了根本性的變化。盡管如此，Datapoint 2200 的一些特性仍然存在于當今的 x86 處理器中。例如，Datapoint 2200 有一個串行處理器，一次處理一位字節。由于需要首先處理最低位，因此 Datapoint 2200 是小尾數法。為了兼容性，8008 是小端字節序，英特爾的處理器仍然如此。Datapoint 2200 的另一個功能是奇偶校驗標志，因為奇偶校驗計算對于終端通信非常重要。奇偶校驗標志一直延續到 x86 架構。

8008 在架構上與英特爾的 4 位 4004 處理器無關。無論如何，8008 都不是 4 位 4004 的 8 位版本。類似的名稱純粹是一種營銷發明；在設計階段，8008 有一個平淡無奇的名字“1201”。

8008 如何融入半導體技術的歷史

4004 和 8008 均采用硅柵增強型 PMOS，這是一種僅短暫使用的半導體技術。這使芯片處于芯片制造技術中的一個有趣的點。

8008（和現代處理器）使用 MOS 晶體管。這些晶體管的接受之路很長，與 20 世紀 60 年代大多數計算機中使用的雙極晶體管相比，速度較慢且可靠性較差。到 20 世紀 60 年代末，MOS 集成電路變得越來越普遍。標準技術是帶有金屬柵極的 PMOS 晶體管。晶體管的柵極由金屬組成，也用于連接芯片的組件。芯片本質上有兩層功能：硅本身和頂部的金屬布線。該技術被用于許多德州儀器計算器芯片以及TMC 1795芯片（與8008具有相同指令集的芯片）中。

使 8008 變得實用的一項關鍵創新是自對準柵極——一種使用多晶硅而不是金屬柵極的晶體管。雖然這項技術是由 Fairchild 和貝爾實驗室發明的，但推動這項技術發展的是英特爾。多晶硅柵極晶體管的性能比金屬柵極好得多（出于復雜的半導體原因）。此外，添加多晶硅層使芯片中的信號布線變得更加容易，從而使芯片更加密集。下圖顯示了自對準柵極的優勢：金屬柵極 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片的總和還要大。

不久之后，半導體技術再次進步，使用NMOS晶體管代替PMOS晶體管。盡管 PMOS 晶體管最初更容易制造，但 NMOS 晶體管速度更快，因此一旦能夠可靠地制造 NMOS，它們就明顯獲勝。

NMOS 催生了更強大的芯片，例如Intel 8080和 Motorola 6800（均為 1974 年）。這次的另一項技術改進是通過離子注入來改變晶體管的特性。這使得可以創建用作上拉電阻的“耗盡型”晶體管。這些晶體管提高了芯片性能并降低了功耗。他們還允許創建使用標準五伏電源運行的芯片。

NMOS 晶體管和耗盡型上拉的組合用于 20 世紀 70 年代末和 1980 年代初的大多數微處理器，例如 6502 (1975)、Z-80 (1976)、68000 (1979) 和 Intel 芯片從 8085 (1976) 到 80286 (1982)。

20 世紀 80 年代中期，CMOS 占據主導地位，同時使用 NMOS 和 PMOS 晶體管來大幅降低功耗，芯片包括 80386 (1986)、68020 (1984) 和ARM1 (1985)?，F在幾乎所有的芯片都是CMOS的。

正如您所看到的，20 世紀 70 年代是半導體芯片技術發生巨大變化的時期。當技術能力與合適的市場相結合時，4004 和 8008 就誕生了。

如何拍攝Die照片

在本節中，我將解釋如何獲取 8008 芯片的照片。第一步是打開芯片封裝以暴露芯片。大多數芯片采用環氧樹脂封裝，可以用危險的酸溶解。

由于我寧愿避免煮沸硝酸，所以我采取了一種更簡單的方法。8008 也有陶瓷封裝（上圖），這是我在 eBay 上買到的。用鑿子沿接縫敲擊芯片，將兩層陶瓷層分開。下圖顯示了陶瓷封裝的下半部分，裸露的芯片。大多數金屬引腳已被移除，但它們在封裝中的位置是可見的。Die的右側是一個小方塊；這會將地 (Vcc) 連接到基板。幾根微小的鍵合線仍然可見，連接到芯片上。

一旦芯片曝光，就可以使用顯微鏡拍照。標準顯微鏡從下方發出光線，這對于拍攝照片來說效果不佳。相反，我使用了金相顯微鏡，它從上方發出光線來照亮芯片。

我通過顯微鏡拍攝了 48 張照片，然后使用 Hugin 拼接軟件將它們組合成一張高分辨率圖像。最后，我調整了圖像對比度，使芯片的結構更加清晰。原始圖像（大約是您通過顯微鏡看到的圖像）如下以供比較。

結論

雖然 8008 不是第一個微處理器，甚至不是第一個 8 位微處理器，但它確實具有革命性，引發了微處理器革命，并導致了在未來幾十年主導個人計算機的 x86 架構。

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