多圖解讀誕生 50 年的革命性8008微處理器

Intel 開創(chuàng)性的 8008 微處理器在 50 多年前首次生產。這是 Intel 的第一款 8 位微處理器，也是讀者現(xiàn)在可能正在使用的 x86 處理器家族的祖先。（作者無法找到 8008 的優(yōu)質芯片照片，所以自己親自打開了一個芯片并拍攝了一些詳細的照片）這些新的芯片照片在這篇文章中，并附有關于 8008 內部設計的討論。

下面的照片展示了 8008 封裝內部的小硅芯片（點擊獲取更高分辨率的照片）。讀者幾乎看不到構成芯片的導線和晶體管。周圍的方塊是 18 個焊盤，它們通過微小的金屬絲與外部 pin 腳相連。

8008 微處理器的芯片照片

可以在芯片的右邊緣看到「8008」的文字，在底邊看到「? Intel 1971」的文字。在右上角出現(xiàn)了「HF」的縮寫，代表 Hal Feeney，他是芯片的邏輯設計和物理布局者。8008 的其他關鍵設計師還有 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。

芯片內部

下面的圖表突出了芯片的一些主要功能模塊。在左側是 8 位算術/邏輯單元（ALU），它執(zhí)行實際的數(shù)據計算。

ALU 使用兩個臨時寄存器來保存其輸入值。這些寄存器在芯片上占據顯著面積，不是因為它們復雜，而是因為它們需要大的晶體管來驅動通過 ALU 電路的信號。

8008 微處理器的芯片照片，展示了主要組件。

在寄存器下面是進位預測電路。對于加法和減法，這個電路并行計算所有八個進位值以提高性能。由于低階進位僅取決于低階位，而高階進位取決于多個位，因此該電路塊呈三角形。

ALU 的三角形布局是不尋常的。大多數(shù)處理器將每個位的電路堆疊成一個規(guī)則的矩形（位切片布局）。然而，8008 有八個塊（每個位一個），它們雜亂無章地排列以適應三角形進位發(fā)生器留下的空間，ALU 支持八種簡單的操作。

在芯片的中心是指令寄存器和指令解碼邏輯，它決定了每個 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，這是一種門的排列，用于匹配位模式并為芯片的其余部分生成適當?shù)目刂菩盘?，右側是存儲塊。8008 的七個寄存器位于右上角，在右下角是地址堆棧，它由八個 14 位地址字組成。與大多數(shù)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(shù)器只是這些地址之一，使子程序調用和返回變得非常簡單，8008 使用動態(tài)內存進行這種存儲。

芯片的物理結構與 8008 用戶手冊（如下）中的框圖非常接近，芯片上的各個塊幾乎位于與框圖中相同的位置。

8008 微處理器的框圖，來自用戶手冊。

芯片的結構

芯片的照片展示了什么？它可以被視為三層。下面的圖表展示了芯片的特寫，指出了這些層。最頂層是金屬線，這是最為顯眼的特征。在下面的細節(jié)中，這些線路大部分是水平的，多晶硅層位于金屬之下，在顯微鏡下呈現(xiàn)橙色。

8008 芯片的特寫照片，展示了金屬層、多晶硅和摻雜硅。

芯片的基礎是硅晶圓，在照片中呈現(xiàn)為紫灰色。純硅本質上是一種絕緣體，其區(qū)域通過摻雜雜質來創(chuàng)造半導體硅。由于位于底部，硅層很難區(qū)分，但可以看到摻雜硅和未摻雜硅之間的邊界上有黑線。在照片中可以看到幾條垂直的硅「線」。

晶體管是芯片的關鍵組件，當一個多晶硅線穿過摻雜硅時，就形成了一個晶體管。在照片中，多晶硅在形成晶體管時呈現(xiàn)出較亮的橙色。

為什么是 18 pin 腳芯片？

8008 的一個不便之處是它只有 18pin 腳，這使得芯片速度變慢且難以使用。8008 使用 14 位地址位和 8 位數(shù)據位，因此 18pin 腳對于每個信號來說都不夠用。相反，該芯片有 8 個數(shù)據 pin 腳，這些 pin 腳在三個周期內被重復使用，以傳輸?shù)偷刂肺?、高地址位和?shù)據位。使用 8008 的計算機需要許多支持芯片來與這種不便的總線架構進行交互。

將芯片強行設計為 18 個 pin 腳沒有充分的理由。其他制造商普遍使用 40 pin 腳或 48 pin 腳的包裝，但 16 pin 腳在英特爾公司卻「被奉為圭臬」，他們非常不情愿地才增加到了 18 pin 腳。幾年后，當 8080 處理器問世時，英特爾已經接受了 40 pin 腳芯片。8080 處理器更加流行，部分原因是它采用了 40 pin 腳封裝所允許的更簡單的總線設計。

芯片中的電源和數(shù)據路徑

數(shù)據總線為芯片提供數(shù)據流。下面的圖表展示了 8008 的 8 位數(shù)據總線，用彩虹色表示 8 條數(shù)據線。數(shù)據總線連接到芯片上半部分外側的 8 個數(shù)據 pin 腳，總線在左側的算術邏輯單元（ALU）、中間的指令寄存器（IR）以及右側的寄存器和堆棧之間運行，在左側被分成兩部分，分別沿著 ALU 的兩側延伸。

8008 微處理器的芯片照片。電源總線用紅色和藍色表示，數(shù)據總線用 8 種彩虹色表示。

紅色和藍色線條顯示了電源路由。電源路由是微處理器中一個被低估的方面，由于金屬的電阻較低，因此電源在金屬層中進行路由。但由于早期微處理器只有一層金屬，因此必須仔細規(guī)劃電源分配，以確保路徑不交叉。上面的圖表顯示了藍色的 Vcc 線和紅色的 Vdd 線。電源通過左側的 Vcc pin 腳和右側的 Vdd pin 腳提供，然后分支成細小的、相互交織的線路，為芯片的所有部分供電。

寄存器文件

為了詳細展示芯片的外觀，作者在下面的照片中放大了 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8x7 網格的動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）存儲單元組成，每個存儲單元使用三個晶體管來保存一個比特位。（可以看到晶體管作為小矩形，其中橙色的多晶硅呈現(xiàn)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，可以看到七對水平線：每個寄存器的讀取選擇線和寫入選擇線。在頂部，可以看到八條垂直線來讀取或寫入每個比特位的內容，以及五條較粗的線來提供 Vcc。使用 DRAM 作為寄存器（而不是更常見的靜態(tài)鎖存器）是一個有趣的選擇。由于當時英特爾主要是一家內存公司，猜測他們選擇 DRAM 是因為他們在該領域的專長。

8008 中的寄存器文件。該芯片有七個 8 位寄存器：A、B、C、D、E、H、L

PMOS 是如何工作的

8008 使用 PMOS 晶體管。簡單地說，可以將 PMOS 晶體管視為兩個硅線之間的開關，由多晶硅的柵極輸入控制。當柵極輸入為低電平時，開關閉合，它可以將其輸出拉高。如果熟悉在像 6502 這樣的微處理器中使用的 NMOS 晶體管，那么 PMOS 可能會有點令人困惑，因為一切都反過來了。

一個簡單的 PMOS NAND 門可以按下面的方式構建。當兩個輸入都為高電平時，晶體管關閉，電阻將輸出拉低。當任何輸入為低電平時，晶體管將導通，將輸出連接到+5V。因此，該電路實現(xiàn)了 NAND 門。為了與 5 伏 TTL 電路兼容，PMOS 門（因此 8008）使用不常見的電壓供電：-9V 和+5V。

使用 PMOS 邏輯實現(xiàn)的 NAND 門

出于技術原因，電阻實際上是通過晶體管來實現(xiàn)的。下面的圖表顯示了晶體管是如何連接以作為下拉電阻的，右側的細節(jié)顯示了該電路在芯片上的樣子，-9V 金屬線在頂部，晶體管在中間，輸出是底部的硅線。

在 PMOS 中，下拉電阻（左側）是通過一個晶體管（中間）來實現(xiàn)的。右側的照片顯示了 8008 微處理器中的實際下拉電阻。

8008 的歷史

8008 的復雜故事始于 Datapoint 2200，這是一臺于 1970 年推出的流行計算機，作為可編程終端推出。（有些人認為 Datapoint 2200 是第一臺個人電腦。）Datapoint 2200 沒有使用微處理器，而是使用由單個 TTL 芯片構建的板載 CPU。（這是微型計算機時代構建 CPU 的標準方式。）Datapoint 和英特爾決定可以用一個 MOS 芯片替換這個電路板，于是英特爾開始了 8008 項目來制造這個芯片。不久之后，德州儀器也同意為 Datapoint 制造單芯片處理器。這兩款芯片都是為了與 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架構兼容而設計的。

8008 處理器于 1970 年 10 月 25 日在《Electronic Design》雜志上首次公開描述。盡管英特爾聲稱該芯片將于 1971 年 1 月交付，但實際交付時間卻比預期晚了一年多，直到 1972 年 4 月才完成。

大約在 1971 年 3 月，德州儀器完成了他們的處理器芯片，稱為 TMC 1795。在推遲項目后，英特爾在大約 1971 年底完成了 8008 芯片。由于各種原因，Datapoint 拒絕了這兩款微處理器，并基于更新的 TTL 芯片（包括 74181 ALU 芯片）構建了一個更快的 CPU。

德州儀器試圖將 TMC 1795 處理器推銷給福特等公司，但沒有成功，最終放棄了這款處理器，轉而專注于利潤豐厚的計算器芯片。另一方面，英特爾將 8008 作為通用微處理器進行市場推廣，這最終導致了 x86 架構的誕生。雖然德州儀器率先推出了 8 位處理器，但英特爾卻成功地將他們的芯片推向市場，開創(chuàng)了微處理器行業(yè)。

上面的圖表總結了 8008 及其相關處理器家族的「家譜」。黑色箭頭表示向后兼容性，淺色箭頭表示重要的架構變化。

該圖表概述了 8008 及其相關處理器的「家族樹」。Datapoint 2200 的架構被用于 TMC 1795、Intel 8008 以及下一代 Datapoint 220011 中。因此，四個完全不同的處理器都使用了 Datapoint 2200 的指令集和架構。Intel 8080 處理器是 8008 的改進版，顯著擴展了 8008 的指令集，并重新排列了機器碼指令以提高效率。8080 被用于開創(chuàng)性的早期微計算機中，如 Altair 和 Imsai。在開發(fā) 4004 和 8080 之后，設計師 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 離開英特爾，構建了 Zilog Z-80 微處理器，該處理器在 8080 的基礎上進行了改進，并變得非常流行。

跳轉到 16 位的 8086 處理器并不是那么漸進的。雖然大多數(shù) 8080 匯編代碼都可以轉換為在 8086 上運行，但并非輕而易舉，因為指令集和架構都發(fā)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，每次處理一個字節(jié)的一位。由于需要首先處理最低位，所以 Datapoint 2200 是小端序的。為了兼容，8008 也是小端序的，英特爾的處理器至今仍然如此。Datapoint 2200 的另一個特性是奇偶校驗標志，因為奇偶校驗計算對于終端的通信很重要。奇偶校驗標志一直延續(xù)到 x86 架構。

8008 在架構上與英特爾的 4 位 4004 處理器無關。8008 絕對不是 4 位 4004 的 8 位版本。相似的名字純粹是營銷發(fā)明；在設計階段，8008 有一個不那么引人注目的名字「1201」。

8008 在半導體技術歷史中的位置

4004 和 8008 都使用了硅柵增強型 PMOS（Positive-channel Metal Oxide Semiconductor，正通道金屬氧化物半導體），這是一種只短暫使用過的半導體技術。這使得這兩款芯片在芯片制造技術中處于一個有趣的位置。

8008（以及現(xiàn)代處理器）使用的是 MOS 晶體管。這些晶體管在得到接受之前經歷了漫長的道路，因為它們比 1960 年代大多數(shù)計算機中使用的雙極晶體管速度慢且可靠性低。到了 1960 年代末，MOS 集成電路開始變得更加普遍；當時的標準技術是帶有金屬柵的 PMOS 晶體管。晶體管的柵極由金屬制成，同時也用于連接芯片上的組件。芯片基本上具有兩層功能：硅本身和頂部的金屬布線。這種技術被用于許多德州儀器的計算器芯片以及 TMC 1795 芯片（與 8008 具有相同指令集的芯片）。

使 8008 成為實用的關鍵創(chuàng)新是自對準柵——一種使用多晶硅柵而不是金屬柵的晶體管。盡管這種技術是由費爾柴爾德（Fairchild）和貝爾實驗室（Bell Labs）發(fā)明的，但英特爾推動了這一技術的發(fā)展。多晶硅柵晶體管比金屬柵晶體管具有更好的性能（由于復雜的半導體原因）。此外，添加多晶硅層使得芯片中的信號路由變得更加容易，從而使芯片更加密集。下面的圖表顯示了自對準柵的好處：金屬柵的 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片加在一起還要大。

英特爾的 4004 和 8008 處理器比德州儀器的 TMC 1795 芯片要密集得多，這主要是由于它們使用了自對準柵。

不久后，半導體技術再次進步，用 NMOS（Negative-channel Metal Oxide Semiconductor，負通道金屬氧化物半導體）晶體管取代了 PMOS 晶體管。盡管 PMOS 晶體管最初更容易制造，但 NMOS 晶體管更快，因此一旦能夠可靠地制造 NMOS，它們就明顯占據了優(yōu)勢。

NMOS 導致了更加強大的芯片的出現(xiàn)，如英特爾的 8080 和摩托羅拉的 6800（都是 1974 年）。這一時期另一項技術改進是離子注入，用于改變晶體管的特性。這使得可以創(chuàng)建「耗盡型」晶體管用作上拉電阻。這些晶體管提高了芯片性能并降低了功耗。它們還允許創(chuàng)建使用標準五伏電源運行的芯片。

NMOS 晶體管和耗盡型上拉電阻的組合被用于 20 世紀 70 年代末和 80 年代初的大多數(shù)微處理器中，如 6502（1975 年）、Z-80（1976 年）、68000（1979 年）以及從 8085（1976 年）到 80286（1982 年）的英特爾芯片。

到 20 世紀 80 年代中期，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）開始占據主導地位，它結合了 NMOS 和 PMOS 晶體管，顯著降低了功耗，例如 80386（1986 年）、68020（1984 年）和 ARM1（1985 年）?，F(xiàn)在幾乎所有的芯片都是 CMOS。

正如讀者所看到的，20 世紀 70 年代是半導體芯片技術發(fā)生巨大變化的時期。4004 和 8008 的創(chuàng)造正是當時技術能力與市場需求交匯的結果。

如何拍攝芯片裸片照片

第一步是打開芯片封裝以暴露裸片。大多數(shù)芯片都裝在環(huán)氧樹脂封裝中，這些封裝可以用危險的酸來溶解。

8008 微處理器裝在陶瓷封裝中

由于想要避免煮沸硝酸，本文采用了更簡單的方法。8008 也有陶瓷封裝版本（如上所示），用鑿子沿著接縫輕敲芯片，可以將兩層陶瓷分開。下面的照片顯示了陶瓷封裝的下半部分，裸片已經暴露出來。大部分金屬 pin 腳已經被移除，但它們在封裝中的位置仍然可見。在裸片的右側是一個小方塊，它將地線（Vcc）連接到襯底。仍然可以看到幾條微小的連接線，它們連接到裸片上。

在 8008 微處理器的封裝內部，可以看到硅裸片。

一旦裸片暴露出來，就可以使用顯微鏡拍攝照片。標準的顯微鏡是從下方照亮的，這對于裸片照片來說效果并不好。相反，作者使用了一臺金相顯微鏡，它從上方照亮芯片。

為了拍攝照片，首先做著用顯微鏡拍攝了 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的圖像（細節(jié)）。最后，調整了圖像的對比度，使芯片的結構更加清晰可見。下面的原始圖像（大約是通過顯微鏡看到的樣子）用于比較。

8008 微處理器的裸片照片

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(fā)了微處理器革命，并導致了 x86 架構的出現(xiàn)，該架構在未來幾十年里主導了個人電腦。