電腦達人養成計畫 2-5：上古 CPU 發展史

在前面的 CPU 概論結束之後，我們接下來要進入的是一段「歷史課程」，由於現今 x86 個人電腦處理器只剩下 Intel 與 AMD 兩大廠商，因此站長將只談這兩家的產品，並從 Intel 的第一顆處理器－Intel 4004 開始到最新的 Skylake 與即將出現的 AMD Zen，由於這段歷史很長，所以可能會拆成五到七篇文章的量。

第一篇將介紹上古時代，包含 Intel 的 4004、8008、8080、8085 等進入 x86 架構以前的處理器。

上古時代－處理器產業的開端

一切的開始：Intel 4004

Intel 4004 是 Intel 這間公司的第一款微處理器 (Microprocessor) 產品 (其實 Intel 本來是生產記憶體晶片的廠商)，同時也是全世界第一款被商用化的微處理器 (在此之前似乎還有一兩款軍方專用的產品)，採 4-bit 架構，包含了 2300 個電晶體，原先是為了日本計算機公司 (Nippon Calculating Machine Corporation) 旗下的產品 (Busicom 141-PF 計算機) 而設計的晶片。

當時實際上 Intel 為了這家公司設計的是一整套的晶片，一共包含了中央處理器 (4004) 與輔助 ROM 記憶體晶片、用於處理資料的 RAM 記憶體晶片和負責處理輸入與輸出端的暫存器晶片，這某種程度上也是未來電腦的基本架構雛形。

↑ Intel 4004 的電路圖 (Die shot)

或許 4004 在推出當時就被認為是一款失敗的晶片 (性能不佳)，但實際上一枚 3mm x 4mm 大小的晶片就能夠有足以匹敵 1946 年的始祖級電腦－ENIAC (足足要占據一整個房間的大小) 的性能，還是讓人驚嘆的。

除此之外，當時的 CPU 主要材質為陶瓷，後來才發展出塑膠封裝的形式。

之後 Intel 另外在 1974 年推出了 Intel 4004 的升級版－Intel 4040，增加了額外的記憶體定址與暫存器和一些新指令，同時封裝針腳數也增加到 24 針腳，不過由於出現得比 Intel 8008 還要晚，所以不太受到關注。

Intel 4004 規格諸元

發佈時間：1971 年 11 月 15 日
封裝方式：16 針腳 DIP
製造工藝：10 微米 (μm)
運作電壓：15 V
運作時脈：108 kHz ~ 740 kHz
電晶體數：2300 個
指令集架構：4 位元 BCD 運算、支援 8 位元指令集與 12 位元位址集合

DIP 封裝
全名為 Dual In-line Package，外型就如同 4004 這樣，背面有兩排針腳，直到現在仍然常用於簡單的積體電路晶片上 (例如麵包版實驗時用的晶片)。

進入 8 位元時代：Intel 8008

Intel 8008 同時身兼了兩個「第一」，Intel 旗下的第一款八位元處理器，同時也是全世界第一顆八位元處理器，因此是很有代表性的產品，具有劃時代的意義，發佈於 4004 推出後的隔年－1972 年。

8008 原先被叫做 1201，是 Intel 為 Computer Terminal Corporation (CTC) 公司旗下的 Datapoint 2200 可程式化終端機設計的晶片，不過由於交貨時間延遲加上性能未達要求，最終被 CTC 所捨棄，而後來由於 SEIKO 公司表達了購買 1201 用於科學計算機產品的興趣，在 Intel 與 CTC 的協議中，CTC 放棄了對此晶片的智慧財產權，允許 Intel 對其他客戶銷售此晶片，在經過一些修改之後，1201 就成為了我們現在所認識的 8008。

↑ Intel 8008 的 Die shot

起先 Intel 擔心這款晶片賣不出去，不過最後，他們成功了，值得一提的是，雖然絕大多數 8008 的時脈低於前代的 4004，但由於 8008 是八位元處理器，因此實際上效能還是比 4004 強很多，8008 至多可以支援 16 KB 的記憶體。

Intel 8008 規格諸元

發佈時間：1972 年 04 月
封裝方式：18 針腳 DIP
製造工藝：10 微米 (μm)
運作電壓：5 V
運作時脈：200 kHz ~ 800 kHz
電晶體數：3500 個
指令集架構：8008 8 位元指令集

具有指標意義的處理器：Intel 8080

之後 Intel 在 1974 年將 8008 改良之後生產了 Intel 8080 這款處理器，這款處理器的運算速度「大幅提高」到 2 Mhz，且能提供直接記憶體定址與支援 64 KB 的記憶體。

之所以說這款處理器具有指標意義呢，其實不是因為他的效能或是架構有什麼非常跨時代的改變，而是因為它帶動了當時電腦產業，當時有一款叫做 Altair 的暢銷電腦就是使用這款處理器，這台電腦其實蠻常在與矽谷有關的電影 (特別是講述微軟的歷史時)，因為比爾蓋茲當時創辦微軟的起頭，就是為了幫這台電腦設計 BASIC 程式語言開始！

↑ Intel 8080 的 Die shot

此款處理器的另一項特色則是，有許多廠商爭相加入生產相容於 Intel 8080 的產品，值得注意的是，AMD 也在這時候正式進入微處理器市場，生產了從 Intel 8080 逆向工程得來的 Am9080 晶片，之後則「先上車後補票」在 Am9080 上市之後才與 Intel 達成授權協議 (1976 年)，成為 8080 晶片的第二生產者 (其實 Intel 是為了打入矽谷的市場才這麼做的，當時矽谷有許多大公司要求採用產品時，該產品必須要有兩家以上的貨源)。

Intel 8080 規格諸元

發佈時間：1974 年 04 月
封裝方式：40 針腳 DIP
製造工藝：6 微米 (μm)
運作電壓：5 V
運作時脈：2 MHz
電晶體數：6000 個
指令集架構：8080 8 位元指令集

生命週期超長：Intel 8085

在 1975 年時 Intel 發佈了 Intel 8085 這款晶片，是 8080 的改良版，主要是免除了過去 Intel 8080 需要同時提供 +5 V、 -5 V、 +12 V 三種不同電壓才能正常運作的困擾，Intel 8085 只需要提供 +5V 就足夠了，其實這也是型號中「5」這個數字的由來，因為單一電壓方便，加上改進了 8080 的不足，因此很快就全面取代了 Intel 8080。