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一颗改变了世界的芯片（上）

英特尔突破性的 8008 微处理器于 50 多年前首次生产。这是英特尔的第一个 8 位微处理器，也是您现在可能正在使用的 x86 处理器系列的祖先。我找不到 8008 的好的Die照片，所以我打开了一颗并拍了一些详细的照片。本文中包含这些新芯片照片以及 8008 内部设计的讨论。

下图显示了 8008 封装内的微型硅芯片（点击查看更高分辨率的照片）。你几乎看不到构成芯片的电线和晶体管。外部周围的方块是 18 个焊盘，通过微小的键合线连接到外部引脚。

你可以在芯片的右边缘看到文字“8008”，在下边缘看到“© Intel 1971”。Hal Feeney 的名字缩写 HF 出现在右上角，他负责芯片的逻辑设计和物理布局。8008 的其他主要设计师包括 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。

芯片内部

下图突出显示了该芯片的一些主要功能块。左侧是 8 位算术/逻辑单元 (ALU)，它执行实际的数据计算。

ALU 使用两个临时寄存器来保存其输入值。这些寄存器占据了芯片上很大的面积，不是因为它们很复杂，而是因为它们需要大型晶体管来驱动信号通过 ALU 电路。

寄存器下方是carry look ahead circuitry。对于加法和减法，该电路并行计算所有八个进位值以提高性能。由于低位进位（low-order carry）仅取决于低位位（low-order bits），而高位进位取决于多个位，因此电路块具有三角形形状。

ALU 的三角形布局很不寻常。大多数处理器将每个位的电路堆叠成规则的矩形（a bit-slice layout）。然而，8008 有八个块（每一位一个）随意排列，以适应三角形进位生成器留下的空间。ALU 支持八种简单运算。

芯片的中心是指令寄存器和指令译码逻辑，决定每条8位机器指令的含义。解码是通过可编程逻辑阵列（PLA）完成的，PLA是一种门的排列，可以匹配位模式并为芯片的其余部分生成适当的控制信号。右侧是存储块。8008的七个寄存器位于右上角。右下角是地址栈，由8个14位地址字组成。与大多数处理器不同，8008 的调用堆栈存储在芯片上而不是内存中。程序计数器只是这些地址之一，使得子程序调用和返回非常简单。8008 使用动态内存进行存储

该芯片的物理结构与8008用户手册（如下）中的框图非常接近，芯片上的块位置与框图中的位置几乎相同。

芯片结构

die照片显示什么？出于我们的目的，芯片可以被视为三层。下图显示了芯片的特写，指出了这些层。最顶层是金属布线。这是最明显的特征，看起来是金属的（毫不奇怪）。在下面的细节中，这些电线大多是水平的。多晶硅层位于金属下方，在显微镜下呈橙色。

芯片的基础是硅片，照片中硅片呈紫灰色。纯硅实际上是一种绝缘体。它的某些区域被“掺杂”了杂质以形成半导体硅。硅层位于底部，很难区分，但可以看到掺杂硅和未掺杂硅之间的边界上有黑线。照片中可以看到一些垂直的硅“线”。

晶体管是芯片的关键部件，多晶硅线与掺杂硅交叉的地方形成晶体管。在照片中，多晶硅在形成晶体管时呈现出更亮的橙色。

为什么是18针芯片？

8008 的一个不方便的特性是它只有 18 个引脚，这使得芯片速度更慢并且更难以使用。8008 使用 14 个地址位和 8 个数据位，因此有 18 个引脚，没有足够的引脚用于每个信号。相反，该芯片有 8 个数据引脚，在三个周期内重复使用，以传输低地址位、高地址位和数据位。使用8008的计算机需要许多支持芯片才能与这种不方便的总线架构交互。

没有充分的理由强制芯片变成 18 引脚。40 或 48 引脚封装在其他制造商中很常见，但 16 引脚是“英特尔的信仰”。他们极不情愿地才改为 18 针。几年后，当 8080 处理器问世时，英特尔已经接受了 40 针芯片。8080 更受欢迎，部分原因是它具有 40 引脚封装允许的更简单的总线设计。

芯片中的电源和数据路径

数据总线提供流经芯片的数据流。下图显示了 8008 的 8 位数据总线，其中 8 条数据线为彩虹色。数据总线连接到芯片上半部外侧的 8 个数据引脚。总线在左侧的 ALU、指令寄存器（中上）以及右侧的寄存器和堆栈之间运行。总线在左侧分开，ALU 两侧各占一半。

红线和蓝线显示电源布线。电源布线是微处理器的一个未被充分重视的方面。由于金属层电阻低，电源在金属层中布线。但由于早期微处理器中只有一层金属层，因此必须仔细规划配电，以免路径交叉。上图以蓝色显示 Vcc 线，以红色显示 Vdd 线。电源通过左侧的 Vcc 引脚和右侧的 Vdd 引脚提供，然后分支成细的互锁电线，为芯片的所有部分供电。

寄存器文件

为了详细展示该芯片的外观，我放大了下图中 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8 x 7 网格的动态 RAM (DRAM) 存储单元组成，每个存储单元使用三个晶体管来保存一位。（您可以将晶体管视为小矩形，其中橙色多晶硅呈现出稍微更鲜艳的颜色。）每一行都是 8008 的七个 8 位寄存器之一（A、B、C、D、E、H、L））。在左侧，您可以看到七对水平线：每个寄存器的读选择线和写选择线。在顶部，您可以看到 8 根垂直导线用于读取或写入每位的内容，以及 5 根较粗的导线用于提供 Vcc。使用 DRAM 作为寄存器（而不是更常见的静态锁存器）是一个有趣的选择。由于英特尔当时主要是一家内存公司，我预计他们选择 DRAM 是因为他们在该领域的专业知识。

PMOS 的工作原理

8008使用PMOS晶体管。为了稍微简化一下，您可以将 PMOS 晶体管视为两条硅线之间的开关，由（多晶硅）栅极输入控制。当其栅极输入较低时，开关闭合，并且可以将其输出拉高。如果您熟悉 6502 等微处理器中使用的 NMOS 晶体管，那么 PMOS 可能会有点令人困惑，因为一切都是倒退的。

一个简单的 PMOS 与非门可以如下所示构建。当两个输入都为高电平时，晶体管关闭，电阻器将输出拉低。当任何输入为低电平时，晶体管将导通，将输出连接到+5。因此，该电路实现了与非门。为了与 5 伏 TTL 电路兼容，PMOS 栅极（以及 8008）采用异常电压供电：-9V 和 +5V。