一颗改变了世界的芯片(下）

8008 的历史

8008 的复杂故事始于Datapoint 2200，这是一款于 1970 年作为可编程终端推出的流行计算机。（有些人认为 Datapoint 2200 是第一台个人计算机。）Datapoint 2200 没有使用微处理器，而是包含一个由单独的 TTL 芯片构建的板级 CPU。（这是小型机时代构建 CPU 的标准方法。）Datapoint 和 Intel 决定可以用单个 MOS 芯片取代该板，Intel 启动了 8008 项目来构建该芯片。稍后，德州仪器 (TI) 也同意为 Datapoint 打造单芯片处理器。这两款芯片均设计为与 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架构兼容。

1971 年 3 月左右，德州仪器 (TI) 完成了他们的处理器芯片，并将其称为TMC 1795。在推迟了该项目之后，Intel 于 1971 年底左右完成了 8008 芯片。出于各种原因，Datapoint 拒绝了这两种微处理器，并基于较新的 TTL 芯片（包括74181 ALU 芯片）构建了更快的 CPU 。

TI 尝试向福特等公司推销 TMC 1795 处理器，但没有成功，但最终放弃了该处理器，转而专注于高利润的计算器芯片。另一方面，英特尔将 8008 作为通用微处理器进行营销，这最终导致了您现在可能正在使用的 x86 架构。虽然 TI 率先推出了 8 位处理器，但英特尔使他们的芯片取得了成功，创造了微处理器行业。

上图总结了 8008 和一些相关处理器的“家谱”。Datapoint 2200 的架构用于 TMC 1795、Intel 8008 和下一版本 Datapoint 2200 。因此，使用 Datapoint 2200 的指令集和架构构建了四个完全不同的处理器。Intel 8080 处理器是 8008 的大幅改进版本。它显着扩展了 8008 的指令集，并重新排序了机器代码指令以提高效率。8080 用于开创性的早期微型计算机，例如 Altair 和 Imsai。在完成了 4004 和 8080 的工作后，设计师 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 离开英特尔，开发了 Zilog Z-80 微处理器，该微处理器在 8080 的基础上进行了改进，并变得非常受欢迎。

向16 位 8086 处理器的转变要少得多。大多数 8080 汇编代码可以转换为在 8086 上运行，但这并不简单，因为指令集和体系结构发生了根本性的变化。尽管如此，Datapoint 2200 的一些特性仍然存在于当今的 x86 处理器中。例如，Datapoint 2200 有一个串行处理器，一次处理一位字节。由于需要首先处理最低位，因此 Datapoint 2200 是小尾数法。为了兼容性，8008 是小端字节序，英特尔的处理器仍然如此。Datapoint 2200 的另一个功能是奇偶校验标志，因为奇偶校验计算对于终端通信非常重要。奇偶校验标志一直延续到 x86 架构。

8008 在架构上与英特尔的 4 位 4004 处理器无关。无论如何，8008 都不是 4 位 4004 的 8 位版本。类似的名称纯粹是一种营销发明；在设计阶段，8008 有一个平淡无奇的名字“1201”。

8008 如何融入半导体技术的历史

4004 和 8008 均采用硅栅增强型 PMOS，这是一种仅短暂使用的半导体技术。这使芯片处于芯片制造技术中的一个有趣的点。

8008（和现代处理器）使用 MOS 晶体管。这些晶体管的接受之路很长，与 20 世纪 60 年代大多数计算机中使用的双极晶体管相比，速度较慢且可靠性较差。到 20 世纪 60 年代末，MOS 集成电路变得越来越普遍。标准技术是带有金属栅极的 PMOS 晶体管。晶体管的栅极由金属组成，也用于连接芯片的组件。芯片本质上有两层功能：硅本身和顶部的金属布线。该技术被用于许多德州仪器计算器芯片以及TMC 1795芯片（与8008具有相同指令集的芯片）中。

使 8008 变得实用的一项关键创新是自对准栅极——一种使用多晶硅而不是金属栅极的晶体管。虽然这项技术是由 Fairchild 和贝尔实验室发明的，但推动这项技术发展的是英特尔。多晶硅栅极晶体管的性能比金属栅极好得多（出于复杂的半导体原因）。此外，添加多晶硅层使芯片中的信号布线变得更加容易，从而使芯片更加密集。下图显示了自对准栅极的优势：金属栅极 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片的总和还要大。

不久之后，半导体技术再次进步，使用NMOS晶体管代替PMOS晶体管。尽管 PMOS 晶体管最初更容易制造，但 NMOS 晶体管速度更快，因此一旦能够可靠地制造 NMOS，它们就明显获胜。

NMOS 催生了更强大的芯片，例如Intel 8080和 Motorola 6800（均为 1974 年）。这次的另一项技术改进是通过离子注入来改变晶体管的特性。这使得可以创建用作上拉电阻的“耗尽型”晶体管。这些晶体管提高了芯片性能并降低了功耗。他们还允许创建使用标准五伏电源运行的芯片。

NMOS 晶体管和耗尽型上拉的组合用于 20 世纪 70 年代末和 1980 年代初的大多数微处理器，例如 6502 (1975)、Z-80 (1976)、68000 (1979) 和 Intel 芯片从 8085 (1976) 到 80286 (1982)。

20 世纪 80 年代中期，CMOS 占据主导地位，同时使用 NMOS 和 PMOS 晶体管来大幅降低功耗，芯片包括 80386 (1986)、68020 (1984) 和ARM1 (1985)。现在几乎所有的芯片都是CMOS的。

正如您所看到的，20 世纪 70 年代是半导体芯片技术发生巨大变化的时期。当技术能力与合适的市场相结合时，4004 和 8008 就诞生了。

如何拍摄Die照片

在本节中，我将解释如何获取 8008 芯片的照片。第一步是打开芯片封装以暴露芯片。大多数芯片采用环氧树脂封装，可以用危险的酸溶解。

由于我宁愿避免煮沸硝酸，所以我采取了一种更简单的方法。8008 也有陶瓷封装（上图），这是我在 eBay 上买到的。用凿子沿接缝敲击芯片，将两层陶瓷层分开。下图显示了陶瓷封装的下半部分，裸露的芯片。大多数金属引脚已被移除，但它们在封装中的位置是可见的。Die的右侧是一个小方块；这会将地 (Vcc) 连接到基板。几根微小的键合线仍然可见，连接到芯片上。

一旦芯片曝光，就可以使用显微镜拍照。标准显微镜从下方发出光线，这对于拍摄照片来说效果不佳。相反，我使用了金相显微镜，它从上方发出光线来照亮芯片。

我通过显微镜拍摄了 48 张照片，然后使用 Hugin 拼接软件将它们组合成一张高分辨率图像。最后，我调整了图像对比度，使芯片的结构更加清晰。原始图像（大约是您通过显微镜看到的图像）如下以供比较。

结论

虽然 8008 不是第一个微处理器，甚至不是第一个 8 位微处理器，但它确实具有革命性，引发了微处理器革命，并导致了在未来几十年主导个人计算机的 x86 架构。

在以后的文章中，我计划详细解释 8008 的电路，以让您一睹当今计算机的根源。

文章来源：半导体行业观察