Intel 4004: 2300 Transistoren feiern Geburtstag

Am 15. November 1971 stellte der heutige Chip-Weltmarktführer Intel seinen ersten Mikroprozessor vor, den 4004. Zwei Jahre zuvor hatte die japanische Firma Nippon Calculating Machine Corporation Intel mit der Entwicklung von 12 Chips für eine neuartige Rechenmaschine beauftragt. Dazu unterzeichneten beide Firmen am 6. Februar 1970 einen Vertrag, der schließlich zur Entwicklung des 4004 und seiner Geschwister führte. Ob es sich bei dem 4004 jedoch um den ersten Mikroprozessor überhaupt handelt, ist eine beliebte Streitfrage. Bereits 1968 hatte Texas Instruments einen Prozessor entworfen, ihn jedoch nicht in Serie gefertigt.

Der 4004 besteht aus gerade einmal 2300 Transistoren – Peanuts verglichen mit den 271 Millionen, aus denen ein heutiger Core 2 Duo besteht. Der 4004 steckt in einem 16-Pin-CERDIP-Gehäuse und arbeitet mit maximal 740 kHz. Für jede einzelne Instruktion braucht er 8 Taktzyklen. Er versteht 46 Befehle (5 davon sind 16 Bit breit, der Rest 8). Obwohl der 4004 auf die Harvard-Architektur setzt, also getrennte Daten- und Programmspeicher besitzt, hat er nur einen 4 Bit breiten Bus. Dieser wird im Multiplex-Verfahren umgeschaltet und transportiert so 12 Bit breite Adressen, 8 Bit breite Befehle und 4 bit breite Datenwörter. Seine 16 Register sind jeweils 4 Bit breit, lassen sich aber auch zu acht 8-Bit-Registern kombinieren. Der Stack des 4004 ist nicht variabel, sondern kann maximal die Programm Counter für 3 Subroutinen verwalten.

Der 4004 besitzt kein eigenes RAM und auch kein ROM – vom Flash-Speicher moderner Mikrocontroller ganz zu schweigen. Daher gehören zum 4004 noch drei weitere Chips: Der ROM Baustein 4001 speichert 2048 Bit – also 256 8-Bit-Befehle. Bis zu 80 4-Bit-Variablen legt der Prozessor im 4002-Chip ab. Für I/O-Erweiterungen war der 4003 mit seinem statischen Schieberegister zuständig.

Obwohl die technischen Daten des 4004 heute niemanden mehr vom Sockel reißen, läutete er vor 35 Jahren eine kleine Revolution ein. Diskret aufgebaute Rechenmaschinen waren riesig und teuer, Mikroprozessoren versprachen kleine, sparsame und vor allem preiswerte Rechner. Die Rechenleistung des 4004 gibt Intel mit ungefähr der des 1946 gebauten ENIAC an. Mit seinen 18.000 Röhren belegte dieser jedoch einen ganzen Saal und schluckte 174 Kilowatt an Leistung.

Bereits ein Jahr nach dem 4004 brachte Intel mit dem 8008 den ersten echten 8-Bit-Prozessor (3300 Transistoren) heraus. Den 4004 erweiterte Intel zum 4040 und spendiert ihm Interrupts und neue Befehle. Der erste x86-er erschien 1978.

Auf der inoffiziellen 4004-Seite gibt es einen Simulator und einige weitere Infos. Fans des 4004 haben auf Wikipedia ein eigenes Blockschaltbild bereitgestellt. Eine ganze Reihe interessanter Bilder hat Intel zusammen getragen. Im Intel Museum sind auch die Schaltpläne des 4004 für nicht kommerzielle Zwecke kostenlos zu haben. Mit einigen Anekdoten und Geschichten rund um den Chipdesigner Federico Faggin, der den 4004 mit aus der Taufe gehoben und vor allem signiert hat – der Chip trägt die Signatur FF (siehe Die-Shot), die Faggin aus einer spontanen Idee heraus in die Masken eingefügt hat –, beschäftigt sich eine eigene Website. Neben Faggin haben auch Ted Hoff und Stanley Mazor am 4004 mit entwickelt. (bbe)