چه کسی اولین ریزپردازنده را اختراع کرد

ریزپردازنده همیشه به‌عنوان یکی از مهم‌ترین و تاثیرگذارترین اختراعات تاریخ مهندسی شناخته شده است. نکته‌ی جالب این است که تفاوت در تعریف این عبارت، باعث شده تا افراد متعددی به‌عنوان مخترع این قطعه‌ی کامپیوتری شناخته شوند. در این میان، کاربرد اصلی کلمه‌ی ریزپردازنده یا Microprocessor بیان‌کننده‌ی کامپیوتری است که از یک معماری ریزبرنامه‌ریزی‌شده (Microprogrammed) استفاده می‌کند. اصطلاح ریزبرنامه‌ریزی، تکنیکی است که برای اولین بار توسط ماریس ویلکرز در سال ۱۹۵۱ مطرح شد.

شرکت Viatran Computer Systems برای اولین بار در سال ۱۹۶۸ از اصطلاح ریزپردازنده برای توضیح دستگاه‌های خود موسوم به System 21 استفاده کرد. کاربرد مدرن این اصطلاح، توضیحی بر واحد ریزپردازش معروف کامپیوترها است؛ همان قطعه‌ی سیلیکونی در هر کامپیوتر که تمام عملیات منطقی سیستم کامپیوتر را انجام می‌دهد. رسانه‌های امروزی از اصطلاح کامپیوتر روی تراشه برای آن استفاده می‌کنند.

یک کامپیوتر همه‌کار (General Purpose Computer) از سه بلوک عملیاتی پایه‌ای تشکیل شده است. واحد مرکزی پردازش یا همان CPU که عملیات کنترل منطقی و ریاضیاتی را ترکیب می‌کند. واحد بعدی،‌ ذخیره‌سازی است که برنامه‌ها و داده را ذخیره می‌کند. واحدهای ورودی/خروجی یا I/O نیز رابطی بین سیستم و دستگاه‌های خارجی مانند مانیتور، پرینتر، مودم و غیره هستند.

اولین کامپیوتر ترانزیستوری تاریخ با نام Manchester University TC در سال ۱۹۵۳ معرفی شد. اد سک و دیگر مهندسان شرکت وستینگهاوس ۱۱ سال بعد و در مقاله‌ای در IEEE اولین راهکارها برای ادغام چند ترانزیستور در یک تراشه‌ی سیلیکونی و اجرای عملیات اصلی سی‌پی‌یو را توضیح دادند. در این مقاله آمده بود:

روش‌های گفته‌شده در این مقاله، برای اتصال چند دروازه‌ی الکترونیکی روی یک ویفر مدار مجتمع توسعه یافته‌اند. هدف نهایی، انجام عملیات چندبیتی منطقی روی یک لایه از سیلیکون بوده است. در نهایت، انجام این فرآیند به‌نظر ممکن می‌رسد.

در آن زمان،‌ اکثر سیستم‌های کامپیوتری کوچک از تراشه‌های مدار منطقی شامل مدارمجتمع‌‌های استاندارد ساخته شده بودند. به‌عنوان مثال خانواده‌ی SN7400 شرکت Texas Instruments یکی از این مدارمجتمع‌ها (IC) بود که روی بوردهای چاپی مدار استفاده می‌شد. وقتی چگالی این مدارهای مجتمع افزایش یافت، تعداد بوردهای مورد نیاز برای کامپیوترها کاهش یافت (قانون مور). در نهایت در پایان آن دهه، شرکت تولیدکننده‌ی مینی کامپیوتر یعنی Data General،‌ پردازنده‌ی مرکزی ۱۶ بیتی کامپیوتر Nova خود را روی یک مدار چاپی اجرا کرد.

یکی از قدم‌های مهم در رسیدن به پیش‌بینی مهندسان وستینگهاوس، با تغییر فناوری تولید مدارهای مجتمع محقق شد. در این تغییر،‌ روش ساخت از دوقطبی، به نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی یا MOS تغییر یافت. تا میانه‌های دهه‌ی ۱۹۶۰، این فناوری یکپارچه‌سازی در مقیاس بزرگ یا LSI را در تراشه‌ها ممکن کرد. در نهایت، تراشه‌ها قابلیت میزبانی از صدها دروازه‌ی منطقی را پیدا کردند.

در سال‌های ابتدایی دهه‌ی ۱۹۷۰، سیستم‌های کامپیوتری بر اساس LSI رشد قابل توجهی داشته و با نام ریزپردازنده شناخته می‌شدند. توسعه‌دهندگان این ماشین‌ها از همان روش طراحان ماشین‌ حساب برای کاهش تعداد تراشه‌های مورد نیاز برای ساخت سی‌پی‌یو استفاده کردند. آنها در این روش، مدارهای مجتمع LSI را با یکپارچه‌سازی شدیدتر استفاده می‌کردند.

اختراعات گفته‌شده، در آن زمان با نام تراشه‌های ریزپردازنده‌ای شناخته می‌شدند. در ادامه هر قدمی در مسیر قانون مشهور مور، تعداد تراشه‌های مورد نیاز برای ساخت سی‌پی‌یو را کاهش می‌داد. در نهایت، تعداد تراشه‌ها به‌قدری کاهش یافت که به وضعیت کنونی یعنی یک تراشه یا همان ریزپردازنده رسیدیم.

شرکت بزرگ Fairchild Semiconductor در سال ۱۹۶۶ توسعه‌ی سیستم‌های کامپیوتری بر اساس MOS را شروع کرد. اولین محصول، با نام 3804 معرفی شد. طراح ۳۸۰۴ یعنی لی بویسل می‌گفت که این محصول نباید به‌عنوان یک ریزپردازنده در نظر گرفته شود؛ چرا که قابلیت توالی‌دهی چندفازی را ندارد. به‌هرحال طراحی این تراشه قدم مهمی در مسیر توسعه‌ی مشخصات معماری ریزپردازنده‌های بعدی بود.

تصویری از لی بویسل و تراشه‌ی AL1

پس از آن، بویسل کار روی سی‌پی‌یو ۸ بیتی AL1 را شروع کرد. این پردازنده برای استفاده در ترمینال‌های کامپیوتر فیرچایلد در سال ۱۹۶۸ طراحی شد. بویسل سپس شرکت خود را با نام Four Phase Systems راه‌اندازی کرد. او طراحی‌های خود را در این شرکت به پایان رساند و اولین تراشه‌های عملیاتی را در آوریل سال ۱۹۶۹ معرفی کرد.

در سوی دیگر میدان پس از رفتن بویسل از شرکت فیرچایلد،‌ آنها با سرمایه‌گذاری روی PPS-25 کار خود را در این زمینه ادامه دادند. این محصول،‌ ترکیبی از تراشه‌های قابل‌برنامه‌ریزی ۶۴ بیتی بود که در سال ۱۹۷۱ معرفی شدند. این محصول در کاربردهای علمی متنوعی به شهرت رسید و از سمت برخی کاربران، لقب ریزپردازنده به آن داده شد.

استیو گلر و ری هولت بازیگران دیگر این صنعت بودند. آنها در سال ۱۹۶۸ برای شرکت Garrett AiResearch Corp کار می‌کردند و قراردادی با Grumman Aircraft داشتند. در این قرداد، این دو دانشمند یک تراشه‌ی ریزپردازنده‌ای حرفه‌ای با نام MP944 طراحی کردند که در جنگنده‌ی F14A نیروی دریایی آمریکا استفاده شد. این پردازنده، شامل تراشه‌های کنترلی و ریاضیاتی متعدد بود: CPU، PMD، PMU و SLU از واحدهایی بودند که در این پردازنده ادغام شدند.

ری هولت و تراشه‌ی MP944

اولین تلاش اینتل در این بخش از محصولات، به MCS-4 اختصاص یافت. این محصول، پربازده‌ترین روش برای ساخت تراشه‌ای متشکل از چند واحد پردازش بود. این محصول اینتل در سال ۱۹۷۱ توسط تیمی از معماران مدارهای منطقی و مهندسان سیلیکون ساخته شد. فدریکو فاگین، مارشن هاف، استنلی میزر و ماساتوشی شیما از افراد دخیل در این پروژه بودند. محصول انقلابی بعدی، 4004 بود که ابتدا به‌عنوان یک سی‌پی‌یو ۴ بیتی شناخته شد. در اسناد بعدی، ۴۰۰۴ را به‌عنوان ریزپردازنده‌ی تک‌تراشه‌ای ۴ بیتی معرفی کردند.

در مورد محصول بعدی اینتل یعنی ۸۰۰۸، ریشه‌های پروژه هنوز به‌طور کامل مشخص نیستند. از طرفی ویک پور، معاون بخش تحقیق و توسعه‌ی شرکت Computer Terminal Corporation در آن سال‌ها، در مصاحبه‌ای به این نکته اشاره کرده که در سال ۱۹۶۹ با ایده‌ی توسعه‌ی سی‌پی‌یو با یک تراشه به اینتل مراجعه کرده است. او هدف از این طرح را توسعه‌ی پردازنده‌ای با این مشخصات برای ترمینال قابل برنامه‌ریزی Datapoint 2200 عنوان کرده است.

استن میزر یکی دیگر از متخصصان سخت‌افزار است که در مصاحبه‌ای اعلام کرده پیشنهاد ویک پور، در مورد بخش حافظه بوده و یکپارچه‌سازی کل سی‌پی‌یو در طرحی توسط اینتل عنوان شده است. در نهایت پور نیز در سال ۲۰۰۴ ادعای خود را به آنچه که میزر عنوان کرده بود،‌ تغییر داد.

صرف‌نظر از اظهارنظرهای متخصصان گفته‌شده، Intel در ابتدای دهه‌ی ۱۹۷۰ قراردادی با CTC امضا کرد تا یک پردازنده‌ی ۸ بیتی توسعه دهند. این پروژه توسط هال فینی شروع شد و پس از تاخیرهای بسیار به‌خاطر اولویت‌های دیگر کاری، قطعات ۸۰۰۸ در سال ۱۹۷۱ به مشتری تحویل داده شدند و خبر عمومی آن در سال ۱۹۷۲ منتشر شد.

تیم طراحی اولین تراشه‌های اینتل

شرکت Texas Instruments یکی دیگر از بازیگران این میدان بود که برای پروژه‌ی شرکت CTC، راهکاری سه‌تراشه‌ای ارائه داد. پس از آنکه توضیحاتی کلی در مورد طرح اینتل به‌ گوش این شرکت رسید، آنها طرح اولیه‌ی خود را رها کرده و در قراردادی با مهندس سخت‌افزار گری بون، طرح ساخت پردازنده‌ی تک‌تراشه‌ای ۸ بیتی خود را شروع کردند. محصول آنها با نام TMX1795 آماده شده و در میانه‌های سال ۱۹۷۱ و چند ماه پیش از اینتل ۸۰۰۸ به CTC تحویل داده شد. البته این محصول یک خطای کاربری داشت که در نهایت توسط اینتل برطرف شد.

اگرچه شرکت سی‌تی‌سی در نهایت هیچ‌یک از این نسخه‌ها را استفاده نکرد، اما تجربه‌ی طراحی و ساخت آنها برای هر دو شرکت ارزشمند بود. برای اینتل، پردازنده‌ی ۸۰۰۸ به ساخت پردازنده‌ی بسیار موفق ۸۰۸۰ انجامید که در نهایت خانواده‌ی x86 را متولد کرد. طراحی‌های بون برای شرکت TI نیز، سال‌ها به‌عنوان راهکار اصلی پیشرفت این شرکت در صنعت پردازنده‌ها استفاده شد.

من به طراحی‌های بویسل از AL1 در اسناد منتشرشده از آن نگاه کرده‌ام و معتقدم می‌توان آن را اولین ریزپردازنده‌ی تجاری نامید.

هانک اسمیث، مدیر بازاریابی اینتل در سال ۱۹۷۳، ریزکامپیوتر یا مایکروکامپیوتر را این‌گونه تعریف کرده است:

یک کامپیوتر عادی متشکل از قطعات LSI است که در اطراف یک پردازنده‌ی اصلی ساخته شده‌اند. سی‌پی‌یو (یا ریزپردازنده)، روی یک تراشه‌ یا تعداد کمی تراشه پیاده‌سازی شده است.

در این میان، ری هولت با توجه به تعریف بالا معتقد است که تراشه‌ی MP944 او باید به‌عنوان اولین ریزپردازنده شناخته شود. البته نظرات موافق و مخالف این اظهار نظر در میان متخصصان کامپیوتر به وفور یافت می‌شود. از طرفی، تعریف اسمیث بر اساس چندتراشه‌ای بودن ریزپردازنده، به‌سرعت توسط رسانه‌های فناوری منسوخ شد. آنها مدعی بودند که بیشتر یا تمام المان‌های پردازنده باید مانند آنچه در اینتل ۴۰۰۴ اتفاق افتاده است، روی یک تراشه یکپارچه‌سازی شوند.

گری بون و تراشه‌ی TMX1795 شرکت تگزاس اینسترومنتس

اگرچه اینتل از تعاریف پیش‌آمده خوشنود است، ادبیات اخیر این شرکت تلاش می‌کند تا از هرگونه بحثی در این مورد خودداری کند. آنها محصول خود را با نام «اولین ریزپردازنده‌ی اینتل» معرفی می‌کنند تا هیچ بحثی ایجاد نشود. از طرفی، متخصصانی همچون کن شریف معتقدند اینتل ۴۰۰۴ یک کامپیوتر همه‌کاره نبوده است و خانواده‌های ۸۰۰۸ و ۱۷۹۵ را می‌توان نسل‌های اول ریزکنترلرهای امروزی و اولین ریزپردازنده‌ها نامید.

در نهایت باز هم باید به این نکته اشاره کرد که مشخص کردن پیروز این رقابت، بسته به دیدگاه ناظر آن است. ریزکنترلر، کارایی اضافه‌ای را به هسته‌ی پردازشی اصلی اضافه می‌کند تا راهکارهایی بهینه را برای موردی خاص ارائه دهد. از این موارد می‌تواند به کنترلرهای موتور اتومبیل تا لوازم خانگی و اسباب‌بازی‌ها اشاره کرد. یک ریزکنترلر، یک یا چند پردازنده را با حافظه و دستگاه‌های ورودی و خروجی در یک تراشه ترکیب می‌کند. در نهایت، این طراحی به هزینه‌ی کمتر، انرژی مصرفی کمتر و ابعاد کوچکتر برای دستگاه‌های قابل حمل می‌انجامد.

اکثر مورخانی که در لایه‌های پیچیده‌ی تاریخچه‌ی ریزپردازنده‌ها تحقیق می‌کنند، به این نتیجه رسیده‌اند که این مفهوم، ایده‌ای بوده که آن سال‌های طلایی، بهترین زمان برای محقق شدن آن بوده است. در طول دهه‌ی ۱۹۶۰، تعداد زیادی تولیدکننده‌ی نیمه‌هادی، تلاش کردند تا چند ترانزیستور را در یک تراشه‌ی سیلیکونی جانمایی کنند. در نتیجه، دولت‌های مختلف نیز هزینه‌ی مورد نیاز را برای طراحان کامپیوتر فراهم کردند تا تعداد تراشه‌های سیستم‌های کامپیوتری را کاهش دهند. در نهایت، پیاده‌سازی کاربردهای اصلی سی‌پی‌یو روی یک تراشه، اجتناب‌ناپذیر و واضح بوده است.