英特爾突破性的 8008 微處理器于 50 多年前首次生產(chǎn)。這是英特爾的第一個(gè) 8 位微處理器，也是您現(xiàn)在可能正在使用的 x86 處理器系列的祖先。我找不到 8008 的好的Die照片，所以我打開了一顆并拍了一些詳細(xì)的照片。本文中包含這些新芯片照片以及 8008 內(nèi)部設(shè)計(jì)的討論。
下圖顯示了 8008 封裝內(nèi)的微型硅芯片（點(diǎn)擊查看更高分辨率的照片）。你幾乎看不到構(gòu)成芯片的電線和晶體管。外部周圍的方塊是 18 個(gè)焊盤，通過(guò)微小的鍵合線連接到外部引腳。
你可以在芯片的右邊緣看到文字“8008”，在下邊緣看到“ Intel 1971”。Hal Feeney 的名字縮寫 HF 出現(xiàn)在右上角，他負(fù)責(zé)芯片的邏輯設(shè)計(jì)和物理布局。8008 的其他主要設(shè)計(jì)師包括 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。
芯片內(nèi)部
下圖突出顯示了該芯片的一些主要功能塊。左側(cè)是 8 位算術(shù)/邏輯單元 (ALU)，它執(zhí)行實(shí)際的數(shù)據(jù)計(jì)算。
ALU 使用兩個(gè)臨時(shí)寄存器來(lái)保存其輸入值。這些寄存器占據(jù)了芯片上很大的面積，不是因?yàn)樗鼈兒軓?fù)雜，而是因?yàn)樗鼈冃枰笮途w管來(lái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò) ALU 電路。
寄存器下方是carry look ahead circuitry。對(duì)于加法和減法，該電路并行計(jì)算所有八個(gè)進(jìn)位值以提高性能。由于低位進(jìn)位（low-order carry）僅取決于低位位（low-order bits），而高位進(jìn)位取決于多個(gè)位，因此電路塊具有三角形形狀。
ALU 的三角形布局很不尋常。大多數(shù)處理器將每個(gè)位的電路堆疊成規(guī)則的矩形（a bit-slice layout）。然而，8008 有八個(gè)塊（每一位一個(gè)）隨意排列，以適應(yīng)三角形進(jìn)位生成器留下的空間。ALU 支持八種簡(jiǎn)單運(yùn)算。
芯片的中心是指令寄存器和指令譯碼邏輯，決定每條8位機(jī)器指令的含義。解碼是通過(guò)可編程邏輯陣列（PLA）完成的，PLA是一種門的排列，可以匹配位模式并為芯片的其余部分生成適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)。右側(cè)是存儲(chǔ)塊。8008的七個(gè)寄存器位于右上角。右下角是地址棧，由8個(gè)14位地址字組成。與大多數(shù)處理器不同，8008 的調(diào)用堆棧存儲(chǔ)在芯片上而不是內(nèi)存中。程序計(jì)數(shù)器只是這些地址之一，使得子程序調(diào)用和返回非常簡(jiǎn)單。8008 使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存進(jìn)行存儲(chǔ)
該芯片的物理結(jié)構(gòu)與8008用戶手冊(cè)（如下）中的框圖非常接近，芯片上的塊位置與框圖中的位置幾乎相同。
芯片結(jié)構(gòu)
die照片顯示什么？出于我們的目的，芯片可以被視為三層。下圖顯示了芯片的特寫，指出了這些層。最頂層是金屬布線。這是最明顯的特征，看起來(lái)是金屬的（毫不奇怪）。在下面的細(xì)節(jié)中，這些電線大多是水平的。多晶硅層位于金屬下方，在顯微鏡下呈橙色。
芯片的基礎(chǔ)是硅片，照片中硅片呈紫灰色。純硅實(shí)際上是一種絕緣體。它的某些區(qū)域被“摻雜”了雜質(zhì)以形成半導(dǎo)體硅。硅層位于底部，很難區(qū)分，但可以看到摻雜硅和未摻雜硅之間的邊界上有黑線。照片中可以看到一些垂直的硅“線”。
晶體管是芯片的關(guān)鍵部件，多晶硅線與摻雜硅交叉的地方形成晶體管。在照片中，多晶硅在形成晶體管時(shí)呈現(xiàn)出更亮的橙色。
為什么是18針芯片？
8008 的一個(gè)不方便的特性是它只有 18 個(gè)引腳，這使得芯片速度更慢并且更難以使用。8008 使用 14 個(gè)地址位和 8 個(gè)數(shù)據(jù)位，因此有 18 個(gè)引腳，沒有足夠的引腳用于每個(gè)信號(hào)。相反，該芯片有 8 個(gè)數(shù)據(jù)引腳，在三個(gè)周期內(nèi)重復(fù)使用，以傳輸?shù)偷刂肺�、高地址位和�?shù)據(jù)位。使用8008的計(jì)算機(jī)需要許多支持芯片才能與這種不方便的總線架構(gòu)交互。
沒有充分的理由強(qiáng)制芯片變成 18 引腳。40 或 48 引腳封裝在其他制造商中很常見，但 16 引腳是“英特爾的信仰”。他們極不情愿地才改為 18 針。幾年后，當(dāng) 8080 處理器問(wèn)世時(shí)，英特爾已經(jīng)接受了 40 針芯片。8080 更受歡迎，部分原因是它具有 40 引腳封裝允許的更簡(jiǎn)單的總線設(shè)計(jì)。
芯片中的電源和數(shù)據(jù)路徑
數(shù)據(jù)總線提供流經(jīng)芯片的數(shù)據(jù)流。下圖顯示了 8008 的 8 位數(shù)據(jù)總線，其中 8 條數(shù)據(jù)線為彩虹色。數(shù)據(jù)總線連接到芯片上半部外側(cè)的 8 個(gè)數(shù)據(jù)引腳�？偩�在左側(cè)的 ALU、指令寄存器（中上）以及右側(cè)的寄存器和堆棧之間運(yùn)行�？偩�在左側(cè)分開，ALU 兩側(cè)各占一半。
紅線和藍(lán)線顯示電源布線。電源布線是微處理器的一個(gè)未被充分重視的方面。由于金屬層電阻低，電源在金屬層中布線。但由于早期微處理器中只有一層金屬層，因此必須仔細(xì)規(guī)劃配電，以免路徑交叉。上圖以藍(lán)色顯示 Vcc 線，以紅色顯示 Vdd 線。電源通過(guò)左側(cè)的 Vcc 引腳和右側(cè)的 Vdd 引腳提供，然后分支成細(xì)的互鎖電線，為芯片的所有部分供電。
寄存器文件
為了詳細(xì)展示該芯片的外觀，我放大了下圖中 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8 x 7 網(wǎng)格的動(dòng)態(tài) RAM (DRAM) 存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元使用三個(gè)晶體管來(lái)保存一位。（您可以將晶體管視為小矩形，其中橙色多晶硅呈現(xiàn)出稍微更鮮艷的顏色。）每一行都是 8008 的七個(gè) 8 位寄存器之一（A、B、C、D、E、H、L） ）。在左側(cè)，您可以看到七對(duì)水平線：每個(gè)寄存器的讀選擇線和寫選擇線。在頂部，您可以看到 8 根垂直導(dǎo)線用于讀取或?qū)懭朊课坏膬?nèi)容，以及 5 根較粗的導(dǎo)線用于提供 Vcc。使用 DRAM 作為寄存器（而不是更常見的靜態(tài)鎖存器）是一個(gè)有趣的選擇。由于英特爾當(dāng)時(shí)主要是一家內(nèi)存公司，我預(yù)計(jì)他們選擇 DRAM 是因?yàn)樗麄冊(cè)谠擃I(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。
PMOS 的工作原理
8008使用PMOS晶體管。為了稍微簡(jiǎn)化一下，您可以將 PMOS 晶體管視為兩條硅線之間的開關(guān)，由（多晶硅）柵極輸入控制。當(dāng)其柵極輸入較低時(shí)，開關(guān)閉合，并且可以將其輸出拉高。如果您熟悉 6502 等微處理器中使用的 NMOS 晶體管，那么 PMOS 可能會(huì)有點(diǎn)令人困惑，因?yàn)橐磺卸际堑雇说摹?/p>
一個(gè)簡(jiǎn)單的 PMOS 與非門可以如下所示構(gòu)建。當(dāng)兩個(gè)輸入都為高電平時(shí)，晶體管關(guān)閉，電阻器將輸出拉低。當(dāng)任何輸入為低電平時(shí)，晶體管將導(dǎo)通，將輸出連接到+5。因此，該電路實(shí)現(xiàn)了與非門。為了與 5 伏 TTL 電路兼容，PMOS 柵極（以及 8008）采用異常電壓供電：-9V 和 +5V。
由于技術(shù)原因，電阻器實(shí)際上是用晶體管實(shí)現(xiàn)的。下圖顯示了晶體管如何連接以充當(dāng)下拉電阻。右側(cè)的詳細(xì)信息顯示了該電路在芯片上的顯示方式。-9V金屬線在頂部，晶體管在中間，輸出是底部的硅線。
8008 的歷史
8008 的復(fù)雜故事始于Datapoint 2200，這是一款于 1970 年作為可編程終端推出的流行計(jì)算機(jī)。（有些人認(rèn)為 Datapoint 2200 是第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)。）Datapoint 2200 沒有使用微處理器，而是包含一個(gè)由單獨(dú)的 TTL 芯片構(gòu)建的板級(jí) CPU。（這是小型機(jī)時(shí)代構(gòu)建 CPU 的標(biāo)準(zhǔn)方法。）Datapoint 和 Intel 決定可以用單個(gè) MOS 芯片取代該板，Intel 啟動(dòng)了 8008 項(xiàng)目來(lái)構(gòu)建該芯片。稍后，德州儀器 (TI) 也同意為 Datapoint 打造單芯片處理器。這兩款芯片均設(shè)計(jì)為與 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架構(gòu)兼容。
1971 年 3 月左右，德州儀器 (TI) 完成了他們的處理器芯片，并將其稱為TMC 1795。在推遲了該項(xiàng)目之后，Intel 于 1971 年底左右完成了 8008 芯片。出于各種原因，Datapoint 拒絕了這兩種微處理器，并基于較新的 TTL 芯片（包括74181 ALU 芯片）構(gòu)建了更快的 CPU 。
TI 嘗試向福特等公司推銷 TMC 1795 處理器，但沒有成功，但最終放棄了該處理器，轉(zhuǎn)而專注于高利潤(rùn)的計(jì)算器芯片。另一方面，英特爾將 8008 作為通用微處理器進(jìn)行營(yíng)銷，這最終導(dǎo)致了您現(xiàn)在可能正在使用的 x86 架構(gòu)。雖然 TI 率先推出了 8 位處理器，但英特爾使他們的芯片取得了成功，創(chuàng)造了微處理器行業(yè)。
上圖總結(jié)了 8008 和一些相關(guān)處理器的“家譜”。Datapoint 2200 的架構(gòu)用于 TMC 1795、Intel 8008 和下一版本 Datapoint 2200 。因此，使用 Datapoint 2200 的指令集和架構(gòu)構(gòu)建了四個(gè)完全不同的處理器。Intel 8080 處理器是 8008 的大幅改進(jìn)版本。它顯著擴(kuò)展了 8008 的指令集，并重新排序了機(jī)器代碼指令以提高效率。8080 用于開創(chuàng)性的早期微型計(jì)算機(jī)，例如 Altair 和 Imsai。在完成了 4004 和 8080 的工作后，設(shè)計(jì)師 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 離開英特爾，開發(fā)了 Zilog Z-80 微處理器，該微處理器在 8080 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并變得非常受歡迎。
向16 位 8086 處理器的轉(zhuǎn)變要少得多。大多數(shù) 8080 匯編代碼可以轉(zhuǎn)換為在 8086 上運(yùn)行，但這并不簡(jiǎn)單，因?yàn)橹噶罴腕w系結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化。盡管如此，Datapoint 2200 的一些特性仍然存在于當(dāng)今的 x86 處理器中。例如，Datapoint 2200 有一個(gè)串行處理器，一次處理一位字節(jié)。由于需要首先處理最低位，因此 Datapoint 2200 是小尾數(shù)法。為了兼容性，8008 是小端字節(jié)序，英特爾的處理器仍然如此。Datapoint 2200 的另一個(gè)功能是奇偶校驗(yàn)標(biāo)志，因?yàn)槠媾夹ｒ?yàn)計(jì)算對(duì)于終端通信非常重要。奇偶校驗(yàn)標(biāo)志一直延續(xù)到 x86 架構(gòu)。
8008 在架構(gòu)上與英特爾的 4 位 4004 處理器無(wú)關(guān)。無(wú)論如何，8008 都不是 4 位 4004 的 8 位版本。類似的名稱純粹是一種營(yíng)銷發(fā)明；在設(shè)計(jì)階段，8008 有一個(gè)平淡無(wú)奇的名字“1201”。
8008 如何融入半導(dǎo)體技術(shù)的歷史
4004 和 8008 均采用硅柵增強(qiáng)型 PMOS，這是一種僅短暫使用的半導(dǎo)體技術(shù)。這使芯片處于芯片制造技術(shù)中的一個(gè)有趣的點(diǎn)。
8008（和現(xiàn)代處理器）使用 MOS 晶體管。這些晶體管的接受之路很長(zhǎng)，與 20 世紀(jì) 60 年代大多數(shù)計(jì)算機(jī)中使用的雙極晶體管相比，速度較慢且可靠性較差。到 20 世紀(jì) 60 年代末，MOS 集成電路變得越來(lái)越普遍。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是帶有金屬柵極的 PMOS 晶體管。晶體管的柵極由金屬組成，也用于連接芯片的組件。芯片本質(zhì)上有兩層功能：硅本身和頂部的金屬布線。該技術(shù)被用于許多德州儀器計(jì)算器芯片以及TMC 1795芯片（與8008具有相同指令集的芯片）中。
使 8008 變得實(shí)用的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新是自對(duì)準(zhǔn)柵極一種使用多晶硅而不是金屬柵極的晶體管。雖然這項(xiàng)技術(shù)是由 Fairchild 和貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的，但推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的是英特爾。多晶硅柵極晶體管的性能比金屬柵極好得多（出于復(fù)雜的半導(dǎo)體原因）。此外，添加多晶硅層使芯片中的信號(hào)布線變得更加容易，從而使芯片更加密集。下圖顯示了自對(duì)準(zhǔn)柵極的優(yōu)勢(shì)：金屬柵極 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片的總和還要大。
不久之后，半導(dǎo)體技術(shù)再次進(jìn)步，使用NMOS晶體管代替PMOS晶體管。盡管 PMOS 晶體管最初更容易制造，但 NMOS 晶體管速度更快，因此一旦能夠可靠地制造 NMOS，它們就明顯獲勝。
NMOS 催生了更強(qiáng)大的芯片，例如Intel 8080和 Motorola 6800（均為 1974 年）。這次的另一項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)是通過(guò)離子注入來(lái)改變晶體管的特性。這使得可以創(chuàng)建用作上拉電阻的“耗盡型”晶體管。這些晶體管提高了芯片性能并降低了功耗。他們還允許創(chuàng)建使用標(biāo)準(zhǔn)五伏電源運(yùn)行的芯片。
NMOS 晶體管和耗盡型上拉的組合用于 20 世紀(jì) 70 年代末和 1980 年代初的大多數(shù)微處理器，例如 6502 (1975)、Z-80 (1976)、68000 (1979) 和 Intel 芯片從 8085 (1976) 到 80286 (1982)。
20 世紀(jì) 80 年代中期，CMOS 占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)使用 NMOS 和 PMOS 晶體管來(lái)大幅降低功耗，芯片包括 80386 (1986)、68020 (1984) 和ARM1 (1985)。現(xiàn)在幾乎所有的芯片都是CMOS的。
正如您所看到的，20 世紀(jì) 70 年代是半導(dǎo)體芯片技術(shù)發(fā)生巨大變化的時(shí)期。當(dāng)技術(shù)能力與合適的市場(chǎng)相結(jié)合時(shí)，4004 和 8008 就誕生了。
如何拍攝Die照片
在本節(jié)中，我將解釋如何獲取 8008 芯片的照片。第一步是打開芯片封裝以暴露芯片。大多數(shù)芯片采用環(huán)氧樹脂封裝，可以用危險(xiǎn)的酸溶解。
由于我寧愿避免煮沸硝酸，所以我采取了一種更簡(jiǎn)單的方法。8008 也有陶瓷封裝（上圖），這是我在 eBay 上買到的。用鑿子沿接縫敲擊芯片，將兩層陶瓷層分開。下圖顯示了陶瓷封裝的下半部分，裸露的芯片。大多數(shù)金屬引腳已被移除，但它們?cè)诜庋b中的位置是可見的。Die的右側(cè)是一個(gè)小方塊；這會(huì)將地 (Vcc) 連接到基板。幾根微小的鍵合線仍然可見，連接到芯片上。
一旦芯片曝光，就可以使用顯微鏡拍照。標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡從下方發(fā)出光線，這對(duì)于拍攝照片來(lái)說(shuō)效果不佳。相反，我使用了金相顯微鏡，它從上方發(fā)出光線來(lái)照亮芯片。
我通過(guò)顯微鏡拍攝了 48 張照片，然后使用 Hugin 拼接軟件將它們組合成一張高分辨率圖像。最后，我調(diào)整了圖像對(duì)比度，使芯片的結(jié)構(gòu)更加清晰。原始圖像（大約是您通過(guò)顯微鏡看到的圖像）如下以供比較。
結(jié)論
雖然 8008 不是第一個(gè)微處理器，甚至不是第一個(gè) 8 位微處理器，但它確實(shí)具有革命性，引發(fā)了微處理器革命，并導(dǎo)致了在未來(lái)幾十年主導(dǎo)個(gè)人計(jì)算機(jī)的 x86 架構(gòu)。
在以后的文章中，我計(jì)劃詳細(xì)解釋 8008 的電路，以讓您一睹當(dāng)今計(jì)算機(jī)的根源。
