一颗改变了世界的芯片：英特尔8008微处理器深度解析
一颗改变了世界的芯片：英特尔8008微处理器深度解析
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，也是我们现在可能正在使用的x86处理器系列的祖先。本文将通过大量高清芯片照片和专业解析，深入探讨这款50多年前的芯片如何奠定了现代x86处理器的基础。
芯片外观
下图显示了8008封装内的微型硅芯片，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。在芯片的右边缘可以看到文字“8008”，在下边缘看到“© Intel 1971”。
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量晶体管来驱动信号通过ALU电路。
寄存器下方是Carry。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（如下图）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照片显示芯片结构可以被视为三层。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。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，因此只有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
放大8008的寄存器文件可以看到，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。
PMOS的工作原理
8008使用PMOS晶体管。为了稍微简化一下，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。
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+5V。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。
由于技术原因，电阻器实际上是用晶体管实现的。下图显示了晶体管如何连接以充当下拉电阻，-9V金属线在顶部，晶体管在中间，输出是底部的硅线。
8008如何融入半导体技术的历史
上图总结了8008和一些相关处理器的“家谱”。4004和8008都采用硅栅增强型PMOS，这是一种仅短暂使用的半导体技术，这是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。
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，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，这一技术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5V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。
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，为在未来几十年主导个人计算机的x86架构的发明指明了方向。