多图解读诞生 50 年的革命性8008微处理器

Intel 开创性的 8008 微处理器在 50 多年前首次生产。这是 Intel 的第一款 8 位微处理器，也是读者现在可能正在使用的 x86 处理器家族的祖先。（作者无法找到 8008 的优质芯片照片，所以自己亲自打开了一个芯片并拍摄了一些详细的照片）这些新的芯片照片在这篇文章中，并附有关于 8008 内部设计的讨论。

下面的照片展示了 8008 封装内部的小硅芯片（点击获取更高分辨率的照片）。读者几乎看不到构成芯片的导线和晶体管。周围的方块是 18 个焊盘，它们通过微小的金属丝与外部 pin 脚相连。

8008 微处理器的芯片照片

可以在芯片的右边缘看到「8008」的文字，在底边看到「© Intel 1971」的文字。在右上角出现了「HF」的缩写，代表 Hal Feeney，他是芯片的逻辑设计和物理布局者。8008 的其他关键设计师还有 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。

芯片内部

下面的图表突出了芯片的一些主要功能模块。在左侧是 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。这些寄存器在芯片上占据显著面积，不是因为它们复杂，而是因为它们需要大的晶体管来驱动通过 ALU 电路的信号。

8008 微处理器的芯片照片，展示了主要组件。

在寄存器下面是进位预测电路。对于加法和减法，这个电路并行计算所有八个进位值以提高性能。由于低阶进位仅取决于低阶位，而高阶进位取决于多个位，因此该电路块呈三角形。

ALU 的三角形布局是不寻常的。大多数处理器将每个位的电路堆叠成一个规则的矩形（位切片布局）。然而，8008 有八个块（每个位一个），它们杂乱无章地排列以适应三角形进位发生器留下的空间，ALU 支持八种简单的操作。

在芯片的中心是指令寄存器和指令解码逻辑，它决定了每个 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，这是一种门的排列，用于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，在右下角是地址堆栈，它由八个 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，使子程序调用和返回变得非常简单，8008 使用动态内存进行这种存储。

芯片的物理结构与 8008 用户手册（如下）中的框图非常接近，芯片上的各个块几乎位于与框图中相同的位置。

8008 微处理器的框图，来自用户手册。

芯片的结构

芯片的照片展示了什么？它可以被视为三层。下面的图表展示了芯片的特写，指出了这些层。最顶层是金属线，这是最为显眼的特征。在下面的细节中，这些线路大部分是水平的，多晶硅层位于金属之下，在显微镜下呈现橙色。

8008 芯片的特写照片，展示了金属层、多晶硅和掺杂硅。

芯片的基础是硅晶圆，在照片中呈现为紫灰色。纯硅本质上是一种绝缘体，其区域通过掺杂杂质来创造半导体硅。由于位于底部，硅层很难区分，但可以看到掺杂硅和未掺杂硅之间的边界上有黑线。在照片中可以看到几条垂直的硅「线」。

晶体管是芯片的关键组件，当一个多晶硅线穿过掺杂硅时，就形成了一个晶体管。在照片中，多晶硅在形成晶体管时呈现出较亮的橙色。

为什么是 18 pin 脚芯片？

8008 的一个不便之处是它只有 18pin 脚，这使得芯片速度变慢且难以使用。8008 使用 14 位地址位和 8 位数据位，因此 18pin 脚对于每个信号来说都不够用。相反，该芯片有 8 个数据 pin 脚，这些 pin 脚在三个周期内被重复使用，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来与这种不便的总线架构进行交互。

将芯片强行设计为 18 个 pin 脚没有充分的理由。其他制造商普遍使用 40 pin 脚或 48 pin 脚的包装，但 16 pin 脚在英特尔公司却「被奉为圭臬」，他们非常不情愿地才增加到了 18 pin 脚。几年后，当 8080 处理器问世时，英特尔已经接受了 40 pin 脚芯片。8080 处理器更加流行，部分原因是它采用了 40 pin 脚封装所允许的更简单的总线设计。

芯片中的电源和数据路径

数据总线为芯片提供数据流。下面的图表展示了 8008 的 8 位数据总线，用彩虹色表示 8 条数据线。数据总线连接到芯片上半部分外侧的 8 个数据 pin 脚，总线在左侧的算术逻辑单元（ALU）、中间的指令寄存器（IR）以及右侧的寄存器和堆栈之间运行，在左侧被分成两部分，分别沿着 ALU 的两侧延伸。

8008 微处理器的芯片照片。电源总线用红色和蓝色表示，数据总线用 8 种彩虹色表示。

红色和蓝色线条显示了电源路由。电源路由是微处理器中一个被低估的方面，由于金属的电阻较低，因此电源在金属层中进行路由。但由于早期微处理器只有一层金属，因此必须仔细规划电源分配，以确保路径不交叉。上面的图表显示了蓝色的 Vcc 线和红色的 Vdd 线。电源通过左侧的 Vcc pin 脚和右侧的 Vdd pin 脚提供，然后分支成细小的、相互交织的线路，为芯片的所有部分供电。

寄存器文件

为了详细展示芯片的外观，作者在下面的照片中放大了 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8x7 网格的动态随机存取存储器（DRAM）存储单元组成，每个存储单元使用三个晶体管来保存一个比特位。（可以看到晶体管作为小矩形，其中橙色的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，可以看到七对水平线：每个寄存器的读取选择线和写入选择线。在顶部，可以看到八条垂直线来读取或写入每个比特位的内容，以及五条较粗的线来提供 Vcc。使用 DRAM 作为寄存器（而不是更常见的静态锁存器）是一个有趣的选择。由于当时英特尔主要是一家内存公司，猜测他们选择 DRAM 是因为他们在该领域的专长。

8008 中的寄存器文件。该芯片有七个 8 位寄存器：A、B、C、D、E、H、L

PMOS 是如何工作的

8008 使用 PMOS 晶体管。简单地说，可以将 PMOS 晶体管视为两个硅线之间的开关，由多晶硅的栅极输入控制。当栅极输入为低电平时，开关闭合，它可以将其输出拉高。如果熟悉在像 6502 这样的微处理器中使用的 NMOS 晶体管，那么 PMOS 可能会有点令人困惑，因为一切都反过来了。

一个简单的 PMOS NAND 门可以按下面的方式构建。当两个输入都为高电平时，晶体管关闭，电阻将输出拉低。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 NAND 门。为了与 5 伏 TTL 电路兼容，PMOS 门（因此 8008）使用不常见的电压供电：-9V 和+5V。

使用 PMOS 逻辑实现的 NAND 门

出于技术原因，电阻实际上是通过晶体管来实现的。下面的图表显示了晶体管是如何连接以作为下拉电阻的，右侧的细节显示了该电路在芯片上的样子，-9V 金属线在顶部，晶体管在中间，输出是底部的硅线。

在 PMOS 中，下拉电阻（左侧）是通过一个晶体管（中间）来实现的。右侧的照片显示了 8008 微处理器中的实际下拉电阻。

8008 的历史

8008 的复杂故事始于 Datapoint 2200，这是一台于 1970 年推出的流行计算机，作为可编程终端推出。（有些人认为 Datapoint 2200 是第一台个人电脑。）Datapoint 2200 没有使用微处理器，而是使用由单个 TTL 芯片构建的板载 CPU。（这是微型计算机时代构建 CPU 的标准方式。）Datapoint 和英特尔决定可以用一个 MOS 芯片替换这个电路板，于是英特尔开始了 8008 项目来制造这个芯片。不久之后，德州仪器也同意为 Datapoint 制造单芯片处理器。这两款芯片都是为了与 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架构兼容而设计的。

8008 处理器于 1970 年 10 月 25 日在《Electronic Design》杂志上首次公开描述。尽管英特尔声称该芯片将于 1971 年 1 月交付，但实际交付时间却比预期晚了一年多，直到 1972 年 4 月才完成。

大约在 1971 年 3 月，德州仪器完成了他们的处理器芯片，称为 TMC 1795。在推迟项目后，英特尔在大约 1971 年底完成了 8008 芯片。由于各种原因，Datapoint 拒绝了这两款微处理器，并基于更新的 TTL 芯片（包括 74181 ALU 芯片）构建了一个更快的 CPU。

德州仪器试图将 TMC 1795 处理器推销给福特等公司，但没有成功，最终放弃了这款处理器，转而专注于利润丰厚的计算器芯片。另一方面，英特尔将 8008 作为通用微处理器进行市场推广，这最终导致了 x86 架构的诞生。虽然德州仪器率先推出了 8 位处理器，但英特尔却成功地将他们的芯片推向市场，开创了微处理器行业。

上面的图表总结了 8008 及其相关处理器家族的「家谱」。黑色箭头表示向后兼容性，浅色箭头表示重要的架构变化。

该图表概述了 8008 及其相关处理器的「家族树」。Datapoint 2200 的架构被用于 TMC 1795、Intel 8008 以及下一代 Datapoint 220011 中。因此，四个完全不同的处理器都使用了 Datapoint 2200 的指令集和架构。Intel 8080 处理器是 8008 的改进版，显著扩展了 8008 的指令集，并重新排列了机器码指令以提高效率。8080 被用于开创性的早期微计算机中，如 Altair 和 Imsai。在开发 4004 和 8080 之后，设计师 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 离开英特尔，构建了 Zilog Z-80 微处理器，该处理器在 8080 的基础上进行了改进，并变得非常流行。

跳转到 16 位的 8086 处理器并不是那么渐进的。虽然大多数 8080 汇编代码都可以转换为在 8086 上运行，但并非轻而易举，因为指令集和架构都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，每次处理一个字节的一位。由于需要首先处理最低位，所以 Datapoint 2200 是小端序的。为了兼容，8008 也是小端序的，英特尔的处理器至今仍然如此。Datapoint 2200 的另一个特性是奇偶校验标志，因为奇偶校验计算对于终端的通信很重要。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。8008 绝对不是 4 位 4004 的 8 位版本。相似的名字纯粹是营销发明；在设计阶段，8008 有一个不那么引人注目的名字「1201」。

8008 在半导体技术历史中的位置

4004 和 8008 都使用了硅栅增强型 PMOS（Positive-channel Metal Oxide Semiconductor，正通道金属氧化物半导体），这是一种只短暂使用过的半导体技术。这使得这两款芯片在芯片制造技术中处于一个有趣的位置。

8008（以及现代处理器）使用的是 MOS 晶体管。这些晶体管在得到接受之前经历了漫长的道路，因为它们比 1960 年代大多数计算机中使用的双极晶体管速度慢且可靠性低。到了 1960 年代末，MOS 集成电路开始变得更加普遍；当时的标准技术是带有金属栅的 PMOS 晶体管。晶体管的栅极由金属制成，同时也用于连接芯片上的组件。芯片基本上具有两层功能：硅本身和顶部的金属布线。这种技术被用于许多德州仪器的计算器芯片以及 TMC 1795 芯片（与 8008 具有相同指令集的芯片）。

使 8008 成为实用的关键创新是自对准栅——一种使用多晶硅栅而不是金属栅的晶体管。尽管这种技术是由费尔柴尔德（Fairchild）和贝尔实验室（Bell Labs）发明的，但英特尔推动了这一技术的发展。多晶硅栅晶体管比金属栅晶体管具有更好的性能（由于复杂的半导体原因）。此外，添加多晶硅层使得芯片中的信号路由变得更加容易，从而使芯片更加密集。下面的图表显示了自对准栅的好处：金属栅的 TMC 1795 比 4004 和 8008 芯片加在一起还要大。

英特尔的 4004 和 8008 处理器比德州仪器的 TMC 1795 芯片要密集得多，这主要是由于它们使用了自对准栅。

不久后，半导体技术再次进步，用 NMOS（Negative-channel Metal Oxide Semiconductor，负通道金属氧化物半导体）晶体管取代了 PMOS 晶体管。尽管 PMOS 晶体管最初更容易制造，但 NMOS 晶体管更快，因此一旦能够可靠地制造 NMOS，它们就明显占据了优势。

NMOS 导致了更加强大的芯片的出现，如英特尔的 8080 和摩托罗拉的 6800（都是 1974 年）。这一时期另一项技术改进是离子注入，用于改变晶体管的特性。这使得可以创建「耗尽型」晶体管用作上拉电阻。这些晶体管提高了芯片性能并降低了功耗。它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电阻的组合被用于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初的大多数微处理器中，如 6502（1975 年）、Z-80（1976 年）、68000（1979 年）以及从 8085（1976 年）到 80286（1982 年）的英特尔芯片。

到 20 世纪 80 年代中期，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）开始占据主导地位，它结合了 NMOS 和 PMOS 晶体管，显著降低了功耗，例如 80386（1986 年）、68020（1984 年）和 ARM1（1985 年）。现在几乎所有的芯片都是 CMOS。

正如读者所看到的，20 世纪 70 年代是半导体芯片技术发生巨大变化的时期。4004 和 8008 的创造正是当时技术能力与市场需求交汇的结果。

如何拍摄芯片裸片照片

第一步是打开芯片封装以暴露裸片。大多数芯片都装在环氧树脂封装中，这些封装可以用危险的酸来溶解。

8008 微处理器装在陶瓷封装中

由于想要避免煮沸硝酸，本文采用了更简单的方法。8008 也有陶瓷封装版本（如上所示），用凿子沿着接缝轻敲芯片，可以将两层陶瓷分开。下面的照片显示了陶瓷封装的下半部分，裸片已经暴露出来。大部分金属 pin 脚已经被移除，但它们在封装中的位置仍然可见。在裸片的右侧是一个小方块，它将地线（Vcc）连接到衬底。仍然可以看到几条微小的连接线，它们连接到裸片上。

在 8008 微处理器的封装内部，可以看到硅裸片。

一旦裸片暴露出来，就可以使用显微镜拍摄照片。标准的显微镜是从下方照亮的，这对于裸片照片来说效果并不好。相反，作者使用了一台金相显微镜，它从上方照亮芯片。

为了拍摄照片，首先做着用显微镜拍摄了 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的图像（细节）。最后，调整了图像的对比度，使芯片的结构更加清晰可见。下面的原始图像（大约是通过显微镜看到的样子）用于比较。

8008 微处理器的裸片照片

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 x86 架构的出现，该架构在未来几十年里主导了个人电脑。