多图解读诞生 50 年的革命性8008微处理器

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自techspot

引发微处理器革命的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。

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