Г.Келл
декабрь 2025 г.
История полупроводниковой электроники изобилует различного рода прорывами, технологическими или концептуальными. Первый случился в 1947 г., когда команда из BELL LABS в составе Джона Бардина, Уолтера Брайттена и Уильяма Шокли сообщила о создании транзистора. Патент за номером US2524035A был выдан 3 октября 1950 г. на две первые фамилии, но Нобелевская премия 1956 г. досталась уже всем троим. Второй прорыв относится к 1958 г., когда Джек Килби (TI) и Роберт Нойс (FAIRCHILD) независимо изобрели интегральную схему. Только в 1966 г. патентные баталии между компаниями завершились мировым соглашением, а в 2000 г. Килби получил Нобелевскую премию - Нойса к тому времени уже не было в живых. Третий прорыв произошел в 1971 г., когда в ноябрьском выпуске журнала Electronics News был анонсирован микропроцессор i4004 компании INTEL, что изменило весь ход развития цифровой электроники. А ключевым участником процесса стал уроженец Италии Федерико Фаджин, о котором речь пойдет ниже.
Федерико Фаджин (Federico Faggin) родился 1 декабря 1941 г. в Виченце, городе на полпути между Венецией и Вероной. Из-за войны семья уехала в провинцию и вернулась в домой, когда Федерико пора было идти в школу. Его отец преподавал историю философии и видел сына тоже гуманитарием, но Федерико больше интересовали разные механизмы. В родном городе он поступил в Технический институт им. А.Росси, где изучал радиотехнику и электронику. По окончании ВУЗа в 1960 г. он пришел в компанию OLIVETTI, R&D-лаборатория которой располагалась в пригороде Милана - Борголомбардо. Там, в возрасте 18 лет, сначала в качестве помощника инженера, а затем и инженером он участвовал в разработке компьютера на германиевых транзисторах с памятью 4 килобайта на ферритовых сердечниках.
Осознав, что ВУЗ'овских знаний ему недостаточно, Федерико поступил в один из старейших университетов Европы - Падуанский и стал изучать то, что он считал самым нужным для инженера - физику. Через четыре года, вместо обычных 5...7, он получил PhD - ему как раз исполнилось 24 года. Пару лет он проработал в start-up'е, созданном его бывшим начальником по OLIVETTI, а в 1967 г. устроился в крупнейшую полупроводниковую компанию страны SGS, завод которой располагался в городке Аграте-Брианца в 20 милях к северо-востоку от Милана. В наши дни здесь находится итальянская штаб-квартира компании STM и один из ее крупнейших Fab'ов. Предприятие было основано в 1957 г., когда компании OLIVETTI потребовались собственные полупроводниковые приборы, а в 1960 г. 1/3 в нем получила компания FAIRCHILD в обмен на свою планарную технологию. Это сотрудничество продлилось до 1968 г., и на самом его излете Федерико Фаджин был направлен на шесть месяцев "по обмену" в Пало-Альто (Калифорния), где находилась FAIRCHILD. Это была обычная практика в полупроводниковых компаниях - инженер-технолог Дес Фицджеральд (Des Fitzgerald), в свою очередь, отправился в Милан. Командировка предполагалась на полгода, но все складывалось настолько удачно, что Федерико Фаджин решил не возвращаться. Тем более, рядом была Элвия Фаджин, ставшая его женой полгода назад.
В SGS Федерико начал заниматься МОП-микросхемами и продолжил эту работу в США, разработав очень быстро технологию МОП ИС с кремниевыми затворами (SGT) вместо использовавшихся тогда алюминиевых, что позволило в разы увеличить скорость переключения транзисторов и вдвое уменьшить их размеры. Кроме того, им были предложены два решения, сильно повлиявшие на дальнейшее развитие МОП-технологии - "скрытый контакт" (buried contact) и нагрузочный резистор, выполненный в виде МОП-транзистора, затвор которого соединен со стоком (bootstrap load). Чтобы показать преимущества новой технологии Федерико перепроектировал уже выпускавшуюся по pМОП технологии микросхему 3705 - 8-и канальный аналоговый мультиплексор с цифровым управлением. И уже в июле 1968 г. была выпущена пилотная партия, а в октябре она "пошла в серию" под номером 3708, став первой коммерческой ИС с кремниевыми затворами. Однако, ситуация в компании ухудшалась, главным образом из-за позиции штаб-квартиры на Восточном побережье, которая использовала растущую прибыль от semi-бизнеса для финансирования своих проектов по авионике. Мотивация сотрудников, а с ним и "инновационный запал" угасали, и хотя Федерико Фаджин в 1969 г. успешно развивал N-канальную технологию с кремниевыми затворами и экспериментировал с BiMOS процессами, ему было понятно, что пора уходить.
А еще в июле 1968 года FAIRCHILD лишилась двух десятков ключевых сотрудников, которые во главе с Робертом Нойсом (Bob Noyce) основали INTEL с цель производства микросхем памяти. Однако, крайне нуждаясь в деньгах, новая компания бралась за "сторонние" заказы, одним из которых в апреле 1969 г. стал контракт стоимостью $60 тыс. на разработку комплекта из 12 ИС для японской компании Nippon Calculating Machine, планировавшей сделать на них инженерный калькулятор Busicom 141-PF. Весной 1979 г. Федерико Фаджин связался со своим бывшим шефом в FAIRCHILD Лесли Вадашем (Les Vadasz), который, как и его земляк Энди Гроув (Andrew Grove), перешел в INTEL в составе "первой волны" и стал 4-м сотрудником компании (и первым ее не-акционером), и тот, как руководитель отдела разработки МОП-приборов, сразу предложил Федерико возглавить проект BUSICOM.
Разработка "калькуляторной" серии началась еще в 1969 г. и велась силами Теда Хоффа (Ted Hoff), Стенли Мазора (Stanley Mazor) и представителя заказчика Масатоси Сима (Masatoshi Shima). Хоф предложил объединить три микросхемы в один вычислительный блок и использовать программируемую логику вместо "жесткой", Мазор пошел еще дальше и предложил уменьшить комплект до 4 ИС, а Сима оптимизировал архитектуру и структуру команд под эти предложения. В октябре 1969 г. эти изменения были одобрены заказчиком. Но, когда Федерико был назначен руководителем проекта, ни одна ИС из комплекта еще не была спроектирована, и отставание от графика составляло полгода.
В то время приоритетом для INTEL были микросхемы памяти, и Фаджину пришлось полагаться только на себя, поскольку и Хофф, и Мазор занимались DRAM-проблемами. И ему удалось, работая по 80 часов в неделю, спроектировать комплект из 4-х оригинальных ИС, из которых особую роль в истории сыграл 4х разрядный микропоцессор i4004. Кристалл, выполненный по p-MOS-технологии, имел площадь 12 мм² (~136х136 mil), работал на частоте 750 кГц, содержал примерно 2300 транзисторов и имел два напряжения питания: +5В и -12В. Исключительно благодаря использованию SGT, его удалось разместить в 16-ти выводном cerdip корпусе, который в то время был стандартным для INTEL, хотя Фаджин предлагал использовать корпус с большим числом выводов, поскольку мультиплексирование 4р шины данных/адреса замедляло работу. Федерико Фагин был так горд своим детищем, стоившим $200, что разместил с краю кристалла инициалы "FF".
Для компании значение этого события заслоняли проблемы с производством микросхем памяти. Чтобы доказать перспективность микропроцессорной идеологии, Федерико Фаджин применил семейство MCS в тестере, который использовался для отбраковки кристаллов семейства. И, хотя, проект в целом был поддержан Бобом Нойсом и Гордоном Муром, Энди Гроув, отвечавший за производство, и большинство топ-менеджеров были против отвлечения сил на непонятное изделие. По договору все права на кристаллы принадлежали заказчику, и только проблемы с выводом на рынок настольного калькулятора ценой $1000, в то время, как уже появились "ручные" за $150, побудили японцев отказаться к маю 1971 г. от прав на комплект ИС в обмен на снижение его закупочной цены. Роберту Нойсу пришлось специально для этого съездить в Японию, где его авторитет был необычайно высок. Компания BUSICOM, используя возможность перепрограммирования, выпустила в 1971...1972 гг. несколько моделей калькуляторов со встроенным принтером, но не смогла добиться рентабельности и прекратила существование в 1974 г. А INTEL уже в ноябре 1971 г. анонсировал i4004 как коммерческий продукт, и случилось это всего через 8 месяцев после завершения разработки и через 5 месяцев после начала производства.
Что интересно, i4004 стал первым микропроцессором, но у INTEL был в разработке еще один, уже 8 разрядный. В 1969 г. компания DATAPOINT (тогда она называлась Computer Terminal Corporation) заказала у INTEL биполярную память для процессора собственной архитектуры. И Тед Хофф, уже размышлявший над 4р CPU, предложил разработать 8р версию. Договор на $50 тыс. был заключен в начале 1970 г., и работа над изделием 1201 была поручена Хэлу Фини (Hal Feeney), начавшего проектирование на 4 месяца раньше, чем команда MSC4, но довольно неторопливо. Заказчик был этим недоволен и поставил ту же задачу перед TI, и те, в конце 1970 г., разместили в журнале Electronics Magazine рекламный блок под заголовком "Центральный Процессор на ЧИПе". Что сильно "уязвило" Нойса, и тот дал команду "на ускорение". В январе 1971 Фаджин подключился к проекту, завершая параллельно работы по 4000 семейству, и под его руководством Хэл Фини к концу года закончил разработку кристалла получившего обозначение i8008. Он был выполнен по топологическим нормам 10мкм, содержал уже 3500 p-МОП транзисторов и корпусировался все в том же cerdip16, хотя кристалл был на 10mil шире. Заказчику, однако, в 1971 г. эта микросхема уже была не нужна и он отказался от интеллектуальных прав в обмен на возврат уплаченной по договору суммы.
Остается только удивляться, как быстро все тогда делалось. Руководство компании осознало перспективность CPU-направления и начало активно продвигать i4004 и i8008 на рынок: резко возросла маркетинговая активность, для i8008 был впервые в отрасли выпущен "стартовый набор" Intelec MIC-8, руководители проектов, включая Теда Хоффа и Федерико Фаджина, ездили в рекламные туры и выступали на конференциях. Из своей поездки в Европу летом 1971 г., где он встречался с разработчиками компьютеров из компаний PLESSEY и NIXDORF, Федерико привез идею создания более совершенного 8р процессора. В частности, он хотел расширить структуру прерываний, использовать nМОП транзисторы и корпус dip40. Но Энди Гроув посчитал слишком рискованным запускать новый микропроцессор, когда два предыдущих еще не нашли свою рыночную нишу. И его можно понять - в 1972 г. компании было всего четыре года, ее объем продаж составлял $18 млн, а прибыль, ожидаемая от продаж микросхем памяти, все не возникала.
Хотя Нойс и Мур поддерживали CPU-направление, потребовалось целых 9 месяцев, чтобы убедить всех остальных директоров. И большая заслуга в том принадлежит трем новым маркетологам - Эду Гелбаху, Реджису Маккене и Биллу Давидоу, которые провели масштабную компанию по "приучению" рынка к микропроцессорам. Итак, пригласив из Японии к себе в помощь работавшего уже в компании RICOH М.Симу, Ф.Фаджин принялся за работу и без особых проблем представил в марте 1974 г. однокристальный микропроцессор i8080. В ознаменование этого события, трансформировавшего компанию из производителя микросхем памяти в производителя микропроцессоров, был изменен калифорнийский контактный телефон INTEL - в апреле 1974 г. им стал (408)765-8080. Он и сейчас действует.
Рынок, уже "разогретый" моделями i4004 и i8008, воспринял i8080 с энтузиазмом. И, действительно, это был мощный прибор - 4758 n-МОП транзисторов по техпроцессу 6мкм, тактовая частота 2МГц, адресуемая память 64 кбайт, 80 инструкций. В дальнейшем было выпущено 16 периферийных ИС, расширяющих возможности процессора. Первый интерпретатор BASIC был создан Биллом Гейтсом и Полом Алленом в 1975 году для компьютера Altair 8800, построенном на i8080. Но главный успех пришел, когда компания IBM "заложила" его в свои PC. Но это уже другая история.
[1942-2015]
А Федерико Фаджин уже "горел" идеей нового процессора с одним напряжением питания и по КМОП-технологии. Но, хорошо зная позицию руководства INTEL, предпочел не "пробивать" эту идею, а создать собственную компанию для ее реализации. К тому же, хотя под его "началом" было 80 сотрудников - более половины всего R&D-штата компании, оценку своего труда он считал несправедливой, ведь в 1974 г. оборот компании составил уже $135 млн, что было немало по тем временам. А существенного пакета акций у него, как у сотрудника не первого "призыва", не было. Ну и отношения с Энди Гроувом, получавшим все больше власти в компании, оставляли желать лучшего...
И вот в ноябре 1974 г. Федерико увольняется из INTEL и на пару со своим сотрудником Ральфом Унгерманном (Ralph Ungermann), который занимался в компании разработкой периферийных микросхем для микропроцессоров, создает компанию ZILOG. Выбор названия сопровождался звоном бокалов - наутро Федерико предложил I-Log, как Integrated Logic, а у Ральфа "вырвалось" ZiLog. На том и порешили. Время было выбрано крайне неудачное - в 1973 г. экономика США вошла в полосу кризиса и венчурные капиталисты затаились. Но заметка в журнале Electronics News, озаглавленная "Faggin and Ungermann leaving Intel to start their own firm", попалась на глаза кому-то в нефтяной корпорации EXXON, в те годы активно инвестировавшей в компьютерный бизнес. Последовал звонок Фаджину, через две недели "нефтяники" нанесли визит в Калифорнию, а через полгода было достигнуто соглашение об инвестировании $500 тыс. в обмен 51% акций компании ZILOG. Эта сумма составляла 5% всех венчурных инвестиций в США в том кризисном 1975 г. Первоначальной идеей Фаджина было создание 8р микроконтроллера, ставшего впоследствии знаменитым Z8. Однако, оценив потребности рынка и учитывая пожелания инвестора, Фаджин поменял концепцию, и команда из 12 человек, в которую уже входил Масатоси Сима, приступила к разработке nМОП микропроцессора, получившего обозначение Z80. В марте 1976 г. были получены опытные образцы, а уже летом Z80 поступил на рынок по цене $200.
Процессор стал сразу популярен. То, что он имел программную совместимость с i8080, облегчило его внедрение в уже существующие проекты. Дополнительные команды и регистры, заимствованные у МП 6800 компании MOTOROLA добавляли ему функционала, а одно напряжение питания было большим преимуществом. Первые кристаллы площадью 22,5 мм² (200х200 mil) с топологическими нормами 6мкм выпускались в стандартных корпусах dip40, но не совместимых по разводке с i8080. Кристалл содержал 8500 транзисторов (десяток из них выполняли функции "ловушек" (traps) для защиты от копирования) и работал на частоте 2,5МГц. В качестве foundry использовалась Fab компании MOSTEK, которая первой получила статус "второго поставщика". Позднее такой же был предоставлен компании STM. На базе Z80 были созданы первые "бытовые" компьютеры и игровые приставки - Sinclaire, TRS-80, GameBoy, Sega... Однако, дорога в мир IBM PC была ему закрыта - компания EXXON бросила вызов "Голубому гиганту", и тот запретил использование микросхем ZILOG в своих компьютерах. Сама же EXXON выпустила в 1982 г. семейство PC 500 на базе Z80, но оно "не взлетело". И хотя в 1981 г. компания EXXON стала 100% владельцем ZILOG, дальнейшая судьба компании полна взлетов и падений. Но это уже другая история. И стоит только упомянуть, что о прекращении выпуска Z80 компания, ставшая уже частью компании LITTELFUSE, объявила лишь в апреле 2024 г.!
Ральф покинул компанию в конце 1978 из-за разногласий с руководством EXXON, Федерико продержался еще 2 года, запустив в серию Z8 и начав проектирование Z8000, но в итоге в 1980 г. тоже покинул компанию. Средств от продажи своей доли в ZILOG ему вполне хватило на создание еще двух компаний: в 1984 г. это была CYGNET TEHNOLOGIES, разработавшая платформу для эффективного использования модемов, а в 1986 г. SYNAPTICS - пионера в области нейросетей, но прославившейся созданием тачпада и тачскрина. В новом веке Федерико Фаджин увлекся вопросами изучения сознания (consciousness), выпустил несколько книг по этой теме, а в 2011 г. основал Federico and Elvia Faggin Foundation для поддержки этих исследований.
Остается только восхищаться уникальной способности Федерико Фаджина проектировать все свои микропроцессоры и микроконтроллеры без каких-либо САПР - их просто не было. Вся топология рисовалась на бумаге вручную и даже при проектировании Z80, будучи CEO компании, ему пришлось заниматься этим, чтобы не сорвать сроки проектирования.
Не к чести компании INTEL стоит упомянуть о ее многолетней политике замалчивания роли Ф.Фаджина в создании первых МП. И во многом, только активность его жены Элвии, ставшей "технической" журналисткой и опубликовавшей множество материалов по истории создания i4004...i8080, побудило компанию признать очевидные факты и скорректировать свою позицию. И в музее компании, открытом в 1992 г., небольшая фотография Фаджина появилась рядом с большой Хоффа. Но и сейчас поиск на сайте INTEL по слову "Faggin" приносит лишь 2 ссылки. Правда при поиске по "Hoff" их тоже 2...
Самым подробным образом, со множеством деталей история создания i4004 изложена на сайте http://www.intel4004.com/.