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，也是您现在可能正在使用的 x86 处理器系列的祖先。我找不到 8008 的好的Die照片，所以我打开了一颗并拍了一些详细的照片。本文中包含这些新芯片照片以及 8008 内部设计的讨论。
下图显示了 8008 封装内的微型硅芯片（点击查看更高分辨率的照片）。你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。
你可以在芯片的右边缘看到文字“8008”，在下边缘看到“ Intel 1971”。Hal Feeney 的名字缩写 HF 出现在右上角，他负责芯片的逻辑设计和物理布局。8008 的其他主要设计师包括 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。
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型晶体管来驱动信号通过 ALU 电路。
寄存器下方是carry look ahead circuitry。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）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照片显示什么？出于我们的目的，芯片可以被视为三层。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，看起来是金属的（毫不奇怪）。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
为了详细展示该芯片的外观，我放大了下图中 8008 的寄存器文件。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。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。由于英特尔当时主要是一家内存公司，我预计他们选择 DRAM 是因为他们在该领域的专业知识。
PMOS 的工作原理
8008使用PMOS晶体管。为了稍微简化一下，您可以将 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。如果您熟悉 6502 等微处理器中使用的 NMOS 晶体管，那么 PMOS 可能会有点令人困惑，因为一切都是倒退的。
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+5。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。右侧的详细信息显示了该电路在芯片上的显示方式。-9V金属线在顶部，晶体管在中间，输出是底部的硅线。
8008 的历史
8008 的复杂故事始于Datapoint 2200，这是一款于 1970 年作为可编程终端推出的流行计算机。（有些人认为 Datapoint 2200 是第一台个人计算机。）Datapoint 2200 没有使用微处理器，而是包含一个由单独的 TTL 芯片构建的板级 CPU。（这是小型机时代构建 CPU 的标准方法。）Datapoint 和 Intel 决定可以用单个 MOS 芯片取代该板，Intel 启动了 8008 项目来构建该芯片。稍后，德州仪器 (TI) 也同意为 Datapoint 打造单芯片处理器。这两款芯片均设计为与 Datapoint 2200 的 8 位指令集和架构兼容。
1971 年 3 月左右，德州仪器 (TI) 完成了他们的处理器芯片，并将其称为TMC 1795。在推迟了该项目之后，Intel 于 1971 年底左右完成了 8008 芯片。出于各种原因，Datapoint 拒绝了这两种微处理器，并基于较新的 TTL 芯片（包括74181 ALU 芯片）构建了更快的 CPU 。
TI 尝试向福特等公司推销 TMC 1795 处理器，但没有成功，但最终放弃了该处理器，转而专注于高利润的计算器芯片。另一方面，英特尔将 8008 作为通用微处理器进行营销，这最终导致了您现在可能正在使用的 x86 架构。虽然 TI 率先推出了 8 位处理器，但英特尔使他们的芯片取得了成功，创造了微处理器行业。
上图总结了 8008 和一些相关处理器的“家谱”。Datapoint 2200 的架构用于 TMC 1795、Intel 8008 和下一版本 Datapoint 2200 。因此，使用 Datapoint 2200 的指令集和架构构建了四个完全不同的处理器。Intel 8080 处理器是 8008 的大幅改进版本。它显着扩展了 8008 的指令集，并重新排序了机器代码指令以提高效率。8080 用于开创性的早期微型计算机，例如 Altair 和 Imsai。在完成了 4004 和 8080 的工作后，设计师 Federico Faggin 和 Masatoshi Shima 离开英特尔，开发了 Zilog Z-80 微处理器，该微处理器在 8080 的基础上进行了改进，并变得非常受欢迎。
向16 位 8086 处理器的转变要少得多。大多数 8080 汇编代码可以转换为在 8086 上运行，但这并不简单，因为指令集和体系结构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，一次处理一位字节。由于需要首先处理最低位，因此 Datapoint 2200 是小尾数法。为了兼容性，8008 是小端字节序，英特尔的处理器仍然如此。Datapoint 2200 的另一个功能是奇偶校验标志，因为奇偶校验计算对于终端通信非常重要。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。无论如何，8008 都不是 4 位 4004 的 8 位版本。类似的名称纯粹是一种营销发明；在设计阶段，8008 有一个平淡无奇的名字“1201”。
8008 如何融入半导体技术的历史
4004 和 8008 均采用硅栅增强型 PMOS，这是一种仅短暂使用的半导体技术。这使芯片处于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。该技术被用于许多德州仪器计算器芯片以及TMC 1795芯片（与8008具有相同指令集的芯片）中。
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（出于复杂的半导体原因）。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。这使得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五伏电源运行的芯片。
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。
如何拍摄Die照片
在本节中，我将解释如何获取 8008 芯片的照片。第一步是打开芯片封装以暴露芯片。大多数芯片采用环氧树脂封装，可以用危险的酸溶解。
由于我宁愿避免煮沸硝酸，所以我采取了一种更简单的方法。8008 也有陶瓷封装（上图），这是我在 eBay 上买到的。用凿子沿接缝敲击芯片，将两层陶瓷层分开。下图显示了陶瓷封装的下半部分，裸露的芯片。大多数金属引脚已被移除，但它们在封装中的位置是可见的。Die的右侧是一个小方块；这会将地 (Vcc) 连接到基板。几根微小的键合线仍然可见，连接到芯片上。
一旦芯片曝光，就可以使用显微镜拍照。标准显微镜从下方发出光线，这对于拍摄照片来说效果不佳。相反，我使用了金相显微镜，它从上方发出光线来照亮芯片。
我通过显微镜拍摄了 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图像。最后，我调整了图像对比度，使芯片的结构更加清晰。原始图像（大约是您通过显微镜看到的图像）如下以供比较。
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，并导致了在未来几十年主导个人计算机的 x86 架构。
在以后的文章中，我计划详细解释 8008 的电路，以让您一睹当今计算机的根源。
