纪念晶体管诞生71周年——改变世界30款芯片大阅兵!


新智元报道

来源:IEEE Spectrum

编辑:文强,三石,大明

【新智元导读】71年前的今年,被誉为“21世纪最伟大发明”的晶体管诞生,这项发明涉及科学和技术、团体和社会之间的微妙关系。一起来回顾改变了计算乃至数字世界的伟大芯片,并讲述它们背后的人和故事。

1947年12月23日,第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管面世,标志着现代半导体产业的诞生和信息时代正式开启。

点接触式晶体管:把间距为50 μm的两个金电极压在锗半导体上,微小的电信号由一个金电极 (发射极) 进入锗半导体 (基极) 并被显著放大,然后通过另一个金电极 (集电极) 输出,这个器件在1kHz的增益为4.5。来源:贝尔实验室

在晶体管诞生之前,放大电信号主要是通过电子管 (真空三极管),但由于制作困难、体积大、耗能高且使用寿命短,人们一直希望能够用固态器件来替换它。

1945 年,贝尔实验室开始对包括硅和锗在内的几种新材料进行研究,探索其潜在应用前景。一个专门的“半导体小组”成立了,威廉·肖克利 (William Shockley) 担任组长,成员包括约翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain)。

在经过多次失败之后,他们终于在71年前的今天,实现了第一个半导体晶体管,也就是上文所述的基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管。肖克利、巴丁和布拉顿也因此获得了诺贝尔物理学奖。

巴丁 (左)、布拉顿 (右) 和肖克利因为晶体管的发明,共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

从实用的角度看,点接触式晶体管的产量非常有限,不能算是商业上的成功;但它的发明意义重大,巴丁、布拉顿和肖克利也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”,它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。

20世纪五六十年代,肖克利在推动晶体管商业化的同时,造就了如今加州电子工业密布的硅谷地区。晶体管发明的历史非常复杂,牵扯到科学和技术、团体和社会之间的微妙关系。

现如今,从播放音乐、合成语音、存储数据、数码摄影、GPS定位到传输和处理互联网上的海量数据,我们的日常生活中芯片已经成为不可或缺的产品。

这其中,有一些芯片直接或间接地为改变世界的一些产品赋能,影响了整个计算世界。

就在晶体管诞生71周年的今天,让我们一起来回顾这些伟大的芯片,并讲述它们背后的人和故事。以下内容来自 IEEE Spectrum 2018年最新的“芯片名人堂” (Chip Hall of Fame)。

仙童半导体 μA741 运算放大器(1968)

Fairchild Semiconductor μA741 Op-Amp

该芯片成为了模拟放大器集成电路事实上的标准。该芯片目前仍在生产,在电子产品中随处可见。

  • 制造商:仙童半导体
  • 类别:放大器 & 音频
  • 年代:1968

运算放大器就像模拟设计界的切片面包。你可以用它们夹上任何东西,并且都能得到满意的结果。设计者使用它们来制作音频或视频的前置放大器,电压比较器,精密整流器,以及其他许多日常电子系统中重要的子系统。

1963年,26岁的工程师 Robert Widlar 在仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)设计了第一个单块集成运算放大器电路,即 μA702。当时它的售价是300美元。Widlar 随后对设计进行了改进,设计出 μA709,并获得了巨大的商业成功。据说,Widlar 因此要求加薪,但没有得到满足,于是离开了仙童半导体。美国国家半导体公司(现在是德州仪器的一部分)如获至宝,迅速挖来了 Widlar。Widlar 后来帮助国家半导体建立了模拟IC设计部门。1967年,Widlar 为国家半导体公司研发出一个更好的运算放大器,即 LM101,其中一个版本(LM101A-N )现在仍在生产。

虽然仙童半导体的领导们对 Widlar 突然发起的竞争感到焦头烂额,但在仙童的研发实验室,新加入的 David Fullagar 对 LM101 进行了仔细的检查,发现这款芯片的设计虽然非常巧妙,但还是存在一些缺陷。其中最大的缺陷是,由于半导体质量的变化,有些芯片在IC的输入级,即所谓的前段,对噪声过于敏感。

Fullagar 于是开始了自己的设计。前端问题的解决方案非常简单,Fullagar 为芯片增加了一对额外的晶体管。额外的电路使得放大更加平滑。

Fullagar 将他的设计交给仙童研发部门的老大,一位名叫戈登·摩尔 (Gordon Moore) 的人。摩尔将他的设计交给公司的商业部门。这枚新的芯片被命名为 μA741,后来成为运算放大器的标准。这个 IC,以及后来仙童半导体的竞争对手所创造的各种翻版型号,已经卖出数百万个。

当时初版的μA702价格是300美元,现在300美元大约可以买2000枚μA741芯片。

Intersil ICL8038 波形发生器(1983)

Intersil ICL8038 Waveform Generator

Intersil的ICL8038波形发生器为消费电子产品带来了复杂的声音

  • 制造商: Intersil(英特矽尔)
  • 类别: 放大器 & 音频
  • 年代: 大约 1983

一个好的基本波形——随时间变化的电压——是构建更复杂行为的原材料。Intersil的ICL8038 集成电路的设计是为了方便地获得精确的波形,能够同时产生正弦波、矩形波和锯齿波等周期信号,只需要很少的外部元件。

最初,ICL8038 被嘲笑性能有限,而且具有表现不稳定的倾向。确实,这个芯片有点不可靠。但共生是们很快学会了如何可靠地使用它,然后8038取得了重大的成功,最终销售了数百万个,并被用在无数应用程序中——包括“电话飞克”(phreaker)们在20世纪80年代使用的“蓝盒子”(blue boxes)。

Intersil 公司在2002年停产了8083,但爱好者们至今仍在收集 ICL8038,用来自制函数发生器和模块化模拟合成器。

微开半导体MAS3507 MP3解码器(1997)

Micronas Semiconductor MAS3507 MP3 Decoder

这个芯片开启了数字音乐革命

  • 制造商: 微开(Micronas)半导体
  • 类别: 放大器 & 音频
  • 年代: 1997

在 iPod 出现之前,是Diamond Rio PMP300。PMP300于1998年推出,几乎立刻就火了,不过这一热潮很快就消减了。不过,这个播放器有一件事很重要,就是它支持 MAS3507 MP3解码芯片——一个基于RISC的数字信号处理器,具有为音频压缩和解压缩优化的指令集。

它的开发者是Micronas(现在是TDK-Micronas),它让Rio能够将十多首歌曲压缩到其闪存中。对于今天的标准来说可能有点可笑,但在当时相比便携式CD播放器已经足够有竞争力了。Rio以及它的后续产品为iPod铺平了道路,现在你已经能够在口袋里装上数千首歌曲。

Micronas

正如这个 Micronas 的设计文件所显示的,MAS3507是只为做好一件事设计的,即只能很好地解码 MPEG Audio Layer III(即MP3)数据。

德州仪器TMC0281语音合成器(1978)

Texas Instruments TMC0281 Speech Synthesizer

这是世界上第一款语音合成芯片

  • 制造商: 德州仪器
  • 类别: 放大器 & 音频
  • 年代: 1978

如果没有TMC0281,E.T.可能永远没办法“打电话回家”。因为 TMC0281 是世界上第一款单芯片语音合成器,是德州仪器的 Speak&Spell 学习玩具的“心脏”(或者应该说是“嘴巴”)? 在1982年的《E.T.外星人》电影中,外星人E.T.黑进玩具中,搭建了一个星际通讯设备。

今天,我们已经越来越习惯与消费电子产品交谈;TMC0281 是无处不在的合成语音世界的第一步。

外星人E.T.抱着一台Speak&Spell玩具

TMC0281于1978年发布,使用被称为线性预测编码(linear predictive coding,LPC)的技术产生语音,所产生的声音是一些嗡嗡声、嘶嘶声和爆裂声的组合。对于“产生语音”这件被认为是“不可能在集成电路中实现的”的事情,这是一个令人惊讶的解决方案。

TMC0281的变体型号被用于雅达利的街机游戏和克莱斯勒的K型车。2001年,德州仪器将它的语音合成芯片生产线卖给Sensory公司,Sensory在2007年底停产这个芯片。不过,在eBay上花50美元左右可以买到品相非常不错的 Speak&Spell 玩具。

Tripath Technology 的 TA2020 音频放大器(1998)

Tripath Technology TA2020 Audio Amplifier

这是一个固态、大功率的放大器,为便宜的设备带来大音量

  • 制造商: Tripath Technology
  • 类别: Amplifiers and Audio
  • 年代: 1998

有些音响发烧友坚持认为真空管放大器能产生最好的声音,而且永远是这样。因此,当音频界出现一些声音,称一个完全依赖半导体的放大器发出的声音就像真空管放大器一样圆润而且充满活力时,引起了很大的反响。

这个放大器是由硅谷的一家公司Tripath Technology设计的D类放大器。D类放大器的工作原理是不直接放大输入的模拟音频信号,而是先将模拟音频转换为可用于开启或关闭功率晶体管的数字脉冲串。所得到的信号被转换成具有较高振幅的模拟信号。

Tripath的诀窍是使用一个50兆赫兹的采样系统来驱动放大器。该公司表示,TA2020的性能更好,而且成本远低于任何类似的固态放大器。为了在交易展览上展示这款芯片,他们特意播放了电影《泰坦尼克号》的那首著名主题曲。

像大多数D类放大器一样,TA2020的能效非常高; 它不需要散热器,并且可以使用紧凑的封装。Tripath的低端,15瓦型号的TA2020售价为3美元,用于内置扬声器和麦克风。索尼,夏普,东芝等的家庭影院,高端音响系统以及电视机都采用其他型号——最强大的拥有1000W的输出。

后来,其他大型半导体公司迎头赶上,创造出类似的芯片,Tripath 渐渐被人遗忘。现在Sure Electronics和Audiophonics等公司仍提供基于TA2020及其姐妹芯片的音频放大器套件和产品。

Amati通信公司的Overture ADSL芯片组(1994)

Amati Communications Overture ADSL Chip Set

这款通信芯片开启了宽带上网时代

  • 制造商: Amati Communications
  • 类别: Interfacing
  • 年代: 1994

还记得ADL(数字用户线路)出现时,你将可怜的每秒56.6k的调制调解器扔进垃圾桶的场景吗?好吧,几年之后,随着专用的基于光纤的宽带网络的出现,你又将ADL调制调解器扔进了垃圾桶。但对于许多消费者来说,DSL是高速互联网所能做的第一个尝试,尤其是作为音乐和电影的分发系统。这是一个伟大的过渡技术:只要用户距离交换机不是很远,DSL都能将现有的常规音频电话线转变为高速数字连接。

这个宽带革命的中心是从斯坦福大学出来的创业公司 Amati Communications。20世纪90年代,该公司提出一种称为离散多音(DMT)的DSL调制方法。该方法基本上是使一条电话线看起来像数百个子信道,并使用反向罗宾汉策略改进传输的方式。

John M. Cioffi 是 Amati的共同创始人,现在是斯坦福大学工程教授,他说:“比特被从最贫乏的信道抢走,然后被给到最富有的信道。” DMT打败了它的竞争对手,包括AT&T等巨头,成为DSL的全球标准。在20世纪90年代中期,Amati的DSL芯片组(一个模拟,两个数字)售出了少量,但到2000年,每年的销量已经达到数百万组。在 21世纪初,年销售量突破了1亿组。德州仪器在1997年收购了Amati。

西部数据的 WD1402A UART(1971)

Western Digital WD1402A UART

将处理器从低级的通讯任务中解放出来

  • 制造商: 西部数据
  • 类别: Interfacing
  • 年代: 1971

戈登·贝尔(Gordon Bell)以在20世纪60年代在迪吉多公司(DEC)推出PDP系列小型计算机而闻名。这迎来了网络和交互式计算机的时代,在20世纪70年代随着个人电脑的出现而达到全盛。虽然小型计算机现在已经进入历史教科书,但贝尔还发明了一些虽然相对不那么知名但绝非不重要的技术,而且这些技术现在仍在世界各地被采用:通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),简称UART。

UART用于让两个数字设备通过串行接口一次发送一个比特进行通信,而不会使设备的主处理器与细节干扰。

今天,我们可以使用更复杂的串行设置,例如无处不在的USB标准。但很长一段时间以来,在诸如将调制调解器连接到PC之类的使用中,UART都是统治性的方式。即便现在,简单的UART仍然有它的地位,尤其是作为与很多现代网络设备连接的终极方式。

UART的发明是由于贝尔自己需要将一个电传打印机(Teletype)连接到一个PDP-1,需要将并行信号转换为串行信号。贝尔于是设计了一个使用大约50个独立部件的电路。这个想法被证明是受欢迎的。当时西部数据公司(Western Digital)是一家制造计算机芯片的小公司,它设计了单芯片版的UART。

西部数据的创始人 Al Phillips 仍记得当时公司的工程副总裁向他展示准备制作的 Rubylith 的设计图时的场景。他说:“我看了一会儿,发现一个断开的电路,副总裁都快抓狂了。”西部数据在1971年左右发布WD1402A,其他版本也在随后陆续发布。

IBM深蓝2国际象棋芯片(1997)

IBM Deep Blue 2 Chess Chip

深蓝的逻辑芯片为AI对人类的第一次重大胜利赋能

  • 制造商: IBM
  • 类别:逻辑(Logic)
  • 年代: 1997

1997年,当IBM的国际象棋计算机“深蓝”(Deep Blue)击败世界冠军 Garry Kasparov 时,人类终于在计算机面前败下阵来。深蓝的每个芯片包含150万个晶体管,这些晶体管集成在专门的块中,例如一个走子生成器(move-generator)的逻辑阵列,以及一些RAM和ROM。这些芯片一起的运算速度是每秒2亿步棋。深蓝的策划者许峰雄(Feng-hsiung Hsu),现在是微软亚洲研究院高级研究院,他回忆说,这些走子“给对手施加了非常大的心理压力”。

自深蓝胜利以来,人工智能在越来越多原本是人类智能占上风的游戏上击败了人类,例如谷歌的AlphaGo分别在2016年和2017年击败了围棋世界冠军李世乭和柯洁。

Signetics NE555(1971)

Signetics NE555

这款默默无名的芯片成为无数电路的瑞士军刀

  • 制造商:西格尼蒂克(Signetics)
  • 类别:逻辑
  • 年代:1971

那是在1970年的夏天。芯片设计师Hans Camenzind当时是硅谷半导体公司西格尼蒂克(Signetics)的顾问。当时经济下滑,他每年收入不足15000美元,而家里有赋闲的妻子和四个孩子。他真的迫切需要发明一些好卖的东西。

他真的做到了。而且,他的这一发明可以说是史上最伟大的芯片之一。555定时器是一款易于使用的集成电路芯片,常被用于定时器和振荡电路。由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性,这款芯片时至今日仍被广泛应用于厨房电器、玩具、宇宙飞船等数千种电子电路的设计中。

“它险些没能面世。”几年前 Camenzind 在接受 IEEE Spectrum 访问时回忆道。Camenzind于2012年去世。

萌发555的点子时,Camenzind正在设计被称为“锁相环路”( phase-locked loop)的电路。只要对做一些修改,这个电路就能变成一个简单的定时器:触发它后它能运行特定的一段时间。这听起来很简单,当时还没有类似这样的东西。

最初,Signetics的工程部门反对这个想法。当时公司已经有可以组装成定时器的组件销售。555的命运险些就这样结束了。但Camenzind坚持他的idea。他去找Signetics的市场经理 Art Fury。幸运的是,Fury很喜欢这个idea。

Camenzind花了将近一年的时间测试模拟板原型,在纸上绘制电路元件,裁剪红片覆盖膜。Camenzind回忆说:“这一切都是手工完成的,没有使用电脑。”最终的设计有23个晶体管,16个电阻器和2个二极管。

555定时器在1971年投入市场,引起了轰动。1975年,Signetics被飞利浦半导体公司(现在的恩智浦半导体)收购,据该公司说,555的销量已经达到数十亿枚。今天的工程师们仍然使用555设计一些有用的电子模块,或一些没什么用处的小东西,例如“霹雳游侠”的战车前灯。

赛灵思 XC2064 FPGA(1985)

Xilinx XC2064 FPGA

事实已经证明,可编程芯片拥有巨大的价值

  • 制造商:赛灵思(Xilinx)
  • 类别: Logic
  • 年代: 1985

早在20世纪80年代初,芯片设计者们一直试图充分利用电路中的每一个晶体管的功效。后来Ross Freeman提出一个相当激进的想法。他设计了一个包含许多晶体管的芯片,这些晶体管组成松散的逻辑块,其连接可以通过软件进行重新配置。其结果是有时候一部分晶体管不会被使用到,但是Freeman认为摩尔定律最终会让晶体管成本变得低廉,不再有人关心晶体管浪费的问题。他是对的。他把这个芯片命名为“现场可编程门阵列”(FPGA),并且为了推销这个芯片,作为共同创始人创立了赛灵思公司(Xilinx)。

1985年,赛灵思公司的第一个产品XC2064面世时,员工们被赋予一个任务:使用XC2064的逻辑单元手工绘制一个示例电路,就像他们的客户要做的那样。赛灵思前首席技术官Bill Carter回忆起当时他走近 CEO Bernie Vonderschmitt时,看到他“在绘制时遇到了一点困难”。 Carter 单纯很高兴帮到老板。他说:“我们站在那儿,用纸和彩色铅笔帮Bernie 绘制!”

如今,由赛灵思以及其他公司生产出售的FPGA被用于各种各样的东西,在这里很难全部列举。在例如软件定义的无线电,神经网络,数据中心路由器等等都有FPGA的应用。

莫斯特克MK4096 4-Kilobit DRAM(1973)

Mostek MK4096 4-Kilobit DRAM

当需要用到大量RAM时,这款芯片的存储架构仍被广泛使用

  • 制造商:莫斯特克(Mostek)
  • 类别:记忆 & 存储
  • 年代: 1973

计算机在运行程序时使用随机访问存储器(random access memory),简称RAM,作为其工作空间。现在的RAM芯片有两种特性:静态RAM和动态RAM,或简称SRAM和DRAM。只要计算机开启后,SRAM就保持内容不变,但DRAM必须不断更新。DRAM相对SRAM的优点是每个存储单元都很简单,这意味着可以将更多的数据打包到给定的空间中。今天大多数计算机都使用DRAM作为主存储器。

第一款DRAM芯片是英特尔推出的。但Mostek的4KB DRAM芯片带来了一个关键的创新,一种被称为地址复用(address multiplexing)的电路技术,由Mostek共同创始人Bob Proebsting发明。通常,芯片使用相同的引脚来访问内存的行和列。这是通过依次发送行和列寻址信号实现的。因此,芯片不需要太多的引脚,同时由于内存密度增加,制作成本降低。它只存在一点兼容性上的问题。Mostek 的4096使用16针脚,而德州仪器,英特尔和摩托罗拉出品的内存则有22针脚。

Mostek将未来压在了这款芯片上。高管们开始到处向客户、合作伙伴、新闻媒体甚至自己的员工进行宣传。当时刚被雇用的 Fred K Beckhusen 被安排对4096进行测试。Beckhusen 回忆道,有天Proebsting和CEO LJ Sevin半夜2点来到他的夜班岗位进行了一次研讨会。

Beckhusen说:“他们当时大胆地预测,只需6个月,就不会有人关心22针脚的DRAM了。”他们是对的。4096和它的后续者成为了主流的DRAM,地址复用技术也成为了处理更大的内存的标准方式。

东芝NAND闪存(1989)

Toshiba NAND Flash Memory

闪存时代由此开启

  • 制造商: 东芝(Toshiba)
  • 类别: 记忆 & 存储
  • 年代: 1989

当东芝的一名工厂经理舛冈富士雄(Fujio Masuoka)决定重新开发半导体内存时,闪存(flash memory)的发明传奇也就此拉开了序幕。不过我们过会儿再讲闪存。首先,让我们了解一点历史。

在闪存出现之前,存储大量数据的唯一方式是使用磁带,软盘或硬盘。许多公司都在努力设计固态的替代方案,但是当时可以得到的选择,例如EPROM(可擦可编程只读存储器,需要用紫外线照射来擦除数据)和EEPROM(多出的E代表“电”,不需要紫外线擦除)都无法低成本地存储大量数据。

进入东芝后,舛冈在1980年聘请了四名工程师共同进行一个半秘密的项目,目的是研发一个可以存储大量数据,而且成本低廉的内存芯片。他们的策略很简单。“我们知道只要晶体管的尺寸缩小,芯片的成本就会持续下降。” 舛冈说道,他现在是Unisantis电子公司的首席技术官。

舛冈的团队设计了EEPROM的一种变体,它的特征是一个存储单元只包含单个晶体管。当时,传统的EEPROM每个存储单元需要两个晶体管。这是一个看似很小的改动,但大大地降低了芯片的成本。

为了寻找一个吸引人的名字,他们根据芯片的超快速擦除功能而取名“闪”(flash)。你也许会认为东芝很快就将这个发明投入生产,并且看着它带来滚滚财富。错了。你们对这家庞大的公司如何利用它内部的创新不够了解。实际情况是,舛冈的老板对他说,好了,忘掉这个发明吧。

当然了,舛冈怎么可能忘记他的发明。在1984年,舛冈在旧金山的IEEE国际电子设备大会展示了他的闪存的设计图纸。这促使英特尔公司开始开发基于“或非”(NOR)逻辑门类型的闪存。1988年,英特尔发布了一款256KB的芯片,用于汽车、计算机以及其他大众市场设备,为英特尔带来了不俗的新业绩。

最终,这促使东芝将舛冈的发明投入生产。舛冈的闪存芯片基于NAND技术,能够提供更高的存储密度,但被证明在制造工艺上更复杂。在1989年,东芝的第一款NADA闪存终于投入市场,并取得了成功。而且正如舛冈所预测的那样,价格不断下降。

20世纪90年代末,数码摄影开始采用闪存,使得闪存出现了爆发,东芝成为这个数十亿美元市场中最大的玩家之一。但与此同时,舛冈与东芝其他高管的关系恶化,最终离开了东芝。(后来舛冈以知识产权纠纷起诉东芝公司,并获得了8700万日元的赔偿。)

今天,NAND闪存已经成为手机、照相机、音乐播放器等各种小设备,甚至航天探测器的关键部分,并且开始取代硬盘成为笔记本和台式电脑的首选存储介质。

柯达KAF-1300图像传感器(1986)

Kodak KAF-1300 Image Sensor

将数字摄影从实验室带入生活的芯片

  • 制造商: 科达(Kodak)
  • 类别: MEMs and Sensors
  • 年代: 1986

现在的图像传感器非常小巧而且便宜,几乎没有手机是不带内置摄像头的。这在在1991年科达公司发布柯达DCS 100数码相机时可能很难想象得到。

DCS 100的成本高达25,000美元,光是外置数据存储器就有5公斤重,而且用户必须得随身扛着。相机的电子部件装在尼康F3的机身内,包含一个令人印象深刻的硬件:一枚拇指大小的芯片,能够以130万像素的分辨率捕获图像,足够以5×7英寸的尺寸进行冲洗。

该芯片首席设计师Eric Stevens说:“在当时,100万的像素已经是梦幻一般了。”

这个芯片是一个真正的两相电荷耦合器件,是未来的CCD传感器的基础,启动了数字摄影的革命。顺带一提,用KAF-1300拍摄的第一张照片是什么呢?“呃,”Stevens说道,“我们把传感器指向了实验室的墙。”

德州仪器数字微镜器件(1987)

Texas Instruments Digital Micromirror Device

将数字视频带入影院的发明

  • 制造商: 德州仪器(Texas Instruments)
  • 类别: MEMS and Sensors
  • 年代: 1987

在1999年6月18日,Larry Hornbeck与妻子Laura约会。他们在加州伯班克的一家电影院观看了电影《星球大战I:魅影危机》。Hornbeck并不是绝地的粉丝。他们去那里是因为那家电影院有一台真正的放映机。

这台放映机的核心是Hornbeck在德州仪器研发的数字微镜器件(DMD)芯片。DMD使用数万个铰链式微镜将光线引导通过放映机的投影镜头射出。电影屏幕上显示了一行字:“第一部数字电影放映”。

现在,电影放映机都是使用这种数字黄处理技术(或称DLP),背投电视、投影仪、手机微型投影机等也都使用DLP芯片。为了奖励他的发明,Hornbeck于2015年被授予奥斯卡奖。

Photobit PB-100(1999)

Photobit PB-100

NASA虽然不想要它,但它却推广了人们拍摄照片和视频的技术

  • 制造商: Photobit公司
  • 类别: MEMS and Sensors
  • 年代: 1999

1992年,Eric Fossum在加州帕萨迪纳的喷气推进实验室 (JPL) 工作。JPL负责NASA一些最雄心勃勃的太空探测器的建造和运行,那一年美国宇航局向其工作人员发出要求:让一切关于太空的任务“更快,更好,更便宜”。

作为JPL图像传感器研究的负责人,Fossum负责重新发明NASA太空船上巨大的大型相机。

与当时的其他设备一样,航天器相机使用电荷耦合器件(CCD)技术。 CCD是第一代成功的数字图像传感器,它们使用一系列微小电容器,这些电容器累积的电荷与落在它们上的光的亮度成比例。然后电荷从CCD上的电容器混频到电容器,直到它们可以通过阵列边缘处的电路转换成电压,然后转换成像素。

这种技术虽然有效,但转换过程需要消耗大量的能量,以及除了CCD之外其他进行辅助的芯片。Fossum及其团队分析发现,如果能够消除在成像阵列中反复转移电荷的需要,那么这两个问题都将消失。

由此,互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器诞生了:具有像素的“相机芯片”,每个像素都可以进行自己的电荷转换,从而显著减少能量和产生图像所需的支持电路。此外,CMOS传感器采用与大多数微处理器和存储器芯片相同的材料和技术制造,使其更容易制造并且最具成本效益。

1995年,Fossum和他当时的妻子同时也是JPL同事的Sabrina Kemeny共同创办了Photobit公司。一年后,Fossum离开JPL,全职加入Photobit。

Photobit的第一个现成产品是1998年的PB-159,但该公司在第二年取得了巨大的成功,推出了PB-100:一款为突破性的英特尔Easy PC相机、网络摄像头和后期版本的Logitech QuickCam提供动力的芯片。

PB-100的名字来源于它的像素——大约100M(352×288),这款芯片最终导致了整个行业对CMOS的支持。随着投资的增加,CMOS逐渐占据CCD的市场份额。

根据市场研究公司IC Insights,如今无处不在的手机和笔记本电脑,以及可穿戴设备和医疗设备,每秒钟生产120多个新的CMOS成像器。每年产值40亿美元,远远超出了Fossum的预期。

艾康电脑ARM1处理器(1985)

Acorn Computers ARM1 Processor

假如你正在手机上看这篇文章,那么你正用到这款芯片的直系后代

  • 制造商:Acorn Computers
  • 类别: Processors
  • 年代: 1985

20世纪80年代初,艾康电脑(Acorn Computers)是一家拥有伟大产品的小公司。该公司总部设在英国的剑桥,通过BBC的全国计算机认知计划(Computer Literacy Project),已经售出超过150万台8位BBC Micro台式计算机。现在是它设计新计算机的时候了。艾康的工程师们对市场上可用的处理器不满意,决定自己设计32位微处理器。

他们为这个微处理器取名 Acorn RISC Machine,简称ARM。RISC 是“reduced-instruction-set computer”( 精简指令集计算机)的缩写,这是设计处理器的一种方法,能够更高效地处理复杂的机器代码。工程师们心知这不容易实现,实际上,他们预期有一半的概率会遇到无法解决的障碍,最终导致废除整个项目。曼彻斯特大学计算机工程系教授 Steve Furber 说,“这支团队人太少了,每个设计的决策都不得不选择简化的方案,否则我们永远都无法完成。”最终,简单性大获成功。ARM体积小巧,功耗低,易于编程。设计指令集的Sophie Wilson仍然记得当他们首次测试芯片时,“我们在提示下做了‘PRINT PI’的命令,它给出了正确的答案,”她说,“我们开了瓶香槟庆贺。”

1990年,Acorn剥离了它的ARM部门,ARM架构继续成为嵌入式应用的主流32位处理器。各种各样的小设备中已经使用超过100亿个ARM内核,包括苹果最成功的iPhone手机和最失败的牛顿掌上电脑。事实上,ARM芯片现在已经遍布在全球超过95%的智能手机。

Atmel ATmega8(2002)

ATmega8

Arduino 第一代开发板的核心,由两个学生发明

  • 制造商: Atmel
  • 类别: Processors
  • 年代: 2002

Atmel 的 ATmega8 是现代芯片制造商运动的成果之一。它是 Arduino 第一代开发板的核心,被各种类型的电子产品广泛采用,这些廉价、强大而且易于使用的电路板已经进入无数项目。

ATmega8来自AVR微控制器系列,最初于20世纪90年代初由挪威理工大学两名学生Alf-Egil Bogen和Vegard Wollan开发。AVR微控制器与常规处理器不同,它们具有自己的板载程序存储器和RAM,而不是依赖外部芯片来存储这些资源:Bogen和Wollan还在大学期间,嵌入式应用程序已经很常见,但是当时他们对市场上的微控制器不满意。他们决定设计一个基于RISC的处理器(具有有限的机器代码指令以提高处理效率),特别是要设计得易于编程而且相对强大。

AVR微控制器与大多数人日常使用的计算机有显着的差异。普通计算机通常使用冯·诺依曼(von Neumann)架构,其中程序加载到RAM中,并在RAM上执行。 AVR使用“哈佛架构”,其中程序存储器和工作RAM是分开的。在Bogen和Wollan设计的原型中,程序以ROM的形式存储,一旦写入就无法重新编程。但是,他们在Atmel公司的AVR设计中找到了一个解决方案。易于编程(且可重新编程)的闪存被添加到处理器核心,第一个商用AVR芯片AT90S8515于1996年发布。

但是,ATmega8和它的姐妹芯片ATmega328P才是Bogen和Wollan梦想中的芯片,它们易于使用,高性能,并且拥有很好的开发工具,达到了最好的表现。

Computer Cowboys Sh-Boom 处理器(1988)

Sh-Boom Processor

你可能从没有听说过这款芯片,但这一处理器的高速架构在每一台现代计算机中反复出现。

  • 制造商: Computer Cowboys
  • 类别: Processors
  • 年代: 1988

两名芯片设计师走近一家酒吧。他们是Russell H. Fish III 和 Chuck H. Moore(Forth语言的发明者),然后这家酒吧叫Sh-Boom。这是真事,不是一个玩笑的开头。实际上,这个技术传奇充满了不和和诉讼。

这一切始于1988年,当时,Fish和Moore创造了一个名叫Sh-Boom的怪异处理器。这个芯片非常精简,比驱动计算机其余部分的时钟运行得更快。于是两位设计师找到了一种让处理器运行自己的超快内部时钟,同时保持与计算机其余部分同步的方法。Sh-Boom从来没有获得商业上的成功,在取得专利后,Moore和Fish就散了。

英特尔8088微处理器(1979)

Intel 8088 Microprocessor

催生了IBM PC的芯片

  • 制造商:英特尔(Intel)
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1979

有没有哪个芯片是推动英特尔进入“财富”500强的?英特尔表示有:8088。这是IBM为它的原始PC系列选择的16位CPU,后来主导了台式机市场。

有点儿奇怪的是,这个被称为x86架构的芯片的名字上没有“86”两字。8088实际上是在8086的基础上稍作修改的微处理器,8086是英特尔的第一个16位CPU。正如英特尔工程师、8086设计师 Stephen Morse 曾经说过的那样,8088是“8086的简化版本”。这是因为8088的主要创新从技术上来说并不算一个进步:8088拥有16比特的内部寄存器和8比特的外部数据总线。

直到8086的设计完成,英特尔一直对8088项目保密。8086项目的首席工程师Peter Stoll说:“管理层不希望8086延迟哪怕一天,甚至告诉我们他们已经有8088变体的想法了。”

在第一个实用的8086出来之后,英特尔才将8086的图稿和文档发送到以色列海法的设计部门,两名工程师Rafi Retter和Dany Star将芯片改为8位总线。

这一修改被证明是英特尔最睿智的决定之一。29000晶体管的8088 CPU比8086要求更少,更便宜的支持芯片,并且“与8位硬件完全兼容,同时还为过渡到16位处理器提供更快的处理和平滑”,英特尔的Robert Noyce和Ted Hoff在IEEE微型杂志的一篇文章中写道。

使用8088的第一台PC是IBM的5150型,这是一台价格3000美元的单色机。现在全世界几乎所有PC都的CPU都可以说其祖先是8088。

Microchip Technology PIC 16C84微控制器(1993)

Microchip Technology PIC 16C84 Microcontroller

在主办上增加了能存储软件的可编程内存,革新了未处理器未来

  • 制造商:Microchip Technology
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1993

20世纪90年代初,8位微控制器还是摩托罗拉的天下。随后,出现了 Microchip Technology,一个并不起眼的竞争者。 Microchip 开发了 PIC 16C84,它采用了8位微控制器,并添加了一种称为EEPROM的存储器,用于电可擦除可编程只读存储器。 EEPROM不需要紫外光擦除,其前任 EPROM也是如此。这种只读存储器通常用于存储程序代码或少量数据。

该芯片的首席设计师,现在是Microchip的总监Rod Drake说,消除对UV灯的需求意味着“用户可以即时更改代码”。更好的是,整个芯片的成本低于5美元,或当时其他产品的成本的四分之一。

16C84用于智能卡、遥控器和无线车钥匙。这是一系列微控制器的开始,Microchip也成为财富500强公司和粉丝口耳相传的电子巨星。 16C84已经退休,PIC系列仍在生产中,销量已达数十亿,用于工业控制器,无人驾驶飞行器,数字妊娠测试,芯片控制烟花,LED珠宝和称为Turd警报的化粪池监视器 。

Microchip专利的草案显示了PIC控制器与其他计算机的不同之处。 在大多数计算机中,例如您的PC,程序和工作数据都存储在同一个内存中——一种被称为“冯·诺依曼架构”的布局。但PIC控制器将程序和工作数据存储器分开保存——这种安排被称为“哈佛架构”。这样可以将程序存储在便宜的只读存储器中。

MOS Technology 6502微处理器(1975)

MOS Technology 6502 Microprocessor

来自英雄时代的8位CPU,这款处理器驱动着 Apple II,Commodore 64,BBC Micro等。

  • 制造商:MOS Technology
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1975

当一个胖脸极客将一个特别的芯片加到一个特别的计算机电路板并启动它时,时代改变了。这个极客是 Steve Wozniak,计算机是苹果,芯片是由MOS Technology开发的8位微处理器6502。该芯片及其变体成为像 Apple II,Commodore PET,Commodore 64 和 BBC Micro 这样的可怕计算机的主要大脑,更不用说像任天堂娱乐系统和 Atari 2600 这样的游戏系统(也称为Atari VCS)。 6502不仅仅比竞争对手速度更快,而且还比较便宜,售价为25美元,而英特尔的8080和摩托罗拉的6800都接近200美元。

用 Peddle 创造6502的Bill Mensch说,取得成本下降的突破在于一个最小化的指令集,加上制作流程“比竞争对手高10倍”,6502几乎单枪匹马带动了处理器的价格下降,这推动了个人计算机鹅革命。该芯片的修订版本仍在生产中,一些制造商仍然在使用它——在商业嵌入式系统以及许多爱好者当中。

由于价格低廉,8位6502 在 1975年发布的时候,对市场造成了巨大震动。 照片:Dirk Oppelt

摩托罗拉MC68000微处理器(1979)

Motorola MC68000 Microprocessor

该处理器驱动了最早的苹果 Macintosh,以及可爱的Amiga 计算机。

  • 制造商:Motorola
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1979

16位的微处理器的派对上,摩托罗拉姗姗来迟,所以它决定高调亮相。混合16位/ 32位的MC68000封装在68,000个晶体管中,是英特尔8086的两倍以上。它内部是一个32位处理器,但32位地址和/或数据总线本可能使其成本大涨,所以68000使用了24位地址和16位数据线。

68000似乎是使用铅笔和纸张设计的最后一个主要处理器。设计了68000逻辑的Nick Tredennick说:“我将缩减的流程图副本、执行单元的资料、解码器和控制逻辑分发给了其他项目成员。”

这些副本很小,难以阅读,他的同事们最终找到了一种方式显示清楚。“有一天我来到我的办公室,发现我桌子上放着信用卡大小的流程图副本。”Tredennick回忆说。

68000 用于所有早期的Macintosh电脑,以及Amiga和Atari ST。大量销量也来自激光打印机、街机游戏和工业控制器的嵌入式应用。但是,68000也经历了历史上最大的错失良机,就如同当时 Pete最终失去了他作为甲壳虫乐队鼓手的地位。

IBM本想在其PC系列中使用68000,但后来还是用了英特尔的8088,因为当时68000还比较少。正如一位观察家后来所说,如果当时用了摩托罗拉的68000,Windows-Intel形成的 Wintel 可能就会是Winola 了。

金盖下面是一个32位处理器,但是连接它和外部世界的封装内,只有16位数据引脚。 照片:Arnold Reinhold

Sun Microsystems SPARC处理器(1987)

Sun Microsystems SPARC处理器

使用未经证实的新架构,该处理器宣告了 Sun Microsystems的登场

  • 制造商:Sun Microsystems
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1987

很久以前(20世纪80年代初),微处理器架构师们试图增加CPU指令的复杂性,作为在每个计算周期中完成更多任务的一种方式。 但是,加州大学伯克利分校的一个小组做出了相反的呼吁:简化指令集。由 David Patterson 率领的伯克利团队称之为降低指令集计算的 RISC 方法。

作为一项学术研究,RISC 听起来很棒。 但是它是否可销售? Sun Microsystems(现在是 Oracle 的一部分)赌了一把。 1984年,一小队 Sun 工程师开始研发一款称为SPARC(可扩展处理器架构)的32位RISC处理器,想在Sun的新系列工作站中使用该芯片。 有一天,Sun的首席执行官Scott McNealy出现在SPARC开发实验室。 SPARC项目顾问Patterson回忆说,“McNealy表示,SPARC将把Sun从一家每年5亿美元的公司变为每年10亿美元的公司。”

如果没有足够的压力,Sun 以外的许多人怀疑公司可能会下马这一项目。 更糟糕的是,Sun的营销团队面临一个可怕的实现:SPARC 反着拼是... CRAPS! 团队成员不得不发誓,他们不会向任何人说出这个词,甚至在 Sun里面,免得这个秘密让对手 MIPS Technologies 知道,他们也探索RISC的概念。

首席SPARC架构师——现任IBM研究员——Robert Garner说:“极简主义SPARC的第一个版本包括一个”20,000门阵列处理器,甚至没有整数乘法/除法“指令。 然而,每秒1000万条指令,它的运行速度是当时复杂指令集计算机(CISC)处理器的三倍。

Sun将在未来几年使用SPARC为工作站和服务器提供支持。 1987年推出的第一个基于SPARC的产品是Sun-4系列工作站,它迅速占据市场份额,并推动了公司收入超过十亿美元的标准 - 正如McNealy所预言的那样。

1988年的SPARC团队,首个基于SPARC的产品推出后,Sun Microsystems成为一个硅谷的大玩家之一。 照片:Robert B. Garner

德州仪器TMS32010数字信号处理器(1983)

德州仪器TMS32010数字信号处理器

该芯片宣告了数字信号处理器的登场

  • 制造商:德州仪器
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1983

德克萨斯州给了我们许多伟大的东西,包括10加仑的帽子,炸鸡排,胡椒博士,还有比较低调的TMS32010数字信号处理器(DSP)芯片。复杂的模拟信号在被转换为原始数字流后通常用 DSP 处理。通用CPU 搞不定这样的流,但DSP可以使用专门的算法和硬件将流处理成整个系统可以处理的东西。

由德州仪器公司创建,TMS32010并不是第一个DSP(第一个是AT&T / Western Electric的DSP1,1980年推出的),但肯定是最快的。它可以在200纳秒内进行乘法运算。 此外,它可以执行片上ROM和片外RAM的指令。

DSP设计团队和IEEE研究员的成员Wanda Gass说:“这使TMS32010的程序开发灵活,就像微控制器和微处理器一样。每片500美元,第一年芯片售出约1000台。销售额最终取得了增长。DSP成为调制解调器、医疗设备和军事系统的一部分。

哦,另一个应用是——世界的奇迹Julie 娃娃,一种可以唱歌和谈话的令人毛骨悚然的娃娃。该芯片是大型DSP系列中的第一个,并且仍然在为德州仪器赚钱。

1987年, Julie娃娃。Photo: Janet M. Baker

德州仪器TMS9900(1976)

德州仪器TMS9900

一个雄心勃勃的失败,这款处理器驱动了第一台16位家用计算机。

  • 制造商:德州仪器
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1976

很少有一个芯片接近真正的伟大,多是功败垂成。德州仪器公司的TMS 9900有很多的应用。20世纪70年代初,TI 已经意识到,由英特尔4004在1971年开端的微处理器新兴市场 - 将迎来对远强于 8 位处理器的芯片的需求。 该公司最终掌握了金属氧化物半导体技术,这取代了早期的双极技术,用于制造集成电路晶体管。 TI本就具有雄厚的研发资源和营销力量。

但是,由此产生的16位处理器将会失去作为IBM个人计算机处理器的大好机会。“在1976年出现TMS 9900时,有几个问题,”TI分部经理Walden C. Rhines解释了该芯片的不走运,“其中最大的两个问题:“9900架构与TI小型机系列相同,只有16位的地址空间,与当时的8位微处理器相同;另一个是战略问题,电子设备行业的竞争对手不愿意认可已经拥有大型计算机和消费产品业务的公司架构。”

TMS900成为TI-99/4和TI-99 / 4A 微型计算机的核心,在家用计算机中拥有第一个16位CPU。 CPU的速度也加快了,时钟速度 3MHz,比像Commodore 64这样的竞争对手的1到2 MHz的时钟速度快得多。与Commodore的价格战导致TI-99 / 4A获得了显著的市场份额, 但这是以牺牲利润为代价的。 它本可存活下来,如果不是TMS9900的系统设计问题萦绕不去,且 TI对第三方软件开发人员的态度能客气一点的话。

后来又出现了一些后续芯片,如TMS995——它被认为是嵌入式控制器,但这一系列从没能从最初的失败中恢复过来:当进入PC市场时,TI最终使用的是英特尔的处理器。

TMS9900 处理器具有远见卓识的目的,但是其复制小型计算机体系结构的尝试是失败的。 照片:Konstantin Lanzet

Transmeta Corp. Crusoe处理器(2000)

Transmeta Corp. Crusoe处理器

这个芯片预示了移动时代的到来,能耗,而非处理能力,成为了最重要的规格参数。

  • 制造商:Transmeta Corp.
  • 类别: 处理器
  • 年代: 2000

功率越大,散热器越大,电池寿命越短,耗电越疯狂。因此,Transmeta的目标是设计一款羞辱英特尔和AMD的低功耗处理器。该计划是:软件可以将x86指令转换成Crusoe自己的机器代码,其更高的并行度将节省时间和力量。它被称为切片硅片以来最伟大的事情。

Transmeta 的共同创始人,现在Esperanto Technologies 的 David Ditzel表示,Crusoe及其继任者Efficeon证明了动态二进制翻译在商业上是可行的。不幸的是,他补充说,这些芯片在低功耗计算机市场起飞几年前就起飞了,最终只出现在了几个产品中。最后,虽然Transmeta没有实现其商业承诺,但它确实指向了处理器的功耗与其处理性能一样重要的世界,而一些Transmeta的技术也已经进入到英特尔、AMD和Nvidia芯片中。

Zilog Z80 微处理器(1976)

Zilog Z80 Microprocessor

来自8位时代的另一个传奇,这款处理器驱动了第一台便携式计算机以及受欢迎的“Trash-80”

  • 制造商:Zilog
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1976

Federico Faggin 知道销售微处理器需要多少和人手。 而在英特尔,他曾为 4004和8080 这两个开创性设计作出了贡献。 所以当Faggin与前英特尔同事Ralph Ungermann建立Zilog时,他们决定从一个更简单的方面开始:一个单片微控制器。

但是工程师很快意识到,微控制器市场已经有很多很好的芯片了。 即使他们比别人更好,他们也只不过能够追求薄利多销。 Zilog必须瞄准更高的食物链,于是Z80微处理器项目诞生了。

目标是超过8080,同时提供与8080软件的完全兼容性,吸引客户远离英特尔。 几个月之前, Faggin、Ungermann和另外一名前英特尔工程师Masatoshi Shima在80多个星期的时间里守在桌子边,画着Z80的电路。 Faggin很快就知道,当涉及到微芯片时,越小越美丽,就是对眼睛不太好。

他说:“最后我得戴眼镜,我变得近视了。”

该团队的研发从1975年延续到1976年。那年3月,他们终于有了一个原型芯片,Z80 是MOS Technology’s 6502的当代翻版,它不仅设计优雅,而且还便宜(约25美元)。

Z80最终进入了成千上万的产品,包括Osborne I(第一个便携式或“可移动”)计算机,KayPro II,Radio Shack TRS-80和MSX家用电脑,以及打印机,传真机, 复印机,调制解调器和卫星。 Zilog仍然在某些嵌入式系统中使用着 Z80。

早期的陶瓷封装中的Z80芯片。 批量生产版使用塑料包装。图文:CPU-World

Intel 4004微处理器(1971)

Intel 4004

世界上第一款SoC

  • 制造商:Intel
  • 类别: 处理器
  • 年代: 1971

英特尔4004是世界上第一个微处理器——一个完全通用的单片CPU。4004于1971年3月发布,采用了最先进的硅栅技术,标志着英特尔在处理器行业崛起并成为全球霸主。

当时英特尔还是一家羽翼未丰的公司,它的全部资源都投入到了这个开创性的项目中。但事实上,4004只是一个人手不足的辅助项目,一项几近崩溃的紧急任务,它只是为了在英特尔开发其真正的产品线(内存芯片)时筹集一些现金。

正如Ken Shirrif在2016年7月IEEE Spectrum的一篇文章中所描述的那样,20世纪60年代晶体管数量的增加和集成电路的复杂性意味着多个组织都在向微处理器进军。

其中一些公司,例如Texas Instruments,拥有比英特尔更多的资源。那么,为什么成立仅几年的英特尔在1968年率先冲过终点线呢?这在很大程度上要归功于四位工程师,其中一位甚至没有为公司工作。

第一位是Masatoshi Shima,他在日本办公计算器公司Busicom工作,该公司想要开发一种新的计算机计算器。

1969年4月,Busicom和Intel签署了一份临时协议,让英特尔为计算器开发一套定制的芯片。因此,1969年6月,Shima和其他一些人前往英特尔,对计划进行了更详细的讨论。

Shima提出了一个八芯片系统:三个芯片与外围设备(如键盘和打印机)连接,一个芯片存储数据,一个芯片存储程序代码,以及两个芯片一起构成CPU。

计算机历史博物馆2009年奖上的学者Masatoshi Shima;Busicom计算器是世界上第一个微处理器的目标应用。

第二位工程师是Ted Hoff,他是英特尔应用部门的主管,当时正在和Busicom谈判。

Hoff担心英特尔将难以生产这么多芯片,尤其是因为该系统需要每个芯片上有很多pin才能相互连接,这将会突破英特尔使用的陶瓷封装技术的极限。

他提议将芯片数量减半:一个256字节的程序存储芯片,称为4001;一个40字节的数据存储芯片,称为4002;一个外围接口芯片,称为4003;被称为mcs -4的整个系统将是4位的,大大减少了芯片互连所需的pin数量。Hoff请来了第三位工程师,英特尔的Stanley Mazor。Hoff和Mazor一起为每个芯片制定了一套规格和一个拟议的生产计划。

在1969年10月的一次后续会议上,英特尔提出了反对意见。Busicom对此很感兴趣,Shima回到日本为新的计算器设计了原型软件,以确保MCS-4架构能够支持Busicom的需求。双方于1970年2月达成协议,Busicom计划在Hoff和Mazor的时间表基础上推出计算器。他们决定让Shima在1970年4月回到加利福尼亚检查进展情况。从1970年7月到10月,这些芯片以错开的时间表投入生产,从4001开始,到4004结束。

然而,Shima和Busicom不知道的是,4004项目在1970年初在英特尔内部停止了。

问题是Hoff和Mazor并不是芯片设计者——他们可以采用规格并创建详细的逻辑门图。这些图表反过来又被用来精确地计算晶体管和其他元件在物理芯片上的模式和位置。

事实上,当时英特尔公司没有人能胜任这项工作,因为当时该公司正专注于开发内存芯片。

最后,第四位工程师登场——Frederico Faggin,这位年轻的工程师特别适合这份工作。

在他职业生涯的初期,Faggin曾为意大利的奥利维蒂(Olivetti)从头开始设计和制造一台电脑。然后在20世纪60年代末,他加入了硅谷的Fairchild Semiconductor,在那里,他为英特尔芯片依赖的先进金属氧化物半导体(MOS)技术做出了关键贡献。Faggin希望在一个比Fairchild更具创业精神的环境中工作,因此在1970年4月接受了英特尔的邀请。

在Faggin上任的第一天,Mazor向他简单介绍了Busicom的项目。 正如Faggin在2009年冬季期刊“IEEE固态电路”杂志上发表的关于4004开发的个人报道中所写,当他看到时间表时:“我快惊呆了!不到六个月要设计4个芯片?!”

从左至右,Federico Faggin, Ted Hoff和Stanley Mazor在1996年的国家发明家名人堂上手持英特尔4004处理器。

最初的进度表是基于适用于设计内存芯片(使用许多重复元素)的估计值,而不是使用复杂多样逻辑电路的处理器芯片。此外,Faggin没有支持人员,也没有其他公司用来帮助创建和测试数字逻辑设计的工具和基础设施。

在Faggin开始几天后,Shima登陆美国进行进度检查。

Mazor和Faggin从机场接他并将他带回英特尔。 “当Shima发现在五个月内没有任何进展时非常生气”,Faggin写道。

意法半导体 STA2056 GPS 接收器(2004)

STA2056 GPS Receiver

廉价又小巧,这个 GPS 接收器助推了移动设备中的集成导航技术

  • 制造商:STMicroelectronics
  • 类别: 处理器
  • 年代: 2004

在芯片制造领域,一个小高潮是单芯片杀死双芯片单芯片的运动。早在2004年,意法半导体在GPS接收器里这么做了。之前,是一个芯片容纳GPS无线电前端,拾取从轨道GPS卫星发送的导航信号,另一个芯片包含一个微处理器、一些存储器和一个信号器,GPS通过比较来自多个卫星的信号来确定每个接收机的位置。

随着STA2056 的出现,这两个芯片整合在了一起。虽然手持式GPS系统已经上市,但STA2056设定了尺寸和功耗的新标准,而8美元的价格推动了GPS设备的成本下降,并为他们开辟了一个大众市场。

菲亚特在几个阿尔法罗密欧车型中使用了该芯片,而GPS供应商Becker将其放在了手机中。这也推动GPS的概念成为了可以集成到设备中的东西,而不仅仅是用作独立的产品或模块。今天几乎每一个手机,还有不少手表,都有一个GPS芯片,通常与其他技术(如Wi-Fi信标映射)一起使用,即使在卫星不在视野中也能够导航。而且,当然,将两个芯片合二为一的招数仍然是各地芯片制造商的最爱。

NVIDIA NV 20(2004)

NVIDIA NV 20

第一款可配置的图形处理器,为机器学习革命打开了大门

  • 制造商:NVIDIA
  • 类别: 处理器
  • 年代:2001

现在,许多研究人员选择性能强大的GPU来运行气候模型、从事其他科学项目,许多科技和金融巨头则使用大量GPU来训练机器学习算法。这些芯片可以进行大量的并行数字运算,对于游戏发烧友来说,GPU能够快速生成丰富的图形,快速跟上游戏中快节奏的目标运动。

当然,游戏玩家不是推动图形技术发展的唯一因素。1995年,皮克斯公司推出《玩具总动员》动画电影,这是第一部完整的数字动画电影,展示了高质量电脑动画的无穷潜力。但游戏玩家的需求,将图形加速技术推向了一个非常具体的方向。

自20世纪70年代主流视频游戏问世以来,人们对更快、更优质的图形处理技术的需求一直在增加。到了20世纪90年代末,面向游戏市场的图形芯片性能有了很大的提升。2001年以GeForce 3系列发布的Nvidia NV20是一个关键转折点,并在不经意间开辟了科学计算和人工智能的新视野。

在1998年,当Nvidia团队开始研究NV20时,为视频游戏动态生成丰富的图像仍然是一项巨大的挑战。 “我一直对能够实时创建超逼真图像的想法着迷,”NV20系统架构师Steven Molnar说。当时的图形处理器无法实时生成复杂的纹理,逼真的反射表面和阴影。由于采用了新架构,NV20可以为游戏开发商提供所有这些功能。

NV20的首席架构师John Montrym说,当时GPU的市场竞争非常激烈。制造商必须在提供游戏设计师可能最终未使用的新功能(可能代价昂贵)与现有功能之间取得谨慎的平衡,并确保新的芯片仍能有效地运行现有的图形程序。Nvidia决定用NV20系列冒一次险,制定一项雄心勃勃且难以制造的设计方案,该方案需要对公司现有的图形芯片的架构进行重大变革。

Montrym和Molnar努力简化芯片的操作。他们改变了内存的分区方式,将128位数据块分成4个32位块,使得从内存中获取数据的过程更加高效。他们还搭建了一种名为z-cull的系统,该系统可以预测3D场景中的哪些像素会被其他对象遮挡,然后将不需要的像素数据从存储器中放出,以节约处理能力。所有这些改进的目的都是为了更快地生成更丰富的图形,但这样的芯片制造难度很大。

为了将这些新功能加入到NV20当中,硬件工程师John Robinson不得不采用当时最新的半导体技术,150纳米制程。Robinson今天回想起当时的选择,叹了口气。他说:“当时150纳米芯片很难生产。但经过反复多次试验,纠正了无数错误之后,他最终获得了成功。

另一个重大风险是让开发人员承受NV20的缺憾和修补。 “当时有一种感觉,如果你想要得到真正逼真的图像,需要向开发人员展示可编程性,”Molnar说。 NV20不是完全可编程的,但Nvidia首次推出了一些可供游戏开发者配置的板载功能。借助NV20,开发人员可以调整GPU的像素和顶点着色器。

像素着色器是使计算机图形看起来逼真的关键部分。一件物体可能具有精致逼真的3D形状,但如果看上去不是由特定材料制成,并且以特定的方式反光,那么看起来仍然会很假。顶点着色器有助于将3D对象变得更加真实。比如,Molnar解释说,开发人员可以编写一个功能,改变目标表面的高度,来模拟水上的波浪,还可以用动画图形逼真地显示出关节的运动。

NV20系列允许游戏开发人员根据他们的需求调整着色器配置,甚至可以从头开始自己编写顶点着色器的某些功能,而不用被GPU设计师的选择所束缚,他们可以在不牺牲运算速度的情况下,创建更逼真的游戏环境。

这个决定打开了将GPU用于图形以外的其他领域的大门。随后的GPU提供了越来越灵活的可编程功能,开发人员开始为了自己的目的来配置。这最终导致GPU用于科学计算,后来又被用于训练机器学习算法,因为游戏设计者按照自己的偏好,来处理屏幕上并行的海量像素,其实就是大规模并行数学计算问题,比如调整神经网络的权重,也属于这类问题。 Montrym说,NV20系列是在这条道路上迈出的第一步。

最初的XBox使用了NV20的一个版本,将微软推向了游戏也的最前沿。

这些风险在短期内就得到了回报。微软选择了该芯片的自定义版本作为其首款Xbox游戏机的图形处理器,Xbox成为全球大卖的热门游戏主机。具有讽刺意味的是,NV20的主要工程师都没有玩视频游戏的习惯,他们对后来的科学计算和人工智能更感兴趣。

“我没有时间玩电子游戏,因为太忙了!“蒙特里姆说。 “计算机游戏的火热,支持了我们继续发展,现在,如果你看看谁使用我们的芯片,其实更多的是GPU通用计算中,更多人在这个领域获得了巨大的价值。”

参考链接:

https://spectrum.ieee.org/static/chip-hall-of-fame

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2018-12-23

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