Intel 4004: Die 740-kHz-CPU, die nicht Intel gehörte
Hier wird das Techie-Herz erwärmt: Diese Serie ist für alle von euch, die sich jeden Tag eine kleine Auszeit von der Weltlage wünschen. Es gibt täglich eine Geschichte für euch aus unserem Archiv - auf jeden Fall geeignet für ein wenig fröhlichen Eskapismus. Viel Spaß!
Die Geschichte von Intel begann lange vor der Firmengründung mit der Legende eines Verrats. Im Labor des Nobelpreisträgers William Shockley(öffnet im neuen Fenster) braute sich 1957 etwas zusammen. Shockley, Miterfinder des Halbleiters und Mitentdecker des Transistoreffektes, war zwar ein brillanter Wissenschaftler, aber kein guter Chef - und außerdem paranoid. Das ging so weit, dass er alle Telefongespräche aufzeichnen ließ. Überall sah er Feinde, selbst unter seinen Kollegen. Eines Tages eröffnete er seinen erstaunten Angestellten gar, dass sie sich allesamt einem Lügendetektortest unterziehen sollten.
Shockley hatte eine Firma gegründet, um aus seinen Forschungsergebnissen ein verkaufsfähiges Produkt zu machen. Dazu versammelte er einige der talentiertesten jungen Männer aus den US-Universitäten um sich. Diese waren von der Technologie überzeugt - aber nicht von der konkreten Umsetzung und erst recht nicht von Shockleys Führungsstil. Also begannen einige von ihnen, in höchster Geheimhaltung, an seinem Stuhl zu sägen. Und zwar, indem sie dem Hauptinvestor(öffnet im neuen Fenster) des Shockley Semiconductor Laboratory, Shockleys Firma, ein Ultimatum setzten: Entweder der tyrannische Laborleiter würde auf einen Doktorposten abgeschoben und durch einen fähigen Manager ersetzt oder sie würden das Unternehmen verlassen.
Der Geldgeber zögerte jedoch, folglich kündigten Shockleys wichtigste Mitarbeiter. Die Namen dieser sogenannten verräterischen Acht(öffnet im neuen Fenster) sind Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce und Sheldon Roberts. Jeder von ihnen sollte die Zukunft der jungen Halbleiterindustrie entscheidend prägen.
Zwei der vergraulten Acht gründeten 1968 Intel
Zwei von ihnen, Robert Noyce und Gordon Moore, gründeten 1968 gemeinsam mit dem Chemiker Andy Grove eine Firma, die später weltbekannt werden sollte: Intel. Den Firmennamen, der aus Integrated und Electronics hergeleitet ist, mussten die drei Jungunternehmer erst einmal der Hotelkette Intelco abkaufen. Er klang jedoch besser als die ursprüngliche Idee: NM Electronics, kurz für Noyce und Moore. Das Geld für den Coup sowie Geräte und einen Grundstamm an Angestellten hatten die Gründer in Rekordzeit beisammen - sie hatten sich nach ihrer Zeit im Shockley-Labor einen Namen(öffnet im neuen Fenster) in der aufstrebenden Industrie gemacht.
In nur 48 Stunden telefonierte ihr erster Investor zweieinhalb Millionen US-Dollar Anschubfinanzierung herbei. Das Startup konzentrierte sich zunächst auf den vielversprechenden Markt für Speicher. Es war abzusehen, dass integrierte Schaltkreise aus Halbleiterelementen den langsamen und extrem teuren Kernspeicher(öffnet im neuen Fenster) ablösen würden.
Kernspeicher bestanden aus unzähligen kleinen Ferrit-Ringen(öffnet im neuen Fenster) , die per Hand zu einem Gitter verdrahtet wurden. Mehr Speicher bedeutete mehr Gitter, benötigte mehr Platz und hatte vor allem eine höhere Fehleranfälligkeit des filigranen Konstruktes zur Folge. Intels erster Speicherchip 3101(öffnet im neuen Fenster) fasste 64 Byte, war winzig und nach nur einem Jahr Entwicklungszeit zwar ein Erfolg, aber kein Durchbruch für die Firma.
Der kam kurze Zeit später mit dem Modell 1101(öffnet im neuen Fenster) .
Speicherchips als Geschäftsgrundlage
Intels Plan war von Anfang an, bereits im ersten Jahr nach der Firmengründung ein Produkt zur Marktreife zu bringen. Das Problem: Es war alles andere als sicher, welche Technologie sich bei halbleiterbasierten Speichern durchsetzen würde. Intel verfolgte daher mehrere unterschiedliche, vielversprechende Ansätze gleichzeitig. Als zwei von ihnen binnen kurzer Zeit produktionsfertig waren, hatte das junge Unternehmen plötzlich nicht nur zwei Produkte, sondern auch einen bemerkenswerten technologischen Vorsprung.
Intels zweiter Speicherchip 1101 war der erste massenhaft mit Silizium-Gate-Technik(öffnet im neuen Fenster) produzierte Halbleiterbaustein überhaupt. Die theoretischen Grundlagen für sein Funktionsprinzip hatten Forscher schon einige Jahre zuvor beschrieben, aber die Ausbeute an funktionierenden Chips pro Silizium-Wafer war zu gering. Erst das bei Intel ab 1968 entwickelte Fertigungsverfahren machte eine Massenproduktion möglich - und damit Computer, wie wir sie heute kennen.
Intel dominierte also Anfang der 1970er Jahre den Markt für Speicherchips. Doch mit der entwickelten Technologie ließ sich noch viel mehr machen.
Eine Anzeige(öffnet im neuen Fenster) von 1971 kündigte eine neue Ära der integrierten Elektronik an. Auf der Illustration sind vier große Schaltschränke zu sehen, die - wie damals üblich - den Computer repräsentieren. Ein genauerer Blick offenbart, dass die Schränke in Wirklichkeit Computerchips sind. Intel hatte den ersten universell einsetzbaren Mikroprozessor im Portfolio, den 4004.
Dabei gehörte der mit 740 kHz getaktete Chip ursprünglich nicht einmal dem Unternehmen.
Seine Entwicklung begann im Rahmen eines Vertrages mit einem japanischen Hersteller von Tischrechnern, Busicom(öffnet im neuen Fenster) . Die Firma hatte sich an Intel gewandt, um seine zukünftigen Maschinen mit Logikschaltkreisen auf Halbleiterbasis auszustatten. Die Japaner zogen also bei Intel ein und entwarfen in den Büros mit Hilfe einiger Ingenieure das Design für die zukünftige Rechenmaschine.
Der Start war mehr als holprig. Zum Entsetzen der Intel-Ingenieure planten die Japaner ein 12-Chip-Monster mit einer Menge komplizierter Funktionen und jeweils drei- bis fünftausend Transistoren. Andererseits sollte Intel vorrangig für die Produktion der Chips bezahlt werden. Das sah nach einem guten Geschäft aus.
Das vorgeschlagene Design hätte den Preis des Rechners jedoch auf 300 Dollar anschwellen lassen. Beiden Firmen war klar, dass das den Untergang von Busicom bedeuten würde. Zu dieser Zeit waren Transistorrechner auf immer mehr Schreibtischen zu finden und die Preise kannten nur eine Richtung: nach unten.
In einem verzweifelten Versuch, das Projekt zu retten, schlug ein Intel-Mitarbeiter dem Firmengründer Robert Noyce unter Umgehung der offiziellen Meldekette vor, ein eigenes Design zu entwerfen. Noyce nickte das Projekt ab, obwohl Intel zu diesem Zeitpunkt mit der Zuverlässigkeit der Speicherchip-Herstellung noch gewaltige Probleme hatte und die Arbeitskräfte dort dringender benötigte.
Keine Zeit fürs Scheitern
Busicom entschied sich für die Intel-Version. Diese sah lediglich 4 Chips mit jeweils 1.900 Transistoren vor, hatte jedoch zwei bedeutende Nachteile: Die Chips existierten zu diesem Zeitpunkt noch nicht einmal auf dem Papier und sie brauchten eine eigene Programmierung.
Das Projekt zog sich mittlerweile weit über die geplante Entwicklungszeit und wurde einem 29-jährigen Ingenieur namens Federico Faggin(öffnet im neuen Fenster) übergeben. Dieser war gerade erst vor zwei Jahren aus Italien in die USA eingewandert. Er hatte mit der Erfindung des Fertigungsprozesses für Silizium-Gate-Transistoren die Grundlage für die neuen Chips geschaffen und wollte die Technologie endlich an komplexen Designs einsetzen.
Zunächst musste er aber die aufgebrachte japanische Seite beruhigen. Der Busicom-Ingenieur Masatoshi Shima kam irgendwann nach Santa Clara zurück und hielt Faggin in gebrochenem Englisch vor: "I came here to check. There is nothing to check. This is just idea!"
In zahllosen Nachtschichten entwickelte Faggin nicht nur die Idee zu einem Produkt, sondern erfand fast nebenbei auch noch ein Verfahren(öffnet im neuen Fenster) , um die verwendeten Logikgatter überhaupt elektrisch zu aktivieren.
Am Ende des Sommers 1970 hatten Faggin und Shima ein funktionierendes Design. Es bestand aus dem 4001 (ROM), 4002 (RAM), 4003 (I/O) und dem zentralen 4-bit-Prozessor 4004.
Im Oktober begann die Fertigung bei Intel. Die beiden Ingenieure hatten so gut gearbeitet, dass die Prototypen der ersten drei Chips auf Anhieb liefen. Als dann der 4004 kurz vor Neujahr eintraf, erlebte Faggin eine böse Überraschung. Nicht eine der winzigen Siliziumscheibchen zeigte auch nur den geringsten Funken elektrisches Leben.
Bevor er sich damit abfand, die Feiertage und die ersten Wochen des Jahres 1971 mit der Fehleranalyse zu verbringen, beschloss Faggin, sich die Chips noch einmal näher anzusehen - unter dem Mikroskop. Zu seinem Erstaunen fehlte eine komplette Schicht Schaltkreise, offenbar ein Fertigungsfehler. Es dauerte dann zwar trotzdem noch drei Wochen, bis er neue Prototypen in der Hand hielt, aber zumindest war er sich sicher, dass weder er noch Shima einen größeren Fehler begangen hatten.
Im Februar konnte die Produktion der 4004-Serie endlich beginnen.
Die Grundlage der Mikrocomputerrevolution
Inzwischen waren seit dem Projektstart zwei Jahre vergangen. Busicom hatte nun zwar einen einzigartigen Mikroprozessor, aber kein Geschäftsmodell mehr. Der Markt für hochpreisige Tischrechner war eingebrochen.
Auf Anregung seiner Ingenieure, die die Entwicklungsmöglichkeiten des 4004 erkannt hatten, kaufte Intel-Chef Robert Noyce die Rechte an der CPU für 60.000 US-Dollar zurück. Busicom konnte das Design zwar noch für seine Tischrechner nutzen, aber das half nichts mehr: 1973 ging das Unternehmen in Konkurs. Die Japaner hatten das Potenzial des Chips nicht gesehen.
Aber auch Intel tat sich zunächst schwer damit, den ersten Mikroprozessor als das zu verkaufen, was er später werden würde: die Basis für die digitale Transformation der gesamten Welt und die Grundlage eines Milliardengeschäfts. Wenn der 4004 nicht mehr für Tischrechner in Frage kam, was sollte er dann antreiben?
Die offensichtliche Antwort war: Computer. Aber selbst unter günstigen Umständen würde Intel wohl höchstens 10 Prozent der verkauften Rechner mit seinen Chips ausstatten, die anderen setzten weiter auf ihre bewährten Architekturen. Bei einem Marktvolumen von 20.000 Minicomputern jährlich wären das lächerliche 2.000 CPUs.
Das Problem war, das sich niemand in der Industrie vorstellen konnte, dass eine Handvoll Silizium die Aufgaben eines ganzen Computers übernehmen könnte - eines raumfüllenden, klimatisierten, schrankförmigen Computers. Für 400 Dollar verkaufte Intel die Zukunft, aber bislang hatte das noch niemand verstanden.
Es sollte noch zwei weitere Jahre dauern, bis mit dem 8080(öffnet im neuen Fenster) der Durchbruch gelang - einem Chip, der so erfolgreich war, dass er 16 Jahre lang in Produktion blieb.
Neben Technologieriesen wie Motorola und Texas Instruments waren zu diesem Zeitpunkt längst auch neue Startup-Firmen in das Chip-Geschäft eingestiegen. Eine von ihnen war Zilog(öffnet im neuen Fenster) , deren Gründer und talentierteste Ingenieure Masatoshi Shima und Federico Faggin waren. Die beiden hatten Intel verlassen und mit neun weiteren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine zum Intel 8080 kompatible CPU entwickelt.
Der Zilog Z80(öffnet im neuen Fenster) war schneller, billiger und konnte auf einen erweiterten Befehlssatz zurückgreifen. Schon bald konkurrierte er mit Intels Chips in Spielautomaten, Konsolen und Heimrechnern.
Anerkennung für ihre bahnbrechende Arbeit am 4004-Design bekamen Faggin und Shima aber lange Zeit nicht. Ihre Namen wurden für die kommenden Jahrzehnte aus den Annalen von Intel getilgt(öffnet im neuen Fenster) - in den Augen der Firma hatten sie Verrat begangen. Erst zum 50. Jubiläum des Chips erwähnte(öffnet im neuen Fenster) der Konzern Faggin wieder prominent.
Quellen: Die Detailschilderungen haben wir unter anderem dem Buch "The Intel Trinity" von Michael S. Malone und dem Blog(öffnet im neuen Fenster) von Federico Faggin entnommen. Ein Emulator des Tischrechners sowie die Schaltbilder des Prozessors finden sich hier(öffnet im neuen Fenster) .
Nachtrag vom 15. November 2021, 7:26 Uhr
Am 15. November 1971 wurde der Intel 4004 offiziell angekündigt. Frederico Faggin hat ein Buch über sein Leben und die Entwicklung der CPU(öffnet im neuen Fenster) , geschrieben, das 2021 erschienen ist.
Update:
Der Artikel wurde auf seine Aktualität überprüft, der Schluss wurde angepasst.