Publié le 15 novembre 2021 - par

Le microprocesseur a 50 ans – Intel 4004

Le 15 novembre 1971 (il y a tout juste 50 ans) Intel annonçait le premier microprocesseur de tous les temps : le 4004 qui intégrait sur un même circuit intégré 2 300 transistors. Fonctionnant à 740KHz, il effectuait l’impressionnante (pour l’époque) quantité de 92 600 opérations par seconde. Il avait une puissance comparable au premier ordinateur construit en 1946 ENIAC qui occupait 167m2 avec un poids de 30 tonnes…

Le microprocesseur 4004 : 15 novembre 1971

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Architecture

L’architecture du 4004, à la base des architectures de toute une génération de processeurs.

Circuits céramique et plastique

Le 4004 en trois versions : Céramique/métal, céramique et plastique

Implantation du 4004

Implantation du 4004… à l’époque ça se faisait… à la main

Photo du 4004

Le 4004 avec ses 2300 transistors – 1971

En 2010, un processeur Intel® Core™ gravé en 32 nm avec la seconde génération « high-k metal gate » renferme… 560 millions de transistors.

Schéma du 4004

Schéma du 4004. Cliquez pour agrandir.

Datasheet du 4004

Cliquer pour ouvrir le PDF

Vous pouvez consulter la datasheet du 4004 en PDF.

Emulateur 4004

Un émulateur 4004 écrit en javascript est disponible en ligne (http://e4004.szyc.org/). Il existe également une version en Python sur github.

Pour tout vous dire

Si le premier microprocesseur « officiel » est bien le 4004 d’Intel, le premier microprocesseur de l’histoire est le microprocesseur MP944 créé pour le F-14 « Tomcat ». Ce composant est resté secret de 1968 à 1998.

Traduction d’un article de firstmicroprocessor.com.

Le premier microprocesseur F-14 « Tomcat

20 bits, pipeline, processeur parallèle, double redondance, autotest en vol

Souvenir de TopGun

Le premier microprocesseur au monde a été conçu et développé de 1968 à 1970. Cet article décrit le travail de conception d’un jeu de puces pour microprocesseur MOS-LSI, hautement intégré, conçu à partir de juin 1968 et achevé en juin 1970. Ce jeu de puces informatiques hautement intégrées a été conçu pour l’avion de chasse F14A « TomCat » de l’US Navy par Steve Geller et Ray Holt au sein d’une équipe de conception alors qu’ils travaillaient pour Garrett AiResearch Corp sous contrat avec Grumman Aircraft, le principal entrepreneur de l’US Navy. Les puces MOS-LSI, appelées MP944, ont été fabriquées par American Microsystems, Inc. de Santa Clara, en Californie.

diviseur parallèle 20 bits

Le jeu de puces MOS-LSI faisait partie du Central Air Data Computer (CADC) qui avait pour fonction de contrôler les surfaces mobiles de l’avion et l’affichage des informations pour le pilote. Le CADC recevait des données provenant de cinq sources, capteur de pression statique, capteur de pression dynamique, informations analogiques données par le pilote, sonde de température et entrées numériques fournies par le pilote. La sortie du CADC contrôlait les surfaces mobiles de l’avion. Il s’agissait des ailes, des volets de manœuvre et des Glove Vane (Une sorte de stabilisateurs pour le vol supersonique. Elles ont été conçues pour le F-14A. Elles sont rétractés à des vitesses subsoniques et se déploient automatiquement lors d’un vol supersonique) . Le CADC contrôlait également quatre affichages du cockpit pour le nombre de MAch, l’altitude, la vitesse par rapport à l’air et la vitesse verticale. Le CADC était un système redondant avec auto-test en temps réel intégré. Toute défaillance d’un des systèmes faisait basculer automatiquement sur l’autre.

Multiplieur parallèle 20 bits

Deux capteurs à quartz de pointe, un convertisseur analogique-numérique haute précision à 20 bits, un convertisseur numérique-analogique haute précision à 20 bits, le jeu de puces MOS-LSI et une unité d’alimentation très efficace constituaient le CADC complet. Une équipe de plus de 25 managers, ingénieurs, programmeurs et techniciens d’AiResearch et d’American Microsystems a travaillé pendant deux ans pour réaliser cet exploit de conception jamais tenté auparavant : un ordinateur complet de haute technologie pour traiter les données aéronautiques, hautement intégré. Les conceptions précédentes étaient basées sur de la technologie mécanique, composée d’engrenages et de cames de précision. Une technologie standard, utilisée commercialement pendant les cinq années suivantes, conçue pour l’environnement militaire difficile, a permis de réaliser cet exploit.

Mémoire RAM

En 1971, Ray Holt a rédigé un article sur la conception du jeu de puces MOS-LSI qui a été approuvé pour publication par le magazine Computer Design. Cependant, pour des raisons de sécurité nationale, la marine américaine n’a pas approuvé la publication de ce document. En 1985, M. Holt a tenté à nouveau de faire approuver le document et la réponse a été à nouveau négative. Finalement, en avril 1997, il a relancé le processus et cette fois-ci, il a pu obtenir l’autorisation de publication à partir du 21 avril 1998.

Mémoire ROM

L’intégralité du contenu de ce document original de 1971, « Architecture Of A Microprocessor« , est disponible sur le site firstmicroprocessor.com. La première annonce publique du jeu de puces à microprocesseur F14A MOS-LSI a fait l’objet d’un article publié par le Wall Street Journal le 22 septembre 1998. Cet article et les détails de la conception ont été présentés publiquement pour la première fois par Ray Holt lors du Vintage Computer Festival qui s’est tenu au centre de convention de Santa Clara les 26 et 27 septembre 1998.

CPU / logique spéciale

Pour les historiens qui aiment les « premières » voici celles du microprocesseur F14 MP944 :

  • 1er jeu de puces à microprocesseur
  • 1er microprocesseur aérospatial
  • 1er ordinateur de vol électronique
  • 1er microprocesseur militaire
  • 1er microprocesseur de production
  • 1er microprocesseur à jeu de puces entièrement intégré
  • 1er microprocesseur 20 bits
  • 1er microprocesseur avec autotest programmé et redondance
  • 1er microprocesseur dans une application de signal numérique (DSP)
  • 1er microprocesseur avec pipeline d’exécution
  • 1er microprocesseur à traitement parallèle
  • 1er microprocesseur avec coprocesseurs mathématiques intégrés
  • 1ère mémoire morte (ROM) avec compteur intégré

Multiplexeur de pilotage

Pour en savoir plus sur le MP944

L’autobiographie du concepteur du premier microprocesseur au monde, l’appareil qui a lancé la révolution numérique. Projet militaire, il a été secret de 1968 à 1998. Une histoire d’opportunité et d’excellence. Disponible sur Amazon (pub gratuite)

La loi de Moore

Les lois de Moore sont des lois empiriques qui ont trait à l’évolution de la puissance de calcul des ordinateurs et de la complexité du matériel informatique.

La première de ces lois est émise par le docteur Gordon E. Moore en 1965, lorsque celui-ci postule sur une poursuite du doublement de la complexité des semi-conducteurs tous les ans à coût constant. Dix ans plus tard Moore ajusta sa prédiction à un doublement du nombre de transistors présents sur une puce de microprocesseur tous les deux ans. Ce second postulat se révéla particulièrement exact, et popularisa le terme de « loi de Moore », si bien que ce dernier a fini par s’étendre au doublement d’une capacité quelconque en un temps donné. (source Wikipedia)

La loi de Moore de 1971 à 2018 - https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/Moore%27s_Law_Transistor_Count_1971-2018.png

CC-BY-SA Max Roser – Cliquez pour agrandir

Conclusion

Les plus jeunes souriront, les anciens comme moi se rappelleront cette époque où on savait tout ce qui se passait à l’intérieur du microprocesseur, et où chaque bit d’une instruction avait une signification bien particulière. Ce premier microprocesseur est resté secret, il inaugure le début des commandes de vol électriques pilotées par calculateur avec le F14. auparavant on utilisait de la tringlerie, des engrenages, de la mécanique… Il a permis un bond en avant technologique qui a rejailli rapidement dans le domaine grand public.

Sources

Quelques liens pour les curieux :
Wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/Intel_4004
Intel https://www.intel.com.br/content/www/br/pt/history/museum-story-of-intel-4004.html
Intel Museum https://www.4004.com/

https://www.lulu.com/en/us/shop/leo-sorge-and-raymond-holt/the-accidental-engineer/paperback/product-1jqw6rpq.html?page=1&pageSize=4

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À propos François MOCQ

Électronicien d'origine, devenu informaticien, et passionné de nouvelles technologies, formateur en maintenance informatique puis en Réseau et Télécommunications. Dès son arrivée sur le marché, le potentiel offert par Raspberry Pi m’a enthousiasmé j'ai rapidement créé un blog dédié à ce nano-ordinateur (www.framboise314.fr) pour partager cette passion. Auteur de plusieurs livres sur le Raspberry Pi publiés aux Editions ENI.

7 réflexions au sujet de « Le microprocesseur a 50 ans – Intel 4004 »

  1. Ping : Le microprocesseur a 50 ans - Intel 4004 | Tech...

  2. Ping : Le microprocesseur a 50 ans - Intel 4004 | Num&...

  3. Eric Landais

    Bonjour François,

    merci pour cet article, c’est absolument incroyable cette époque où nous avons pu vivre cette évolution depuis ce premier microprocesseur 4004

    Ca me rappelle mon étude sur le Z80 au début des années 80 (ZX81)

    Quelle émotion ca me donne de repenser à cela

    Très bonne journée

    Eric

    Répondre
  4. Arthur AGAPOFF

    Excellent article, merci beaucoup François !

    Et une grande surprise pour moi, ce µP destiné au F14, c’est vrai qu’il faut beaucoup d' »énergie » financière pour développer ce genre d’innovation où le droit à l’erreur est banni.

    Comme d’autres, j’ai commencé fin des années 70 avec le Z80, sur le TRS80, dont je me souviens encore des premières instructions exécutées lors d’un reset : F3, AF (DI, XOR A). Que de souvenirs z’émus.
    Mes profs avaient, eux, travaillé avec le 8008 (le « double » 4004) puis le 8080.

    Toute une époque !

    J’ai dû arrêter de mettre les mains dans le cambouis avec le i386. A l’instar des circuits intégrés et des circuits imprimés qui ne sont plus conçus et dessinés manuellement, on n’écrit pratiquement plus en assembleur à la main aujourd’hui.

    Merci encore pour ce fabuleux voyage dans le temps !

     

    Répondre
  5. stéphane

    Très bel article, merci !
    Et je lis tout ceci avec une certaine émotion. Sans tomber dans la nostalgie « stupide », je me rappelle de ces années (enfin pas celles du 4004, un peu après), où le numérique n’était pas partout et où je découvrais avec envie les ordinateurs et l’électronique, de loin parce que je n’avais pas de matériel et encore moins un accès facile à la documentation. Seulement la bibliothèque de quartier (à la Villeneuve de Grenoble si ça évoque quelque chose à certains), avec quelques guides – Hachette par ex. – et l’Ordinateur Individuel. la découverte du BASIC et l’écriture de programmes sans avoir de machine pour les tester… 😉
    Alice, TO7, MO5, Victor, puis Vic 20, Commodore 64, Atari ST, Amiga… Et les PC XT, At etc. !! Tout ça c’était le rêve à l’époque.

    Une pensée émue à tout ce chemin parcouru par l’électronique qui est devenue, notamment avec le Pi et tous les capteurs bon marché, très accessible. Si j’avais eu ça quand j’avais entre 10 et 15 ans…

    Ces architectures me paraissent des montagnes aujourd’hui (au point que je suis admiratif de la capacité des équipes à travailler sur des projets aussi complexes : processeurs, nano-technologies et j’en passe…)

    Bravo !

    Répondre
  6. Landais Eric

    Bonjour François,

    as tu vu cet article sur les 50 ans du NE555 ?

    Les cinquante ans du circuit intégré 555

    Que de souvenirs également quand j’étais étudiant puis ensuite lorsque je l’ai utilisé pour réaliser une mesure de température fiable connecté à une entrée logique de mon Amstrad pour gérer mon chauffage électrique.

    Thermistance -> NE555 -> fréquence/Température -> Code assembleur Z80 pour l’acquisition rapide -> programme de gestion du chauffage en Basic -> Commande de mes convecteurs par triac.

    Ce circuit est encore vendu aujourd’hui, c’est incroyable !

    Très bonne journée

    Eric

     

    Répondre
    1. François MOCQ Auteur de l’article

      Bonjour Éric
      Non je ne l avais pas lu mais j’y vais de ce pas !
      Oh oui comme tous les bricoleurs j’ai mis le 555 à toutes les sauces, parfois en lui faisant faire des choses pour lesquelles il n’était pas prévu 😀
      Comme dans les numéros d été d’Elektor !

      Répondre

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