二、微处理器芯片 4004

继贝尔实验室发明晶体管和诺伊斯与基尔比发明集成电路之后，微电子行业的另一项最重要的成就，是霍夫在 1971 年发明的微处理器。由于这一功绩，霍夫被著名的英国《经济学家》杂志推崇为“第二次世界大战以来最有影响的七位科学家之一”。

霍夫在 1937 年出生于美国纽约州罗彻斯特附近的农村。他的父亲是一位电气工程师。他的叔叔是个化学工程师，曾把一套化学试验设备赠送给年轻的霍夫，并为他订了《大众科学》杂志，使他从小就对科技书刊产生了浓厚的兴趣。后来他进入家乡附近的伦塞勒工学院学习电子工程，以优异的成绩毕业。他的毕业论文《晶体管中的电流转换方式》还获得了奖励。

他在大学二、三年级时先后研究出一种电子设备，在 1958 年得到了专利权。

在大学毕业后，霍夫到他早就向往的著名的斯坦福大学攻读硕士学位，并很快开始了对晶体管理论的研究工作。在 1962 年取得博士学位后，他留在斯坦福大学继续从事学术研究。在潜心进行理论研究多年之后，他开始想到“要按某种具有潜在经济价值的思想进行开发工作。”

1968 年英特尔公司刚刚成立，需要吸收研究开发人员。一天，公司的创建人之一诺伊斯打电话给霍夫，聘请他到英特尔公司去工作，这正合霍夫的心意，因此他受聘进入了这家公司，担任应用开发部的经理。

当时有一家日本的生产计算机的公司，公司名称几经变更，最后取名为商事公司（至今此公司已不复存在）。这家公司在 1969 年请英特尔公司为他们设计和生产六种特殊的专用芯片，用来生产新颖的可编程式计算器。

但是霍夫认为日本人提出的设计方案虽然很新颖，电路却很复杂，还要使用很多昂贵的芯片。按日本工程师的设想，每个计算器至少要用 6—8 个芯片，每个芯片分别承担控制键盘、打印或控制运算、存贮等功能。这样一来，就使这种计算器的成本比小型计算机还要昂贵。

在霍夫的书桌旁有一台 PDP—8 型小型计算机，他在进行研究时常使用

它。他凝视着面前的这台 PDP—8 型计算机，对日本人的设计方案大惑不解；他们的设计为什么要搞得这么复杂呢？霍夫以前曾经设计过小型计算机的电路。他记得，只要向计算机输入几条简单的指令，计算机就能在指令的操纵下进行非常复杂的工作。以往的实践经验使霍夫产生了联想，为什么不可以把计算机器的所有逻辑电路集成到一个芯片上，并按需要灵活地为芯片编制简单通用的程序，使集成电路具有复杂的功能呢？

当时有一位芯片设计专家费金，刚从另一家公司调到英特尔公司，他精通晶体管电路的工作原理。在 1969 年 8 月，费金提出了适用于台式计算机的

微处理器的概念，提议把台式计算机中 11 片集成逻辑电路压缩为中央处理

器、读写存贮器和只读存贮器 3 片集成电路。费金的这一想法对霍夫等人研

制微处理器芯片 4004 奠定了基础。

听了费金的建议，霍夫大胆地联想起，计算的全部电路也可以分别做在几个通用的芯片上，例如中央处理器芯片、存储器芯片以及寄存器芯片上面。霍夫设计出一种微处理器，它是一块半导体芯片，它的功能是作为一台计算机（或计算器）的中央处理器（它是计算机的核心）。霍夫把中央处理器的全部功能都集中在这一块芯片上，而且还把两个存贮器芯片附在这个微处理器上，一个存贮数据，另一个存贮驱动中央处理器的程序。这样，霍夫就制造出了一种简易的通用计算机部件，它不仅可以用在日本商事公司的复杂的计算器上，还可以用来控制交通信号灯或其他电器设备，只要稍微改变一下程序，就能具有其他功能。

1969 年 10 月，霍夫向日方介绍了有关微处理器的设计思想，并向他们说明微处理器将会有广阔的应用前景。日方经理终于被说服了，于是签订了合同，让英特尔公司他们提供由霍夫设计的微处理器。

从此，霍夫和麦卓尔开始全力以赴地投入到这种微处理器的研制中去。公司的芯片专家费金，精通半导体电路，因此芯片的线路图就委托他来绘制。到 1971 年 1 月，霍夫与同事一起，终于制出了一个能实际使用的微处理器，这就是“4004 芯片”，它是世界上第一台真正的微处理器。据说第一个数字4 表示芯片是以 4 位为单位进行设计的微处理器，也就是说，这种处理器一

次可对 4 个二进制数进行运算；第二个 4 则表明是公司为客户制造的第 4 种芯片。

1971 年 11 月，英特尔公司在《电子新闻》杂志上刊登广告，宣称“4004” 芯片不仅仅是一种新产品，而且它的问世还表明“一个集成电子学新纪元的到来——人们能把一个可编型程序控制计算器放在一块半导体芯片上了”。当时的公众一度曾对“一台计算机放在一块半导体的芯片上”的说法疑惑不解，但当他们了解到“4004”芯片的实际功能后，心中的疑云就立即被驱散了。

微处理器，是以往半导体厂家所生产的，能进行算术运算和逻辑运算的集成电路芯片的进一步发展。尽管它只是把更多的功能融合到一块芯片中去而已，但功能却大大扩展了。一块微处理器芯片的功能，几乎相当于一台ENIAC 与 1950 年那时像房子那样大的电路板的功能也差不多。“4004”这个数字还等于这种芯片所能代替晶体管的大致数目。在 4.2×3.2 平方毫米的

4004 芯片上，集成了 2250 个晶体管。人们首次实现了用一块芯片承担中央处理器的功能。

英特尔公司把这块 4004 芯片再加上一块随机存取存贮器芯片、一块只读

存贮器芯片和一块寄存器芯片，就构成了一个 4 位微型计算机 MCS—4，这是世界上第一台微型电子计算机，它在 1971 年问世，从此揭开了微型计算机发展的序幕。

1971 年 1 月“4004 芯片”的出现，标志了人类朝集成电子学新时代迈出了第一步，在两年后英特尔公司推出的“8008”芯片则是第二步。

霍夫对于他本人在发明微处理器方面所作的贡献是很谦虚的，他认为自己不过是兼有了天时和地利，“如果我们在 1971 年未能发明出 4004，那么在一两年里由他人发明出来。”由于霍夫的杰出贡献，人们把他称为研究微型电子计算机的先驱。