في معالج هاتفك اليوم مليارات الترانزستورات. فكم كان في الخطوة الأولى من هذه الرحلة؟ الجواب: 2,300. والأغرب أن هذه الشريحة لم تُصمم لحاسوب بل لآلة حاسبة.
طلبية آلة حاسبة
تبدأ القصة في اليابان. فقد طلبت شركة الآلات الحاسبة Busicom من Intel شرائح خاصة لآلة حاسبة مكتبية جديدة بطابعة. وكان من المعتاد حينها تصميم عدة شرائح خاصة مختلفة لجهاز كهذا.
واختار الفريق في Intel طريقًا مختلفًا: جمع الحساب في شريحة معالج واحدة عامة الأغراض. وسُميت هذه الشريحة 4004. وتبرز في تصميمها أربعة أسماء: فيديريكو فاجين ومارسيان "تيد" هوف وستانلي مازور وماساتوشي شيما من Busicom.
أُعلن عن Intel 4004 في 15 نوفمبر 1971 بإعلان من Intel نُشر في مجلة Electronic News. وكان أول منتج تجاري يستخدم الشريحة الآلة الحاسبة ذات الطابعة طراز 141-PF من Busicom.
4004 بالأرقام
بحسب البيانات التقنية في ويكيبيديا فإن 4004:
- يضم 2,300 ترانزستور،
- يعمل بتردد ساعة أقصاه نحو 740 كيلوهرتز (والهدف كان 1 ميغاهرتز في الواقع)،
- صُنع بتقنية pMOS ببوابة سيليكونية بدقة 10 ميكرومترات،
- يعمل ببيانات 4 بت وفي علبة بـ 16 سنًا،
- وكان سعره عند الطرح 60 دولارًا.
كانت دورة التعليمة الواحدة تستغرق 10.8 ميكروثانية. وكانت سرعته بين نحو 46,000 و92,000 تعليمة في الثانية؛ بحسب ما إذا كانت التعليمة تستغرق دورة آلة أو دورتين. يبدو ذلك قليلًا جدًا اليوم، لكن أن تحمل شريحة واحدة كل "دماغ" آلة حاسبة كان قفزة كبيرة بمقاييس ذلك العصر.
ماذا تعني "4 بت"؟ كانت الشريحة تعمل في كل خطوة بعدد من 4 بتات فقط، أي من 0 إلى 15. وكان هذا كافيًا لآلة حاسبة تعمل بالأرقام العشرية (من 0 إلى 9)؛ أما الأعداد الأكبر فكانت تُعالج على قطع في عدة خطوات.
من 1971 إلى اليوم: كم ضعفًا؟
لنقارن بشريحة هاتف حديثة. شريحة A17 Pro التي أعلنت عنها Apple في 12 سبتمبر 2023 وتُستخدم في iPhone 15 Pro وiPhone 15 Pro Max تضم بحسب ويكيبيديا 19 مليار ترانزستور وتُصنع بتقنية 3 نانومتر.
لنجرِ قسمة بسيطة: 19,000,000,000 مقسومة على 2,300 تساوي نحو 8.26 مليون. أي أنه في أكثر من نصف قرن بقليل ازداد عدد الترانزستورات في شريحة واحدة في جيبنا بنحو 8 ملايين ضعف قياسًا بأول معالج دقيق.
والفرق في عملية التصنيع لافت أيضًا. فتقنية 4004 بدقة 10 ميكرومترات تعادل 10,000 نانومتر. وبالمقارنة مع تقنية A17 Pro المسماة "3 نانومتر" الفرق آلاف الأضعاف. (ولنلاحظ أيضًا أن تسميات "نانومتر" اليوم لم تعد تقابل مقياسًا فيزيائيًا واحدًا بالضبط، بل هي أقرب إلى وسم لجيل.)
| Intel 4004 (1971) | A17 Pro (2023) |
|---|---|
| 2,300 ترانزستور | 19 مليار ترانزستور |
| حتى ~740 كيلوهرتز | حتى 3.78 غيغاهرتز |
| تقنية 10 ميكرومتر | تقنية "3 نانومتر" |
| 4 بت | 64 بت |
| لآلة حاسبة | لهاتف ذكي |
شريحة صغيرة، وفكرة كبيرة
ولهذه الزيادة اسم أيضًا: "قانون مور" المبني على ملاحظة غوردون مور، أحد مؤسسي Intel. وهو ليس قانونًا من قوانين الطبيعة؛ بل ملاحظة وهدف قطاعي بأن عدد الترانزستورات في الشرائح يتضاعف بفواصل منتظمة. والخط الممتد من 4004 إلى A17 Pro يظهر مدى قوة هذه الملاحظة بوصلةً على مدى نصف قرن.
لم يكن ما جعل 4004 مهمًا قوته الخام. الثورة الحقيقية أنه أظهر أن المعالج يمكن أن يتسع في شريحة واحدة وأن يُبرمج لأعمال مختلفة. وفتحت هذه الفكرة في السنوات التالية الطريق للحواسيب الشخصية ووحدات الألعاب وأخيرًا الهواتف الذكية.
وكل ما يخطر ببالنا اليوم عند ذكر "المعالج"، أي فكرة شريحة واحدة تشغّل برنامجًا وتتصرف وفقه، تجسدت في هذه القطعة السوداء الصغيرة. ولا تُذكر آلة Busicom الحاسبة اليوم كثيرًا، لكن الشريحة التي بداخلها تُذكر.
ومشروع بدأ طلبية آلة حاسبة يقف اليوم على رأس شجرة نسب كل جهاز إلكتروني نستخدمه تقريبًا.
ازداد عدد الترانزستورات ملايين المرات في نصف قرن؛ فهل نستطيع اليوم أن نتوقع ما سيتغير في الشرائح في السنوات الخمسين القادمة؟