Der Prozessor in deinem Handy hat Milliarden Transistoren. Wie viele waren es beim ersten Schritt dieser Reise? Die Antwort: 2.300. Und dieser Chip war nicht für einen Computer, sondern für einen Taschenrechner entworfen.
Ein Auftrag für einen Taschenrechner
Die Geschichte beginnt in Japan. Busicom, ein Taschenrechnerhersteller, bestellte bei Intel spezielle Chips für einen neuen Tischrechner mit Drucker. Damals war es üblich, für ein solches Gerät viele verschiedene Spezialchips zu entwerfen.
Das Team bei Intel wählte einen anderen Weg: die Berechnung auf einem einzigen Universalprozessor-Chip zu vereinen. Dieser Chip hieß 4004. Bei seiner Entwicklung treten vier Namen hervor: Federico Faggin, Marcian „Ted“ Hoff, Stanley Mazor und Masatoshi Shima von Busicom.
Der Intel 4004 wurde am 15. November 1971 mit einer Intel-Anzeige in der Zeitschrift Electronic News angekündigt. Das erste kommerzielle Produkt mit dem Chip war Busicoms Druckrechner Modell 141-PF.
Der 4004 in Zahlen
Nach den technischen Angaben bei Wikipedia hatte der 4004:
- 2.300 Transistoren,
- eine Taktrate von höchstens etwa 740 kHz (das Ziel war eigentlich 1 MHz),
- Fertigung im 10-Mikrometer-pMOS-Verfahren mit Silizium-Gate,
- 4-Bit-Daten und ein Gehäuse mit 16 Pins,
- einen Einführungspreis von 60 Dollar.
Ein einziger Befehlszyklus dauerte 10,8 Mikrosekunden. Die Geschwindigkeit lag zwischen etwa 46.000 und 92.000 Befehlen pro Sekunde, je nachdem, ob ein Befehl einen oder zwei Maschinenzyklen brauchte. Das klingt heute nach sehr wenig, aber dass ein einziger Chip das ganze „Gehirn“ eines Taschenrechners tragen konnte, war damals ein großer Sprung.
Was heißt „4 Bit“? Der Chip konnte in jedem Schritt nur mit 4 Bit rechnen, also mit einer Zahl von 0 bis 15. Das reichte für einen Taschenrechner, der mit Dezimalziffern (von 0 bis 9) arbeitet; größere Zahlen wurden in mehreren Schritten stückweise verarbeitet.
Von 1971 bis heute: das Wievielfache?
Als Vergleich sehen wir uns einen aktuellen Handychip an. Der am 12. September 2023 von Apple vorgestellte Chip A17 Pro, der im iPhone 15 Pro und iPhone 15 Pro Max steckt, enthält laut Wikipedia 19 Milliarden Transistoren und wird in einem 3-Nanometer-Verfahren gefertigt.
Machen wir eine einfache Division: 19.000.000.000 geteilt durch 2.300 ergibt etwa 8,26 Millionen. In etwas mehr als einem halben Jahrhundert ist die Zahl der Transistoren auf einem einzigen Chip in unserer Tasche gegenüber dem ersten Mikroprozessor also etwa um das 8-Millionen-Fache gestiegen.
Auch der Unterschied beim Fertigungsverfahren ist eindrucksvoll. Das 10-Mikrometer-Verfahren des 4004 entspricht 10.000 Nanometern. Im Vergleich zum „3 nm“ genannten Verfahren des A17 Pro ist das ein Unterschied um das Tausendfache. (Halten wir auch fest, dass die heutigen „nm“-Bezeichnungen nicht mehr einem einzelnen physikalischen Maß entsprechen, sondern eher eine Generationsbezeichnung sind.)
| Intel 4004 (1971) | A17 Pro (2023) |
|---|---|
| 2.300 Transistoren | 19 Milliarden Transistoren |
| Höchstens ~740 kHz | Höchstens 3,78 GHz |
| 10-Mikrometer-Verfahren | „3 nm“-Verfahren |
| 4 Bit | 64 Bit |
| Für einen Taschenrechner | Für ein Smartphone |
Kleiner Chip, große Idee
Dieser Anstieg hat auch einen Namen: das „Mooresche Gesetz“, das auf der Beobachtung von Gordon Moore, einem der Intel-Gründer, beruht. Es ist kein Naturgesetz, sondern eine Beobachtung und ein Branchenziel, dass sich die Zahl der Transistoren auf Chips in regelmäßigen Abständen verdoppelt. Die Linie vom 4004 zum A17 Pro zeigt, wie stark dieser Kompass ein halbes Jahrhundert lang war.
Was den 4004 wichtig macht, war nicht seine rohe Leistung. Die eigentliche Revolution war der Beweis, dass ein Prozessor auf einen einzigen Chip passt und für verschiedene Aufgaben programmiert werden kann. Diese Idee ebnete in den folgenden Jahren den Weg für Personal Computer, Spielkonsolen und schließlich Smartphones.
Alles, was uns heute bei „Prozessor“ einfällt, also die Idee eines einzigen Chips, der Software ausführt und sich danach verhält, wurde mit diesem kleinen schwarzen Teil greifbar. An Busicoms Taschenrechner erinnert sich heute kaum jemand, aber an den Chip darin schon.
Ein Projekt, das als Auftrag für einen Taschenrechner begann, steht heute am Anfang des Stammbaums fast jedes elektronischen Geräts, das wir benutzen.
Die Zahl der Transistoren ist in einem halben Jahrhundert um das Millionenfache gestiegen. Können wir heute schon vorhersagen, was sich in den nächsten 50 Jahren bei Chips ändern wird?