Intel 4004: 2,300個のトランジスタから190億個への道

今日、あなたのスマートフォンのプロセッサには、数十億のトランジスタがあります。では、この旅の最初の一歩には、いくつあったのでしょう。答えは2,300個。しかもこのチップは、コンピューターのためではなく、電卓のために設計されたものでした。

電卓の注文

物語は日本で始まります。Busicomという電卓メーカーが、新しいプリンター付きの卓上電卓のために、Intelに専用チップを注文しました。当時、そういう機器のために、さまざまな専用チップをいくつも設計するのが普通でした。

Intelのチームは違う道を選びました。計算を、1つの汎用プロセッサチップにまとめること。このチップの名前が4004になりました。設計では、4人の名前が際立ちます。フェデリコ・ファジン、マルシアン「テッド」ホフ、スタンレー・メイザー、そしてBusicomの嶋正利です。

Intel 4004は、1971年11月15日に、雑誌Electronic Newsに掲載されたIntelの広告で発表されました。このチップを使った最初の商用製品は、Busicomの141-PFというプリンター付き電卓でした。

数字で見る4004

Wikipediaの技術データによれば、4004は次のとおりです。

• 2,300個のトランジスタを含んでいた、
• 最大約740kHzのクロック速度で動いた(目標は実は1MHzだった)、
• 10マイクロメートルのシリコンゲートpMOSプロセスで製造された、
• 4ビットのデータで動作し、16ピンのパッケージに入っていた、
• 発売時の価格は60ドルだった。

1つの命令サイクルには10.8マイクロ秒かかりました。速度は毎秒約46,000〜92,000命令で、命令が1機械サイクルか2機械サイクルかで変わりました。今日では非常に少なく聞こえますが、1つのチップが電卓の「頭脳」のすべてを担えたことは、当時としては大きな飛躍でした。

「4ビット」とはどういうことでしょう。このチップは、各ステップで4ビット、つまり0から15までの数でしか演算できませんでした。これは、10進の数字(0から9)で動く電卓には十分でした。もっと大きな数は、何ステップかに分けて処理されました。

1971年から今日まで: 何倍?

比較のために、最近のスマホのチップを見てみましょう。Appleが2023年9月12日に発表し、iPhone 15 ProとiPhone 15 Pro Maxに使われているA17 Proチップは、Wikipediaによれば190億個のトランジスタを含み、3ナノメートルプロセスで製造されています。

簡単な割り算をしてみましょう。19,000,000,000を2,300で割ると、約826万になります。つまり、半世紀と少しのあいだに、ポケットにある1つのチップのトランジスタ数は、最初のマイクロプロセッサの約800万倍に増えたのです。

製造プロセスの違いも印象的です。4004の10マイクロメートルのプロセスは、10,000ナノメートルにあたります。A17 Proの「3nm」と呼ばれるプロセスと比べると、この差は数千倍です。(ただし、今日の「nm」という呼び方は、もはや単一の物理的な寸法に一対一で対応するものではなく、世代を示すラベルに近いことも付記しておきましょう。)

小さなチップ、大きなアイデア

この増加には名前もあります。Intelの創業者の1人ゴードン・ムーアの観察に基づく「ムーアの法則」です。これは自然法則ではなく、チップのトランジスタ数が一定の間隔で倍増していくという観察であり、業界の目標です。4004からA17 Proまで伸びる線は、この観察が半世紀にわたってどれほど強力な羅針盤だったかを示しています。

4004を重要にしたのは、生の性能ではありませんでした。本当の革命は、プロセッサが1つのチップに収まり、さまざまな仕事のためにプログラムできることを示したことです。このアイデアは、その後の年月に、パソコン、ゲーム機、そして最終的にスマートフォンへの道を開きました。

今日「プロセッサ」と言ったときに思い浮かぶすべてのこと、つまりソフトウェアを実行してそれに応じて振る舞う1つのチップというアイデアは、この小さな黒い部品で具体的な形になりました。Busicomの電卓は今ではあまり思い出されませんが、その中のチップは思い出されます。

電卓の注文として始まったプロジェクトが、今日私たちが使うほぼすべての電子機器の家系図の最初に立っています。

トランジスタの数は半世紀で何百万倍にもなりました。これからの50年でチップに何が変わるか、今日から予想できると思いますか?