De processor in je telefoon heeft tegenwoordig miljarden transistors. Hoeveel had de allereerste stap van deze reis er dan? Het antwoord: 2.300. En deze chip was niet eens ontworpen voor een computer, maar voor een rekenmachine.
Een bestelling voor een rekenmachine
Het verhaal begint in Japan. Het rekenmachinebedrijf Busicom vroeg Intel om speciale chips voor een nieuwe bureaurekenmachine met printer. In die tijd was het gewoon om voor zo'n apparaat veel verschillende speciale chips te ontwerpen.
Het team bij Intel koos een andere weg: de rekenkracht onderbrengen in één processorchip voor algemeen gebruik. Die chip kreeg de naam 4004. Bij het ontwerp vallen vier namen op: Federico Faggin, Marcian "Ted" Hoff, Stanley Mazor en Masatoshi Shima van Busicom.
De Intel 4004 werd op 15 november 1971 aangekondigd met een Intel-advertentie in het tijdschrift Electronic News. Het eerste commerciële product dat de chip gebruikte, was de rekenmachine met printer van Busicom, model 141-PF.
De 4004 in cijfers
Volgens de technische gegevens op Wikipedia:
- bevatte de 4004 2.300 transistors,
- liep hij op een kloksnelheid van maximaal ongeveer 740 kHz (het doel was eigenlijk 1 MHz),
- werd hij gemaakt met een pMOS-proces met siliciumpoort van 10 micrometer,
- werkte hij met 4-bits data en zat hij in een behuizing met 16 pootjes,
- was de prijs bij de introductie 60 dollar.
Eén instructiecyclus duurde 10,8 microseconden. De snelheid lag tussen ongeveer 46.000 en 92.000 instructies per seconde, afhankelijk van of instructies een of twee machinecycli duurden. Dat klinkt nu heel weinig, maar dat één enkele chip het hele "brein" van een rekenmachine kon bevatten, was voor die tijd een grote sprong.
Wat betekent "4 bit"? De chip kon bij elke stap maar met een getal van 4 bits werken, dus een getal van 0 tot en met 15. Dat was genoeg voor een rekenmachine die met decimale cijfers (0 tot en met 9) werkt; grotere getallen werden in meerdere stappen stuk voor stuk verwerkt.
Van 1971 tot nu: hoeveel keer meer?
Laten we ter vergelijking naar een actuele telefoonchip kijken. De A17 Pro-chip die Apple op 12 september 2023 aankondigde en die in de iPhone 15 Pro en iPhone 15 Pro Max zit, bevat volgens Wikipedia 19 miljard transistors en wordt gemaakt met een proces van 3 nanometer.
Een eenvoudige deling: 19.000.000.000 gedeeld door 2.300 is ongeveer 8,26 miljoen. In iets meer dan een halve eeuw is het aantal transistors op één enkele chip in onze zak dus ongeveer 8 miljoen keer zo groot geworden als bij de eerste microprocessor.
Ook het verschil in productieproces is opvallend. Het proces van 10 micrometer van de 4004 komt overeen met 10.000 nanometer. Vergeleken met het proces van de A17 Pro, dat "3 nm" wordt genoemd, is dat een verschil van duizenden keren. (Laten we er ook bij noteren dat de "nm"-benamingen van nu niet meer één op één met een enkele fysieke maat overeenkomen, maar eerder een generatielabel zijn.)
| Intel 4004 (1971) | A17 Pro (2023) |
|---|---|
| 2.300 transistors | 19 miljard transistors |
| Maximaal ~740 kHz | Maximaal 3,78 GHz |
| Proces van 10 micrometer | Proces van "3 nm" |
| 4 bit | 64 bit |
| Voor een rekenmachine | Voor een smartphone |
Kleine chip, groot idee
Deze toename heeft ook een naam: de "wet van Moore", gebaseerd op de waarneming van Gordon Moore, een van de oprichters van Intel. Dat is geen natuurwet; het is een waarneming en een doelstelling van de sector dat het aantal transistors op chips met regelmatige tussenpozen verdubbelt. De lijn van de 4004 naar de A17 Pro laat zien hoe krachtig dit kompas een halve eeuw lang was.
Wat de 4004 belangrijk maakte, was niet zijn ruwe kracht. De echte revolutie was dat hij liet zien dat een processor op één enkele chip paste en voor verschillende taken kon worden geprogrammeerd. Dit idee maakte in de jaren daarna de weg vrij voor personal computers, spelcomputers en uiteindelijk smartphones.
Alles waar we vandaag aan denken bij het woord "processor", dus het idee van één enkele chip die software uitvoert en zich daarnaar gedraagt, werd met dit kleine zwarte onderdeel concreet. De rekenmachine van Busicom wordt tegenwoordig nauwelijks nog herinnerd, maar de chip erin wel.
Het project dat als bestelling voor een rekenmachine begon, staat nu aan het begin van de stamboom van bijna elk elektronisch apparaat dat we gebruiken.
Het aantal transistors is in een halve eeuw miljoenen keren gegroeid; denk je dat we nu al kunnen voorspellen wat er de komende 50 jaar met chips zal veranderen?