Intel 4004

Intel 4004

生産せいさん時期じき	1971年ねん11月15日にちから1981年ねんまで
生産せいさん者しゃ	Intel
CPU周波数しゅうはすう	740 kHz から 750 kHz
命令めいれいセット	4-bit BCD oriented
パッケージ	16 pin DIP
次世代じせだいプロセッサ	Intel 4040
トランジスタ	2250

4004（よんまるまるよん、と読よまれることが多おおい）は、日本にっぽんのビジコンと米国べいこくのインテルによって共同きょうどう開発かいはつされた、民生みんせい用ようとしては世界せかい初はつの1チップのマイクロプロセッサであり、軍用ぐんようのMP944とほぼ同どう時期じきの、世界せかい最初さいしょ期きのマイクロプロセッサのひとつである。周辺しゅうへんファミリICを含ふくめてMCS-4 Micro Computer Set、あるいは略りゃくし単たんにMCS-4とも呼よぶ。

1971年ねん発表はっぴょう、4ビットマイクロプロセッサである。クロック周波数しゅうはすうは、500kHzから741kHzきろへるつである。回路かいろ構成こうせいはクロック同期どうき設計せっけいで、pMOSプロセスで3mm×4mmのチップ（ダイ）の上うえに2,300個このトランジスタを集積しゅうせき、10µm (0.01mm) ピッチのプロセス・ルールで製造せいぞうされた。当時とうじのICとして標準ひょうじゅん的てきな16ピンDIPのパッケージに収納しゅうのうするため、物理ぶつり的てきに4ビット幅はばのバスを、アドレスとデータで時とき分割ぶんかつで使用しようしている。

歴史れきし

4004を初はじめて組くみ込こんだ電卓でんたく「ビジコン 141-PF」。国立こくりつ科学かがく博物館はくぶつかんの展示てんじ。

4004は日本にっぽんのビジコン社しゃとインテルによる共同きょうどう開発かいはつである。

1969年ねん、ビジコンはプログラム制御せいぎょの電卓でんたくを計画けいかくし、インテルにそのためのチップセットの開発かいはつを依頼いらいしていた。ビジコンの当初とうしょ案あんでは、マクロ命令めいれいによる制御せいぎょで、10個こ前後ぜんこうのチップが必要ひつようというものだった。これは電卓でんたくとしては汎用はんよう（プログラム次第しだいでいろいろな電卓でんたくができる）だが、電卓でんたく用ようという意味いみでは専用せんようのチップ、というものであった。

これに対たいし、当時とうじのインテルの規模きぼではそれだけ多おおくの種類しゅるいのチップを同時どうじに開発かいはつするのは手てに余あまるため、インテルの技術ぎじゅつ者しゃテッド・ホフは、ワード長ちょうが4ビットであることを除のぞけば、汎用はんようのコンピュータそのものという構成こうせいを提案ていあんした。複数ふくすう桁けたの演算えんざん処理しょりは、1桁けた（4ビット）の演算えんざんの反復はんぷくで置おき換かえればよく、また、外部がいぶ機器ききの制御せいぎょも、ソフトウェアによる制御せいぎょに置おき換かえればよい、というのである。これにより開発かいはつするチップの種類しゅるいを削減さくげんした。1969年ねん8月がつ末まつのことで、マイクロプロセッサの原点げんてんとなった。

このアイディアにもとづき、嶋しま正利まさとしとフェデリコ・ファジンが中心ちゅうしんとなって、嶋しまが論理ろんり設計せっけいしファジンが物理ぶつり設計せっけい（回路かいろ設計せっけいとマスクレイアウト）を行おこない、4004は完成かんせいした。もともとの開発かいはつ日程にっていでは、1970年ねん7月がつから10月がつにかけて、4001から4004までが量産りょうさんされるはずであったが、ファジンが配属はいぞくになった初日しょにちに日程にっていを見みた彼かれは「あごが落おちた（びっくりした、の意い）」とされ(CPUを含ふくむ4つのチップの設計せっけい期間きかんが6カ月かげつもなかった)、そのすぐ後のちに進捗しんちょく確認かくにんのため渡米とべいした嶋しまが開発かいはつの遅おくれを知しって激怒げきどし、(intelがより多おおくのエンジニアを雇やとう一方いっぽうで)嶋しまがそのまま6ヶ月かげつ設計せっけいに携たずさわった結果けっかである。

当初とうしょの契約けいやくでは、このチップはビジコンに対たいする専売せんばいとなっていたが、チップの汎用はんよう性せいに気付きづいたインテルが他たへの販売はんばいを希望きぼうし、一方いっぽうでビジコン側がわは会社かいしゃの運転うんてん用ようのつなぎ資金しきんの要求ようきゅうが常つねにあった事ことから、契約けいやく金きんの一部いちぶをビジコンに払はらい戻もどすことでインテルはチップの販売はんばい権けんを得えて、1971年ねん11月15日にちに4004として出荷しゅっかが開始かいしされた。

特徴とくちょう

内部ないぶブロック図ず

ピン配置はいち図ず

• 最高さいこう動作どうさ周波数しゅうはすう 741kHzきろへるつ。ただし、命令めいれいアドレス出力しゅつりょくに3クロック、命令めいれい読よみ出だしに2クロック、命令めいれい実行じっこうに3クロックの計けい8クロックを要ようする。
• プログラムのメモリ空間くうかんとデータのメモリ空間くうかんの分離ぶんり（ハーバード・アーキテクチャ）。近年きんねんのキャッシュのそれのような性能せいのう目的もくてきによる物理ぶつり的てきなバスの分離ぶんりではなく、命令めいれいセットアーキテクチャ的てき（論理ろんり的てき）にそれぞれの空間くうかんが異ことなる、というものである。
• また、ピン数すうの節約せつやくのため、以下いかの信号しんごうは単一たんいつの4ビット物理ぶつりバスを共用きょうよう（時分じぶん割わり多重たじゅう化か）し、またデータ以外いがいはそれぞれ順次じゅんじ送おくり出だす方式ほうしきである。
  • 12ビットのアドレス
  • 8ビットの命令めいれい
  • 4ビットのデータ
• 46種しゅの命令めいれいがある（うち41種しゅは8ビット長ちょう、5種しゅは16ビット長ちょう）。
• 16個この4ビット長ちょうレジスタ
• RAMのアドレスを指さすようなスタックポインタは無なく、プログラムカウンタ直結ちょっけつの、サブルーチン呼出よびだし時じの退避たいひ専用せんようのハードウェアスタックがある。深ふかさは3段だん。

MCS-4

MCS-4ファミリー(1970年代ねんだい末まつ - 1980年代ねんだい初はつ製せい)

当初とうしょの周辺しゅうへんチップとしては、容量ようりょう2048bitのマスクROM 4001、容量ようりょう320bitのRAM 4002、10bitシフトレジスタ兼けん10bit出力しゅつりょくポートの4003があった。これらを含ふくめてMCS-4（Micro Computer Set）とした。

初期しょきファミリ内ないでのチップの組くみ合あわせで、ROM 32768bit(2048bit×16)、RAM 1280bit(320bit×4)の構成こうせいが可能かのう。

ビジコンの目的もくてきであった電卓でんたくにおける構成こうせいは、だいたい以下いかのようなものとなる。

1. 4001に関数かんすうなどのプログラムが格納かくのうされている
2. 4003でキー入力にゅうりょくをシフトしながら4004へ渡わたす
3. 4004で入力にゅうりょくされた数値すうちを4002に書かき込こむ
4. 4001にあるプログラムを使つかって4004で1桁けたずつ演算えんざんを行おこない結果けっかを4002に書かき込こむ
5. 4003でシフトしながら表示ひょうじ板ばんに出力しゅつりょくする

参考さんこう文献ぶんけん

• 嶋しま正利まさとし『マイクロコンピュータの誕生たんじょう : わが青春せいしゅんの4004』岩波書店いわなみしょてん、1987年ねん。doi:10.11501/12629869。https://dl.ndl.go.jp/ja/pid/12629869/1/4。 

関連かんれん項目こうもく

• Intel 8008
• Intel 4040
• GMC-4

外部がいぶリンク

• インテル博物館はくぶつかん
• 嶋しま正利まさとし氏しの4004開発かいはつ回顧かいこ録ろく
• 4004 Dr嶋しま ブログ ｜ Visual Technology Premier Site - ウェイバックマシン（2006年ねん1月がつ6日にちアーカイブ分ぶん）