Microprocessor

उन्नीस सौ साठ के दशक के उत्तरार्ध में, कंप्यूटिंग को एक विकट चुनौती का सामना करना पड़ा: प्रत्येक जटिल इलेक्ट्रॉनिक फ़ंक्शन के लिए एक समर्पित, कस्टम-डिज़ाइन किए गए इंटीग्रेटेड सर्किट की आवश्यकता होती थी। इसका मतलब था कि मामूली उपकरणों के लिए भी विशेष चिप्स की विशाल श्रृंखला, जिससे जटिलता और लागत तेजी से बढ़ रही थी। इंजीनियरों ने अनम्य, हार्डवायर्ड लॉजिक की सीमाओं से जूझते हुए, इलेक्ट्रॉनिक्स के लघुकरण और बहुमुखी प्रतिभा में बाधा डाली। एक वास्तव में प्रोग्राम करने योग्य, सार्वभौमिक प्रोसेसिंग यूनिट का दृष्टिकोण एक दूर का, सैद्धांतिक लक्ष्य बना रहा।

परिवर्तन के लिए एक तात्कालिक उत्प्रेरक जापान से आया: कैलकुलेटर निर्माता, बसिकॉम ने अपने नए डेस्कटॉप मॉडल के लिए कस्टम चिप्स का एक परिष्कृत सेट मांगा। उनके शुरुआती डिज़ाइन में बारह व्यक्तिगत एकीकृत सर्किट की आवश्यकता थी, जिनमें से प्रत्येक को एक विशिष्ट गणितीय या नियंत्रण फ़ंक्शन के लिए प्रोग्राम किया गया था। यह दृष्टिकोण, हालांकि पारंपरिक था, एक आश्चर्यजनक डिज़ाइन और विनिर्माण बोझ प्रस्तुत करता था, जो एक ही उत्पाद के लिए आर्थिक और व्यावहारिक रूप से व्यवहार्य की सीमाओं को आगे बढ़ाता था। "टेड हॉफ ने एक सघन योजनाबद्ध आरेख उठाते हुए मासातोशी शिमा से कहा, "मासातोशी, यह स्केलेबल नहीं है! एक ही कैलकुलेटर के लिए बारह कस्टम चिप्स डिज़ाइन करना हर नए उत्पाद संस्करण के लिए बहुत जटिल और महंगा है। हमें कुछ मौलिक रूप से अलग चाहिए।" मासातोशी शिमा, काले बालों और चश्मे वाले एक सूक्ष्म इंजीनियर ने जवाब दिया, "लेकिन मिस्टर हॉफ, सभी लॉजिक ऐसे ही बनाए जाते हैं। हमें बसिकॉम एक सौ इकतालीस-पीएफ के लिए समर्पित अंकगणित, मेमोरी और इनपुट-आउटपुट फ़ंक्शंस की आवश्यकता है।" हॉफ ने जवाब दिया, "क्या होगा अगर, बारह विशेष घटकों के बजाय, हम एक एकल, सार्वभौमिक उपकरण बना सकें? एक प्रोग्रामेबल 'दिमाग' जो किसी भी कार्य के अनुकूल हो सके?""

उन्नीस सौ सत्तर से पहले, इंटीग्रेटेड सर्किट तकनीक ने कई ट्रांजिस्टर को एक ही सिलिकॉन चिप पर एकीकृत करने की अनुमति दी, जिससे मेमोरी रजिस्टर या साधारण लॉजिक गेट जैसे कार्यात्मक ब्लॉक बने। हालाँकि, ये सर्किट 'फिक्स्ड-फंक्शन' ही रहे, जिसका अर्थ था कि उनका संचालन उनके भौतिक लेआउट में हार्डवायर्ड था। वांछित कार्यक्षमता में किसी भी बदलाव के लिए पूरी तरह से नए चिप डिज़ाइन और निर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता होती थी, जो मामूली समायोजन के लिए भी एक श्रमसाध्य और महंगा काम था। रॉबर्ट नॉइस ने खिड़की से बाहर देखते हुए कहा, "जैसा कि राल्फ वाल्डो एमर्सन ने एक बार कहा था, 'हर क्रिया का पूर्वज एक विचार है।' हमारा विचार, अभी, यह होना चाहिए कि हम इन सर्किटों का निर्माण कैसे करते हैं, इसकी एक मौलिक पुनर्कल्पना करें, अन्यथा, हम विशेष डिज़ाइनों के समुद्र में डूब जाएंगे।" गॉर्डन मूर ने अपना चश्मा ठीक करते हुए कहा, "वास्तव में। वर्तमान आईसी चमत्कार हैं, लेकिन उनकी अंतर्निहित कठोरता हमारी बाधा है। हर लॉजिक परिवर्तन के लिए एक भौतिक रीडिज़ाइन की आवश्यकता होती है, एक ऐसी प्रक्रिया जो बहुत अधिक संसाधनों और समय की खपत करती है।" टेड हॉफ ने सिर हिलाया, "बिल्कुल। हमें एक ऐसे घटक की आवश्यकता है जो विशिष्ट कार्य को अमूर्त कर दे, जिससे सॉफ्टवेयर को हार्डवेयर के बजाय उसके उद्देश्य को परिभाषित करने की अनुमति मिले।"

इंटेल में एक युवा लेकिन प्रतिभाशाली इंजीनियर टेड हॉफ ने तात्कालिक समस्या से आगे देखा। उन्होंने फिक्स्ड-फंक्शन प्रतिमान से एक क्रांतिकारी प्रस्थान की कल्पना की: एक सिंगल, प्रोग्रामेबल चिप जो मेमोरी से निर्देशों को निष्पादित करके विभिन्न प्रकार के कार्य कर सकती थी। यह वैचारिक छलांग - बुद्धिमत्ता को विशेष हार्डवेयर से लचीले सॉफ्टवेयर में ले जाना - डिज़ाइन को सरल बनाएगा, लागत कम करेगा और अभूतपूर्व बहुमुखी प्रतिभा को अनलॉक करेगा। यह एक ऐसा विचार था जिसने इलेक्ट्रॉनिक्स को मौलिक रूप से नया आकार देने का वादा किया था। टेड हॉफ ने एक नोटपैड पर तेज़ी से स्केच बनाते हुए स्टेनली मेज़र को समझाया, "कल्पना करो, स्टेनली, एक सिंगल चिप पर एक सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट - एक सीपीयू। कैलकुलेटर फ़ंक्शंस को हार्डवायर करने के बजाय, हम एक सरल निर्देश सेट प्रदान करते हैं। कैलकुलेटर का लॉजिक एक प्रोग्राम बन जाता है, जो मेमोरी में रहता है, जिसे हमारा सीपीयू निष्पादित करता है।" स्टेनली मेज़र, साफ-सुथरे काले बालों वाले एक तेज़-तर्रार इंजीनियर, स्केच को ध्यान से देखते हुए करीब झुक गए। "एक सामान्य-उद्देश्य वाला उपकरण? यह महत्वाकांक्षी है, टेड। उन सभी फ़ंक्शंस को सिलिकॉन के एक टुकड़े पर एकीकृत करने की जटिलता... यह डरावनी है। हम इसे पर्याप्त कॉम्पैक्ट कैसे बनाते हैं?"

हॉफ की अवधारणा के लिए एक नए आर्किटेक्चर की आवश्यकता थी: एक सरल फिर भी शक्तिशाली इंस्ट्रक्शन सेट को परिभाषित करना जो विभिन्न कम्प्यूटेशनल कार्यों को संभाल सके। स्टेनली मेज़र ने इन इंस्ट्रक्शनों को परिष्कृत करने में महत्वपूर्ण योगदान दिया, यह सुनिश्चित करते हुए कि वे कुशल और बहुमुखी थे। बुसिकॉम का प्रतिनिधित्व करते हुए, मासातोशी शिमा ने महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया प्रदान की, एक कैलकुलेटर की व्यावहारिक मांगों को पूरा करने के लिए डिज़ाइन का मार्गदर्शन किया, जबकि महत्वाकांक्षी सामान्य-उद्देश्य दर्शन को बनाए रखा। इस सहयोगात्मक प्रयास ने दुनिया के पहले माइक्रोप्रोसेसर की वैचारिक नींव रखी। "स्टेनली मेज़र ने प्रस्तावित इंस्ट्रक्शनों की सूची पर एक पेन से टैप किया। "हमारे 'सिंगल ब्रेन' के लिए, ये बुनियादी अंकगणितीय और तार्किक ऑपरेशन आवश्यक हैं। हमें लोड, स्टोर, ऐड, सबट्रैक्ट और कंडीशनल जंप्स की आवश्यकता है। दक्षता सर्वोपरि है।" मासातोशी शिमा ने स्पेसिफिकेशन्स की समीक्षा करते हुए पुष्टि की, "बुसिकॉम एक सौ इकतालीस-पीएफ को बीसीडी अंकगणित और मजबूत आई/ओ हैंडलिंग की आवश्यकता है। आपका इंस्ट्रक्शन सेट मुख्य जरूरतों को पूरा करता हुआ प्रतीत होता है, लेकिन इसे चिप पर भौतिक रूप से कैसे लागू किया जाएगा? यह एक जबरदस्त चुनौती है।" टेड हॉफ ने सिर हिलाते हुए जवाब दिया, "यहीं पर नवाचार का अगला स्तर आना चाहिए। आर्किटेक्चर सही है; अब, इंजीनियरिंग निष्पादन।"

अवधारणात्मक वास्तुकला दूरदर्शी थी, लेकिन इसकी भौतिक प्राप्ति ने भारी तकनीकी बाधाएँ खड़ी कीं। एक ही चिप पर एक सामान्य-उद्देश्य वाले प्रोसेसर के लिए आवश्यक ट्रांजिस्टर की भारी संख्या मौजूदा निर्माण विधियों के साथ असंभव लग रही थी। यह सफलता फेडेरिको फागिन के साथ मिली, जो एक इतालवी इंजीनियर थे और इंटेल में शामिल हुए थे। फागिन ने फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर में सिलिकॉन गेट टेक्नोलॉजी (एसजीटी) का बीड़ा उठाया था, एक क्रांतिकारी प्रक्रिया जिसने बहुत छोटे, तेज़ और अधिक बिजली-कुशल ट्रांजिस्टर की अनुमति दी थी। वह इंटेल में एकमात्र इंजीनियर थे जिनके पास हॉफ के महत्वाकांक्षी विचारों को एक विनिर्माण योग्य सिलिकॉन वास्तविकता में बदलने की विशेषज्ञता थी। "फेडेरिको फागिन, गहरे घुंघराले बालों और करीने से कटी दाढ़ी वाले एक केंद्रित और ऊर्जावान इंजीनियर ने टेड हॉफ से कहा, "मैंने जिस सिलिकॉन गेट टेक्नोलॉजी को परिष्कृत किया है, वह महत्वपूर्ण होगी। यह स्व-संरेखित गेट्स की अनुमति देती है, परजीवी कैपेसिटेंस को काफी कम करती है और उच्च पैकिंग घनत्व को सक्षम करती है। इस तरह हम ट्रांजिस्टर की संख्या को उन सीमाओं से आगे बढ़ा सकते हैं जो आपने देखी हैं।" टेड हॉफ, समझ से आँखें चौड़ी किए हुए, ने उत्तर दिया, "फेडेरिको, हमें बिल्कुल यही चाहिए! मेरा स्थापत्य डिज़ाइन, आपकी प्रक्रिया निपुणता के साथ मिलकर, वास्तव में हमारा 'एकल मस्तिष्क' उत्पन्न कर सकता है।" फागिन ने निष्कर्ष निकाला, "यह चुनौतीपूर्ण होगा, लेकिन क्षमता बहुत अधिक है। हम एक चिप पर एक पूरी तरह कार्यात्मक सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट बना सकते हैं।"

आर्किटेक्चर और फैब्रिकेशन के इस संगम से जन्मा इंटेल चार हज़ार चार, एक बारह वर्ग मिलीमीटर डाई पर दो हज़ार तीन सौ ट्रांजिस्टर को एकीकृत करता था। इसके मुख्य तंत्र में गणना के लिए एक अंकगणितीय तर्क इकाई (ए एल यू) के साथ एक छोटा सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (सी पी यू), अस्थायी डेटा स्टोरेज के लिए रजिस्टर और निर्देशों को लाने और डिकोड करने के लिए एक कंट्रोल यूनिट शामिल थी। डेटा एक चार-बिट बस के माध्यम से प्रवाहित होता था, जो बाहरी मेमोरी में संग्रहीत कमांड को निष्पादित करता था। इस क्रांतिकारी चिप ने प्रति सेकंड साठ हज़ार ऑपरेशन किए, एक ऐसा कारनामा जिसके लिए पहले समर्पित लॉजिक के रैक की आवश्यकता होती थी। "फेडेरिको फागिन ने इंटेल चार हज़ार चार की आंतरिक वास्तुकला के एक विस्तृत आरेख की ओर इशारा किया। "यहाँ, चार हज़ार चार का तंत्र स्पष्ट है। प्रोग्राम काउंटर यह तय करता है कि मेमोरी से कौन सा निर्देश लाया जाए। इंस्ट्रक्शन डिकोडर फिर उस कमांड की व्याख्या करता है, ए एल यू को इन रजिस्टरों में रखे डेटा पर ऑपरेशन करने का निर्देश देता है।" स्टेनली मेज़र ने आरेख की जाँच करते हुए टिप्पणी की, "तो, कंट्रोल यूनिट सब कुछ व्यवस्थित करती है - निर्देश लाना, गणना करना, डेटा प्रवाह का प्रबंधन करना। यह वास्तव में एक लघु कंप्यूटर कोर है।" फागिन ने पुष्टि की, "बिल्कुल। यह एकल चिप अब जटिल लॉजिक को निष्पादित करती है जिसके लिए कभी एक दर्जन विशेष घटकों की आवश्यकता होती थी।"

नवंबर उन्नीस सौ इकहत्तर में, इंटेल चार हज़ार चार को आधिकारिक तौर पर दुनिया के सामने घोषित किया गया। यह एक मामूली, चार-बिट का उपकरण था, जिसका मुख्य उद्देश्य कैलकुलेटर के लिए था, फिर भी इसके निहितार्थ गहरे थे। यह 'एक चिप पर कंप्यूटर' की प्राप्ति थी, एक ऐसा एकल उपकरण जो सामान्य-उद्देश्यीय गणना करने में सक्षम था। अनगिनत विशेष एकीकृत परिपथों को डिज़ाइन करने की समस्या, जिसे टेड हॉफ ने वर्षों पहले पहचाना था, को उसका सुरुचिपूर्ण समाधान मिल गया था। इस छोटे से सिलिकॉन आयत ने माइक्रोप्रोसेसर युग की शुरुआत को चिह्नित किया। "रॉबर्ट नोयस ने, एक छोटी इंटेल चार हज़ार चार चिप को पकड़े हुए, एक छोटे, एकत्रित प्रेस समूह और इंटेल इंजीनियरों से घोषणा की, "यह दुनिया का पहला माइक्रोप्रोसेसर है, इंटेल चार हज़ार चार। टेड हॉफ, क्या आपको वर्षों पहले का अपना दृष्टिकोण याद है? विशेष चिप्स के प्रसार को संबोधित करने के लिए आपकी 'एकल मस्तिष्क' अवधारणा?" टेड हॉफ ने, एक गर्व भरी मुस्कान के साथ जवाब दिया, "वास्तव में, रॉबर्ट। यह चिप, जिसे फेडेरिको और टीम ने सावधानीपूर्वक इंजीनियर किया है, वह सार्वभौमिक घटक है। यह हमारे इस विश्वास को पुष्ट करता है कि सॉफ्टवेयर-परिभाषित तर्क हार्डवायर्ड कठोरता को प्रतिस्थापित कर सकता है, जिसकी शुरुआत बसिकॉम के कैलकुलेटर से हुई और जो बहुत आगे तक फैली।" फेडेरिको फागिन ने आगे कहा, "यह सिर्फ एक कैलकुलेटर चिप नहीं है; यह सभी इलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य के लिए एक खाका है।"

इंटेल चार हज़ार चार तेज़ी से विकसित हुआ। इसके उत्तराधिकारी, आठ हज़ार आठ और फिर अभूतपूर्व आठ हज़ार अस्सी ने, प्रोसेसिंग शक्ति को तेज़ी से बढ़ाया और बिट चौड़ाई का विस्तार किया, कैलकुलेटर से आगे बढ़कर टर्मिनल, औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली और अंततः, नवजात व्यक्तिगत कंप्यूटर बाज़ार में प्रवेश किया। इस तीव्र विकास ने माइक्रोप्रोसेसर की क्षमता को प्रमाणित किया, जिससे पूरी तरह से नए उद्योग बने और मौजूदा उद्योगों में परिवर्तन आया। विविध अनुप्रयोगों के लिए एक ही चिप को प्रोग्राम करने की क्षमता ने नवाचार में विस्फोट को बढ़ावा दिया। "गॉर्डन मूर ने, इंटेल आठ हज़ार अस्सी चिप के एक नए प्रोटोटाइप का अवलोकन करते हुए, विचार किया, "घातीय वृद्धि आश्चर्यजनक है। एक साधारण कैलकुलेटर से, हम एक ऐसी चिप तक पहुँच गए हैं जो शुरुआती कंप्यूटिंग सिस्टम चलाने में सक्षम है। यह केवल एक उपकरण नहीं है; यह एक प्रवर्तक है।" रॉबर्ट नोयस ने आगे कहा, "माइक्रोप्रोसेसर की लचीलापन का मतलब है कि यह उन चुनौतियों के अनुकूल हो सकता है जिनकी हमने अभी तक कल्पना भी नहीं की है। औद्योगिक स्वचालन, संचार प्रणाली और जल्द ही, व्यक्तिगत कंप्यूटिंग सभी को बहुत लाभ होगा।" फेडेरिको फागिन ने, एक जटिल सर्किट बोर्ड का परीक्षण करते हुए, टिप्पणी की, "प्रत्येक पीढ़ी घटकों को छोटा करती है, गति बढ़ाती है और बिजली की खपत कम करती है। मौलिक वास्तुकला बनी रहती है, लेकिन जो संभव है उसका पैमाना प्रतिदिन बढ़ता है।"

माइक्रोप्रोसेसर का प्रभाव अतुलनीय है। कैलकुलेटर में अपनी विनम्र शुरुआत से, यह वस्तुतः हर इलेक्ट्रॉनिक उपकरण का 'मस्तिष्क' बन गया, जिसने समाज को गहराई से नया आकार दिया। इसने पर्सनल कंप्यूटर क्रांति, इंटरनेट और मोबाइल संचार को शक्ति प्रदान की, जिससे सूचना और प्रसंस्करण शक्ति तक पहुंच का लोकतंत्रीकरण हुआ। आज, अरबों माइक्रोप्रोसेसर कारों, चिकित्सा उपकरणों, उपकरणों और स्मार्ट बुनियादी ढांचे में अदृश्य रूप से काम करते हैं, जो उस दृष्टि का प्रमाण है जिसने विशेष तर्क को एक सार्वभौमिक, प्रोग्रामेबल कोर में बदल दिया।