Microprocessor

Bin dokuz yüz altmışların sonlarında, bilgisayar bilimi zorlu bir meydan okumayla karşı karşıyaydı: her karmaşık elektronik fonksiyon, özel olarak tasarlanmış entegre bir devre gerektiriyordu. Bu durum, mütevazı cihazlar için bile geniş dizilerde özelleşmiş çipler anlamına geliyordu ve karmaşıklığı ile maliyeti katlanarak artırıyordu. Mühendisler, esnek olmayan, sabit kablolu mantığın sınırlamalarıyla boğuşuyor, bu da elektroniğin minyatürleşmesini ve çok yönlülüğünü engelliyordu. Gerçekten programlanabilir, evrensel bir işlem birimi vizyonu, uzak, teorik bir hedef olarak kalmaya devam ediyordu.

Değişim için acil katalizör Japonya'dan geldi: Bir hesap makinesi üreticisi olan Busicom, yeni masaüstü modelleri için gelişmiş bir özel çip seti talep etti. İlk tasarımları, her biri farklı bir matematiksel veya kontrol işlevi için programlanmış on iki ayrı entegre devre gerektiriyordu. Bu yaklaşım, geleneksel olmasına rağmen, tek bir ürün için ekonomik ve pratik olarak uygulanabilir olanın sınırlarını zorlayan şaşırtıcı bir tasarım ve üretim yükü oluşturuyordu. Ted Hoff, yoğun bir şemayı havaya kaldırarak Masatoshi Shima'ya, "Masatoshi, bu ölçeklenebilir değil! Tek bir hesap makinesi için on iki özel çip tasarlamak, her yeni ürün varyantı için son derece karmaşık ve maliyetli. Temelde farklı bir şeye ihtiyacımız var," diye haykırdı. Koyu saçlı ve gözlüklü titiz bir mühendis olan Masatoshi Shima, "Ama Bay Hoff, tüm mantık böyle inşa edilir. Busicom yüz kırk bir-PF için özel aritmetik, bellek ve giriş-çıkış işlevlerine ihtiyacımız var," diye yanıtladı. Hoff, "Peki ya on iki özel bileşen yerine, tek, evrensel bir cihaz yapabilseydik? Herhangi bir göreve uyum sağlayabilecek programlanabilir bir 'beyin'?" diye karşılık verdi.

Bin dokuz yüz yetmiş yılından önce, entegre devre teknolojisi, birden fazla transistörün tek bir silikon çip üzerinde birleştirilmesine olanak tanıyarak bellek kayıtları veya basit mantık kapıları gibi işlevsel bloklar oluşturuyordu. Ancak bu devreler 'sabit işlevli' kalıyordu; yani çalışma şekilleri fiziksel düzenlerine donanımsal olarak yerleştirilmişti. İstenen işlevsellikteki herhangi bir değişiklik, tamamen yeni bir çip tasarımı ve üretim süreci gerektiriyordu ki bu, küçük ayarlamalar için bile zahmetli ve pahalı bir girişimdi. "Robert Noyce pencereden dışarı bakarak, "Ralph Waldo Emerson'ın bir zamanlar dediği gibi, 'Her eylemin atası bir düşüncedir.' Bizim şu anki düşüncemiz, bu devreleri nasıl inşa ettiğimize dair radikal bir yeniden düşünme olmalı, aksi takdirde, uzmanlaşmış tasarımlar denizinde boğulacağız," dedi. Gordon Moore, gözlüğünü ayarlayarak ekledi, "Gerçekten de. Mevcut entegre devreler harikalar, ancak doğuştan gelen katılıkları bizim darboğazımız. Her mantık değişikliği fiziksel bir yeniden tasarım gerektiriyor, bu da muazzam kaynakları ve zamanı tüketen bir süreç." Ted Hoff başını salladı, "Kesinlikle. Donanım yerine yazılımın amacını tanımlamasına izin veren, belirli işlevi soyutlayan bir bileşene ihtiyacımız var.""

Intel'in genç ama zeki mühendisi Ted Hoff, acil sorunun ötesini gördü. Sabit işlev paradigmasından radikal bir ayrılık tasavvur etti: bellekten talimatları yürüterek çeşitli görevleri yerine getirebilecek tek, programlanabilir bir çip. Bu kavramsal sıçrama – zekayı özel donanımdan esnek yazılıma taşımak – tasarımı basitleştirecek, maliyetleri düşürecek ve benzeri görülmemiş bir çok yönlülüğün kilidini açacaktı. Elektronikleri temelden yeniden şekillendirmeyi vaat eden bir fikirdi. "Ted Hoff bir not defterine hararetle çizim yaparken Stanley Mazor'a şöyle açıkladı: "Hayal et Stanley, tek bir çip üzerinde bir merkezi işlem birimi – bir CPU. Hesap makinesi işlevlerini donanımsal olarak bağlamak yerine, basit bir talimat seti sağlıyoruz. Hesap makinesinin mantığı, CPU'muzun yürüttüğü, bellekte bulunan bir program haline geliyor." Düzgün koyu saçlı, keskin hatlara sahip bir mühendis olan Stanley Mazor, çizimi dikkatle incelerken daha da yaklaştı. "Genel amaçlı bir cihaz mı? Bu iddialı, Ted. Tüm bu işlevleri tek bir silikon parçasına entegre etmenin karmaşıklığı... göz korkutucu. Bunu nasıl yeterince kompakt hale getireceğiz?""

Hoff'un konsepti yeni bir mimari gerektiriyordu: çeşitli hesaplama görevlerini yerine getirebilecek basit ama güçlü bir komut setini tanımlamak. Stanley Mazor, bu komutların verimli ve çok yönlü olmasını sağlayarak, onların iyileştirilmesine önemli katkılarda bulundu. Busicom'u temsil eden Masatoshi Shima, eleştirel geri bildirimler sağlayarak, iddialı genel amaçlı felsefeyi korurken, tasarımı bir hesap makinesinin pratik taleplerini karşılayacak şekilde yönlendirdi. Bu işbirliği, dünyanın ilk mikroişlemcisinin kavramsal temelini attı. "Stanley Mazor, önerilen komutların listesine bir kalemle vurdu. "Tek beynimiz için bu temel aritmetik ve mantıksal işlemler çok önemli. Yükleme, depolama, toplama, çıkarma ve koşullu atlamalara ihtiyacımız var. Verimlilik her şeyden önemli." Özellikleri inceleyen Masatoshi Shima, "Busicom yüz kırk bir-PF, BCD aritmetiği ve sağlam G/Ç işlemeyi gerektiriyor. Komut setiniz temel ihtiyaçları karşılıyor gibi görünüyor, ancak çip üzerinde fiziksel olarak nasıl uygulanacak? İşte asıl zorluk bu." Ted Hoff başını sallayarak yanıtladı, "İşte yeniliğin bir sonraki seviyesinin gelmesi gereken yer burası. Mimari sağlam; şimdi mühendislik uygulaması.""

Kavramsal mimari vizyonerdi ancak fiziksel gerçekleşmesi devasa teknik engeller çıkardı. Tek bir çip üzerinde genel amaçlı bir işlemci için gereken transistör sayısı, mevcut üretim yöntemleriyle imkansız görünüyordu. Atılım, Intel'e katılan İtalyan mühendis Federico Faggin ile geldi. Faggin, Fairchild Semiconductor'da, çok daha küçük, daha hızlı ve daha güç verimli transistörlere olanak tanıyan devrim niteliğinde bir süreç olan Silikon Kapı Teknolojisi'ne (SGT) öncülük etmişti. Intel'de Hoff'un iddialı fikirlerini üretilebilir bir silikon gerçeğe dönüştürecek uzmanlığa sahip tek mühendisti. "Koyu kıvırcık saçlı ve düzgün kesilmiş sakallı, odaklanmış ve enerjik bir mühendis olan Federico Faggin, Ted Hoff'a şunları söyledi: "Geliştirdiğim silikon kapı teknolojisi çok önemli olacak. Kendi kendini hizalayan kapılara izin veriyor, parazitik kapasitansı önemli ölçüde azaltıyor ve daha yüksek paketleme yoğunluğu sağlıyor. Transistör sayısını gördüğünüz sınırların ötesine bu şekilde taşıyacağız." Gözleri anlayışla açılan Ted Hoff, "Federico, tam da ihtiyacımız olan şey bu! Benim mimari tasarımım, sizin süreç ustalığınızla birleştiğinde, gerçekten de 'tek beynimizi' ortaya çıkarabilir," diye yanıtladı. Faggin sözlerini şöyle tamamladı: "Zorlu olacak ama potansiyel çok büyük. Tek bir çip üzerinde tam işlevli bir merkezi işlem birimi inşa edebiliriz.""

Mimari ve üretimdeki bu birleşmeden doğan Intel dört bin dört, iki bin üç yüz transistörü on iki milimetrekarelik bir kalıba entegre etti. Temel mekanizması, hesaplamalar için bir Aritmetik Mantık Birimi (ALU), geçici veri depolama için yazmaçlar ve talimatları getirmek ve kodunu çözmek için bir kontrol birimi içeren küçük bir Merkezi İşlem Birimi (CPU) içeriyordu. Veriler, harici bellekte depolanan komutları yürüten dört bitlik bir veri yolu aracılığıyla akıyordu. Bu devrim niteliğindeki çip, daha önce raflar dolusu özel mantık gerektiren saniyede altmış bin işlem gerçekleştiriyordu. Federico Faggin, Intel dört bin dördün dahili mimarisinin ayrıntılı bir diyagramını işaret etti. "Burada, dört bin dördün mekanizması açık. Program Sayacı, hangi talimatın bellekten alınacağını belirliyor. Talimat Kod Çözücü daha sonra bu komutu yorumluyor ve ALU'yu bu yazmaçlarda tutulan veriler üzerinde işlemler yapmaya yönlendiriyor." Diyagramı inceleyen Stanley Mazor, "Yani, kontrol birimi her şeyi düzenliyor; talimatları getiriyor, hesaplamalar yapıyor, veri akışını yönetiyor. Gerçekten de minyatür bir bilgisayar çekirdeği," diye belirtti. Faggin, "Kesinlikle. Bu tek çip, bir zamanlar bir düzine özel bileşen gerektiren karmaşık mantığı şimdi yürütüyor," diye onayladı.

Kasım bin dokuz yüz yetmiş bir'de, Intel dört bin dört dünyaya resmen duyuruldu. Hesap makineleri için tasarlanmış mütevazı, dört bitlik bir cihazdı, ancak etkileri derindi. Bu, "çip üzerinde bir bilgisayar"ın, yani genel amaçlı hesaplama yapabilen tek bir cihazın gerçekleşmesiydi. Ted Hoff'un yıllar önce tespit ettiği sayısız özel entegre devre tasarlama sorunu, zarif çözümünü bulmuştu. Bu minik silikon dikdörtgen, mikroişlemci çağının şafağını işaret ediyordu. "Robert Noyce, küçük bir Intel dört bin dört çipini havaya kaldırarak, toplanmış küçük bir basın grubuna ve Intel mühendislerine şöyle seslendi: "İşte dünyanın ilk mikroişlemcisi, Intel dört bin dört. Ted Hoff, yıllar önceki vizyonunuzu hatırlıyor musunuz? Uzmanlaşmış çiplerin çoğalmasını ele almak için 'tek beyin' konseptinizi?" Ted Hoff, gururlu bir gülümsemeyle yanıtladı: "Gerçekten de, Robert. Federico ve ekip tarafından titizlikle tasarlanan bu çip, o evrensel bileşen. Busicom'un hesap makinesiyle başlayıp çok daha ötesine genişleyerek, yazılım tanımlı mantığın donanım sertliğini aşabileceğine olan inancımızı doğruluyor." Federico Faggin ekledi: "Bu sadece bir hesap makinesi çipi değil; tüm elektroniklerin geleceği için bir taslak.""

Intel dört bin dört hızla gelişti. Onun ardılları, sekiz bin sekiz ve ardından çığır açan sekiz bin seksen, işlem gücünü hızla artırdı ve bit genişliğini genişleterek hesap makinelerinin ötesine terminallere, endüstriyel kontrol sistemlerine ve sonunda yeni gelişen kişisel bilgisayar pazarına geçti. Bu hızlı evrim, mikroişlemcinin potansiyelini doğruladı, tamamen yeni endüstriler yarattı ve mevcut olanları dönüştürdü. Tek bir çipi çeşitli uygulamalar için programlayabilme yeteneği, bir yenilik patlamasını körükledi. Gordon Moore, Intel sekiz bin seksen çipinin yeni bir prototipini gözlemleyerek şöyle düşündü: "Üstel büyüme şaşırtıcı. Basit bir hesap makinesinden, erken bilgisayar sistemlerini çalıştırabilen bir çipe geçtik. Bu bir cihazdan daha fazlası; bu bir etkinleştirici." Robert Noyce ekledi: "Mikroişlemcinin esnekliği, henüz tasavvur etmediğimiz zorluklara uyum sağlayabileceği anlamına geliyor. Endüstriyel otomasyon, iletişim sistemleri ve yakında kişisel bilgisayarların hepsi muazzam fayda sağlayacak." Federico Faggin, karmaşık bir devre kartını incelerken şunları kaydetti: "Her nesil bileşenleri küçültüyor, hızı artırıyor ve güç tüketimini azaltıyor. Temel mimari kalıyor, ancak mümkün olanın ölçeği her gün genişliyor."

Mikroişlemcinin etkisi ölçülemez. Bir hesap makinesindeki mütevazı başlangıcından itibaren, neredeyse her elektronik cihazın "beyni" haline geldi ve toplumu derinden yeniden şekillendirdi. Kişisel bilgisayar devrimini, interneti ve mobil iletişimi güçlendirerek bilgiye ve işlem gücüne erişimi demokratikleştirdi. Bugün, milyarlarca mikroişlemci arabalarda, tıbbi cihazlarda, ev aletlerinde ve akıllı altyapıda görünmeden çalışıyor; bu, özel mantığı evrensel, programlanabilir bir çekirdeğe dönüştüren vizyonun bir kanıtıdır.