364: 4004 - המיקרו-מעבד ששינה את העולם [עושים היסטוריה]

364: 4004 - המיקרו-מעבד ששינה את העולם [עושים היסטוריה]

ב-1970 הצטרף מהנדס אלקטרוניקה צעיר בשם פדריקו פאגין לסטארט-אפ קטן בשם אינטל, וכמעט מיד גילה שהפרויקט פורץ הדרך שהוא אמון עליו מאחר בחצי שנה, ושאין אף אחד באינטל שיכול לעזור לו. זו הייתה נקודת פתיחה גרועה במיוחד, אבל פאגין עתיר המוטיבציה שינס מותניים, וניגש לפתח את ה-4004, המיקרו מעבד הראשון בהיסטוריה.
איך עובד מעבד? מהם תתי-הרכיבים המסתתרים מתחת לכיסוי הפלסטיק, ומהם השיפורים ההדרגתיים שהפכו את המעבדים למכונות אלקטרוניות רבות עוצמה?

האזנה נעימה,
רן.

364: 4004 - המיקרו-מעבד ששינה את העולם [עושים היסטוריה]
00:00 / 01:04
  • Facebook
  • Twitter
  • Instagram
הרשמה לרשימת תפוצה בדוא"ל | אפליקציית עושים היסטוריה (אנדרואיד) | iTunes

פרק 364: 4004 - המיקרו-מעבד ששינה את העולם


השנה הייתה 1970, והיום הראשון של פדריקו פאגין (Faggin) במקום העבודה החדש שלו לא היה מוצלח במיוחד, בלשון המעטה.


פאגין נולד וגדל באיטליה, שם למד אלקטרוניקה והשתלב בתעשיית ההיי-טק המקומית. המהנדס הצעיר והמוכשר פיתח את המחשב הראשון שלו כבר כשהיה בן 19: מחשב אקספרימנטלי שפאגין תיאר בזיכרונותיו כ"מחשב קטן". "קטן", בעולם האלקטרוניקה של שנות השישים, היה כנראה עניין יחסי: המחשב שפיתח פאגין הכיל לא פחות ממאתיים כרטיסים אלקטרוניים…

פאגין עשה דוקטורט בפיזיקה, עבר לארצות הברית והשתלב במחלקת המחקר והפיתוח של חברת Fairchild - אחת מענקיות הטכנולוגיה של עמק הסיליקון. אבל ב-1968 התחוללה מעין 'רעידת אדמה' בפיירצ'יילד: בוב נויס (Noyce) וגורדון מור (Moore), שניים ממייסדיה של פיירצ'יילד, עזבו אותה כדי להקים סטארט-אפ חדש. זמן קצר לאחר מכן הצטרפו אליהם שני בכירים נוספים של פיירצ'יילד: אנדי גרוב (Grove) ולסלי ואדז (Vadasz), שהיה גם מנהלו הישיר של פ דריקו פאגין. העזיבה הפתאומית של ארבעת הבכירים טלטלה את פיירצ'יילד, שמהנדסים נוספים החלו נוטשים אותה לטובת חברות צעירות אחרות בעמק הסיליקון.


פאגין היה מתוסכל. הוא היה צעיר נלהב ושאפתן שרצה להטביע את חותמו על עולם האלקטרוניקה הצעיר, אבל פיירצ'יילד - אולי בגלל בריחת המוחות הפתאומית, או אולי מעצם היותה חברה גדולה ומסורבלת - לא התקדמה מהר מספיק לטעמו. פאגין החליט לעזוב את פיירצ'יילד, ועד מהרה מצא את עצמו יושב במשרדו החדש של הבוס הישן שלו, לסלי ואדֵז, בחברה הצעירה והצומחת שהקים יעד עם נויס, מור וגרוב: אינטל. ואדז שמח מאוד לקבל לשורותיו את פאגין המוכשר - אבל לא היה מוכן לגלות לו על מה יעבוד המהנדס האיטלקי לכשיצטרף לאינטל. הוא רק הבטיח לו שזה יהיה סופר-מעניין, ויספק את כל שאיפותיו וסקרנותו.

רק ביומו הראשון באינטל, גילה פאגין את פשר העמימות המכוונת של ואדֵז.


הפרויקט לשמו גויס היה תיכנונו וייצורו של מעבד עבור מחשבונים אלקטרוניים, שאינטל פיתחה עבור חברה יפנית שפעלה תחת המותג 'ביזיקום' (Busicom). המעבד המדובר כלל ארבעה שבבים שונים, שכונו יחד 'סדרת 4000'. שלושה מתוך ארבעת השבבים - 4001, 4002 ו-4003 - היו פשוטים יחסית, דומים למדי לדברים שפאגין כבר עבד עליהם בעבר בפיירצ'יילד. אבל השבב הרביעי, ה- 4004 - היה משהו אחר לגמרי. זה היה רכיב חדש לחלוטין, שהמורכבות שלו הייתה בסדרי גודל יותר מכל דבר שפאגין הצעיר הכיר קודם לכן.


פאגין עזב את פרצ'יילד כדי לחפש פרויקט שאפתני ומאתגר - והוא בהחלט מצא אותו. אבל זו לא הייתה הבעיה. הבעיה הייתה זמן. או ליתר דיוק - חוסר בזמן.


"כשראיתי את הלו"ז שהובטח לביזיקום - הלסת שלי נשמטה. היו לי פחות משישה חודשים לתכנן ארבעה שבבים, שאחד מהם [...] היה על הגבול של מה שהיה בכלל אפשרי [בטכנולוגיה הקיימת]. אף אחד לא פיתח מעולם שבב כה מורכב. [ו]לא היה אף אחד איתי בצוות שיסייע לי."


פאגין בקושי הספיק להתאושש מהחדשות שקיבל, כשאורח חשוב במיוחד הגיע לבקר לאינטל: מאסאטושי שימה (Shima), מהנדס אלקטרוניקה שהיה נציגה של ביזיקום באינטל. שימה הגיע במיוחד מיפן כדי לבחון את התקדמות הפרויקט, ופאגין הטירון היה זה שנאלץ לבשר לו את החדשות הרעות.


"שימה רתח מזעם כשגילה שלא נעשתה כל עבודה [על הפרויקט] בחמשת החודשים האחרונים, וכל כך כעס עלי - מנהל הפרויקט - עד שהוא קילל אותי ממש. לא הצלחתי לשכנע אותו שאני, שבסך הכל הצטרפתי לאינטל לפני מספר ימים, לא יכולתי לעשות את העבודה שהוא ציפה לה. הוא אמר - 'הגעתי לכאן כדי לבחון את ההתקדמות, אבל אין מה לבדוק!... '


נדרשו לפאגין עוד מספר ימים לפייס את שימה העצבני ולהרגיע אותו. שימה הסכים להצטרף לפאגין, ושני המהנדסים החלו לעבוד יחד על ארבעת השבבים החדשים, וביניהם גם על ה- 4004, המיקרו מעבד שעתיד לשנות את העולם.

--

אולי תופתעו לשמוע שכשאינטל באה לעולם, מייסדיה לא התכוונו שהיא תפתח ותייצר מעבדים.


ב-1947 בא לעולם הטרנזיסטור הראשון, פרי עבודתם של ג'ון בארדין, וולטר ברטיין ו-ויליאם שוקלי, שחלקו ביניהם פרס נובל על המצאה זו. טרנזיסטור הוא רכיב חשמלי שמתפקד כמעין 'ברז': הוא מאפשר או מונע מזרם חשמלי לעבור דרכו, והוא עושה זאת במהירות וביעילות גבוהה פי כמה וכמה מכל רכיב אלקטרוני דומה שבא לפניו. מכיוון שכך, עד מהרה הטרנזיסטור מצא את מקומו בעולם האלקטרוניקה הצומח של שנות החמישים והשישים לצד הרכיבים הוותיקים והמוכרים יותר: נגדים, קבלים וסלילים.


בפרט, הטרנזיסטור הפך להיות אבן הבניין הראשית של מעבד המחשב, ה CPU (Central Processing Unit), שהוא בעצמו הרכיב המרכזי בכל מערכת מחשב.


תפקידו העיקרי של המעבד הוא לקרוא מידע המאוחסן בזיכרון, לבצע על המידע הזה פעולות שונות - ואז לכתוב את תוצאת החישוב בחזרה לזכרון. יש מגוון גדול של פעולות שהמעבד יכול לבצע על מידע: מפעולות פשוטות כמו חיבור וחיסור של שני מספרים, ועד פעולות מורכבות יותר כגון השוואה בין מספרים, העתקה של מידע מתא זיכרון אחד לאחר וכדומה. כל הפעולות האלה ממומשות, בפועל, באמצעות המוני טרנזיסטורים שמעבירים ביניהם אותות חשמליים - וככל שפעולה מורכבת יותר, כך נדרשים יותר טרנזיסטורים כדי לממש אותה. בשנות החמישים, מעבד בסיסי כלל מאות טרנזיסטורים כאלה - וזו הסיבה שאפילו מחשב פשוט יחסית דרש עשרות ומאות לוחות אלקטרוניים שעליהם היו מולחמים הטרנזיסטורים האלה. אין פלא, אם כן, שהמחשבים המוקדמים תפסו נפח של אולמות שלמים, ועלו מיליוני דולרים.


ב-1958 חלה התקדמות טכנולוגית חשובה: שג'ק קילבי (Kilby) - מהנדס צעיר בחברת Texas Instruments - הדגים בפעם הראשונה טכנולוגיה בשם 'מעגל משולב' (IC, Integrated Circuit), שאיפשרה למזער כמה וכמה טרנזיסטורים ולהכניס אותם לתוך מה שאנחנו מכירים כיום בתור 'שבב' (Chip): מארז פלסטיק קטן עם רגליים מתכתיות ודקיקות. במילים אחרות, המעגל המשולב איפשר להחליף כמה עשרות טרנזיסטורים שתפסו הרבה שטח על הלוח האלקטרוני - בשבב אחד קטן יחסית, ובכך למזער את גודלו של המחשב הממוצע.


אבל בתקופה בה מתרחש סיפורנו, סוף שנות השישים של המאה העשרים, מעגלים משולבים היו עדיין טכנולוגיה חדשה ובוסרית יחסית. כל שבב יכול היה להכיל רק כמה עשרות טרנזיסטורים, בעוד שאפילו מעבד בסיסי, כאמור, דרש לפחות כמה מאות טרנזיסטורים. מכיוון שכך, מחשבים עדיין כללו עשרות רבות של לוחות אלקטרוניים, וזה אומר שפיתוחו של מחשב - ועל אחת כמה וכמה מחשב בעל מעבד עוצמתי, שמסוגל לבצע מגוון גדול של פעולות מתוחכמות - היה סיפור מורכב מאוד, שדרש מיומנות הנדסית גבוהה ויכולות ייצור מתקדמות למדי. היו חברות גדולות ומבוססות כדוגמת פיירצ'יילד ו-TI שפיתחו מעבדים שכאלה - אבל מייסדיה של אינטל, שהייתה בסך הכל סטארט-אפ קטן וצנוע יחסית, החליטו להמר על יישום צנוע וקצת פחות שאפתני של טכנולוגיית המעגל המשולב: זכרונות.


זיכרון של מחשב הוא, עקרונית, עניין פשוט יותר ממעבד. מדוע?


במעבד יש המון מעגלים אלקטרוניים שכל אחד מהם שונה זה מזה - למשל, המעגל שמממש פעולת 'חיבור' יהיה שונה מהמעגל שמממש פעולת 'כפל'. אם נדמה את המעבד לרהיט כמו ארון, למשל, אזי מדובר בארון משוכלל ומתוחכם מאוד: עשרות סוגים שונים של מדפים, דלתות ומגירות בגדלים שונים ומשונים, ואולי גם קישוטים, פיתוחים ומנעולים מכל סוג ומין. מטבע הדברים, ארון כל כך מיוחד יהיה גם די קשה לתכנון וליצור.


בזיכרון, לעומת זאת, המצב שונה בתכלית: זיכרון טיפוסי מורכב מהמון תאים זהים, שכל אחד מהם מסוגל לאחסן בתוכו פיסת מידע זעירה: ביט בודד. הדגש כאן הוא על המילה 'זהים': אם זיכרון היה ארון, אז הוא היה ארון שעשוי מהמוני מגירות קטנות שכולן דומות זו לזו - וברור שקל יותר לבנות ארון כזה, מאשר הארון המשוכלל והמורכב שהוא המעבד… זו הסיבה שאינטל בחרה בזיכרונות מחשב כמוצר הדגל שלה.


והייתה סיבה נוספת לבחירה הזו: אינטל קיוותה לעשות שימוש בטכנולוגיה חדשה נוספת, שהייתה עשויה להפוך את תכנון ויצור הזכרונות למשתלם אפילו עוד יותר.

--

עד אז, רוב הטרנזיסטורים יוצרו בטכנולוגיה המכונה 'טרנזיסטור ביפולרי' (Bipolar Junction Transistor). טרנזיסטורים ביפולריים היו מהירים - דהיינו, ניתן היה לפתוח ולסגור את ה'ברז' ששולט על מעבר הזרם החשמלי במהירות גבוהה - אבל הם היו גדולים יחסית ומורכבים לייצור, ומכאן שכל שבב יכול היה להכיל רק כמות מוגבלת יחסית של טרנזיסטורים שכאלה.


בסוף שנות החמישים פותחה טכנולוגיה חדשה ליצור טרנזיסטורים בשם MOS, קיצור של Metal Oxide Semiconductor. טרנזיסטורי MOS היו איטיים יותר ויקרים יותר לייצור מאשר הטרנזיסטורים הביפולריים - אבל מצד שני, הם גם היו קטנים יותר מהם במידה משמעותית: ניתן היה להכניס פי עשר יותר טרנזיסטורי MOS לתוך שבב בודד, מאשר טרנזיסטורים ביפולריים. זו הסיבה שרבים בעולם האלקטרוניקה ראו בטרנזיסטורי MOS הבטחה גדולה לעתיד: ניתן יהיה "לדחוס" הרבה יותר טרנזיסטורים לתוך שבב בודד, וכך לממש בעזרתם מעגלים אלקטרוניים מורכבים ומתוחכמים יותר מכפי שאיפשרו טרנזיסטורים ביפולריים.


גם פדריקו פאגין היה מתומכיה הגדולים של טכנולוגיית ה MOS: כשעבד בפיירצ'יילד, הצליח לשכלל ולייעל את תהליך הייצור של טרזיסטורי ה MOS באופן ניכר. אבל פיירצ'יילד לא מיהרה לאמץ את הטכנולוגיה החדשנית הזו, והעדיפה להמשיך ולהתבסס על הטכנולוגיה הביפולרית המוכרת והאמינה. התסכול שחש פאגין בעקבות השמרנות של פרצ'יילד הוא אחת הסיבות המרכזיות לכך שהחליט לעזוב את החברה ולעבור לאינטל, שאימצה את טכנולוגיית ה MOS בשתי ידיים.


משתי הסיבות הללו - הפשטות היחסית של זיכרונות לעומת המורכבות של מעבדים, והפוטנציאל של טכנולוגיית MOS לאפשר ייצור של זיכרונות צפופים בנפח גבוה - ייעדו מייסדיה של אינטל את החברה להיות יצרנית של זיכרונות, ולא של מעבדים.


אבל למרות שקל יותר לפתח ולייצר שבבי זיכרון מאשר מעבדים - זה עדיין תהליך מורכב מאוד שדורש זמן ומאמץ, ובזמן הזה אינטל לא מוכרת דבר ולא מרוויחה כלום. בנוסף, באינטל העריכו שיקח זמן עד שיצרניות המחשבים יהיו מוכנות לאמץ את הרעיון העקרוני של זיכרון על שבב, שבעצמו היה חדשני לאותם הימים. לכן, עד שעסקי הזיכרונות יתחילו לתפוס תאוצה, הסכימה אינטל לקחת על עצמה גם פרויקטים של פיתוח מעבדים עבור לקוחות שרצו בכך - וכך גם באה לעולם סדרת 4000: חברת ביזיקום הייתה הראשונה שהייתה מוכנה לשלם לאינטל כדי שתפתח עבורה מעבד, עבור המחשבונים האלקטרוניים שלה.


--

למעשה, מהנדסיה היפנים של ביזיקום כבר עשו חלק מהעבודה: היה להם תכנון מפורט של המעגלים האלקטרוניים עבור המעבד הדרוש להם. זה היה ב-1969: שנה לפני שפדריקו פאגין הצטרף לאינטל, ומי שהיה אחראי אז על הפרויקט של ביזיקום היה מהנדס בשם מרסיאן "טד" הוף (Hoff). הוף קיבל לידיו את התכנון היפני. הוא לא היה אמור להתעמק בו יותר מדי - האחריות שלו הייתה בעיקר סביב ייצור המעבד, ולא התכנון שלו - אבל מרסיאן למד לא מעט על מעבדים במסגרת הדוקטורט שלו, ומתוך סקרנות הוא החליט ללמוד את התכנון היפני יותר לעומק.


לא לקח להוף הרבה זמן להבין שהתיכנון היפני - לא מתאים. על פי התכנון הזה, המעבד היה אמור להיות מיושם באמצעות שבעה שבבים שונים, ומכיוון שתכנון וייצור של כל שבב דורש המון מאמץ והשקעה - הוף עשה את החשבון והגיע למסקנה שאינטל פשוט לא תהיה מסוגלת לייצר את המעבד היפני במחיר שעליו התחייבה.


הוא פנה לרוברט נויס, המנהל הישיר שלו, והסביר לו את הבעיה. נויס הסכים עמו, וביקש מהוף לנסות ולשפר את התכנון היפני כדי שניתן יהיה לצמצם את מספר השבבים. הוף התיישב מול שולחן השרטוטים, ובתום חודשיים של עבודה מאומצת הצליח להפיק תחת יחדיו תכנון קומפקטי יותר שדרש ארבעה שבבים בלבד במקום שבעה.


שלושה מתוך ארבעת השבבים האלה היו, כאמור, פשוטים יחסית: חלקם היו שבבי זיכרון לא מאוד מורכבים, וחלקם היו אחראים על פעילויות לא מאתגרות במיוחד כמו טיפול בקלט ובפלט של המחשב.


אבל השבב הרביעי, ה-4004, היה סיפור אחר: ה- 4004 היה אמור להיות 'ליבת המעבד', סוס העבודה של המחשב שאמון על העיבוד בפועל של המידע: דהיינו, ביצוע הפעולות השונות כגון חיבור, חיסור, כפל, השוואה וכדומה. על פי התכנון של הוף, ה-4004 היה אמור להכיל - בשבב אחד בודד - את כל המעגלים האלקטרוניים המתוחכמים שבמחשבים הקיימים היו פרושים על פני כמה וכמה שבבים שונים. זו הסיבה לשם שקיבל השבב הזה: 'מיקרו מעבד' (Micro Processor).


איך בדיוק עובדת המכונה הזו, המעבד, ומהן המערכות שהוף קיווה לשלב בתוך ה-4004?


כדי לסייע לנו בעניין הזה הבאתי לאולפן את מי שהוא אולי אחד האנשים המתאימים ביותר בעולם לדבר איתו על מעבדים: עידו עוזיאל - ארכיטקט בקבוצת הcore באינטל, ובמקרה לגמרי - באמת שלא תכננו את זה - גם חבר טוב שלי שלמד איתי יחד הנדסת חשמל בטכניון, ואפילו שכן שגר לא רחוק.


"[עידו] המעבד הוא מכונת חישוב. זו מכונה שמקבלת רצף הוראות, תוכנה, ואז מבצעת אותם."


המתכנת או המתכנתת כותבים את התוכנה שלהם בשפה 'עילית' - דהיינו, שפת תכנות שבני אדם יכולים להבין אותה בקלות יחסית, כגון פייתון או ג'אווה - ואז…


"[עידו] אחרי שכתבנו את התוכנה בטקסט, צריך להעביר אותה משפת תכנות לשפת מכונה. שפת מכונה היא השפה שבה המחשב מדבר, וקוראים לה 'אסמבלי'. אפשר לכתוב את התוכנה כבר בשפת אסמבלי - אז זה משהו שרק מזוכיסטים עושים, כי זה ממש לא…


[רן] כן, יצא לי לכתוב קצת באסמבלי. כיף גדול זה לא.


[עידו] נכון. ובשביל שלא כולנו נחווה כאבים בלתי פוסקים בכתיבת תוכנה, כותבים בשפה עילית - ואז נכנס לתמונה הקומפיילר, או 'מהדר' בעברית, שהיא עוד תוכנה שלוקחת את מה שאנחנו כתבנו - וממירה את זה לשפת מכונה."


את הקובץ המומר הזה אנחנו טוענים לתוך זיכרון המחשב כרצף של ספרות בינאריות - אחדות ואפסים.


"[עידו] המעבד הוא הרכיב במחשב שיודע לקרוא את התוכנה, להבין את הרצף של האפסים והאחדים, ולתרגם אותו לפעולות - כמו לדוגמה להפעיל שיחת זום, או לפתוח אתר פודקאסטים פופולרי בישראל…


[רן] דוגמה אקראית, כמובן."


כיצד מפענח המעבד את רצף הספרות הבינאריות ומתרגם אותן לפעולות של ממש? בגדול, אפשר לחלק את התהליך הזה לארבעה שלבים בסיסיים.


"[עידו] המחשב הראשון שהיה, ה 4004, אפשר לחשוב עליו כעל סדנא שיש שם פועל אחד. הפועל הזה הולך ומביא פקודות מהתוכנה על פי מונה התוכנה."


ה Program Counter, או מונה התוכנה בתרגום לעברית, הוא תת-רכיב בתוך המעבד ששומר את כתובת תא הזכרון שבו מאוחסנת הפקודה הבאה לביצוע. אם תרצו, מין 'פנקס' שבו רושם המעבד את הכתובת הבאה אליה הוא צריך לגשת.


"[עידו] נאמר שהמונה אומר לו שהפעולה הבאה נמצאת במחסן, בשורה 1 מדף 1. אז הוא הולך למחסן, מסתכל שם על הרצף ביטים ומעתיק אותם ללוח מחיק משלו, ולוקח אותו חזרה לסדנא.

בשלב הבא נקרא שלב ה DECODE, הפענוח. הפועל מפענח את הביטים שקיבל. הוא רואה משהו כמו אפס-אחת-אפס. הוא אומר - אוקי, אפס-אחת-אפס זה קוד מכונה לפעולת חיבור.


[רן] עכשיו אני יודע שאני צריך לבצע חיבור.


[עידו] יפה. שאר הביטים אומרים לו מה לחבר עם מה. פה צריך להבין שבתוך המעבד יש רכיבים שאוגרים ערכים, לכן קוראים להם 'אוגרים' או רגיסטרים. נניח שיש מעבד עם ארבעה רגיסטרים - ABCD. בהמשך של הפקודה, אחרי האפס-אחת-אפס, יהיה כתוב אפס-אפס שזה רגיסטר A. תחבר את רגיסטר A עם אפס-אחת, רגיסטר B, ותכתוב את התוצאה לאחד-אפס, רגיסטר C. ואז יש לנו רצף פקודה שאומר - חיבור של A ועוד B שווה C.


[רן] וכך המעבד יודע מרצף הביטים מה הוא בעצם צריך לעשות בתכלס: מאיפה להביא את המידע, איזו פעולה לעשות ואיפה לרשום אותו.


[עידו] נכון. אז אחרי הפענוח צריך ממש לבצע: זה שלב ה Execution. ביצוע, כן - לא הוצאה להורג. אנחנו יודעים שהפעולה היא פעולת חיבור: פעולת חיבור - וכל הפעולות החשבוניות הבסיסיות הולכות ל ALU.


[רן] שזה עוד תת רכיב בתוך ה-4004.


[עידו] נכון, זה תת רכיב בתוך ה-4004. ואז הוא מבצע ומוציא את התוצאה החוצה, של החיבור של A ו-B. ופה מגיעים לשלב הסופי, שנקרא WriteBack: כותבים בחזרה את התוצאה שקיבלנו. ופה בעצם ביצענו את מה שהפקודה אמרה לנו, הפקודה התבצעה. עכשיו נלך למדף 2 שורה 1, ונביא את הפקודה הבאה. ונתחיל את כל התהליך מחדש."


התהליך שתאר עידו - קריאה, פענוח, ביצוע וכתיבה חזרה - הוא אופן הפעולה הבסיסי של המעבד, והמעבד מבצע את התהליך הזה שוב ושוב ושוב בלולאה. ה- 4004, בפרט, היה מסוגל לבצע בין ארבעים אלף לתשעים אלף מחזורי פקודה שכאלה בכל שניה.


הוף היה מרוצה למדי מהתיכנון הקומפקטי והזול של המעבד החדש - אבל כמו תמיד, ההנדסה עצמה הייתה רק חלק מהאתגר. עכשיו היה עליו לשכנע את ביזיקום שעדיף לה לזנוח את המעבד שלה, ולהחליף אותו בתכנון החדש שלו. ניסיתם פעם לשכנע מישהו, בכל תחום, שהרעיון שלו לא טוב ושהרעיון שלכם יותר מוצלח?... זה אף פעם לא קל, אפילו כשמדובר ב'איך להכין קפה כמו שצריך' - ועל אחת כמה וכמה כשמדובר בפרויקט טכנולוגי מורכב. המהנדסים של ביזיקום אהבו את התכנון שלהם, ובנוסף - הוא היה מבוסס על מעבד קיים שהיה מוצלח מאוד, וסוס מנצח אתם יודעים - לא מחליפים בקלות…


ובכל זאת - על מעגלים אלקטרוניים אפשר להתווכח, אבל עם נתונים פיננסיים קצת יותר קשה... התכנון היפני היה בברור יקר מדי, ורוברט נויס החליט להציג את התכנון החליפי בפני הנהלתה של ביזיקום.


המנהלים היפנים הגיעו לעמק הסיליקון, ושני הצדדים - המהנדסים היפנים וטד הוף - הציגו בפניהם את התכנונים המוצעים, על יתרונותיהם וחסרונותיהם. מנהליה של ביזיקום חשבו, וחשבו… ולבסוף בחרו בתכנון החדש של הוף. הדרך אל ה- 4004 נפתחה.


אבל למרות שהתכנון העקרוני של ה 4004 הושלם, זו לא הייתה סוף הדרך: כעת היה צריך להמיר את הסכמיאות האלקטרוניות המופשטות לחומרה אמיתית - דהיינו, לייצר את השבב.


איך קיווה הוף לדחוס לתוך שבב אחד את כל אותם מעגלים מתוחכמים, שבטכנולוגיה הקיימת היו מפוזרים על פני כמה וכמה שבבים? המפתח היה טמון בטכנולוגיית ה MOS החדשה, שאיפשרה לדחוס הרבה יותר טרנזיסטורים לתוך שבב יחיד מאשר היה מקובל קודם לכן.


החלק הזה של העבודה דרש מומחיות מסוג אחר, שלא הייתה לטד הוף - וכל המהנדסים האחרים באינטל כבר היו עסוקים עד מעל הראש בעבודה על שבבי הזיכרונות, שהיו כאמור מוצריה העיקריים של החברה. כך קרה שחצי שנה מאוחר יותר, כשחזר מאסאטושי שימה - המהנדס המוביל בצוות היפני - לאינטל וגילה ששום דבר לא התקדם עם יצורו המעשי של המעבד, הוא רתח מזעם על העיכוב הבלתי נסלח.

--

פדריקו פאגין הבין שעתידו של הפרויקט יושב כולו על הכתפיים שלו: הוא היה האדם היחיד באינטל שהיו לו את הכישורים והזמן הפנוי לעשות את העבודה. הוא שינס מותנים, והחל לעבוד. הוא ביקש מאשתו, שהיתה בהריון מתקדם עם ילדם הראשון, לחזור בחזרה למשפחתה באיטליה - ושקע כל כולו בעבודה על המעבד: שש עשרה עבודה ביום, למעלה משמונים שעות עבודה בכל שבוע. גם מאסאטושי שימה התגייס לעניין: הוא ביקש וקיבל אישור ממנהליו להישאר בארצות הברית, ובמשך חצי השנה הבאה עבדו השניים על ארבעת השבבים החדשים.


לבסוף, בשלהי 1970, היה התכנון גמור ומוכן להעברה לייצור. פאגין היה גאה מאוד ביציר כפיו: היה זה המיקרו מעבד המתוחכם ביותר אי פעם, עם למעלה מאלפיים טרנזיסטורים ש"נדחסו" לתוך שבב אחד קטנטן והיקנו לו את אותה עוצמת המחשוב שהייתה למחשבים שעד לפני כמה שנים בלבד מילאו אולמות שלמים. פלא הנדסי במלוא מובן הביטוי.


"כשהתכנון של ה-4004 היה גמור, הרשתי לעצמי להתמסר לדחף רגעי - וחתמתי את ראשי התיבות שלי - F.F - על [שכבת הסיליקון], ממש כפי שאמן מטביע את חתימתו על יצירותיו. חשתי [שהמעבד] הוא יצירת אמנות של ממש, כשכל משיכת מכשול היא לא רק נאה בהיבט האסתטי, אלא גם בעלת תפקיד ספציפי ומשמעותי."


התוכניות נשלחו אל מפעל הייצור, וכעת כל מה שנותר היה לחכות. חודשיים חלפו, ובדצמבר הגיעו סוף סוף השבבים המוכנים מהמפעל.


ראשונים הגיעו שלושת השבבים הפשוטים יותר: ה-4000, 4001 וה-4002. פאגין היה מתוח ביותר: אמנם התכנונים שלהם היו קלים יותר ביחס למיקרו מעבד, אבל הם עדיין היוו אבן בוחן חשובה מכיוון שתהליך הייצור של טרנזיסטורי MOS היה עדיין חדשני ולא מוכר, ופאגין לא היה בטוח שכל המעגלים שתכנן על הדף אכן יתממשו כהלכה בסיליקון. אבל בתוך זמן קצר הוא נשם לרווחה: כל שלושת השבבים עבדו כהלכה, על המכה הראשונה, כמעט ללא תקלות או שגיאות מהותיות.

ואז הגיע גם השבב הרביעי והאחרון, ה- 4004.


"רגע האמת הגיע. זה היה בסוף יום העבודה, ימים ספורים לפני ערב ראש השנה, ורוב העובדים כבר עזבו את המעבדה. זה היה מזל, מכיוון שאף אחד לא היה בסביבה כדי לראות כמה עצבני הייתי.

בידיים רועדות הנחתי את השבב הראשון על מכשיר הבדיקה [...] מצפה לראות את האותות החשמליים המוכרים [על מסך המכשיר], אבל שום דבר לא קרה. "נו, טוב," אמרתי לעצמי, "זה בטח שבב דפוק."


הנחתי שבב אחר על מכשיר הבדיקה, ואז בדקתי עוד מספר שבבים - כולם היו אותו הדבר. "אולי זה ווייפר מקולקל," חשבתי [ווייפר הוא פיסת סיליקון גדולה שממנה מייצרים כמה וכמה שבבים - ר.ל.] בדקתי ווייפר אחר - ושוב, קיבלתי בדיוק את אותה ההתנהגות. בשלב הזה כבר הזעתי בטירוף. חשבתי לעצמי, "שום דבר לא עובד! איך יכול להיות שפישלתי עד כדי כך?!"


החלטתי לבחון את השבבים תחת המיקרוסקופ, ועד מהרה גיליתי את הבעיה: אחת משכבות המתכת הייתה חסרה - ככל הנראה בגלל טעות של טכנאי במהלך היצור - וכתוצאה מכך רוב הטרנזיסטורים היו פגומים."


אחרי מה שפאגין כינה 'חצי השעה הארוכה ביותר בחיי', הוא שלח את השבב ליצור מחדש - והמהדורה השניה חזרה אליו מספר שבועות לאחר מכן, בינואר של 1971. גם הפעם הוא קיבל את השבבים בסופו של יום העבודה, ובדק אותם לכל אורך הלילה.

כשחזר פאגין הביתה בארבע לפנות בוקר, אשתו חיכתה לו ערה, ממתינה במתח לשמוע את תוצאות הבדיקה. כשפאגין סיפר לה שה- 4004 עובד כשורה, השניים חגגו כאילו איטליה זכתה בגביע העולם בכדורגל.


הוף ופאגין ידעו שב-4004 טמון פוטנציאל משמעותי הרבה יותר מאשר להיות "רק" מיקרו מעבד עבור מחשבונים. ה- 4004 היה מעבד General Purpose, משמע יכולות העיבוד שלו התאימו למגוון רחב מאוד של יישומים - ובזכות גודלו הפצפון הוא יכול לחולל מהפכה של ממש בעולם האלקטרוניקה.


אבל אז הם גילו, למרבה אכזבתם, ששום מהפכה כזו לא תתרחש. החוזה בין אינטל וביזיקום נתן לחברה היפנית בלעדיות מוחלטת על ה-4004: אינטל היתה בסך הכל קבלן משנה, וברגע שהשבב החדש היה מוכן כל הזכויות עליו היו שייכות לביזיקום. במילים אחרות, ה- 4004 - המיקרו מעבד החדשני והמשוכלל שפיתחו, עתיד לכלות את ימיו בתוך מחשבון קטנטן ושולי… הוף ופאגין ניסו לשכנע את הנהלתה של אינטל לרכוש בחזרה את הזכויות על ה-4004 מביזיקום, אבל המנהלים לא ממש התלהבו מהרעיון. אחרי הכל, אינטל הייתה סטארט-אפ קטן שעושה זיכרונות למחשבים - מעבדים לא היו חלק מהתוכנית העסקית של החברה בשום צורה ואופן. ובנוסף, היה חשש שאנשי המכירות של אינטל, שהיו מפוקסים על מכירת זיכרונות, לא ידעו איך למכור את המוצר החדש והמשונה הזה שיתווסף לצלחת שלהם לפתע.


הקייס של פאגין והוף היה נראה די אבוד, אבל פאגין לא ויתר. כדי לשכנע את ההנהלה בפוטנציאל של המיקרו-מעבד להשתלב במגוון של מחשבים ומכשירים, הוא תכנן ובנה מכשיר - סוג של ציוד בדיקה כלשהו - שעשה שימוש ב-4004. המכשיר עבד כהלכה והוכיח שהמיקרו מעבד החדש שימושי גם ביישומים שאינם מחשבונים - אבל עדיין לא שכנע את ההנהלה להשקיע כסף ומשאבים במוצר החדש.


ואז, יום אחד, שוחח פאגין עם מאסאטושי שימה בטלפון, והמהנדס היפני סיפר שביזיקום במצב כלכלי לא טוב. הסתבר שהמחשבונים החדשים היו בכל זאת יקרים מדי ביחס לאלו של המתחרים, והמכירות לא התרוממו. פאגין הבין מיד שזו ההזדמנות שלו, ושהוא יכול לנצל את המשבר כדי להרוג שתי ציפורים במכה אחת: לעזור לעמיתו היפני, ולהעניק ל-4004 חיים חדשים.


הוא ניגש שוב למנהליו, סיפר להם על השיחה עם שימה, והציע להם להעניק לביזיקום הנחה על מחירם של השבבים החדשים - בתמורה לכך שאינטל תקבל את הזכות לייצר ולמכור את ה- 4004 ללקוחות אחרים. זו הייתה הצעה חכמה שנתקבלה בזרועות פתוחות. בנוסף - מנהל המכירות והשיווק של אינטל התחלף, והמנהל החדש היה פחות חששן מקודמו: הוא האמין ביכולותיהם של אנשיו למכור גם את המיקרו מעבד החדש, לצד הזכרונות הקיימים. מכונת השיווק של אינטל החלה לדחוף את המוצר החדש בפרסומות ומודעות, ופאגין והוף הוזמנו להרצות על המיקרו מעבד בכנסים מקצועיים.


ה- 4004 עורר עניין רב כבר מהרגע הראשון. העובדה שכדי לבנות בעזרתו מחשב שלם צריך, עקרונית, בסך הכל לוח אלקטרוני בודד במקום עשרות או מאות לוחות - יצרה, כמעט יש מאין, נישה חדשה בעולם המחשב: מחשבים קטנים, פשוטים וזולים שהיוו אלטרנטיבה מעולה למחשבים הקיימים, הענקיים והיקרים.  חודשים ספורים לאחר ה-4004 כבר הוציאה אינטל את ממשיכו, ה 8008, שהיה מתוחכם ומשוכלל יותר, ואז ב-1974 את ה 8080 שהיה אפילו משוכלל עוד יותר. חברות נוספות נכנסו לשוק:  למשל, TI הוציאה לשוק מעבד בשם TMS1000 ש"כיבב" בסרט ET כ'מוח' של צעצוע מדבר, ומוטורולה שיחררה את ה 6800 שאיתו יצר סטיב ווזניאק את האפל I והאפל II המפורסמים.

--

למהפכה שהצית ה- 4004 היו שתי השלכות חשובות על עולם הטכנולוגיה.


ההשלכה הראשונה היא השיפור האדיר בעוצמת העיבוד של המעבדים עצמם. מדובר בשיפור של פי עשרות אלפי מונים, והוא אינו מובן מאליו: אין אף טכנולוגיה אנושית אחרת שהתקדמה בקצב כה מסחרר. למשל, תדר הפעולה של ה-4004 - הקצב שבו הוא מבצע פעולות ומזיז ביטים ממקום למקום - היה פחות ממגה הרץ אחד. תדרי הפעולה של מעבדים מודרניים נמדדים בגיגהרצים - דהיינו, פי כמה אלפים מתדר הפעולה של ה- 4004. השיפור הדרמטי הזה הוא תולדה ישירה של העובדה שבמיקרו-מעבד, כל ה"חוכמה" נמצאת על אותו השבב - ולכן הזמן שלוקח לאותות החשמליים לעבור מרכיב לרכיב הוא מינימלי.


"[עידו] כשהכל קרוב, אז אפשר לעשות פעולות בתדר הרבה יותר גבוה, וכך לקבל ביצועים יותר טובים."


עם הזמן, גם הטרנזיסטורים עצמם - אבני הבניין של המיקרו-מעבד - הלכו וקטנו במידה משמעותית.


“[עידו] השאיפה היא להקטין כמה שיותר את הטרנזיסטורים. מודדים את תהליך הייצור לפי הרוחב של כל טרנזיסטור בודד. אם ב-4004 הטרנזיסטור הבודד היה ברוחב של עשרה מיקרון, או עשר מיליוניות המטר, ב-8086 שיצא שבע שנים יותר מאוחר, היה תהליך של שלושה מיקרון. ז"א, שליש ברוחב.

עכשיו, טרנזיסטורים מודדים את הצפיפות שלהם בשבב לפי האורך בריבוע: ז"א, בשלושה מיקרון אפשר לשים פי עשר יותר טרנזטסיורים מאשר בעשרה מיקרון, ואינטל הכריזה לא מזמן על תהליך יצור של עשרים אנגסטרום.


[רן] עשרים אנגסטרום. וואו. זה קנה מידה של כמה אטומים בודדים.


[עידו] פי 5000 יותר קטן מהתהליך ייצור של ה- 4004. על אותה פיסת סיליקון אפשר לשים פי 25 מיליון יותר טרנזיסטורים מאשר לפני חמישים שנה."


היכולת לשים כל כך הרבה טרנזיסטורים בתוך השבב איפשרה למהנדסים לשכלל את המעבדים ולהוסיף להם, בכל דור חדש, תתי-מערכות שמאיצות את עיבוד המידע באופן משמעותי: למשל, 'זיכרונות מטמון' (Caches), שהם זיכרונות קטנים יחסית - אבל הקריאה והכתיבה אליהם מהירה בהרבה מקריאה וכתיבה לזיכרון הראשי של המחשב. אם ישנן פיסות מידע מסויימות שהמעבד זקוק להן שוב ושוב - ניתן לשמור אותן על זיכרון המטמון, וכך לחסוך זמן יקר של גישות לזיכרון הראשי. עוד נוספו מנגנונים שמאפשרים למעבד לבצע כמה וכמה פקודות במקביל - במקום בזו אחר זו - או אפילו מאפשרים לו לבצע פקודות שלא לפי הסדר המקורי שלהן, כדי לוודא שכל תתי-המערכות בתוך המעבד עובדות בתפוקה מלאה כל הזמן. בתחילת שנות האלפיים נכנס גם הרעיון של 'ריבוי ליבות', שמשמעותו שילוב של כמה וכמה מעבדים נפרדים בתוך אותו השבב - כך שלמשל, בזמן שליבה אחת עסוקה בהרצה של משחק, ליבה אחרת תהיה אחראית על צילום המסך והפעלת המיקרופון.


בזכות כל השיפורים והשדרוגים האלה לאורך השנים קיבלנו מיקרו-מעבדים רבי-עוצמה, שהפכו את המחשבים השולחניים ואת הטלפונים החכמים שלנו לשימושיים ומועילים כל כך.


זו הייתה, כאמור, ההשפעה הראשונה של מהפכת המיקרו-מעבדים. ההשפעה השנייה היא העובדה שהמיקרו-מעבד נתן בידי המהנדסים את האפשרות לשלב 'מיחשוב' ביישומים שעד אז היו סגורים בפניהם בגלל שיקולי גודל ועלות. תרימו את המבט ותסתכלו סביב: אנחנו מוקפים במיקרו-מעבדים. השעון על היד. האזניות מבטלות הרעשים. המוניטור של המחשב, התצוגה של המיקרוגל, מכונת הכביסה, הטלוויזיה, הצעצועים של הילדים, מחשב ההשקייה של הגינה… בזכות ה-4004, המיחשוב חדר לכל היבט של חיינו בעידן המודרני: ממכונות תעשייתיות ומתקני בקרה, ועד כרטיסי ברכה חד-פעמיים שמשמיעים את צלילי Happy Birthday To You כשפותחים אותם...


וכמובן, ה-4004 לא רק שינה את עולמנו: הוא גם שינה את אינטל עצמה. המיקרו-מעבד הקטן והאיטי, שהיה כפסע מלכלות את ימיו בתוך מחשבונים יפניים - הפך את תחום המיקרו מעבדים מפרויקט צד שולי - לעמוד התווך ההנדסי והמסחרי של אינטל. טד הוף ופדריקו פאגין המשיכו לעשות חיל בעולם הטכנולוגיה כל אחד בתחומו, ויחד עם סטן מאזור (Mazor), מהנדס נוסף שהיה שותף בתהליך הפיתוח של ה-4004, זכו ב-2010 במדליה הלאומית לטכנולוגיה וחדשנות מידיו של ברק אובמה.

טד הוף, אגב, זכה להנות מפרות המצאתו בעוד דרך אחת, קצת משמעותית יותר. כשהתבגר והזדקן, לקה הוף בליבו ונאלץ לעבוד השתלה של קוצב לב. ומה נמצא בתוך המכשיר החיוני ששומר על חייו הוף?...  ניחשתם נכון: מיקרו-מעבד.