对大多数人来说,微芯片是一些长着小小的金属针、标着看似随机的字母或数字的字符串的黑盒子。但是对那些懂的人来说,有些芯片就像名人一样站在红毯上。有许多这样的集成电路直接或间接地为改变世界的产品赋能,从而得到荣耀,也有一些芯片对整个计算环境造成了长期的影响。也有一些,它们的雄心壮志失败后成为警世的故事。
 
为了纪念这些伟大的芯片,并讲述它们背后的人和故事,IEEE Spectrum 制作了这个“芯片名人堂”(Chip Hall of Fame)。登堂的是 7 类共 27 枚影响了整个计算世界的芯片。
 
这份名单中的第一类多数来自 IEEE Spectrum 2009 年的一个专题“25 Microchips That Shook The World”,由 Brian Santo 撰写,现在它增加了自那之后的出现的一些重要的芯片。当然,这份名单肯定存在争议,比如读者可能会质疑为什么英特尔的 8088 微处理器入选,而不是 4004(英特尔推出的第一款微处理器)或者 8080(英特尔最著名的微处理器)?需要稍作说明的是,这份名单是作者、作者所信任的来源,以及 IEEE Spectrum 的多名编辑经过数周的争论之后得出的。它并不只关注那些获得巨大商业成功或取得了重大技术进步的芯片,它关注的是那些被证明十分独特,令人着迷,令人惊叹的微芯片。最重要的是,这份榜单搜集了深刻地影响了许多人的生活的芯片——它们是许多改变世界的电子设备的重要部分,象征着技术的发展趋势。
 
类别:
 
放大器 & 音频(Amplifiers & Audio)
 
接口(Interfacing)
 
逻辑(Logic)
 
记忆 & 存储(Memory & Storage)
 
MEM & 传感器(MEMs & Sensors)
 
处理器(Processors)
 
无线(Wireless)
 
1/ 仙童半导体μA741 运算放大器(1968)
 
 
Fairchild Semiconductor μA741 Op-Amp
 
该芯片成为了模拟放大器集成电路事实上的标准。该芯片目前仍在生产,在电子产品中随处可见。
 
制造商:仙童半导体
 
类别:放大器 & 音频
 
年代:1968
 
运算放大器就像模拟设计界的切片面包。你可以用它们夹上任何东西,并且都能得到满意的结果。设计者使用它们来制作音频或视频的前置放大器,电压比较器,精密整流器,以及其他许多日常电子系统中重要的子系统。
 
1963 年,26 岁的工程师 Robert Widlar 在仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)设计了第一个单块集成运算放大器电路,即 μA702。当时它的售价是 300 美元。Widlar 随后对设计进行了改进,设计出 μA709,并获得了巨大的商业成功。据说,Widlar 因此要求加薪,但没有得到满足,于是离开了仙童半导体。美国国家半导体公司(现在是德州仪器的一部分)如获至宝,迅速挖来了 Widlar。Widlar 后来帮助国家半导体建立了模拟 IC 设计部门。1967 年,Widlar 为国家半导体公司研发出一个更好的运算放大器,即 LM101,其中一个版本(LM101A-N)现在仍在生产。
 
虽然仙童半导体的领导们对 Widlar 突然发起的竞争感到焦头烂额,但在仙童的研发实验室,新加入的 David Fullagar 对 LM101 进行了仔细的检查,发现这款芯片的设计虽然非常巧妙,但还是存在一些缺陷。其中最大的缺陷是,由于半导体质量的变化,有些芯片在 IC 的输入级,即所谓的前段,对噪声过于敏感。
 
Fullagar 于是开始了自己的设计。前端问题的解决方案非常简单,Fullagar 为芯片增加了一对额外的晶体管。额外的电路使得放大更加平滑。
 
Fullagar 将他的设计交给仙童研发部门的老大,一位名叫戈登·摩尔(Gordon Moore)的人。摩尔将他的设计交给公司的商业部门。这枚新的芯片被命名为 μA741,后来成为运算放大器的标准。这个 IC,以及后来仙童半导体的竞争对手所创造的各种翻版型号,已经卖出数百万个。当时初版的μA702 价格是 300 美元,现在 300 美元大约可以买 2000 枚μA741 芯片。
 
2/ Intersil ICL8038 波形发生器(1983)
 
 
Intersil ICL8038 Waveform Generator
 
Intersil 的 ICL8038 波形发生器为消费电子产品带来了复杂的声音。
 
制造商: Intersil(英特矽尔)
 
类别: 放大器 & 音频
 
年代: 大约 1983
 
一个好的基本波形——随时间变化的电压——是构建更复杂行为的原材料。Intersil 的 ICL8038 集成电路的设计是为了方便地获得精确的波形,能够同时产生正弦波、矩形波和锯齿波等周期信号,只需要很少的外部元件。
 
最初,ICL8038 被嘲笑性能有限,而且具有表现不稳定的倾向。确实,这个芯片有点不可靠。但共生是们很快学会了如何可靠地使用它,然后 8038 取得了重大的成功,最终销售了数百万个,并被用在无数应用程序中——包括“电话飞克”(phreaker)们在 20 世纪 80 年代使用的“蓝盒子”(blue boxes)。
 
Intersil 公司在 2002 年停产了 8083,但爱好者们至今仍在收集 ICL8038,用来自制函数发生器和模块化模拟合成器。
 
3/ 微开半导体 MAS3507 MP3 解码器(1997)
 
 
Micronas Semiconductor MAS3507 MP3 Decoder
 
这个芯片开启了数字音乐革命。
 
制造商: 微开(Micronas)半导体
 
类别: 放大器 & 音频
 
年代: 1997
 
在 iPod 出现之前,是 Diamond Rio PMP300。PMP300 于 1998 年推出,几乎立刻就火了,不过这一热潮很快就消减了。不过,这个播放器有一件事很重要,就是它支持 MAS3507 MP3 解码芯片——一个基于 RISC 的数字信号处理器,具有为音频压缩和解压缩优化的指令集。它的开发者是 Micronas(现在是 TDK-Micronas),它让 Rio 能够将十多首歌曲压缩到其闪存中。对于今天的标准来说可能有点可笑,但在当时相比便携式 CD 播放器已经足够有竞争力了。Rio 以及它的后续产品为 iPod 铺平了道路,现在你已经能够在口袋里装上数千首歌曲。
 
 
Micronas

 

 
正如这个 Micronas 的设计文件所显示的,MAS3507 是只为做好一件事设计的,即只能很好地解码 MPEG Audio Layer III(即 MP3)数据。
 
4/ 德州仪器 TMC0281 语音合成器(1978)
 
 
Texas Instruments TMC0281 Speech Synthesizer
 
这是世界上第一款语音合成芯片。
 
制造商: 德州仪器
 
类别: 放大器 & 音频
 
年代: 1978
 
如果没有 TMC0281,E.T. 可能永远没办法“打电话回家”。因为 TMC0281 是世界上第一款单芯片语音合成器,是德州仪器的 Speak&Spell 学习玩具的“心脏”(或者应该说是“嘴巴”)? 在史蒂文·斯皮尔伯格(Steven Spielberg)1982 年的《E.T. 外星人》电影中,外星人 E.T. 黑进玩具中,搭建了一个星际通讯设备。(电影中,E.T. 还使用了一个衣架,一个咖啡罐以及一把圆锯。)今天,我们已经越来越习惯与消费电子产品交谈;TMC0281 是无处不在的合成语音世界的第一步。
 
 
外星人 E.T. 抱着一台 Speak&Spell 玩具
 
TMC0281 于 1978 年发布,使用被称为线性预测编码(linear predictive coding,LPC)的技术产生语音,所产生的声音是一些嗡嗡声、嘶嘶声和爆裂声的组合。对于“产生语音”这件被认为是“不可能在集成电路中实现的”的事情,这是一个令人惊讶的解决方案。TMC0281 的变体型号被用于雅达利的街机游戏和克莱斯勒的 K 型车。2001 年,德州仪器将它的语音合成芯片生产线卖给 Sensory 公司,Sensory 在 2007 年底停产这个芯片。不过,在 eBay 上花 50 美元左右可以买到品相非常不错的 Speak&Spell 玩具。
 
5/ Tripath Technology 的 TA2020 音频放大器(1998)
 
 
Tripath Technology TA2020 Audio Amplifier
 
这是一个固态、大功率的放大器,为便宜的设备带来大音量。
 
制造商: Tripath Technology
 
类别: Amplifiers and Audio
 
年代: 1998
 
有些音响发烧友坚持认为真空管放大器能产生最好的声音,而且永远是这样。因此,当音频界出现一些声音,称一个完全依赖半导体的放大器发出的声音就像真空管放大器一样圆润而且充满活力时,引起了很大的反响。
 
这个放大器是由硅谷的一家公司 Tripath Technology 设计的 D 类放大器。D 类放大器的工作原理是不直接放大输入的模拟音频信号,而是先将模拟音频转换为可用于开启或关闭功率晶体管的数字脉冲串。所得到的信号被转换成具有较高振幅的模拟信号。
 
Tripath 的诀窍是使用一个 50 兆赫兹的采样系统来驱动放大器。该公司表示,TA2020 的性能更好,而且成本远低于任何类似的固态放大器。为了在交易展览上展示这款芯片,他们特意播放了电影《泰坦尼克号》的那首著名主题曲。
 
像大多数 D 类放大器一样,TA2020 的能效非常高; 它不需要散热器,并且可以使用紧凑的封装。Tripath 的低端,15 瓦型号的 TA2020 售价为 3 美元,用于内置扬声器和麦克风。索尼,夏普,东芝等的家庭影院,高端音响系统以及电视机都采用其他型号——最强大的拥有 1000W 的输出。
 
后来,其他大型半导体公司迎头赶上,创造出类似的芯片,Tripath 渐渐被人遗忘。现在 Sure Electronics 和 Audiophonics 等公司仍提供基于 TA2020 及其姐妹芯片的音频放大器套件和产品。
 
6/ Amati 通信公司的 Overture ADSL 芯片组(1994)
 
 
Amati Communications Overture ADSL Chip Set
 
这款通信芯片开启了宽带上网时代。
 
制造商: Amati Communications
 
类别: Interfacing
 
年代: 1994

 

 
还记得 ADL(数字用户线路)出现时,你将可怜的每秒 56.6k 的调制调解器扔进垃圾桶的场景吗?好吧,几年之后,随着专用的基于光纤的宽带网络的出现,你又将 ADL 调制调解器扔进了垃圾桶。但对于许多消费者来说,DSL 是高速互联网所能做的第一个尝试,尤其是作为音乐和电影的分发系统。这是一个伟大的过渡技术:只要用户距离交换机不是很远,DSL 都能将现有的常规音频电话线转变为高速数字连接。
 
这个宽带革命的中心是从斯坦福大学出来的创业公司 Amati Communications。20 世纪 90 年代,该公司提出一种称为离散多音(DMT)的 DSL 调制方法。该方法基本上是使一条电话线看起来像数百个子信道,并使用反向罗宾汉策略改进传输的方式。John M. Cioffi 是 Amati 的共同创始人,现在是斯坦福大学工程教授,他说:“比特被从最贫乏的信道抢走,然后被给到最富有的信道。” DMT 打败了它的竞争对手,包括 AT&T 等巨头,成为 DSL 的全球标准。在 20 世纪 90 年代中期,Amati 的 DSL 芯片组(一个模拟,两个数字)售出了少量,但到 2000 年,每年的销量已经达到数百万组。在二十一世纪初,年销售量突破了 1 亿组。德州仪器在 1997 年收购了 Amati。
 
7/ 西部数据的 WD1402A UART(1971)
 
 
Western Digital WD1402A UART
 
制造商: 西部数据
 
类别: Interfacing
 
年代: 1971
 
戈登·贝尔(Gordon Bell)以在 20 世纪 60 年代在迪吉多公司(DEC)推出 PDP 系列小型计算机而闻名。这迎来了网络和交互式计算机的时代,在 20 世纪 70 年代随着个人电脑的出现而达到全盛。虽然小型计算机现在已经进入历史教科书,但贝尔还发明了一些虽然相对不那么知名但绝非不重要的技术,而且这些技术现在仍在世界各地被采用:通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),简称 UART。
 
UART 用于让两个数字设备通过串行接口一次发送一个比特进行通信,而不会使设备的主处理器与细节干扰。
 
今天,我们可以使用更复杂的串行设置,例如无处不在的 USB 标准。但很长一段时间以来,在诸如将调制调解器连接到 PC 之类的使用中,UART 都是统治性的方式。即便现在,简单的 UART 仍然有它的地位,尤其是作为与很多现代网络设备连接的终极方式。
 
UART 的发明是由于贝尔自己需要将一个电传打印机(Teletype)连接到一个 PDP-1,需要将并行信号转换为串行信号。贝尔于是设计了一个使用大约 50 个独立部件的电路。这个想法被证明是受欢迎的。当时西部数据公司(Western Digital)是一家制造计算机芯片的小公司,它设计了单芯片版的 UART。西部数据的创始人 Al Phillips 仍记得当时公司的工程副总裁向他展示准备制作的 Rubylith 的设计图时的场景。他说:“我看了一会儿,发现一个断开的电路,副总裁都快抓狂了。”西部数据在 1971 年左右发布 WD1402A,其他版本也在随后陆续发布。
 
8/ IBM 深蓝 2 国际象棋芯片(1997)
 
 
IBM Deep Blue 2 Chess Chip
 
深蓝的逻辑芯片为 AI 对人类的第一次重大胜利赋能。
 
制造商: IBM
 
类别:逻辑(Logic)
 
年代: 1997
 
1997 年,当 IBM 的国际象棋计算机“深蓝”(Deep Blue)击败世界冠军 Garry Kasparov 时,人类终于在计算机面前败下阵来。深蓝的每个芯片包含 150 万个晶体管,这些晶体管集成在专门的块中,例如一个走子生成器(move-generator)的逻辑阵列,以及一些 RAM 和 ROM。这些芯片一起的运算速度是每秒 2 亿步棋。深蓝的策划者许峰雄(Feng-hsiung Hsu),现在是微软亚洲研究院高级研究院,他回忆说,这些走子“给对手施加了非常大的心理压力”。
 
自深蓝胜利以来,人工智能在越来越多原本是人类智能占上风的游戏上击败了人类,例如谷歌的 AlphaGo 分别在 2016 年和 2017 年击败了围棋世界冠军李世乭和柯洁。
 
9/ Signetics NE555(1971)
 
 
Signetics NE555
 
制造商:西格尼蒂克(Signetics)
 
类别:逻辑
 
年代:1971
 
那是在 1970 年的夏天。芯片设计师 Hans Camenzind 当时是硅谷半导体公司西格尼蒂克(Signetics)的顾问。当时经济下滑,他每年收入不足 15000 美元,而家里有赋闲的妻子和四个孩子。他真的迫切需要发明一些好卖的东西。
 
他真的做到了。而且,他的这一发明可以说是史上最伟大的芯片之一。555 定时器是一款易于使用的集成电路芯片,常被用于定时器和振荡电路。由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性,这款芯片时至今日仍被广泛应用于厨房电器、玩具、宇宙飞船等数千种电子电路的设计中。
 
“它险些没能面世。”几年前 Camenzind 在接受 IEEE Spectrum 访问时回忆道。Camenzind 于 2012 年去世。
 
萌发 555 的点子时,Camenzind 正在设计被称为“锁相环路”( phase-locked loop)的电路。只要对做一些修改,这个电路就能变成一个简单的定时器:触发它后它能运行特定的一段时间。这听起来很简单,当时还没有类似这样的东西。
 
最初,Signetics 的工程部门反对这个想法。当时公司已经有可以组装成定时器的组件销售。555 的命运险些就这样结束了。但 Camenzind 坚持他的 idea。他去找 Signetics 的市场经理 Art Fury。幸运的是,Fury 很喜欢这个 idea。
 
Camenzind 花了将近一年的时间测试模拟板原型,在纸上绘制电路元件,裁剪红片覆盖膜。Camenzind 回忆说:“这一切都是手工完成的,没有使用电脑。”最终的设计有 23 个晶体管,16 个电阻器和 2 个二极管。

 

 
555 定时器在 1971 年投入市场,引起了轰动。1975 年,Signetics 被飞利浦半导体公司(现在的恩智浦半导体)收购,据该公司说,555 的销量已经达到数十亿枚。今天的工程师们仍然使用 555 设计一些有用的电子模块,或一些没什么用处的小东西,例如“霹雳游侠”的战车前灯。
 
10/ 赛灵思 XC2064 FPGA(1985)
 
 
Xilinx XC2064 FPGA
 
制造商:赛灵思(Xilinx)
 
类别: Logic
 
年代: 1985
 
早在 20 世纪 80 年代初,芯片设计者们一直试图充分利用电路中的每一个晶体管的功效。后来 Ross Freeman 提出一个相当激进的想法。他设计了一个包含许多晶体管的芯片,这些晶体管组成松散的逻辑块,其连接可以通过软件进行重新配置。其结果是有时候一部分晶体管不会被使用到,但是 Freeman 认为摩尔定律最终会让晶体管成本变得低廉,不再有人关心晶体管浪费的问题。他是对的。他把这个芯片命名为“现场可编程门阵列”(FPGA),并且为了推销这个芯片,作为共同创始人创立了赛灵思公司(Xilinx)。
 
1985 年,赛灵思公司的第一个产品 XC2064 面世时,员工们被赋予一个任务:使用 XC2064 的逻辑单元手工绘制一个示例电路,就像他们的客户要做的那样。赛灵思前首席技术官 Bill Carter 回忆起当时他走近 CEO Bernie Vonderschmitt 时,看到他“在绘制时遇到了一点困难”。 Carter 单纯很高兴帮到老板。他说:“我们站在那儿,用纸和彩色铅笔帮 Bernie 绘制!”
 
如今,由赛灵思以及其他公司生产出售的 FPGA 被用于各种各样的东西,在这里很难全部列举。在例如软件定义的无线电,神经网络,数据中心路由器等等都有 FPGA 的应用。
 
11/ 莫斯特克 MK4096 4-Kilobit DRAM(1973)
 
 
Mostek MK4096 4-Kilobit DRAM
 
制造商:莫斯特克(Mostek)
 
类别:记忆 & 存储
 
年代: 1973
 
计算机在运行程序时使用随机访问存储器(random access memory),简称 RAM,作为其工作空间。现在的 RAM 芯片有两种特性:静态 RAM 和动态 RAM,或简称 SRAM 和 DRAM。只要计算机开启后,SRAM 就保持内容不变,但 DRAM 必须不断更新。DRAM 相对 SRAM 的优点是每个存储单元都很简单,这意味着可以将更多的数据打包到给定的空间中。今天大多数计算机都使用 DRAM 作为主存储器。
 
第一款 DRAM 芯片是英特尔推出的。但 Mostek 的 4KB DRAM 芯片带来了一个关键的创新,一种被称为地址复用(address multiplexing)的电路技术,由 Mostek 共同创始人 Bob Proebsting 发明。通常,芯片使用相同的引脚来访问内存的行和列。这是通过依次发送行和列寻址信号实现的。因此,芯片不需要太多的引脚,同时由于内存密度增加,制作成本降低。它只存在一点兼容性上的问题。Mostek 的 4096 使用 16 针脚,而德州仪器,英特尔和摩托罗拉出品的内存则有 22 针脚。
 
Mostek 将未来压在了这款芯片上。高管们开始到处向客户、合作伙伴、新闻媒体甚至自己的员工进行宣传。当时刚被雇用的 Fred K Beckhusen 被安排对 4096 进行测试。Beckhusen 回忆道,有天 Proebsting 和 CEO LJ Sevin 半夜 2 点来到他的夜班岗位进行了一次研讨会。Beckhusen 说:“他们当时大胆地预测,只需 6 个月,就不会有人关心 22 针脚的 DRAM 了。”他们是对的。4096 和它的后续者成为了主流的 DRAM,地址复用技术也成为了处理更大的内存的标准方式。
 
12/ 东芝 NAND 闪存(1989)
 
 
Toshiba NAND Flash Memory
 
制造商: 东芝(Toshiba)
 
类别: 记忆 & 存储
 
年代: 1989
 
当东芝的一名工厂经理舛冈富士雄(Fujio Masuoka)决定重新开发半导体内存时,闪存(flash memory)的发明传奇也就此拉开了序幕。不过我们过会儿再讲闪存。首先,让我们了解一点历史。
 
在闪存出现之前,存储大量数据的唯一方式是使用磁带,软盘或硬盘。许多公司都在努力设计固态的替代方案,但是当时可以得到的选择,例如 EPROM(可擦可编程只读存储器,需要用紫外线照射来擦除数据)和 EEPROM(多出的 E 代表“电”,不需要紫外线擦除)都无法低成本地存储大量数据。
 
进入东芝后,舛冈在 1980 年聘请了四名工程师共同进行一个半秘密的项目,目的是研发一个可以存储大量数据,而且成本低廉的内存芯片。他们的策略很简单。“我们知道只要晶体管的尺寸缩小,芯片的成本就会持续下降。” 舛冈说道,他现在是 Unisantis 电子公司的首席技术官。
 
舛冈的团队设计了 EEPROM 的一种变体,它的特征是一个存储单元只包含单个晶体管。当时,传统的 EEPROM 每个存储单元需要两个晶体管。这是一个看似很小的改动,但大大地降低了芯片的成本。
 
为了寻找一个吸引人的名字,他们根据芯片的超快速擦除功能而取名“闪”(flash)。你也许会认为东芝很快就将这个发明投入生产,并且看着它带来滚滚财富。错了。你们对这家庞大的公司如何利用它内部的创新不够了解。实际情况是,舛冈的老板对他说,好了,忘掉这个发明吧。
 
当然了,舛冈怎么可能忘记他的发明。在 1984 年,舛冈在旧金山的 IEEE 国际电子设备大会展示了他的闪存的设计图纸。这促使英特尔公司开始开发基于“或非”(NOR)逻辑门类型的闪存。1988 年,英特尔发布了一款 256KB 的芯片,用于汽车、计算机以及其他大众市场设备,为英特尔带来了不俗的新业绩。
 
最终,这促使东芝将舛冈的发明投入生产。舛冈的闪存芯片基于 NAND 技术,能够提供更高的存储密度,但被证明在制造工艺上更复杂。在 1989 年,东芝的第一款 NADA 闪存终于投入市场,并取得了成功。而且正如舛冈所预测的那样,价格不断下降。
 
20 世纪 90 年代末,数码摄影开始采用闪存,使得闪存出现了爆发,东芝成为这个数十亿美元市场中最大的玩家之一。但与此同时,舛冈与东芝其他高管的关系恶化,最终离开了东芝。(后来舛冈以知识产权纠纷起诉东芝公司,并获得了 8700 万日元的赔偿。)

 

 
今天,NAND 闪存已经成为手机、照相机、音乐播放器等各种小设备,甚至航天探测器的关键部分,并且开始取代硬盘成为笔记本和台式电脑的首选存储介质。
 
13/ 柯达 KAF-1300 图像传感器(1986)
 
 
Kodak KAF-1300 Image Sensor
 
制造商: 科达(Kodak)
 
类别: MEMs and Sensors
 
年代: 1986
 
现在的图像传感器非常小巧而且便宜,几乎没有手机是不带内置摄像头的。这在在 1991 年科达公司发布柯达 DCS 100 数码相机时可能很难想象得到。DCS 100 的成本高达 25,000 美元,光是外置数据存储器就有 5 公斤重,而且用户必须得随身扛着。相机的电子部件装在尼康 F3 的机身内,包含一个令人印象深刻的硬件:一枚拇指大小的芯片,能够以 130 万像素的分辨率捕获图像,足够以 5×7 英寸的尺寸进行冲洗。
 
 
该芯片首席设计师 Eric Stevens 说:“在当时,100 万的像素已经是梦幻一般了。”这个芯片是一个真正的两相电荷耦合器件,是未来的 CCD 传感器的基础,启动了数字摄影的革命。顺带一提,用 KAF-1300 拍摄的第一张照片是什么呢?“呃,”Stevens 说道,“我们把传感器指向了实验室的墙。”
 
14/ 德州仪器数字微镜器件(1987)
 
 
Texas Instruments Digital Micromirror Device
 
制造商: 德州仪器(Texas Instruments)
 
类别: MEMS and Sensors
 
年代: 1987
 
在 1999 年 6 月 18 日,Larry Hornbeck 与妻子 Laura 约会。他们在加州伯班克的一家电影院观看了电影《星球大战 I:魅影危机》。Hornbeck 并不是绝地的粉丝。他们去那里是因为那家电影院有一台真正的放映机。这台放映机的核心是 Hornbeck 在德州仪器研发的数字微镜器件(DMD)芯片。DMD 使用数万个铰链式微镜将光线引导通过放映机的投影镜头射出。电影屏幕上显示了一行字:“第一部数字电影放映”。现在,电影放映机都是使用这种数字黄处理技术(或称 DLP),背投电视、投影仪、手机微型投影机等也都使用 DLP 芯片。为了奖励他的发明,Hornbeck 于 2015 年被授予奥斯卡奖。
 
15/ 艾康电脑 ARM1 处理器(1985)
 
 
Acorn Computers ARM1 Processor
 
制造商: Acorn Computers
 
类别: Processors
 
年代: 1985
 
你正在智能手机上阅读这篇文章?那么你现在正在使用这个处理器的直接后代。
 
20 世纪 80 年代初,艾康电脑(Acorn Computers)是一家拥有伟大产品的小公司。该公司总部设在英国的剑桥,通过 BBC 的全国计算机认知计划(Computer Literacy Project),已经售出超过 150 万台 8 位 BBC Micro 台式计算机。现在是它设计新计算机的时候了。艾康的工程师们对市场上可用的处理器不满意,决定自己设计 32 位微处理器。

 

 
他们为这个微处理器取名 Acorn RISC Machine,简称 ARM。RISC 是“reduced-instruction-set computer”( 精简指令集计算机)的缩写,这是设计处理器的一种方法,能够更高效地处理复杂的机器代码。工程师们心知这不容易实现,实际上,他们预期有一半的概率会遇到无法解决的障碍,最终导致废除整个项目。曼彻斯特大学计算机工程系教授 Steve Furber 说,“这支团队人太少了,每个设计的决策都不得不选择简化的方案,否则我们永远都无法完成。”最终,简单性大获成功。ARM 体积小巧,功耗低,易于编程。设计指令集的 Sophie Wilson 仍然记得当他们首次测试芯片时,“我们在提示下做了‘PRINT PI’的命令,它给出了正确的答案,”她说,“我们开了瓶香槟庆贺。”
 
1990 年,Acorn 剥离了它的 ARM 部门,ARM 架构继续成为嵌入式应用的主流 32 位处理器。各种各样的小设备中已经使用超过 100 亿个 ARM 内核,包括苹果最成功的 iPhone 手机和最失败的牛顿掌上电脑。事实上,ARM 芯片现在已经遍布在全球超过 95%的智能手机。
 
16/ Atmel ATmega8(2002)
 
 
ATmega8
 
制造商: Atmel
 
类别: Processors
 
年代: 2002
 
Atmel 的 ATmega8 是现代芯片制造商运动的成果之一。它是 Arduino 第一代开发板的核心,被各种类型的电子产品广泛采用,这些廉价、强大而且易于使用的电路板已经进入无数项目。
 
ATmega8 来自 AVR 微控制器系列,最初于 20 世纪 90 年代初由挪威理工大学两名学生 Alf-Egil Bogen 和 Vegard Wollan 开发。AVR 微控制器与常规处理器不同,它们具有自己的板载程序存储器和 RAM,而不是依赖外部芯片来存储这些资源:Bogen 和 Wollan 还在大学期间,嵌入式应用程序已经很常见,但是当时他们对市场上的微控制器不满意。他们决定设计一个基于 RISC 的处理器(具有有限的机器代码指令以提高处理效率),特别是要设计得易于编程而且相对强大。
 
AVR 微控制器与大多数人日常使用的计算机有显着的差异。普通计算机通常使用冯·诺依曼(von Neumann)架构,其中程序加载到 RAM 中,并在 RAM 上执行。 AVR 使用“哈佛架构”,其中程序存储器和工作 RAM 是分开的。在 Bogen 和 Wollan 设计的原型中,程序以 ROM 的形式存储,一旦写入就无法重新编程。但是,他们在 Atmel 公司的 AVR 设计中找到了一个解决方案。易于编程(且可重新编程)的闪存被添加到处理器核心,第一个商用 AVR 芯片 AT90S8515 于 1996 年发布。
 
但是,ATmega8 和它的姐妹芯片 ATmega328P 才是 Bogen 和 Wollan 梦想中的芯片,它们易于使用,高性能,并且拥有很好的开发工具,达到了最好的表现。
 
17/ Computer Cowboys Sh-Boom 处理器(1988)
 
 
Sh-Boom Processor
 
你可能从没有听说过这款芯片,但这一处理器的高速架构在每一台现代计算机中反复出现。
 
制造商: Computer Cowboys
 
类别: Processors
 
年代: 1988
 
两名芯片设计师走近一家酒吧。他们是 Russell H. Fish III 和 Chuck H. Moore(Forth 语言的发明者),然后这家酒吧叫 Sh-Boom。这是真事,不是一个玩笑的开头。实际上,这个技术传奇充满了不和和诉讼。
 
这一切始于 1988 年,当时,Fish 和 Moore 创造了一个名叫 Sh-Boom 的怪异处理器。这个芯片非常精简,比驱动计算机其余部分的时钟运行得更快。于是两位设计师找到了一种让处理器运行自己的超快内部时钟,同时保持与计算机其余部分同步的方法。Sh-Boom 从来没有获得商业上的成功,在取得专利后,Moore 和 Fish 就散了。
 
18/ 英特尔 8088 微处理器(1979)
 
 
Intel 8088 Microprocessor
 
制造商:英特尔(Intel)
 
类别: 处理器
 
年代: 1979
 
有没有哪个芯片是推动英特尔进入“财富”500 强的?英特尔表示有:8088。这是 IBM 为它的原始 PC 系列选择的 16 位 CPU,后来主导了台式机市场。
 
有点儿奇怪的是,这个被称为 x86 架构的芯片的名字上没有“86”两字。8088 实际上是在 8086 的基础上稍作修改的微处理器,8086 是英特尔的第一个 16 位 CPU。正如英特尔工程师、8086 设计师 Stephen Morse 曾经说过的那样,8088 是“8086 的简化版本”。这是因为 8088 的主要创新从技术上来说并不算一个进步:8088 拥有 16 比特的内部寄存器和 8 比特的外部数据总线。
 
直到 8086 的设计完成,英特尔一直对 8088 项目保密。8086 项目的首席工程师 Peter Stoll 说:“管理层不希望 8086 延迟哪怕一天,甚至告诉我们他们已经有 8088 变体的想法了。”
 
在第一个实用的 8086 出来之后,英特尔才将 8086 的图稿和文档发送到以色列海法的设计部门,两名工程师 Rafi Retter 和 Dany Star 将芯片改为 8 位总线。

 

 
这一修改被证明是英特尔最睿智的决定之一。29000 晶体管的 8088 CPU 比 8086 要求更少,更便宜的支持芯片,并且“与 8 位硬件完全兼容,同时还为过渡到 16 位处理器提供更快的处理和平滑”,英特尔的 Robert Noyce 和 Ted Hoff 在 IEEE 微型杂志的一篇文章中写道。
 
使用 8088 的第一台 PC 是 IBM 的 5150 型,这是一台价格 3000 美元的单色机。现在全世界几乎所有 PC 都的 CPU 都可以说其祖先是 8088。
 
19/ Microchip Technology PIC 16C84 微控制器(1993)
 
 
Microchip Technology PIC 16C84 Microcontroller
 
制造商:Microchip Technology
 
类别: 处理器
 
年代: 1993
 
20 世纪 90 年代初,8 位微控制器还是摩托罗拉的天下。随后,出现了 Microchip Technology,一个并不起眼的竞争者。 Microchip 开发了 PIC 16C84,它采用了 8 位微控制器,并添加了一种称为 EEPROM 的存储器,用于电可擦除可编程只读存储器。 EEPROM 不需要紫外光擦除,其前任 EPROM 也是如此。这种只读存储器通常用于存储程序代码或少量数据。该芯片的首席设计师,现在是 Microchip 的总监 Rod Drake 说,消除对 UV 灯的需求意味着“用户可以即时更改代码”。更好的是,整个芯片的成本低于 5 美元,或当时其他产品的成本的四分之一。 16C84 用于智能卡、遥控器和无线车钥匙。这是一系列微控制器的开始,Microchip 也成为财富 500 强公司和粉丝口耳相传的电子巨星。 16C84 已经退休,PIC 系列仍在生产中,销量已达数十亿,用于工业控制器,无人驾驶飞行器,数字妊娠测试,芯片控制烟花,LED 珠宝和称为 Turd 警报的化粪池监视器 。
 
Microchip 专利的草案显示了 PIC 控制器与其他计算机的不同之处。 在大多数计算机中,例如您的 PC,程序和工作数据都存储在同一个内存中 - 一种被称为“冯·诺依曼架构”的布局。但 PIC 控制器将程序和工作数据存储器分开保存 - 这种安排被称为“哈佛架构“。这样可以将程序存储在便宜的只读存储器中。
 
20/ MOS Technology 6502 微处理器(1975)
 
 
MOS Technology 6502 Microprocessor
 
来自英雄时代的 8 位 CPU,这款处理器驱动着 Apple II,Commodore 64,BBC Micro 等。
 
制造商:MOS Technology
 
类别: 处理器
 
年代: 1975
 
当一个胖脸极客将一个特别的芯片加到一个特别的计算机电路板并启动它时,时代改变了。这个极客是 Steve Wozniak,计算机是苹果,芯片是由 MOS Technology 开发的 8 位微处理器 6502。该芯片及其变体成为像 Apple II,Commodore PET,Commodore 64 和 BBC Micro 这样的可怕计算机的主要大脑,更不用说像任天堂娱乐系统和 Atari 2600 这样的游戏系统(也称为 Atari VCS)。 6502 不仅仅比竞争对手速度更快,而且还比较便宜,售价为 25 美元,而英特尔的 8080 和摩托罗拉的 6800 都接近 200 美元。
 
用 Peddle 创造 6502 的 Bill Mensch 说,取得成本下降的突破在于一个最小化的指令集,加上制作流程“比竞争对手高 10 倍”,6502 几乎单枪匹马带动了处理器的价格下降,这推动了个人计算机鹅革命。该芯片的修订版本仍在生产中,一些制造商仍然在使用它——在商业嵌入式系统以及许多爱好者当中。
 
 
由于价格低廉,8 位 6502 在 1975 年发布的时候,对市场造成了巨大震动
 
21/ 摩托罗拉 MC68000 微处理器(1979)
 
 
Motorola MC68000 Microprocessor
 
该处理器驱动了最早的苹果 Macintosh,以及可爱的 Amiga 计算机。
 
制造商:Motorola
 
类别: 处理器
 
年代: 1979

 

 
16 位的微处理器的派对上,摩托罗拉姗姗来迟,所以它决定高调亮相。混合 16 位 / 32 位的 MC68000 封装在 68,000 个晶体管中,是英特尔 8086 的两倍以上。它内部是一个 32 位处理器,但 32 位地址和 / 或数据总线本可能使其成本大涨,所以 68000 使用了 24 位地址和 16 位数据线。 68000 似乎是使用铅笔和纸张设计的最后一个主要处理器。设计了 68000 逻辑的 Nick Tredennick 说:“我将缩减的流程图副本、执行单元的资料、解码器和控制逻辑分发给了其他项目成员。”这些副本很小,难以阅读,他的同事们最终找到了一种方式显示清楚。 “有一天我来到我的办公室,发现我桌子上放着信用卡大小的流程图副本。”Tredennick 回忆说。 68000 用于所有早期的 Macintosh 电脑,以及 Amiga 和 Atari ST。大量销量也来自激光打印机、街机游戏和工业控制器的嵌入式应用。但是,68000 也经历了历史上最大的错失良机,就如同当时 Pete 最终失去了他作为甲壳虫乐队鼓手的地位。 IBM 本想在其 PC 系列中使用 68000,但后来还是用了英特尔的 8088,因为当时 68000 还比较少。正如一位观察家后来所说,如果当时用了摩托罗拉的 68000,Windows-Intel 形成的 Wintel 可能就会是 Winola 了。
 
 
金盖下面是一个 32 位处理器,但是连接它和外部世界的封装内,只有 16 位数据引脚
 
22/ Sun Microsystems SPARC 处理器(1987)
 
 
Sun Microsystems SPARC 处理器
 
使用未经证实的新架构,该处理器宣告了 Sun Microsystems 的登场。
 
制造商:Sun Microsystems
 
类别: 处理器
 
年代: 1987
 
很久以前(20 世纪 80 年代初),微处理器架构师们试图增加 CPU 指令的复杂性,作为在每个计算周期中完成更多任务的一种方式。 但是,加州大学伯克利分校的一个小组做出了相反的呼吁:简化指令集。由 David Patterson 率领的伯克利团队称之为降低指令集计算的 RISC 方法。
 
作为一项学术研究,RISC 听起来很棒。 但是它是否可销售? Sun Microsystems(现在是 Oracle 的一部分)赌了一把。 1984 年,一小队 Sun 工程师开始研发一款称为 SPARC(可扩展处理器架构)的 32 位 RISC 处理器,想在 Sun 的新系列工作站中使用该芯片。 有一天,Sun 的首席执行官 Scott McNealy 出现在 SPARC 开发实验室。 SPARC 项目顾问 Patterson 回忆说,“McNealy 表示,SPARC 将把 Sun 从一家每年 5 亿美元的公司变为每年 10 亿美元的公司。”
 
如果没有足够的压力,Sun 以外的许多人怀疑公司可能会下马这一项目。 更糟糕的是,Sun 的营销团队面临一个可怕的实现:SPARC 反着拼是 ... CRAPS! 团队成员不得不发誓,他们不会向任何人说出这个词,甚至在 Sun 里面,免得这个秘密让对手 MIPS Technologies 知道,他们也探索 RISC 的概念。
 
首席 SPARC 架构师——现任 IBM 研究员——Robert Garner 说:“极简主义 SPARC 的第一个版本包括一个”20,000 门阵列处理器,甚至没有整数乘法 / 除法“指令。 然而,每秒 1000 万条指令,它的运行速度是当时复杂指令集计算机(CISC)处理器的三倍。
 
Sun 将在未来几年使用 SPARC 为工作站和服务器提供支持。 1987 年推出的第一个基于 SPARC 的产品是 Sun-4 系列工作站,它迅速占据市场份额,并推动了公司收入超过十亿美元的标准 - 正如 McNealy 所预言的那样。
 
 
1988 年的 SPARC 团队,首个基于 SPARC 的产品推出后,Sun Microsystems 成为一个硅谷的大玩家之一
 
23/ 德州仪器 TMS32010 数字信号处理器(1983)
 
 
 
德州仪器 TMS32010 数字信号处理器
 
该芯片宣告了数字信号处理器的登场。
 
制造商:德州仪器
 
类别: 处理器
 
年代: 1983
 
德克萨斯州给了我们许多伟大的东西,包括 10 加仑的帽子,炸鸡排,胡椒博士,还有比较低调的 TMS32010 数字信号处理器(DSP)芯片。复杂的模拟信号在被转换为原始数字流后通常用 DSP 处理。通用 CPU 搞不定这样的流,但 DSP 可以使用专门的算法和硬件将流处理成整个系统可以处理的东西。

 

 
由德州仪器公司创建,TMS32010 并不是第一个 DSP(第一个是 AT&T / Western Electric 的 DSP1,1980 年推出的),但肯定是最快的。它可以在 200 纳秒内进行乘法运算。 此外,它可以执行片上 ROM 和片外 RAM 的指令。 DSP 设计团队和 IEEE 研究员的成员 Wanda Gass 说:“这使 TMS32010 的程序开发灵活,就像微控制器和微处理器一样。每片 500 美元,第一年芯片售出约 1000 台。销售额最终取得了增长。DSP 成为调制解调器、医疗设备和军事系统的一部分。哦,另一个应用是——世界的奇迹 Julie 娃娃,一种可以唱歌和谈话的令人毛骨悚然的娃娃。该芯片是大型 DSP 系列中的第一个,并且仍然在为德州仪器赚钱。
 
 
1987 年, Julie 娃娃。Photo: Janet M. Baker
 
24/ 德州仪器 TMS9900(1976)
 
 
德州仪器 TMS9900
 
一个雄心勃勃的失败,这款处理器驱动了第一台 16 位家用计算机。
 
制造商:德州仪器
 
类别: 处理器
 
年代: 1976
 
很少有一个芯片接近真正的伟大,多是功败垂成。德州仪器公司的 TMS 9900 有很多的应用。20 世纪 70 年代初,TI 已经意识到,由英特尔 4004 在 1971 年开端的微处理器新兴市场 - 将迎来对远强于 8 位处理器的芯片的需求。 该公司最终掌握了金属氧化物半导体技术,这取代了早期的双极技术,用于制造集成电路晶体管。 TI 本就具有雄厚的研发资源和营销力量。
 
但是,由此产生的 16 位处理器将会失去作为 IBM 个人计算机处理器的大好机会。“在 1976 年出现 TMS 9900 时,有几个问题,”TI 分部经理 Walden C. Rhines 解释了该芯片的不走运,“其中最大的两个问题:“9900 架构与 TI 小型机系列相同,只有 16 位的地址空间,与当时的 8 位微处理器相同;另一个是战略问题,电子设备行业的竞争对手不愿意认可已经拥有大型计算机和消费产品业务的公司架构。”
 
TMS900 成为 TI-99/4 和 TI-99 / 4A 微型计算机的核心,在家用计算机中拥有第一个 16 位 CPU。 CPU 的速度也加快了,时钟速度 3MHz,比像 Commodore 64 这样的竞争对手的 1 到 2 MHz 的时钟速度快得多。与 Commodore 的价格战导致 TI-99 / 4A 获得了显著的市场份额, 但这是以牺牲利润为代价的。 它本可存活下来,如果不是 TMS9900 的系统设计问题萦绕不去,且 TI 对第三方软件开发人员的态度能客气一点的话。
 
后来又出现了一些后续芯片,如 TMS995——它被认为是嵌入式控制器,但这一系列从没能从最初的失败中恢复过来:当进入 PC 市场时,TI 最终使用的是英特尔的处理器。
 
 
TMS9900 处理器具有远见卓识的目的,但是其复制小型计算机体系结构的尝试是失败的
 
25/ Transmeta Corp. Crusoe 处理器(2000)
 
 
Transmeta Corp. Crusoe 处理器
 
这个芯片预示了移动时代的到来,能耗,而非处理能力,成为了最重要的规格参数。
 
制造商:Transmeta Corp.
 
类别: 处理器
 
年代: 2000

 

 
功率越大,散热器越大,电池寿命越短,耗电越疯狂。因此,Transmeta 的目标是设计一款羞辱英特尔和 AMD 的低功耗处理器。该计划是:软件可以将 x86 指令转换成 Crusoe 自己的机器代码,其更高的并行度将节省时间和力量。它被称为切片硅片以来最伟大的事情。 Transmeta 的共同创始人,现在 Esperanto Technologies 的 David Ditzel 表示,Crusoe 及其继任者 Efficeon 证明了动态二进制翻译在商业上是可行的。不幸的是,他补充说,这些芯片在低功耗计算机市场起飞几年前就起飞了,最终只出现在了几个产品中。最后,虽然 Transmeta 没有实现其商业承诺,但它确实指向了处理器的功耗与其处理性能一样重要的世界,而一些 Transmeta 的技术也已经进入到英特尔、AMD 和 Nvidia 芯片中。
 
IEEE Spectrum 的这张封面照片包括 Transmeta 最著名的雇员之一 Linus Torvalds,Linux 的创始人(右三)
 
26/ Zilog Z80 微处理器(1976)
 
 
Zilog Z80 Microprocessor
 
来自 8 位时代的另一个传奇,这款处理器驱动了第一台便携式计算机以及受欢迎的“Trash-80”。
 
制造商:Zilog
 
类别: 处理器
 
年代: 1976
 
Federico Faggin 知道销售微处理器需要多少和人手。 而在英特尔,他曾为 4004 和 8080 这两个开创性设计作出了贡献。 所以当 Faggin 与前英特尔同事 Ralph Ungermann 建立 Zilog 时,他们决定从一个更简单的方面开始:一个单片微控制器。
 
但是工程师很快意识到,微控制器市场已经有很多很好的芯片了。 即使他们比别人更好,他们也只不过能够追求薄利多销。 Zilog 必须瞄准更高的食物链,于是 Z80 微处理器项目诞生了。
 
目标是超过 8080,同时提供与 8080 软件的完全兼容性,吸引客户远离英特尔。 几个月之前, Faggin、Ungermann 和另外一名前英特尔工程师 Masatoshi Shima 在 80 多个星期的时间里守在桌子边,画着 Z80 的电路。 Faggin 很快就知道,当涉及到微芯片时,越小越美丽,就是对眼睛不太好。
 
他说:“最后我得戴眼镜,我变得近视了。”
 
该团队的研发从 1975 年延续到 1976 年。那年 3 月,他们终于有了一个原型芯片,Z80 是 MOS Technology’s 6502 的当代翻版,它不仅设计优雅,而且还便宜(约 25 美元)。
 
Z80 最终进入了成千上万的产品,包括 Osborne I(第一个便携式或“可移动”)计算机,KayPro II,Radio Shack TRS-80 和 MSX 家用电脑,以及打印机,传真机, 复印机,调制解调器和卫星。 Zilog 仍然在某些嵌入式系统中使用着 Z80。
 
 
早期的陶瓷封装中的 Z80 芯片。 批量生产版使用塑料包装
 
27/ 意法半导体 STA2056 GPS 接收器(2004)
 
 
STA2056 GPS Receiver
 
廉价又小巧,这个 GPS 接收器助推了移动设备中的集成导航技术。
 
制造商:STMicroelectronics
 
类别: 处理器
 
年代: 2004
 
在芯片制造领域,一个小高潮是单芯片杀死双芯片单芯片的运动。早在 2004 年,意法半导体在 GPS 接收器里这么做了。之前,是一个芯片容纳 GPS 无线电前端,拾取从轨道 GPS 卫星发送的导航信号,另一个芯片包含一个微处理器、一些存储器和一个信号器,GPS 通过比较来自多个卫星的信号来确定每个接收机的位置。随着 STA2056 的出现,这两个芯片整合在了一起。虽然手持式 GPS 系统已经上市,但 STA2056 设定了尺寸和功耗的新标准,而 8 美元的价格推动了 GPS 设备的成本下降,并为他们开辟了一个大众市场。菲亚特在几个阿尔法罗密欧车型中使用了该芯片,而 GPS 供应商 Becker 将其放在了手机中。这也推动 GPS 的概念成为了可以集成到设备中的东西,而不仅仅是用作独立的产品或模块。今天几乎每一个手机 - 还有不少手表 - 都有一个 GPS 芯片,通常与其他技术(如 Wi-Fi 信标映射)一起使用,即使在卫星不在视野中也能够导航。而且,当然,将两个芯片合二为一的招数仍然是各地芯片制造商的最爱。