48 лет вместе с Zilog Z80
Один из ранних экземпляров Zilog Z80 с датой выпуска в июне 1976 года. Геннадий Швец
Создание Z80 — это усилия нескольких талантливых инженеров, пожелавших с нуля начать собственную компанию. Полвека назад микропроцессоры были новинкой, которую под силу было создать небольшим по современным меркам командам. Именно благодаря этим ранним процессорам в начале восьмидесятых случился бум домашних компьютеров.
Недавно Zilog объявила, что последние заказы на оригинальные Z80 принимаются до 14 июня этого года. Легендарный Z80 продержался в производстве почти 48 лет.
Общеизвестно, что Intel изготовила 4004, первый коммерчески доступный процессор на одной микросхеме. В этом достижении некоторые компании незаслуженно забыты, а кого-то попросту пытаются стереть из истории.
В 1968 году молодой инженер японской компании вычислительных машин Business Computer Corporation Масатоси Сима засел над проектом продвинутого калькулятора 141-PF. Начальник Симы имел опыт в Control Data Corporation, американском производителе мейнфреймов и суперкомпьютеров, и предложил задействовать программируемый подход, в котором различные конфигурации моделей калькуляторов достигаются с помощью изменения программы. В ответ Сима набросал дизайн 141-PF, в котором есть арифметические блоки, блоки умножения, регистры, память только для чтения и даже собственный набор макроинструкций.
На тот момент Busicom — зрелый производитель, основанный как Nippon Calculating Machine Corporation и переименованный в шестидесятых в Business Computer Corporation. Тем не менее финансово дела у Busicom шли паршиво.
Nippon Calculator HL-21. Этот арифмометр также встречается с новым логотипом Busicom. Daderot
Случайный контакт помог ситуации. У президента Busicom был хороший знакомый Тадаси Сасаки в куда более крупной Sharp — они оба закончили тот же факультет университета. Сасаки неофициально предложил профинансировать Busicom, если последняя разработает интегральные микросхемы для наброска 141-PF в виде компьютерной системы. Ещё одно условие Тадаси касалось выбора партнёра для проекта.
Японские законы допускают небольшую помощь между компаниями, но дело зашло даже дальше разрешённого. Почему шарповец пошёл на подобное? Дело в том, что у Тадаси в свою очередь был профессиональный контакт в американской Fairchild Semiconductor по имени Боб Нойс. В 1968 году Нойс и ещё несколько сотрудников Fairchild уволились и основали стартап Intel. При этом Sharp уже имела контракт c Rockwell, отчего с Intel сотрудничать не могла. Вероятно, Сасаки хотел подкинуть знакомому небольшой, но контракт.
Busicom инициирует переговоры с Intel, соглашение о сотрудничестве достигнуто в апреле 1969 года. В июне из Японии в США командировали трёх сотрудников Busicom. Один из трёх — это Масатоси Сима. Со стороны Intel за проектом закрепили Теда Хоффа — стэнфордского исследователя, до этого изучавшего электронные нейросети. В сентябре из Fairchild перешёл Стэнли Мазор, который присоединился к работе над калькулятором.
Именно на этом этапе семь микросхем из задумки Симы сливаются в один микропроцессор. Кстати, именем он обязан тому, что все устройства для 141-PF во внутреннем нейминге Intel шли под четырёхтысячной серией, и всего в калькулятор поставили четыре модели устройств: четыре чипа памяти 4001, два чипа ОЗУ 4002, три регистра сдвига 4003 и один 4004.
В октябре 1969 года в США приезжает руководство Busicom и оценивает работу. В конце года Сима возвращается в Японию для работы над прошивкой калькулятора и документацией. В Америке японец окажется лишь в апреле 1970 года и с разочарованием обнаружит, что работа над 4004 никак не продвинулась, а Хоффа переставили на другой проект.
Фрагмент 4004. Intel4004.com
В правом нижнем углу кристалла 4004 различимы две буквы F.F. Это инициалы итальяно-американского физика и инженера Федерико Фаджина, который пришёл в Intel в апреле 1970 года. До этого Фаджин был трудоустроен в Fairchild Semiconductor, где он изобрёл технологию создания кремниевых МОП-структур с самосовмещённым затвором и разработал первую коммерческую интегральную микросхему Fairchild 3708. В 1968 году Федерико остался в США в Fairchild, а не вернулся в Италию: его поразила культура стартапов, которой он никогда до этого не испытывал.
Федерико перешёл в Intel всего за несколько дней до приезда Масатоси, но они быстро сработались. Чтобы компенсировать отставание по срокам, итальянец работал по 80 часов в неделю. В результате месяцев работы Фаджина, Симы и Мазора в начале 1971 года в Busicom отправили первые микросхемы. В марте 141-PF готов.
Фаджин быстро понял, что 4004 — это нечто большее, чем просто начинка настольного калькулятора. С большим неудовлетворением он выяснил, что набор чипов четырёхтысячной серии был разработан эксклюзивно для Busicom, а не продажи всем желающим. Федерико призвал руководство пересмотреть условия контракта. Для технической демонстрации инженер соорудил из 4004 тестовую установку для производства 4004. При этом вместо памяти 4001 он поставил микросхему EPROM, которую только что изобрели в Intel.
Также помогли слабые финансовые показатели японских партнёров. В одном из телефонных разговоров с Фаджином Сима упомянул, что Busicom не сможет вытянуть цену на набор микросхем. Вооружившись этим фактом, Фаджин и Хофф попросили Нойса снизить цену на микросхемы в обмен на отказ от условия эксклюзивности. К маю 1971 года было получено разрешение продавать 4004 другим компаниям, если создаваемый продукт не будет калькулятором. К ноябрю набор чипов MCS-4 вышел в продажу.
Плата 141-PF. Vintage Calculators Web Museum
Сейчас это сложно представить, но менеджеры Intel не хотели фокусировать внимание на первом микропроцессоре в истории, а маркетинг сомневался, что на продажникам будет легко продвигать такое технически сложное устройство. Ещё лет десять компания будет иметь значительно другую основную сферу деятельности.
Intel начали, чтобы войти на зарождающийся рынок полупроводниковой памяти, перспективной технологии хранения данных, которой пророчили заменить память на магнитных сердечниках. Микросхема динамической памяти с произвольным доступом 1103 принесла Intel финансовый успех, и за счёт этого в 1971 году компания вышла на IPO. Лишь к середине восьмидесятых демпинг японских производителей вынудил Intel отказаться от направления памяти.
Однако на данном этапе процессорам уделяли мало внимания. Как утверждает сам Фаджин, Intel производила микропроцессоры, но ради того, чтобы продавать больше памяти.
В следующие годы Фаджин руководил созданием 8008 для терминала Datapoint 2200, а затем набросал архитектуру и дизайн будущего 8080. В начале 1972 года Федерико запустил получение рабочей визы для Симы. Примерно в это же время Фаджин пришёл к начальству с предложением срочно дать ход проекту 8080.
Федерико отказали: руководство напугал чип на 40 ножек, в то время как Intel едва освоила 24. К тому же менеджеры хотели для начала оценить реакцию рынка на 4004 и 8008.
В принципе, опасения понять можно. Сам калькулятор 141-PF оказался финансово несостоятельным: более дешёвый Busicom 121-PK выполнял те же функции, поскольку работал на микросхемах Mostek MK6018 и MK6019. К тому же в Mostek MK6010 калькулятор умещался на одной микросхеме. А что, если и новые микропроцессоры финансово себя не оправдают?
Здесь c калькулятора Busicom Junior (продавался в США как NCR 18–15) сняли корпус, чтобы обнажить одну интегральную микросхему Mostek MK6010. На фотографии с другого ракурса заметно, что чип изготовлен в 25-ю неделю 1971 года
Через полгода, в середине 1972, Фаджин всё же протолкнул свою идею, но с хитростью: от имени Хоффа и Мазора. Как вспоминает Фаджин, Intel потеряла 9 месяцев преимущества над остальной индустрией полупроводников. Конкуренты не дремали: к тому моменту Rockwell уже выпустила PPS-4, схожий с 4004; о своём микропроцессоре объявила Texas Instruments.
8080 готов лишь в начале 1974. К середине года выходит 6800 от Motorola с внешне схожими характеристиками. К счастью для Intel, конкурент для 8080 оказался крупным и медленным, пусть и с неплохой архитектурой. Остальные компании отставали ещё сильнее. Лишь в 1975 году Fairchild начала продавать микропроцессор F8, а MOS выпустила 6502.
После рецессии нефтяного эмбарго 1973–1974 годов цена акций Intel на фондовом рынке обвалилась с $72 до $18. Внутри начались увольнения, избавились от около 10% персонала, отдел маркетинга процессоров реорганизовали. Сложности внутри Intel и вялый интерес к микропроцессорам заставили Фаджина серьёзно задуматься о собственной компании. Идею что он обсудил в частной беседе с руководителем отдела микропроцессоров Ральфом Унгерманном и нашёл у него полное понимание.
Другая возможная причина ухода Федерико из Intel балансирует на грани предположения. Утверждается, что в годы работы в Fairchild Фаджин разработал технологию buried contact, а его руководитель ушёл в Intel и там запатентовал это изобретение. Возможно, что случился небольшой профессиональный конфликт.
Точно известно, что Intel принижает любую роль перебежчиков-зайлоговцев в создании первых в мире микропроцессоров. В материалах для прессы компания пытается не упоминать Хаджина и Симу, а в интервью Мазор и Хофф употребляют вместо имён обтекаемую формулировку «проектная группа».
Музей Intel называет Теда Хоффа изобретателем микропроцессора, никак не упоминая Федерико Фаджина или Масатоси Симу. Intel4004.com
31 октября 1974 года был последний рабочий день Федерико в Intel. Вскоре Фаджин и Унгерманн основали собственную компанию. Федерико возглавил новое предприятие. Усилия известных специалистов заметил журналист профильной газеты Electronic News и описал в заметке, что сулило внимание инвесторов. В феврале 1975 года Масатоси Сима ушёл из Intel к Федерико.
Может показаться, что всё остальное нам уже и так известно, и Zilog просто сделала легендарный микропроцессор. На деле всё не так просто.
Название компании пришло не сразу. Ральф и Федерико долго придумывали имя организации, перебирая различные Electronic Semiconductor или Integrated. Каждый раз получалось, что имя настолько неинтересное, что оно забывалось уже на следующий день. В какой-то момент в цепочке ассоциаций от Integrated Logic перешли к I-Log, затем к Zilog. Префикс из последней буквы латинского алфавита подразумевает: компания покажет последнее слово в логике на интегральных микросхемах.
Аналогичным образом сам Z80 на ранних этапах назывался иначе: Super 80. Первоначальное название намекает на то, что новый микропроцессор — доработка 8080. Улучшать было что. Даже для питания 8080 требовались −5 В, +5 В и 12 В, а у процессора Zilog планировалась лишь шина +5 В. Подобное обновление 8080 сама Intel выпустила в марте 1976 под названием 8085. Впрочем, как вспоминает Федерико, 8085 не составил особой конкуренции для Z80.
Поначалу Унгерманн и Фаджин размещались в офисе на Стейт-стрит в Лос-Альтосе. Собственное офисное здание появится позднее, а фабрики для производства и вовсе не планировалось. Стартап Zilog задумывали как бесфабричную компанию, без производственных мощностей. Для выпуска микросхем Фаджин выбрал Synertek и начал переговоры.
Вскоре контакт был разорван: президент Synertek внезапно потребовал лицензию второго поставщика, то есть разрешение на производство продукта Zilog. Мириться с подобным Федерико не хотел, поэтому первые Z80 производили на фабриках Mostek, другой компании с мощностями пятивольтного процесса.
Добыть деньги после рецессии не просто тяжело, доступных средств венчурных инвестиций было мало на всём рынке. Общая сумма вложений в высокие технологии в 1975 году в США составила $10 млн — крошечная сумма на фоне нескольких лет вливаний в сотни миллионов. К счастью, статья в Electronic News действительно помогла найти инвесторов.
В июне 1975 года удалось получить первые $500 тыс. от Exxon Enterprises, дочки Exxon Mobil, но при условии, что из суммы будут потрачены лишь $400 тыс. и что 9 марта следующего года выйдет работающий процессор. Даже с учётом инфляции, полмиллиона в долларах 1975 года — это скромные $2,79 млн сегодня.
На этом чертеже отложены все слои маски Z80 в масштабе 200:1. Несколько недель Масатоси Сима чертёжным инструментом проверял правильность расположения компонентов, чтобы между всеми из 8,5 тысяч транзисторов находилось диктуемое требованиями техпроцесса пространство. Музей компьютерной истории
Следующие несколько месяцев — это жёсткие переработки. Фаджин утверждает, что провёл 3,5 месяца в режиме 80 рабочих часов в неделю. Два чертёжника трудились медленно, поэтому Федерико лично руководил ими и самостоятельно нарисовал как минимум две трети микросхемы.
Вообще, системы автоматизированного проектирования для создания интегральных микросхем начали использовать лишь в начале восьмидесятых. Даже Z8000 1979 года зайлоговцы рисовали от руки.
Сима занимался дизайном логики Z80, но общий план кристалла описал Фаджин. Унгерманн и другие сотрудники разрабатывали систему и софт. Большинство работ над процессором провели всего 11 человек.
Проект начался в середине февраля 1975 года. В апреле был готов основной дизайн, с начала марта по начало мая подготовили аппаратную архитектуру. Ещё за месяц написали руководство по дизайну, но собственно дизайн логики начался уже во второй половине мая и продолжался полгода. Хотя 16 сентября была готова логика Z80, оставалось много мелких багов. Изготовление литографических масок началось лишь в ноябре 1975 года и заняло два месяца.
Схема Z80. Музей компьютерной истории
Торопиться приходилось не просто из-за прихоти инвесторов. Выходцы из Intel хорошо понимали, какой задел они оставили своему бывшему работодателю. В сроки и бюджеты уложиться удалось, и 9 марта 1976 года с завода Mostek поступили первые сэмплы Z80. Официальный запуск состоялся в июле того же года.
Реклама в выпуске журнала Electronics от мая 1976 года прямо сравнивает Zilog Z80 с Intel 8080A. Electronics
Ещё до начала продаж своего первого процессора Zilog выдвинула Exxon Enterprises предложение вложиться в производственные мощности компании и переманила Лена Перхама из AMD для управления будущим заводом. К январю 1977 года Zilog запустила собственные мощности, где клепались новенькие Z80.
8-битный Z80 имеет 16-разрядную шину адреса, поэтому адресует до 65 536 байт. Часто говорят, что Z80 двоично совместим с 8080. К примеру, операционная система CP/M работает как на 8080, так и на Z80. Описание различий и особенностей работы всё же занимает несколько страниц.
Общая схема архитектуры Z80. Работа пользователя «Википедии» Appaloosa. Вероятно, перерисовано с 65-й страницы книги Programming the Z80
Другой источник вдохновения — Motorola 6800 и чем-то похожий на 6800 мини-компьютер NEC, которым Масатоси Сима пользовался в Японии. Именно поэтому режимы прерываний улучшили, добавили новые индексные регистры и больше 16-битных операций.
Фотография кристалла Z0840004PSC, более поздняя модель, произведённая в 1990 году. ZeptoBars
Z80 — один из самых распространённых процессоров бума настольных компьютеров начала восьмидесятых. Потягаться в популярности с ним может разве что MOS Technology 6502. На Z80 работали Osborne 1, TRS-80, ZX Spectrum и десятки других.
Z80 устанавливали в продвинутые печатные машинки и текстовые процессоры, игровые приставки и игровые автоматы, калькуляторы и телефоны, а также разнообразные встраиваемые системы, от светофоров до автоматических дверей. Один из лучших показателей качества процессора — количество клонов и производных. Z80 копировали в Японии, Китае, Германии и Советском Союзе.
Ральф Унгерманн уволился из Zilog в 1978 году. В 1980 первый глава Zilog Федерико Фаджин ушёл из компании; позднее он основал Cygnet Technologies и Synaptics. Масатоси Сима вернулся в Японию, где открыл Intel Japan Design Center и VM Technology Corporation. Сама Zilog сменила нескольких владельцев.
Последующие микропроцессоры Zilog пользовались куда меньшей популярностью, поэтому компания сфокусировалась на микроконтроллерах, просуществовав в таком виде до наших дней. Попытки улучшаться были. К примеру, в 2007 году Zilog пыталась запустить 32-битные микроконтроллеры на ARM, но затея провалилась, и направление пришлось продать.
Сами микропроцессоры Z80 до сих пор производятся. «Сороканожка» Z80 продаётся от $5,5 до $9,75 и рекомендуется как замена вышедшему из строя чипу ZX Spectrum. Хотя корпус придаёт микросхеме вид гостя из семидесятых, максимальная частота работы современных Z80 варьируется от 6 до 20 МГц — куда выше, чем оригинальная частота в 2 МГц и считающиеся нормой в восьмидесятые 4 МГц. Энтузиасты выпускают программное обеспечение для Z80 по сей день.
Z80 с пометкой даты 40-й недели 2016 года. TFW8b.com
Однако недавно, 15 апреля 2024 года, Zilog объявила дату окончания продажи практически всей линейки моделей Z84C00. Производство оригинальных Z80 прекращают.
Это не значит, что Z80 остаётся только эмулировать на ППВМ. Продолжается продажа eZ80, микросхемы с полной двоичной совместимостью с Z80. Процессор eZ80 не только до четырёх раз быстрее оригинала на той же частоте, но и развивает скорость до 50 МГц. Именно eZ80 установлен в некоторых калькуляторах Texas Instruments.
А вот оригинальный Z80 можно приобрести только до 14 июня 2024 года. Дату начала продаж и последнюю возможность купить обычный Z80 разделяют почти 48 лет. Мало какое устройство может похвастать такой актуальностью.
