Carlos Alberto Rosa
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
(Work in progress)
Introdução
O presente trabalho vem sendo desenvolvido no Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (LSI/EPUSP), com finalidades de investigação, desenvolvimento e divulgação de metodologias de projetos de circuitos integrados digitais VLSI junto ao público das escolas técnicas de eletrônica, faculdades de tecnologias e engenharias no Brasil.
Várias técnicas de projetos dos circuitos digitais por chaveamento a relé se desenvolveram nas décadas de 30 e 40, que facultaram o surgimento dos primeiro computadores projetados no pós-guerra (ENIAC, IAC e outros). As técnicas de síntese funcional e lógica das arquiteturas desses computadores dependiam da genealidade de alguns especialistas e matemáticos que consolidavam manualmente as especificações para produzirem os módulos dos circuitos lógicos do chaveamento dos relés ou da eletrônica das válvulas.
Com a descoberta transistor em 1948 e a após William Shockley concluir a modelagem física do efeito transistor em 1950, os transistores trouxeram ao mundo dos computadores de grande novas expectativas de aumento do poder computacional e funcionalidades.
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Figura 1 - Foto da capa da revista Electronics anunciando a descoberta do transistor e seus inventores em Setembro de 1948 em (a) e a foto do primeiro transistor de ponta de contato (b) [101 Science][15].
Desde o advento da tecnologia planar na década de 60, várias tecnologias de circuitos digitais integráveis se tornaram comuns no mercado (os bipolares RTL, DTL, TTL e os unipolares PMOS).
Figura 2 - Foto do primeiro circuito integrado de germanio com tecnologia planar desenvolvido por Jack Kilby da Texas Instruments em 1956.
Devido à regularidade dos circuitos digitais e diante da possiblidade crescente da capacidade de integração de funções mais complexas por unidade de área de silício, inicia-se então, na década de 70, um desenvolvimento frenético de metodologias automáticas para auxiliarem os projetistas na implementação de funções digitais cada vez mais complexas nos circuitos intregrados.
Figura 3 - Foto dos fundadores da Intel Corporation: Andrew Grove, Gordon Earle Moore e Robert Noyce.
Surgem as primeiras bibliotecas de células de funções padronizadas (Standard Cells) para as tecnologias Bipolar TTL e unipolar PMOS, facilitando o desenvolvimento rápido de novas funções integráveis.
Em Novembro de 1971, a Intel lança no mercado, o primeiro conjunto de circuitos integrados para um microcomputador de 4-bits, denominado MCS-4, formado pelos CIs 4001, 4002, 4003 e 4004. O projeto foi liderado pelo italiano Federico Faggin, Figura 4, tendo idealizado e projetado toda a arquitetura juntamente com dois outros engenheiros da Intel: Stan Mazor e Ted Hoff.
(b)
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O uP 4004 foi desenvolvido com o que havia de mais avançado na época, tecnologia PMOS de 10 microns em waffers de 2 e 3 polegadas. A arquitetura utilizada era a Harvard (memórias distintas para programas e dados) e um conjunto de 16 registradores de propósitos gerais de 4-bit podia ser utilizado como oito registradores de 8-bits. O Instruction Set era formado por 45 instruções. O funcionamento do uP 4004, descrito no datasheet original em [5], operava com um clock de 108 KHz. Com 2300 transistores, eram fabricados por um conjunto reduzido de apenas 6 máscaras litográficas [4].
(b)
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Figura 6 - Foto do chip 4004: (a) melalização de ouro, (b) chip acabado e (c) floorplanning [fonte: Intel Museum][3].
Figura 7 - Foto da marca "F.F.", iniciais de Federico Faggin na superfície do chip 4004 [fonte: http://www.intel4004.org/ e Torino Scienza].
Novas técnicas de projetos de circuitos integrados se firmaram com a utilização de sistemas CAD, responsáveis pelo desenho das geometrias utilizadas na elaboração das máscaras utilizadas nos variados processos microeletrônicos.
No final da década de 70 e meados da década de 80, o uso de computadores em projeto de circuitos integrados se torna definitivamente imprescindível.
Referências
[1] Intel's First Microprocessor—the Intel 4004
[2] Intel´s First Microprocessor—Facts
[3] Intel´s Historical Documents
[4] Intel 4004 Microprocessor Historical Materials: As seis máscaras usadas no processo litográfico do 4004 em 1971: 4004002 (jpg 225KB), 4004008 (jpg 64KB), 4004013 (jpg 153KB), 4004018 (jpg 57KB), 4004023 (jpg 168KB), 4004029 (jpg 170KB).
[5] Datasheet do uP 4004 Single Chip 4-Bit P-Channel Microprocessor (pdf 3 MB).
[6] Circuito Eletrônico Esquemático do uP 4004 (pdf 6.4 MB).
[7] Manual do MCS-4 de 1974 (pdf 30MB)
[8] Agreement between Intel & NCM: Transcrição do contrato histórico entre a Intel e a Busicom Corporation (pdf) que possibilitou o desenvolvimento do uP 4004, assinado por Robert Noyce e Yoshio Kojima em 05 de Janeiro de 1970.
[9] Federico Faggin: Engenheiro lider do projeto do MCS-4. (Wikipedia, Home).
[9] Ted Hoff: Um dos engenheiros responsável pela implementação do Intruction Set na arquitetura do uP 4004 da Intel. (Wikipedia, History).
[11] www.intel4004.com
[12] Intel´s Microprocessors Quick Reference Guide
[13] Intel Museum: Microprocessor Hall of Fame
[14] Moore´s Law
[15] História do Transistor no 101 Science
[16] História do Transistor no Wikipedia
[17] Circuitos Integrados no Wikipedia
[18] The Antique Chip Collector
[19] The Monolithic Idea (T.R. Reid)
