4004 - 50 Jahre Mikroprozessoren von Intel: Eine Zeitreise [Update: "Köpf"-Video zum 4004]

Aktualisierung vom 16.11.2021

Er hat es getan - Roman Der8auer hat tatsächlich zwei 4004-CPUs in seinem Besitz und hat angesichts des Jubiläums die Chance ergriffen, die gar nicht mal so günstigen Prozessoren (200 Euro für die "dunkle" Version, ca. 2.000 Euro für die weiße Variante) im Video zu zeigen. Der Plan ist, den 4004 unter das Rasterelektronen-Mikroskop zu legen - und im Video wird auch eine Variante so "geköpft" bzw. abgeschliffen, dass der Chip erkennbar ist. So ganz hat das Experiment aber nicht wie gewünscht geklappt.

Originalartikel vom 15.11.2021

Hinweis: Mit dem heutigen Tag feiert Intel 50 Jahre 4004 - der erste Mikroprozessor gilt als erster in Serie produzierter Ein-Chip-Prozessor, der den Bau günstiger Heimcomputer ermöglicht. Dazu passend hat Intel einige interessante Infografiken und Hintergründe zum 4004 veröffentlicht.

Alles begann dabei mit einem Taschenrechner. 1969 trat der japanische Hersteller Nippon Calculating Machine Corp. an Intel heran, um eine Reihe integrierter Schaltkreise für seinen technischen Prototyp-Rechner, den Busicom 141-PF, zu entwickeln. Die ursprünglichen Pläne sahen 12 kundenspezifische Chips vor, aber die Intel-Mitarbeiter Marcian "Ted" Hoff, Stan Mazor und Federico Faggin passten den Entwurf zu einem Satz von vier Chips an, darunter die 4004 Central Processing Unit (CPU), die im November 1971 offiziell vorgestellt wurde. In der US-Zeitschrift "Electronic News" erschien am 15. November 1971 die erste Anzeige für den neuen Mikroprozessor, das 4-Bit-Modell 4004. Der Chip lief mit bis zu 740 Kilohertz und galt als erster in Serie produzierter Ein-Chip-Prozessor, der den Bau günstiger Heimcomputer ermöglicht. Entwickelt wurde er von einer kleinen Firma, die erst vor wenigen Jahren von Gordon Moore und Robert Noyce gegründet wurde: Integrated Electronics.

Quelle: Intel Intel feiert 50 Jahre 4004 (3) Vor dem fingernagelgroßen 4004-Mikroprozessor konnte die gleiche Rechenleistung nur mit Computern erreicht werden, die ganze Räume füllten. "Der 4004 war so revolutionär, dass es etwa fünf Jahre dauerte, bis Intel den Ingenieuren beibrachte, wie man neue Produkte auf der Grundlage von Mikroprozessoren baut", sagt Miterfinder Mazor. "Intel war bei diesem Unterfangen letztendlich sehr erfolgreich, und der Rest ist Geschichte."

"1970 war klar, dass Mikroprozessoren die Art und Weise, wie wir Systeme entwerfen, verändern würden, indem wir von Hardware auf Software umsteigen. Aber die Geschwindigkeit, mit der sich die Mikroprozessoren im Laufe der Zeit entwickelten und von der Industrie übernommen wurden, war wirklich überraschend", so Federico Faggin, ehemaliger Intel-Ingenieur, der zusammen mit Tedd Hoff und Stan Mazor den Intel 4004 entwickelte und produzierte.

"Dieses Jahr feiern wir den 50. Jahrestag des 4004-Chips. Denken Sie daran, wie viel wir in den letzten fünfzig Jahren erreicht haben. Dies ist ein heiliger Moment für die Technologie. Das ist es, was das Computing wirklich in Schwung gebracht hat!" - Pat Gelsinger, Intel-CEO

Die zweite Generation an Core-Prozessoren sind im Vergleich zum 4004 laut Intel 350.000 Mal schneller, jeder Transistor benötigt 5.000 Mal weniger Energie. In der gleichen Zeit sank der Preis eines Transistors um den Faktor 50.000. Und auch einen aktuellen Vergleich zwischen 4004 und Alder Lake hat Intel erstellt - die Infografik dazu finden Sie auf der rechten Seiten.

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Intels erster Chip ist der 4-Bit-Prozessor 4004, der 1971 ins Programm aufgenommen wird. Schon im Jahr darauf folgt der verbesserte 8008-Prozessor, Intels erster 8-Bit-Chip mit ganzen 3.500 Transistoren. 1974 kommt der 8008-Nachfolger 8080 mit 2 MHz auf den Markt; er gilt als erster vollwertiger Mikroprozessor, seine Rechenleistung ist aber immer noch derart beschränkt, dass diese CPU kaum in Computern zu finden ist.

Intel 8086 bis iAPX432
In der Rekordzeit von zehn Wochen entsteht gegen Ende der Siebziger der 8086, Intels erster 16-Bit-Prozessor und der Begründer der langen x86-Ahnenreihe. Er kommt 1978 auf den Markt, ist abwärtskompatibel zu den älteren 8-Bit-Modellen und eigentlich nur als Zwischenlösung gedacht. Als leicht funktionsreduzierte, aber auch preiswertere Variante schiebt Intel den 8088 nach - und dieser kommt in IBMs neuester Rechnergeneration zum Einsatz: dem Personal Computer von 1981, dem ersten PC. Der "x86"-Befehlssatz beginnt seinen Siegeszug.

Der 8088 wird durch den Erfolg des PCs und der vielen IBM-kompatiblen Nachbauten zum Hit. Dabei soll er nur die Zeit bis zur Fertigstellung des ersten 32-Bit-Prozessors überbrücken, des 8800, der 1981 als iAPX432 auf den Markt kommt. Dieser ist seiner Zeit weit voraus - aber zu teuer und nicht zum mittlerweile etablierten x86-Standard kompatibel, weshalb er zum Flop wird und schnell in Vergessenheit gerät.

Intel 80286 bis 80486
1984 bringt IBM eine neue PC-Generation heraus, den PC-AT, und in ihm steckt Intels neuer 16-Bit-Prozessor 80286, der natürlich zum 8086/8088 und zum selten eingesetzten 80186 kompatibel bleibt. Obwohl er technisch nicht mehr ganz auf der Höhe der Zeit ist, bringt der 286er seinem Hersteller Rekordumsätze ein.

Schon im Jahr darauf präsentiert Intel den 80386 mit zeitgemäßer 32-Bit-Technik. Im Gegensatz zum iAPX432 wird der 386er gut angenommen, in zahlreichen Rechnern von Compaq, IBM und anderen Herstellern ist er zu finden. Während der 286er nur 16 MiByte Arbeitsspeicher adressieren konnte, schafft der 386 dank 32-Bit-Technik theoretisch 4 GiByte RAM - genau wie alle 32-Bit-CPUs nach ihm bis hin zum Pentium 4. Wie einige seiner Vorgänger bietet Intel auch den 80386 in einer simpleren und günstigeren Version an, den 386SX mit nur 16 Bit breitem Datenbus; zur Unterscheidung von seinem kleinen Bruder wird der reguläre 386 in 386DX umbenannt.

1989 folgt die Weiterentwicklung des 386ers, der 80486 alias i486. Er bringt erstmals einen integrierten L1-Cache sowie einen mathematischen Co-Prozessor mit, den man bis dato nachrüsten und in einen separaten Sockel stecken musste. Der 486 ist der erste Prozessor, der Befehle fließbandartig ("pipelined") verarbeitet und intern mit einem höheren Takt läuft als extern. Auch ihn gibt es als schnellen DX, als günstigeren SX ohne Co-Prozessor sowie in zahlreichen anderen Varianten von 16 bis 100 Megahertz. Sein Erfolg ist beispiellos, er dominiert den PC-Markt jahrelang, nicht zuletzt durch die 1991 gestartete "Intel inside"-Kampagne.

Pentium
Abgelöst wird der 486er erst 1993, als Intel den 586er vorstellt, der nun allerdings einen richtigen Namen bekommt: Pentium. Der Pentium wird innerhalb von zwei Jahren zum meistverkauften Intel-Prozesssor der Geschichte und begleitet den PC auf seinem Weg zum Massenmedium. Danach sieht es anfangs nicht aus: Wenige Wochen nach der Vorstellung entdeckt ein Mathematik-Professor einen schweren Rechenfehler, der sich bei Fließkommarechnungen zeigt; Käufer und Fachpresse sind empört. Auf Druck von Herstellern wie IBM und der Öffentlichkeit startet Intel eine aufwendige Rückrufaktion.

Den großen Erfolg verdankt der Pentium-Prozessor nicht nur Intels geschicktem Marketing, sondern auch seiner später hinzugekommenen Multimedia-Erweiterung MMX (1997) und seiner leistungsfähigen Architektur. Erstmals kann ein Intel-Prozessor mehrere Befehle gleichzeitig abarbeiten, die Ingenieure verdoppelten außerdem die Anbindung zum Speicher von 32 auf 64 Bit und spendierten dem Chip je acht Kilobyte L1-Daten- und Befehlscache. Die Maßnahmen bringen eine deutliche Leistungssteigerung, die auch den aufkommenden (3D-)Spielen auf die Sprünge hilft.

Pentium II
Der Nachfolger Pentium II bringt 1997 Verbesserungen wie das Abarbeiten von Befehlen außerhalb der normalen Programmfolge ("Out-of-Order-Execution"), Intels erster Out-of-Order-Chip war allerdings der teure Pentium Pro von 1995. Der Pentium II sitzt gemeinsam mit dem L2-Cache auf einer eigenen Platine, die nicht mehr in einen Sockel passt, sondern senkrecht in einem neuen Steckplatz (Slot 1) sitzt - das macht neue Mainboards nötig.

Pentium III bis Pentium D
1999 bringt Intel mit dem Pentium III wieder Detailverbesserungen: Der Prozessor hat neben MMX eine zweite Befehlssatzerweiterung, die unter dem Namen KNI ("Katmai New Instructions") entwickelt und als ISSE ("Internet Streaming SIMD Extension") vermarktet wird. Sie soll vor allem Internet-, Office- und Multimedia-Anwendungen beschleunigen. Später passt der komplette Cache des Prozessors dank besserer Fertigungsverfahren auf den Kern des Chips, der Pentium III ist bald wieder als Sockel-Prozessor zu haben, die Slot-Technik schnell wieder vergessen.

Der Pentium 4 soll als erster Prozessor die Gigahertz-Grenze überschreiten, doch die Präsentation dieses Modells verzögert sich immer weiter. Schließlich muss der Pentium III herhalten und erreicht mit Übertaktertricks im Jahr 2000 endlich 1.000 MHz - doch es ist zu spät, bereits zwei Tage vorher hat AMDs Athlon ein Gigahertz erreicht. Kurz darauf kapituliert die Architektur des Pentium III vor der Physik: Ein mit 1,13 Gigahertz getaktetes Modell fällt bei Tests durch Rechenfehler auf - Erinnerungen an den Pentium-Fehler werden wach. Intel reagiert: Der Prozessor, der ohnehin nur in kleinen Stückzahlen in den Handel kam, wird zurückgerufen.

In diesem Umfeld ist dem Pentium 4 kein glücklicher Start beschert. Als der Chip Ende 2000 mit 1,4 und 1,5 GHz auf den Markt kommt, sind die ersten Benchmarks enttäuschend. Der Prozessor fällt bei einigen Tests hinter die schnelleren Pentium-III-Modelle zurück, die mittlerweile mit einem neuen Stepping Gigahertz-tauglich gemacht wurden. Auch die dritte Befehlssatz-Erweiterung SSE2 kann daran nichts ändern. Intel muss noch eine weitere Schlappe verkraften: Der vom Marktführer unterstützte Rambus-Speicher fällt bei PC-Herstellern und Verbrauchern durch - zu teuer sind die Module.

Intel müht sich, den Schaden zu begrenzen: Neue Modelle bringen mehr Cache und höhere Taktfrequenzen sowie Chipsätze mit DDR-RAM-Unterstützung, spät folgt die 64-Bit-Erweiterung. Doch die P4-Architektur gerät schneller an ihre Grenzen als geplant: Ursprünglich für bis zu 10 Gigahertz konzipiert, scheitert der Pentium 4 bereits an der Vier-Gigahertz-Marke. Daran kann auch der vorläufig letzte, "Prescott" genannte Kern nichts ändern, durch Leckströme steigt die Wärmeabgabe noch weiter an. Bald erreicht die thermische Verlustleistung (TDP) dreistellige Werte, Prozessorkühler werden aufwendiger, teurer und lauter.

2005 kommt der Pentium 4 mit zwei Kernen auf den Markt und heißt fortan "Pentium D" - es ist der erste Desktop-Prozessor, der über mehr als einen Kern verfügt; zuvor hatte die "Hyperthreading"-Funktion aus einem physischen immerhin zwei logische Kerne gemacht. Dem konkurrierenden Athlon 64 X2 kommt Intel somit knapp zuvor.

Core 2
Im Frühjahr 2006 platzt die Bombe: Die nächste Chip-Generation verabschiedet sich nicht nur weitgehend vom Namen "Pentium", sie entpuppt sich vor allem als grundlegend neues Design mit enormer Durchschlagskraft - auch wenn Intel im Gegensatz zu AMD weiterhin auf integrierte Speichercontroller verzichtet. Die ersten Prozessoren auf Basis dieser "Core" genannten Architektur rechnen bis zu 30 Prozent schneller als gleich getaktete Athlon-CPUs. Mitte August erscheinen die Core-2-Duo-Modelle schließlich im Handel und erfüllen alle Erwartungen. Die Core-Architektur erweist sich als äußerst effizient, die Leistungswerte sind überragend, die Wärmeentwicklung ist wegen der Pentium-M-Wurzeln und des Sparmodus Speedstep moderat.

Ende 2006, nur wenige Monate nach dem Core-2-Duo-Start, erscheint der erste Desktop-Prozessor mit vier Kernen: der Core 2 Quad, zunächst als "Extreme"-Modell. Statt einen neuen Chip mit vier Kernen zu entwerfen, hat Intel einfach zwei Doppelkerne in einem Prozessorgehäuse untergebracht und miteinander verbunden. Trotz dieses "uneleganten" Designs erreichen die Prozessoren in einigen Anwendungen neue Bestmarken.

Core i3 bis Core i7
Auf dem High-End-Sektor wird der Core 2 Ende 2008 vom Core i7-900 abgelöst, der erstmals in der Intel-Geschichte einen integrierten Speichercontroller mitbringt, auf den alten Frontside-Bus verzichtet und sich dank "Turbo Boost"-Funktion automatisch übertaktet. Mit der wiederbelebten "Hyperthreading"-Technik bringt es der Vierkerner auf acht logische Kerne, von denen aber nicht alle Anwendungen profitieren.

Im gleichen Jahr bringt Intel die x86-Architektur auch in den Low-End-Markt: mit dem Atom-Prozessor, der mit niedrigen Preisen und minimaler Leistungsaufnahme den Netbook-Boom auslöst, aber auch so manchen Billig-Desktop-PC antreibt.

Der Core i7-900 ist erstmals auf DDR3-Speicher beschränkt und auch dadurch anfangs sehr teuer, vor allem die Sockel-1366-Platinen gehen ins Geld. Bezahlbar wird seine Nehalem-Architektur erst mit den kleineren Core-i7- und -i5-Modellen, die im Herbst 2009 folgen. Die neue Core-Familie komplettiert Anfang 2010 der Core i3/i5 mit zwei Kernen und Hyperthreading, der außerdem erstmals einen Grafikchip im Prozessorgehäuse unterbringt; dies ist der vorläufige Höhepunkt der Entwicklung zu immer höher integrierten Architekturen. Mit dem i3 ist der Core 2 Geschichte - der alte Name Pentium indes lebt in einigen Low-End-Modellen weiter.

Die Core-i7-Serie geht ab März 2010 mit dem ersten Sechskern-Prozessor für Desktop-Systeme mit Codenamen Gulftown weiter. Im November 2011 folgt dann die Sandy Bridge Extreme-Reihe mit den ersten 3x-Nummern. Wie es danach weitergeht, ist eine ganz andere Geschichte.

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Jetzt aktualisiert: Mit dem Intel 4004 begann am 15.11.1971 die CPU-Geschichte von Intel. PC Games Hardware wirft einen Blick zurück.

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