인텔 4004

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1. 개요
2. 역사
3. 특징
- 3.1. 아키텍처 및 핀아웃
4. 보조 칩 (MCS-4)
5. 의의 및 영향
- 5.1. 한국 전자 산업에 미친 영향
6. 수집
7. 유산
참조

1. 개요

인텔 4004는 1971년 인텔에서 출시한 세계 최초의 상용 마이크로프로세서 중 하나이다. 일본 비지콤 사의 계산기 라인에 탑재하기 위해 개발되었으며, 4비트 아키텍처를 기반으로 한다. 4004는 MCS-4라는 이름으로 여러 보조 칩과 함께 판매되었으며, 컴퓨터 소형화와 개인용 컴퓨터 시대를 여는 데 기여했다. 4004의 개발은 인텔의 마이크로프로세서 개발 역사와 x86 아키텍처에 영향을 미쳤으며, 한국을 포함한 여러 국가의 전자 산업 발전에 영향을 주었다.

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인텔 4004
기본 정보
회색 트레이스를 가진 인텔 C4004 프로세서
이름	Intel 4004
생산 시작	1971년 11월 15일
생산 종료	1981년
설계 회사	Intel
제조 회사	Intel
최소 클럭 속도	740 kHz
최대 클럭 속도	750 kHz
프로세스 크기	10 μm
트랜지스터 수	2,300개
아키텍처	4비트 BCD 지향
데이터 폭	4비트
주소 폭	12비트 (다중화)
패키지	16핀 듀얼 인라인 패키지
소켓	DIP16
응용 분야	Busicom 계산기, 산술 연산
후속 모델	Intel 4040
지원 상태	지원 중단
판매 회사	Intel
설계자	嶋正利 페데리코 파진

2. 역사

1971년 11월 15일에 처음 출시된 4004는 인텔이 반도체 메모리 생산에서 벗어나 처음으로 제작한 컴퓨터 프로세서이다. 이 프로젝트는 인텔 창업자 중 한 명인 레슬리 배다스가 총괄했으며, 테드 호프, 페데리코 파긴, 비지콤(Busicom, 후에 자일로그가 되었음)의 시마 마사토시가 수석 디자이너로 참여했다.

방열에 뛰어난 금색 뚜껑이 달린 세라믹 패키지의 4004와 MCS-4 패밀리를 탑재한 141-PF의 기판. 국립과학박물관 전시.

테드 호프는 1969년에 인텔 최초의 마이크로프로세서인 MCS-4의 구조에 관한 제한을 하였다. 페데리코 파긴은 1970년부터 1971년 사이에 이 프로젝트 리더로서 MCS-4 칩들을 직접 디자인하였다. 파긴은 이전에 페어차일드 반도체에서 실리콘 게이트 기술(SGT)을 개발하고, 이를 바탕으로 한 세계 최초의 상용화된 집적 회로인 페어차일드 3708을 디자인한 경험을 바탕으로, 실리콘 게이트를 기반으로 한 새로운 디자인 방법과 여러 디자인 혁신을 통해 4004 프로세서를 단일 칩으로 구현했다. 비지콤의 시마 마사토시는 파긴을 도와 계산기 개발 및 소프트웨어 개발을 담당했다.

4004는 일본 비지콤(Busicom) 사의 계산기 라인에 탑재하기 위해 설계되었으며, 2,300개의 트랜지스터로 제작되었다. 이후 인텔은 최초의 8비트 프로세서인 8008과 4004의 업그레이드 버전인 4040을 출시했다. 8080의 출시와 함께 마이크로컴퓨터 혁명이 시작되었다.

같은 시기에 포페이즈 시스템(Four-Phase Systems)의 AL1(1969년 개발), F-14 톰캣 전투기에 사용된 MP944(1970년 완성), 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)의 TMS-0100(1971년 9월 17일 발표) 등 세 가지 다른 CPU 칩 설계가 등장했다. MP944는 6개의 칩으로 구성된 단일 프로세서 장치였고, TMS0100 칩은 "칩 위의 계산기"로 소개되었으며, 1974년에 출시된 TMS1000의 전신으로, 최초의 마이크로컨트롤러로 여겨진다.^[22] 인텔의 MCS-4 계열(4004는 CPU 또는 마이크로프로세서임)은 단일 칩인 TMS1000보다 훨씬 다재다능하고 강력하여 다양한 응용 분야를 위한 소형 컴퓨터를 만들 수 있었다.

1974년 말, 페데리코 파긴과 랄프 언거만에 의해 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 전문 기업인 자일로그(Zilog)가 설립되었다.^[23]^[24]

2. 1. 개발 배경

1969년 비지콤(Busicom)은 인텔에 새로운 전자 계산기 설계를 의뢰했다.^[5]^[6] 비지콤의 초기 설계는 7개의 집적 회로(integrated circuit)를 사용하는 방식이었다.^[46]^[47]^[48] 그러나 당시 인텔의 규모로는 여러 종류의 칩을 동시에 개발하기 어려웠기 때문에, 인텔의 기술자 테드 호프는 이를 4개의 칩으로 구성된 범용 프로세서로 단순화하는 아이디어를 제안했다.^[49]

테드 호프의 제안은 범용 컴퓨터와 유사한 구조를 가지면서도, 4비트 워드 길이를 채택하여 여러 자릿수의 연산 처리를 1자릿수(4비트) 연산의 반복으로 대체하고, 외부 기기 제어를 소프트웨어로 처리하는 방식이었다. 이는 개발할 칩의 종류를 줄이는 효과를 가져왔다.

이러한 설계는 인텔이 DRAM(Dynamic RAM) 칩 개발을 통해 얻은 경험과 페어차일드 반도체에서 개발된 실리콘 게이트 기술(SGT)을 바탕으로 실현 가능성을 높였다. 특히, DRAM은 랜덤 액세스를 지원하여 기존의 쉬프트 레지스터(shift register)보다 효율적인 메모리 솔루션을 제공했다.

2. 2. 개발 과정

1969년 4월, 일본의 비지콤(Busicom)은 인텔(Intel)에 새로운 전자 계산기 설계를 의뢰했다. 비지콤의 설계는 1965년 올리베티 프로그라마 101(Olivetti Programma 101)의 아키텍처를 기반으로 했지만, 집적 회로(integrated circuit)를 사용하고, 자기 탄성선(magnetostriction wire) 대신 고체 쉬프트 레지스터(shift register)를 메모리로 사용하는 등 핵심적인 차이점이 있었다.^[5]^[6] 비지콤은 범용 프로세서 개념을 개발하여, 현금등록기(cash register)나 현금 자동 입출금기(automatic teller machine)와 같은 다른 역할에도 동일한 설계를 사용하려 했다.

인텔은 마시안 호프(Marcian Hoff)를 담당자로 배정했다. 1969년 6월 비지콤의 엔지니어 시마 마사토시(Masatoshi Shima)가 인텔을 방문하여 설계를 소개했는데, 호프는 이 개념을 연구하면서 칩 수와 상호 연결로 인해 비지콤의 가격 목표를 달성하기 어려울 것이라고 우려했다. 그는 칩을 결합하여 복잡성과 비용을 줄이고, 인텔이 동시에 여러 칩을 만들 인력이 부족하다고 판단했다. CEO인 밥 노이스(Bob Noyce)는 호프의 다른 접근 방식을 지원했다.

1969년 9월, 스탠리 메이저(Stanley Mazor)가 인텔에 합류하여 호프와 함께 비지콤의 우려 사항에 대한 해결책을 제시했다. 이들은 20바이트 길이의 인터프리터를 개발하고, 인터럽트 처리 및 BCD 저장 문제를 해결했다. 16핀 듀얼 인라인 패키지(DIP) 레이아웃을 사용하고 멀티플렉싱을 통해 1MHz로 작동하여 BCD 값 연산을 자릿수당 약 80마이크로초로 수행할 수 있었다.

1969년 10월, 인텔과 비지콤의 논의 결과, 7칩 설계가 CPU, ROM, RAM 및 I/O 장치로 구성된 4칩 제안으로 축소되었다. 비지콤은 이 제안을 승인하고 개발을 시작하도록 했다. 1970년 4월, 레슬리 바다시는 페데리코 파긴을 고용하여 프로젝트를 맡겼다. 파긴은 페어차일드 반도체에서 실리콘 게이트 기술(SGT) 개발을 주도한 경험이 있었으며,^[9]^[10] 이 기술은 누설 전류 감소, 회로 밀도 향상, 빠른 속도 등 여러 장점을 제공했다.^[11]^[12]

파긴은 시마와 함께 설계를 진행하며, "매립 접점" 및 "부트스트랩 부하"와 같은 혁신적인 기술을 도입하여 칩 밀도를 높였다. 파긴의 이러한 혁신 덕분에 호프의 아키텍처를 단일 칩으로 구현할 수 있었다.

1970년 10월부터 4001, 4003, 4002, 4004 칩들이 순차적으로 개발되었다.^[17] 파긴은 이들을 "4000 계열"로 명명했다. 각 칩의 기능은 다음과 같다.

칩 이름	기능
인텔 4001	256바이트 4비트 ROM
인텔 4002	4개의 20-니블 레지스터를 가진 DRAM (총 크기 40바이트)
인텔 4003	직렬 및 병렬 출력을 가진 10비트 정적 시프트 레지스터로 구성된 I/O 칩
인텔 4004	CPU

1971년 1월, 두 번째 실행에서 4004는 사소한 문제를 제외하고 완벽하게 작동했다. 1971년 8월에 양산이 시작되었다.

4004는 비지콤과 인텔의 공동 개발이었다. 비지콤은 1969년 인텔에 칩셋 개발을 의뢰했고, 인텔의 테드 호프(テッド・ホフ)는 범용 컴퓨터와 유사한 구성을 제안하여 개발 칩 종류를 줄였다. 시마 마사토시(嶋正利)와 페데리코 파진(フェデリコ・ファジン)이 설계를 주도하여 4004를 완성했다.^[49] 인텔은 칩의 범용성에 주목하여 비지콤과의 계약을 통해 1971년 11월 15일 4004를 출시했다.

2. 3. 비지콤과의 관계

4004는 일본의 비지콤(Busicom)사와 인텔의 공동 개발이다.

1969년, 비지콤은 프로그램 제어^[46] 전자계산기를 계획하고 인텔에 칩셋 개발을 의뢰했다. 비지콤의 초기 계획은 매크로 명령으로 제어되며, 10개 정도^[47]^[48]의 칩이 필요했다. 이는 전자계산기로서는 범용(프로그램에 따라 다양한 전자계산기를 만들 수 있음)이지만, 전자계산기용 전용 칩이었다.

당시 인텔의 규모로는 그렇게 많은 종류의 칩을 동시에 개발하기 어려웠기 때문에, 인텔의 기술자 테드 호프는 워드 길이가 4비트인 것을 제외하면 범용 컴퓨터와 같은 구성을 제안했다. 여러 자릿수의 연산 처리를 1자릿수(4비트) 연산의 반복으로, 외부 기기 제어를 소프트웨어에 의한 제어로 대체할 수 있다는 것이었다. 이를 통해 개발하는 칩의 종류를 줄였다. 이는 1969년 8월 말의 일로, 마이크로프로세서의 원점이 되었다.

이 아이디어를 바탕으로 시마 마사토시와 페데리코 파진을 중심으로, 시마가 논리 설계를, 파진이 물리 설계(회로 설계와 마스크 레이아웃)를 하여 4004가 완성되었다. 원래 개발 일정은 1970년 7월부터 10월까지 4001부터 4004까지 양산될 예정이었다. 그러나 파진이 배속된 첫날 일정을 보고 "턱이 빠졌다(깜짝 놀랐다는 의미)"라고 전해지며(CPU를 포함한 4개의 칩 설계 기간이 6개월도 되지 않았다), 그 직후 진척 확인을 위해 미국으로 건너간 시마가 개발 지연을 알고 격분하여 (인텔이 더 많은 엔지니어를 고용하는 한편) 시마가 6개월간 설계에 참여했다.^[49]

초기 계약에서 이 칩은 비지콤에 독점 판매되었지만, 칩의 범용성을 파악한 인텔이 다른 곳으로의 판매를 희망했다. 한편 비지콤 측에서는 회사 운영 자금의 수요가 항상 있었기 때문에, 계약금의 일부를 비지콤에 돌려줌으로써 인텔은 칩의 판매권을 얻었고, 1971년 11월 15일에 4004로 출하가 시작되었다.

3. 특징

인텔 4004는 4비트 프로세서로, 최대 클럭 속도는 740kHz이다.^[27] 하버드 아키텍처를 채택하여 프로그램 메모리와 데이터 메모리를 분리했지만, 핀 수를 줄이기 위해 단일 4비트 버스를 시분할 다중화 방식으로 사용했다. 41개의 8비트 명령어와 5개의 16비트 명령어를 지원하며^[50]^[51]^[52]^[53], 16개의 4비트 레지스터를 가지고 있다. 서브루틴 호출을 위한 하드웨어 스택은 3단계 깊이로 제한되었다.

초기에는 다양한 양의 시프트 레지스터 RAM과 프로그램 ROM을 사용하여 여러 계산기를 생산할 계획이었으나, 테드 호프는 명령어 집합 아키텍처가 범용 컴퓨터의 아키텍처와 매우 유사하다는 점에 주목하여 범용 프로세서 개발을 고려하게 되었다. 그는 1969년 7월과 8월 동안 전체 설계 개념을 연구했다.

4004는 부시컴의 우려를 해결하기 위해 20바이트 길이의 인터프리터를 개발하고, 인터럽트 처리 기능을 추가했다. 또한, 가격 목표를 달성하기 위해 16핀 듀얼 인라인 패키지(DIP) 레이아웃을 사용하고 단일 4선 세트의 멀티플렉싱을 활용했다.

3. 1. 아키텍처 및 핀아웃

최대 동작 주파수는 741kHz이다. 단, 명령어 주소 출력에 3클럭, 명령어 읽기에 2클럭, 명령어 실행에 3클럭으로 총 8클럭이 필요하다.
프로그램 메모리 공간과 데이터 메모리 공간이 분리된 하버드 아키텍처이다. 이는 최근 캐시와 같은 성능 목적에 의한 물리적 버스 분리가 아니라, 명령어 세트 아키텍처적(논리적)으로 각 공간이 다르다는 것을 의미한다.
핀 수 절약을 위해 12비트 주소, 8비트 명령어, 4비트 데이터 신호는 단일 4비트 물리적 버스를 공유하며(시분할 다중화), 데이터 이외에는 각각 순차적으로 출력된다.
46종류의 명령어가 있으며, 그 중 41종류는 8비트 길이, 5종류는 16비트 길이이다.^[50]^[51]^[52]^[53]
16개의 4비트 길이 레지스터가 있다.
RAM 주소를 가리키는 스택 포인터는 없고, 프로그램 카운터 직결의 서브루틴 호출 시 보존 전용 하드웨어 스택이 있으며, 깊이는 3단이다.

4. 보조 칩 (MCS-4)

4004는 MCS-4(Micro Computer Set)라는 이름으로 여러 보조 칩과 함께 판매되었다. 4004와 함께 사용된 보조 칩들은 다음과 같다.^[17]

MCS-4 보조 칩
칩 이름	기능	설명
인텔 4001	256바이트 롬(ROM)	256개의 8비트 프로그램 명령어 저장, 4비트 입출력(I/O) 포트 1개 내장. 4008/4009 쌍과 함께 사용 불가.^[30]
인텔 4002	40바이트 램(RAM)	80개의 4비트 데이터 워드 저장, 4비트 출력 포트 1개 내장. 4개의 "레지스터"로 구성 (각 레지스터는 20개의 4비트 워드로 구성):
인텔 4003	10비트 병렬 출력 시프트 레지스터	키보드, 디스플레이, 프린터 등을 스캔.
인텔 4008	8비트 주소 래치	표준 메모리 칩 접근, 4비트 칩 선택 및 I/O 포트 1개 내장.
인텔 4009	프로그램 및 I/O 접근 변환기	표준 메모리 및 I/O 칩 접근.
4269	키보드/디스플레이 인터페이스
4289	메모리 인터페이스	4008과 4009의 기능을 결합.

초기 MCS-4 제품군 칩 조합으로 최대 32768비트(2048비트×16)의 ROM과 1280비트(320비트×4)의 RAM 구성이 가능했다.^[17]

부시컴의 전자 계산기에서의 칩 구성은 다음과 같았다.

4001에 함수 등의 프로그램이 저장.
4003으로 키 입력을 시프트하면서 4004로 전달.
4004로 입력된 수치를 4002에 기록.
4001에 있는 프로그램을 사용하여 4004로 한 자릿수씩 연산을 수행하고 결과를 4002에 기록.
4003으로 시프트하면서 표시판에 출력.

5. 의의 및 영향

1971년 11월 15일에 출시된 4004는 인텔이 제작한 최초의 컴퓨터 프로세서이다. 이전까지 인텔은 반도체 메모리를 주로 생산했다. 4004 개발 프로젝트는 인텔 창업자 중 한 명인 레슬리 배다스가 총괄했고, 수석 디자이너는 테드 호프, 페데리고 파긴, 비지콤(Busicom, 후에 자일로그가 됨)의 시마 마사토시였다.^[45]

테드 호프는 1969년에 인텔 최초의 마이크로프로세서인 MCS-4의 구조에 관한 제한을 하였다. 페데리코 파긴은 1970년부터 1971년 사이에 이 프로젝트 리더로서 MCS-4 칩들을 직접 디자인하였다. 파긴은 실리콘 게이트를 기반으로 한 새로운 디자인 방법과 4004 프로세서가 한 칩 안에서 구현되도록 한 몇 가지 디자인 혁신에 기여하였다. 비지콤의 소프트웨어 및 로직 디자이너였던 시마 마사토시는 파긴을 도와 계산기 개발 및 소프트웨어 개발을 담당했다.

4004는 일본 비지콤(Busicom) 사의 계산기 라인에 탑재하기 위해 설계되었으며, 2,300개의 트랜지스터로 제작되었다. 이후 최초의 8비트 프로세서인 8008과 4004의 업그레이드 버전인 4040이 출시되었다. 8080의 출시와 함께 마이크로컴퓨터 혁명이 시작되었다.^[45]

같은 시기에 포페이즈 시스템(Four-Phase Systems)의 AL1(1969년 개발), F-14 톰캣 전투기에 사용된 MP944(1970년 완성), 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)의 TMS-0100(1971년 9월 17일 발표) 등 세 가지 CPU 칩 설계가 등장했다. MP944는 6개의 칩으로 구성된 단일 프로세서 장치였고, TMS0100은 "칩 위의 계산기"로 소개되었으며, 간단한 사칙연산 계산기 구현에만 사용되었다. 이는 1974년에 출시된 TMS1000의 전신으로, 최초의 마이크로컨트롤러로 여겨진다.^[21]^[22] 인텔의 MCS-4 계열(4004는 CPU)은 단일 칩인 TMS1000보다 훨씬 다재다능하고 강력하여 다양한 응용 분야를 위한 소형 컴퓨터 제작이 가능했다.

1974년 말, 페데리코 파긴과 랄프 언거만은 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 전문 기업인 자일로그(Zilog)를 설립했다.^[23]^[24]

4004를 사용한 최초의 상용 제품은 부시컴(Busicom)의 141-PF 계산기였다. 또한 4004는 1974년 데이브 너팅 어소시에이츠가 밸리를 위해 제작한 최초의 마이크로프로세서 제어식 핀볼 게임 시제품에도 사용되었다.

파이오니어 10호가 태양계를 벗어난 최초의 우주선이라는 속설이 있는데, 여기에 인텔 4004 마이크로프로세서가 사용되었다고 알려져 있다. 그러나 에임스 연구 센터의 래리 레이셔 박사에 따르면, 파이오니어 팀은 4004를 평가했지만 당시에는 너무 새로운 기술이어서 포함하지 않기로 결정했다.

5. 1. 한국 전자 산업에 미친 영향

4004의 등장은 1970년대 당시 한국 전자 산업계에 큰 충격을 주었다. 한국은 전자 산업 초기 단계였고, 4004와 같은 고집적 반도체 기술은 한국 기술 수준과 상당한 격차가 있었다. 이러한 상황은 한국 엔지니어들과 정부 관계자들이 자체 기술 개발 필요성을 절감하게 만들었다.^[45]

1970년대 초, 한국 정부는 전자 산업을 국가 핵심 산업으로 육성하기 위한 정책을 적극 추진했다. 이러한 정책의 일환으로 반도체 기술 개발 투자가 확대되었고, 이는 한국이 세계적인 반도체 강국으로 성장하는 데 중요한 밑거름이 되었다. 4004는 비록 한국에서 직접 개발된 기술은 아니었지만, 한국 엔지니어들에게 기술 개발 영감과 자극을 제공하는 중요한 계기가 되었다.

6. 수집

인텔 4004는 골동품 칩 수집가들에게 매우 인기 있는 아이템 중 하나이며, 특히 후속 모델인 인텔 4040과 함께 높은 가격에 거래되는 칩이다. 2006년 기준으로, 가장 비싼 4004 칩은 이베이에서 1000USD 가까운 가격에 거래되기도 했다.^[27]

7. 유산

2010년 10월 15일, 4004 개발에 참여한 파긴, 호프, 메이저는 버락 오바마 대통령으로부터 미국 기술혁신훈장을 수여받았다.^[39] 2006년 11월 15일에는 4004의 35주년을 기념하여 인텔은 칩의 회로도, 마스크 워크 및 사용자 설명서를 공개했다.^[36]

참조

_[1] 웹사이트 The Life Cycle of a CPU https://www.cpushack[...]
_[2] 웹사이트 The 40th birthday of—maybe—the first microprocessor, the Intel 4004 https://arstechnica.[...] 2011-11-15
_[3] 웹사이트 The Story of the Intel 4004 http://www.intel.co.[...]
_[4] 웹사이트 The Intel 4004 Microprocessor and the Silicon Gate Technology: The Busicom Engineering Prototype http://www.intel4004[...]
_[5] 웹사이트 Olivetti Programma 101 Electronic Calculator https://www.oldcalcu[...]
_[6] 웹사이트 2008/107/1 Computer, Programma 101, and documents (3), plastic / metal / paper / electronic components, hardware architect Pier Giorgio Perotto, designed by Mario Bellini, made by Olivetti, Italy, 1965–1971 http://www.powerhous[...] 2016-03-20
_[7] 문서 Possibly he had confused the Plessey name with that of Massey Ferguson, makers of agricultural machinery.
_[8] 웹사이트 Oral-History: Tadashi Sasaki http://www.ieeeghn.o[...] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 2013-01-02
_[9] 웹사이트 A faster generation of MOS devices with low thresholds is riding the crest of the new wave, silicon-gate IC's http://www.intel4004[...] 2017-06-03
_[10] 웹사이트 'Earliest Published Papers' http://www.intel4004[...] 2017-06-03
_[11] 웹사이트 The New Methodology for Random Logic Design http://www.intel4004[...] 2017-06-03
_[12] 논문 Silicon-Gate Technology
_[13] 간행물 Intel's 4004 Turns 50
_[14] 웹사이트 The Buried Contact http://www.intel4004[...] 2017-06-03
_[15] 웹사이트 Inductee Detail National Inventors Hall of Fame 2016-07-25
_[16] 웹사이트 The Bootstrap Load http://www.intel4004[...] 2017-06-03
_[17] 웹사이트 Federico Faggin's Signature http://www.intel4004[...] Intel4004.com 2012-08-21
_[18] 웹사이트 Intel 4004 Microprocessor 35th Anniversary https://www.youtube.[...] 2007-11-16
_[19] 웹사이트 Chip Hall of Fame: Intel 4004 Microprocessor https://spectrum.iee[...] 2019-02-05
_[20] 서적 Microcosm: the quantum revolution in economics and technology https://archive.org/[...] Simon and Schuster
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