24.7.1975 – 50 Jahre MOS 6502 Der Mikroprozessor, der den Start der Heimcomputer-Ära einläutete

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Es war der erste Mikroprozessor der unter 100 US-Dollar erhältlich war – und sollte die Elektronik und Computerlandschaft nachhaltig verändern. Der MOS 6502 gilt als ein Kult-Prozessor. Dabei war der Chip zunächst gar nicht für Computer vorgesehen …

Anfang der 1970er-Jahre hatte das zu diesem Zeitpunkt noch junge Unternehmen mit seinem ersten Mikroprozessor Intel 4004 – und vor allem seinem Nachfolger, dem Intel 8008 – die Elektroniklandschaft schlagartig revolutioniert. Bis zu diesem Zeitpunkt waren Elektroniksysteme noch auf diskrete Transistoren-Logik und analoge Schaltungen angewiesen, die zahlreiche Chips und umfangreiche Leitungen umfassten. Computer wie der System/360 von IBM, eines der leistungsstärksten Systeme seiner Zeit, nahmen gesamte Schrankwände ein. Nun aber konnten leistungsfähige Systeme dank eines einzigen Mikroprozessors stark miniaturisiert werden. Diese Entwicklung rief schnell Konkurrenten auf den Plan: Texas Instruments präsentierte schon bald eigene CPUs und stieß dadurch einen rapiden Preissturz bei Taschenrechnern an. Auch andere zu diesem Zeitpunkt bedeutende Halbleiterunternehmen wie Fairchild, NEC, National Semiconductor, Toshiba oder Rockwell präsentierten bald eigene Mikroprozessoren, um den quasi über Nacht rapide gestiegenen Bedarf für miniaturisierte Elektronik zu bedienen.

Ein Markt für „billige“ Prozessoren

Auch Motorola, in den 1960er-Jahren eine führende Größe im Transistorengeschäft, beschloss in den Markt mit den Mikroprozessoren einzusteigen. Dort hatte man jedoch zu Beginn der 1970er-Jahre die Geschwindigkeit, mit der diese Bauteile an Bedeutung gewinnen sollten, gehörig unterschätzt: Der Motorola 6800, der 1974 auf dem Markt erschien, war zwar ein fähiger 8-Bit-Prozessor, konnte aber im Vergleich zu anderen bereits etablierten Mikroprozessoren von Intel (Intel 8080) oder Texas Instruments (TMS 1000) kaum nennenswerte Vorteile bieten.

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Zudem setzte Motorola auf ein bewährtes, aber für den Markt nicht zeitgemäßes Geschäftsmodell: Ein einzelner Motorola-6800-Prozessor, mit 4.100 Transistoren, 78 Instruktionen und 1 Taktrate, kostete bei Erscheinen 1974 360 US-Dollar (nach heutigen Maßstäben inflationsbereinigt ca. 2.340 US-Dollar). Motorola setzte darauf, dass Unternehmen aber nicht nur an einzelnen Bauteilen interessiert wären: Man richtete sich gezielt an bewährte Größen und Bestandskunden aus der Elektronikindustrie jener Zeit, wie Hewlett-Packard, Tektronix, TRW oder Chrysler, um ihnen eine gesamte, einheitliche Produktpalette aus der Hand eines Herstellers anzubieten.

Ein Motorola-Ingenieur, der mit dieser Herangehensweise nicht einverstanden war, war Chuck Peddle. Er war 1973 von General Electric zu Motorola gestoßen und wurde dort Teil des Entwicklungsteams für den 6800. Nach Markteinführung baute Peddle einen Demonstrator auf Basis einer Registrierkassen-Hardware und begleitete damit das Verkaufsteam, um Kunden von der Qualität eines Mikroprozessor-Systems zu überzeugen.

Wie sich der Entwickler erinnert, stieß die Demonstration bei Elektronikingenieuren stets auf Begeisterung – doch der Preis schreckte die meisten potentiellen Käufer ab. „Ich möchte damit nicht einen gesamten Minicomputer, sondern nur einen Controller ersetzen“, argumentierten die meisten Ingenieure Peddles Erinnerungen zufolge. Ein Preis von 300 US-Dollar oder gar 360 US-Dollar, wie Intel oder Motorola zu dieser Zeit für ihre Mikroprozessoren veranschlagten, sei dafür viel zu teuer. Für das, was ihre Designs benötigen, wären die meisten nur bereit gewesen, gerade einmal ein Fünftel oder gar Sechstel dieses Preises zu zahlen.

Das Streben nach einem kompakten, optimierten Design – und die Suche nach einem Anbieter

Chuck Peddle ließ sich von solchen Aussagen nicht entmutigen. Im Gegenteil: Seiner Ansicht nach verschenkten Chipunternehmen ein gewaltiges Marktpotenzial. Wenn ein Halbleiterentwickler in der Lage wäre, einen Mikroprozessor für weniger als 50 US-Dollar anzubieten, würde sich für ihn ein komplett neues Marktpotenzial erschließen.

Peddle sah hierfür gleich mehrere Möglichkeiten. Zum einen fand er heraus, dass viele seiner potenziellen Kunden eine Reihe von Befehlssätzen, die der Motorola 6800 bot, nicht benötigten. Ferner setzten die eingesetzten p-Kanal-MOSFET-Transistoren des Motorola 6800 noch drei Versorgungsspannungen für den Chip voraus (+5V, -5V und +12V); Peddle war der Überzeugung, dies auf nur eine Versorgungsspannung mit +5V reduzieren zu können, was zu einer deutlich geringeren Komplexität und Fläche des Chips führen würde.

Möglich wurde dies auch durch Verbesserungen in der Transistoren- und Fertigungstechnologien: In NMOS-Logik gefertigte Chips kamen bereits mit einer einzelnen Versorgungsleitung von +5V aus. Durch eine gezielte Verringerung der Chipfläche – wodurch sich mehr Dies auf einem einzelnen Wafer unterbringen ließen – erhoffte sich Peddle, die Kosteneffizient des resultierenden Chips weiter verringern zu können. Der Ingenieur machte sich umgehend daran, einen entsprechend kostengünstigen Prozessor zu entwerfen.

Mit seinem Vorstoß fand der Entwickler innerhalb des Unternehmens aber wenig Gehör: Das Management bei Motorola war an einem solchen hypothetischen Small-End-Markt nicht interessiert. Als Peddle seine Bemühungen davon unbeirrt nicht unterbrechen wollte, forderten ihn seine Vorgesetzten schriftlich dazu auf, das Projekt einzustellen. Statt als Rückschlag nahm der Ingenieur diesen Brief aber als Chance wahr: Er nahm dies als schriftlichen Beweis dafür, dass das Unternehmen an dieser Idee kein Interesse zeigte – und dass folglich die entsprechende IP nun ihm selbst gehörte. Chuck Peddle setzte seine Vorgesetzten schriftlich davon in Kenntnis, kündigte daraufhin bei Motorola und sah sich nach einem anderen Arbeitgeber um, der mehr Interesse an einem solchen Produkt zeigen würde.

Fündig wurde Peddle schon kurze Zeit später bei John Paivinen, einem ehemaligen Kollegen aus seiner Zeit bei General Electric, der mit MOS Technologies ein Halbleiterunternehmen mit eigener Fab gegründet hatte. Doch nicht nur Peddle sollte gehen: Im August 1974 wechselten neben ihm noch sechs weitere Angestellte aus dem Entwicklungsteam des Motorola 6800 zum Start-up MOS Technologies, unter anderem auch Bill Mensch, der bereits federführend bei der Entwicklung des 8-Bit-Prozessors gewesen war; ein siebter sollte noch im weiteren Jahresverlauf folgen. Von den 17 Ingenieuren, die am Motorola 6800 gearbeitet hatten, waren damit acht zu MOS Technologies gewechselt, um dort an ihrer Idee eines kostengünstigen 8-Bit-Prozessors weiterzuarbeiten. Dort macht sich das Team an die Arbeit, um zwei Prozessoren bereitzustellen, die bei Markteinführung gerade einmal 20 bzw. 25 US-Dollar kosten sollten – ein Bruchteil des üblichen Marktpreises. Um rentabel zu bleiben, durften dabei die reinen Fertigungskosten nicht höher als 12 US-Dollar liegen.

Da MOS Technologies ein kleines Unternehmen war, mussten die Ingenieure alle Layout und Design aller sechs Schichten des angedachten NMOS-Logik-Prozessors von Hand entwerfen; eine mühselige, zeitaufwändige Angelegenheit. Selbst die für den Fertigungsprozess notwendigen Masken aus dem Material Rubylith schneiden die Entwickler für jede einzelne Lage noch von Hand mit Rasierklingen selbst. Nach maximaler Optimierung hatten sie schließlich einen Prozessor entworfen, der in einem 8µm-Prozess gefertigt wurde und 168 x 183 mils (4,3 mm × 4,6 mm) groß war, was einer Fläche von 19,8 mm² entspricht.

Obwohl der Prozessor beim Erscheinen zunächst nur mit Taktraten von bis zu 1 MHz angeboten wird (Zilog bot 1975 bereits Chips mit Taktraten von 2 MHz an, Intel sogar 4 MHz; auch der MOS6502 sollte in späteren Revisionen höhere Taktraten besitzen), konnte der Chip von der Leistung trotzdem mit „größeren“ Konkurrenten mithalten. Peddle hatte, anders als die meisten Prozessorentwickler dieser Zeit, bereits auf ein einfaches Pipelining-Prinzip gesetzt. In den meisten Mikroprozessoren der frühen 1970er-Jahre holt sich die CPU ein Datenpaket, verarbeitet dieses und holt sich erst nach abgeschlossener Verarbeitung das nächste. Im MOS 6502 holt der Prozessor dagegen in jedem Zyklus ein Byte aus dem Speicher und verarbeitet ein weiteres. Das bedeutet, dass ein einzelner Befehl bis zu zwei Zyklen dauern kann, je nach der Anzahl der Operanden, die dieser Befehl verwendet, er aber nicht während der Verarbeitung „anhalten“ muss.

Ein 25-Dollar-Chip mit der Leistung einer 175-Dollar-CPU

In der am 24. Juli 1975 erscheinenden Ausgabe des Fachmagazins Electronics stellt MOS Technologies die Entwicklung des Teams erstmals der Öffentlichkeit vor: Die Mikroprozessoren MOS 6501 und MOS 6502. Der MOS 6501 ist dabei pinkompatibel zum „ideellen Vorgänger“ Motorola 6800 – aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus und Befehlssatzes unterstützte er nicht dieselbe Software, konnte aber auf denselben Mainboards eingesetzt werden. Doch der 6501 war eher für Marketing-Zwecke gedacht, um eine offensichtliche Vergleichbarkeit – bei massiv günstigerem Preis – zum Motorola 6800 herzustellen. Das eigentliche Herzstück der Entwicklung war aber der 6502. Wie angestrebt lag der Preis für die beiden Prozessoren bei gerade einmal 20 US-Dollar für den 6501 und 25 US-Dollar für den 6502 – ein Bruchteil dessen, was andere Hersteller forderten. Zum Vergleich: der Motorola 6800, der zu diesem Zeitpunkt bereits seit einem Jahr auf dem Markt war, kostete trotz Preiskürzungen noch immer 175 US-Dollar.

Auf der Fachmesse Western Electronics Show and Convention (WESCON) in San Francisco ist der Prozessor erstmals auf dem Markt erhältlich. Da auf der Messe selbst keine Produkte verkauft werden dürfen, mietet MOS Technologies im nahegelegenen St. Francis Hotel eine Suite und verweist Interessenten für den Chip dorthin. Die Kampagne ist ein voller Erfolg.

Durchbruch im Heimanwender-Markt

Chuck Peddle hatte den MOS-6502-Mikroprozessor ironischerweise nie für den Einsatz in Computern vorgesehen. „Nicht in einer Millionen Jahre stellte ich sie mir als Computer-Bausteine vor“, erinnerte sich der Entwickler Jahre später im Interview. Er dachte bei Verwendungszwecken in erster Linie an Haushaltselektronik, Fertigungsmaschinen oder Automobile.

Doch der günstige Preis des Prozessors lockte eine Zielgruppe an, die selbst der auf Kosteneffizienz setzende Peddle nicht auf dem Schirm hatte: Hobbyisten, die an der Entwicklung eines Heimcomputers interessiert waren. Schließlich hatte der erstmals im November 1974 vorgestellte Altair 8800 eindrucksvoll gezeigt, dass es durchaus möglich war, auf Basis eines Mikroprozessors einen vergleichsweise kostengünstigen Mikrocomputer zu bauen, der es mit professionellen Rechnern aufnehmen konnte. Eine günstige CPU kam für diese Hobby-Entwickler zu diesem Zweck gerade recht. Ein Ingenieur, der von der WESCON seinen Weg ins St. Francis Hotel findet, um dort direkt einige 6502-Prozessoren zu erwerben, ist ein junger Angestellter bei Hewlett-Packard namens Steve Wozniak.

Einer der ersten Großabnehmer für den MOS 6502 ist Atari: das Unternehmen möchte seinen erfolgreichen Spielautomaten Pong in heimische Wohnzimmer bringen und ist hierfür auf der Suche nach einem geeigneten günstigen Mikroprozessor. Peddle reist im Laufe des Jahres 1975 zu vielen Kunden, um ihnen persönlich bei Entwicklungsschwierigkeiten zu helfen. Im Sommer 1975 macht er nach einem Besuch bei Dorf und Atari auch kurz Halt in der Garagenwerkstatt von Steve Wozniak, um ihm und seinem Freund Steve Jobs bei ihrem Computerdesign weiterzuhelfen. Das Resultat dieses Besuchs ist der Apple-1-Heimcomputer.

Tatsächlich mischt MOS Technologies im Jahr 1975 auch selbst aktiv im aufblühenden Hobbyistenbereich für Heimcomputer mit, wenn auch zunächst eher unbeabsichtigt. u Demonstrationszwecken entwirft Chuck Peddle eine Platine mit einer einfachen Taschenrechner-Tastatur, 4 Kbyte RAM mit implementiertem TinyBASIC und der optionalen Möglichkeit zum Anschluss von Peripheriegeräten wie Tastatur und Monitoren. Auch wenn es als reines Entwicklungs- und Demonstrationskit gedacht war, stieß das KIM-1 genannte Board (Keyboard Input Monitor) in der Hobbyistenszene auf rege Nachfrage: handelte es sich dabei doch effektiv um einen Single-Board-Computer, der – anders als andere Computerkits dieser Zeit – noch nicht einmal von Hand zusammengebaut werden musste.

Rechtsstreit mit Motorola

Doch der Erfolg bringt auch Motorola auf den Plan: Kurz nachdem im MOS Technologies im Herbst 1975 den Zuschlag von Atari für die Pong-Heimkonsolen erhält, werden Chuck Peddle und seine Kollegen von ihrem ehemaligen Arbeitgeber verklagt. Motorola warf dem Team vor, für die Entwicklung der MOS-Mikroprozessoren geistiges Eigentum aus ihrer Zeit bei der Entwicklung des Motorola 6800 verwendet zu haben. Als Hauptargument führt das Unternehmen die Pin-Kompatibilität des 6501 zum Motorola 6800 ins Feld.

Auch wenn Paivinen, Peddle und Co. der Überzeugung sind, bei einem Rechtsstreit auf der sicheren Seite zu sein, bekommt der Hauptinvestor von MOS Technologies aufgrund des Rechtsstreits mit einem führenden Halbleiterunternehmen dieser Zeit kalte Füße: Das Maschinenbauunternehmen Allen-Bradley zieht seine Beteiligung an MOS Technologies zurück und überschreibt das Fab-Start-up wieder komplett an die drei ursprünglichen Gründer.

Obwohl der junge Halbleiterhersteller gerade eine große Innovation feiern kann und sich das Produkt großer Nachfrage erfreut, herrscht plötzlich großer finanzieller Druck. „Niemand bei Allen Bradley hielt Mikroprozessoren für besonders heiß,“ erinnert sich Peddle. „Mikroprozessoren wurden stark, weil wir sie stark gemacht haben. [Davor] waren sie in Bezug auf Stückzahlen kein großes Geschäft.“ Das lag auch daran, dass das Halbleitergeschäft in den 70er-Jahren zwar ein viel Umsatz versprechender, aber noch immer weitgehend unerprobter und vor allem kostspieliger Markt war. Nun hatten die Gründer zwar wieder volle Kontrolle über das Unternehmen, aber kein Kapital, um ihre Produkte auszureifen und zu vermarkten. Und der schwelende Rechtsstreit mit Motorola zehrte das wenige Kapital auf, dass noch vorhanden war.

„Geschäft ist Krieg“ – Übernahme durch Commodore

Die Rettung kam von unverhoffter Stelle. Zur selben Zeit, in der MOS Technologies ums Überleben kämpfte, hatte ein anderes Elektronikunternehmen ebenfalls stark mit den sich ändernden Marktverhältnissen zu kämpfen: Commodore, das sich auf den Bau von Taschenrechnern spezialisiert hatte. Das Unternehmen war schon vor der Entwicklung des MOS 6502 ein Kunde von MOS Technologies. Als Texas Instruments mit seinen hauseigenen Mikroprozessoren anfing, selbst Taschenrechner anzubieten, setzte ein rapider Preisverfall ein, dem Unternehmen wie Commodore (oder auch Altair, dem Anbieter des ersten kommerziell erfolgreichen Heimcomputers), die Halbleiter von extern einkaufen mussten, nicht gewachsen waren. Für Jack Tramiel, den Geschäftsführer von Commodore, gab es aus dem Dilemma nur einen Ausweg: Er benötigte seine eigene Quelle für Chipdesign- und Fertigung, um Dank vertikaler Integration vom Halbleiterdesign bis zum Endprodukt alle notwendigen Bauteile möglichst intern beziehen zu können. Die finanzielle Schräglage von MOS Technologies kam ihm da gerade Recht.

Über den genauen Ablauf der Übernahme von MOS Technologies durch Commodore ist in den folgenden Jahrzehnten viel spekuliert worden. Jack Tramiel wurde durch Zitate wie „Geschäft ist Krieg“ und ein eiskaltes, rücksichtsloses Auftreten in Geschäftsbeziehungen als CEO berüchtigt. Er weiß von der schwierigen Situation, in der sich der Halbleiterfertiger befindet – und auch, wie sehr das Unternehmen noch von Commodores Geschäft abhängig ist. Zahlreiche ehemalige Entwickler von MOS Technologies waren der Überzeugung, dass Tramiel jeden Hebel in Bewegung setzte, um seinen Chiplieferanten weiter unter Druck zusetzen. So soll er etwa selbst die Rechnung für Chiplieferungen aufgeschoben oder gedrückt haben, bis MOS aufgrund des Rechtsstreits mit Motorola kurz vor einer Pleite stand. Ob dem wirklich so war kann heute nicht mehr mit Gewissheit gesagt werden. Peddle meint nur, dass MOS Technologies am Ende „reif für jeden Deal“ war, um das Unternehmen zu retten.

Im Herbst 1976 übernimmt Commodore schließlich MOS Technologies in einem reinen Aktientausch – Commodore muss kaum Bargeld für den darbenden Entwickler zahlen. Bedingung für die Übernahme ist, dass Chuck Peddle als Chefentwickler von MOS Technologies, das fortan als Commodore Semiconductor Group firmiert, zu Commodore selbst wechseln soll. Peddle gelingt es daraufhin, Geschäftsführer Tramiel von einem Kurswechsel zu überzeugen: das Unternehmen sollte nicht mehr länger auf Taschenrechner setzen. Überzeugt von seinen Erfahrungen mit Hobbyisten und der Nachfrage an der KIM-1-Platine will Chuck Peddle mit Commodore einen neuen Markt erschließen, nämlich den für Heimcomputer!

Der Rest ist Geschichte: Chuck Peddle entwirft für Commodore den PET 2001, in Europa auch CBM 2001 genannt – einer der Trifekta im Jahr 1977, der neben dem Apple II und dem TRS-80von Tandy und Radio Shack die große Heimcomputer-Revolution einläuten sollte. In zwei der drei bedeutenden Rechner dieses Jahres schlummerte übrigens ein MOS-6502-Mikroprozessor: Auch Apple setzte in seinem System diesen Chip als CPU ein.

Der Musterchip der 8-Bit-Heimcomputer und -Spielkonsolen

In der Folge wurde der MOS 6502 zu einem DER tonangebenden Mikroprozessoren der jungen Heimcomputer- und Spielkonsolen-Ära. Neben Flippern und Spielautomaten setzten zahlreiche namhafte Mikrocomputer der 70er- und 80er-Jahre diesen Prozessor oder leicht abgewandelte Derivate als CPU ein. Commodore verwendete Varianten des Chips nach der PET-Familie auch in weiteren Systemen wie dem VIC-20, dem legendären C64 oder dessen Nachfolger C128. Acorn Electronics – das später den ersten ARM-Prozessor hervorbringen sollte – setzte den Mikroprozessor im Acorn Electron und seinem Zwilling BBC Micro ein, die den Heimcomputer-Boom in Großbritannien mit beflügelten. Atari nutzte die CPU nicht nur für Spielautomaten und die Heimkonsolen Atari VCS, 5200 und 7800, sondern auch in der Atari 400/800 Heimcomputerfamilie und sogar im 1989 erschienenen Handheld Atari Lynx. Auch in japanischen Systemen kam die Architektur zum Einsatz: Die Heimkonsole Turbografx-16 als auch das Nintendo Entertainment System, besser bekannt als NES, setzten als ihr Herzstück auf Varianten bzw. Klone des MOS 6502.

Selbst in den 1990er- und frühen 2000er-Jahren sollte der Chip noch relevant bleiben. Die sprechenden Furby-Spielzeuge von Tiger Electronics, die ab 1998 Kinderzimmer weltweit eroberten, basierten beispielsweise in ihrer ersten Generation auf einem in Assembler-Code programmierten MOS-6502-Mikroprozessor. Der Prozessor fand dermaßen weite Verbreitung, dass er selbst heute noch produziert wird, um für Hobby-Entwicklungen oder als Ersatzchip in Legacy-Anwendungen genutzt zu werden. Die Produktion des Prozessors und seiner auf 16-Bit erweiterten Derivate (die unter anderem auch in der Super-NES-Heimkonsole Anwendung fanden) wird heute allerdings durch Western Design Center fortgeführt.

Ein neues Segment im Mikroprozessoren- und MCU-Geschäft

MOS Technologies sollte nach der Übernahme durch Commodore kaum noch große Innovationen gelingen. Zwar brachte das junge und engagierte Entwicklerteam in der Commodore Semiconductor Group in den Jahren unmittelbar nach der Übernahme noch für die frühe Heimcomputer-Ära bedeutende Chips wie den Grafikcontroller VIC (der dem VIC 20 seinen Namen verlieh) oder den für den Erfolg des C64 buchstäblich tonangebenden Synthesizer-Chip SID hervor. Doch ab Mitte der 80er-Jahre vernachlässigte das Management von Commodore die Bedeutung seiner Halbleiterforschung und Entwicklung. Die Entwickler der für den Erfolg der Heimcomputer so wichtigen Prozessoren und Controller verließen ab 1984 scharenweise das Unternehmen. Mit dem Bankrott der Muttergesellschaft Commodore Business Machines (CBM) im Jahr 1994 wurde die Fab an GMT Microelectronics verkauft, wo die Produktionsstätte allerdings nur noch wegen zahlreicher Verstöße gegen Umweltschutzauflagen Schlagzeilen machte. Der Foundry- und Entwicklungsbetrieb wurde schließlich im Jahr 2000 endgültig geschlossen.

Der Erfolg des MOS 6502 leitete auch ein Umdenken in der Preisstrategie anderer Halbleiterhersteller ein. In den Monaten nach der Markteinführung des MOS 6502 senkte Motorola den Preis seines Motorola-6800-Mikroprozessors schrittweise auf bis 35 US-Dollar. Andere Halbleiterhersteller zogen mit ähnlichen Schritten nach. So wurde ein neues Marktsegment erschlossen, dass den Elektronikmarkt, ganz speziell für Embedded-Systeme, neu aufrollen sollte: Hochoptimierte, günstige als auch effiziente Low-End-Prozessoren und -Mikrocontroller sollten fortan Einzug in zahlreiche neue, mit Elektronik ausgestattete Produkte erhalten, wie der Medizintechnik, dem Automobilbereich, den Industriesteuerungen oder weißer Haushaltsware. Der Wunsch, den Chuck Peddle von vielen Entwicklern gehört hatte, war in Erfüllung gegangen: Erschwingliche Controller für effiziente Systeme! (sg)

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