„Der Computer, der auf einen Finger passt“ Der Siegeszug des Mikroprozessors

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In der Rubrik Legendäre Storys werfen wir einen Blick zurück auf bemerkenswerte Begebenheiten der Branche. Heute geht es um die Erfindung des Mikroprozessors, und wie ein vernachlässigtes Nebenprojekt die Computer-Landschaft revolutionierte.

Man stelle sich vor, ein Startup nimmt, nur um schnell etwas Geld für sein Hauptgeschäft in die Kasse zu spülen, eine Auftragsarbeit eines anderen Unternehmens an. Weil Zeit und Personal knapp bemessen sind, und weil das Marketing der Idee wenig Interesse schenkt, wird dieses Projekt beinahe vergessen und erst auf den letzten Drücker in Windeseile fertiggestellt. Und wenige Jahre später sollte diese Firma dank eben jener vernachlässigten Entwicklung zu einem der wertvollsten Unternehmen der Welt werden.

Das ist, grob zusammengefasst, die Geschichte von Intel und der wohl wichtigsten Erfindung des Computer- und Embedded-Zeitalters: Dem Intel 4004, dem ersten kommerziellen Mikroprozessor, der vor 1971, also vor 55 Jahren, auf dem Weltmarkt erschien.

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Man wollte eigentlich nur Geld sparen

Intel war erst im Sommer 1968 von den ehemaligen Fairchild-Ingenieuren Robert Noyce und George Moore gegründet worden. Das Kerngeschäft des jungen Unternehmens zielte ursprünglich auf die Produktion von Speicher-Chips ab. In den 1960er Jahren setzten die meisten Großrechner noch Magnetkern-Speicher ein. Moore und Noyce waren der Ansicht, dass kleinere und schnellere Halbleiter-basierte Speicher diese bald ablösen dürften, und platzierten sich damit frühzeitig im Markt. Um Kapital zu sichern, beschlossen Noyce und Moore, das Halbleiter-Know-how des jungen Startups zu verwenden, um nebenbei für andere Unternehmen Chips zu produzieren.

Da kam im April 1969 ein Auftrag der Firma Busicom ganz recht. Das japanische Unternehmen stellte elektronische Rechenmaschinen her und wollte aus Kostenersparnisgründen die Zahl der dafür nötigen integrierten Schaltkreise reduzieren. Der Busicom-Ingenieur Masatoshi Shima hatte hierfür ein aus acht Chips bestehendes System entworfen (manche Quellen sprechen auch von 12 ICs), das Intel in Auftragsarbeit herstellen sollte.

Der Intel-Ingenieur Marcian „Ted“ Hoff befürchtete allerdings, dass Intel Schwierigkeiten haben würde, die gewünschte Zahl an Chips zu produzieren: Ein aus so vielen Schaltkreisen bestehendes System würde viele Pins pro Chip für die Verbindung erfordern. Das würde nicht nur die Grenzen der von Intel verwendeten Keramikverpackungstechnologie ausreizen, Hoff befürchtete auch, dass Intel so viele Chips nicht zum vereinbarten Preis kostendeckend produzieren könnte.

Der Entwurf von Busicom sah vor, für Programmsteuerung, Arithmetikeinheit (ALU), Zeitsteuerung, Programm-ROM, Schieberegister für temporären Speicher, Druckersteuerung und Ein-/Ausgabesteuerung jeweils einen eigenen Chip zu verwenden, was in dieser Zeit nicht unüblich war. Zusammen mit seinem Kollegen Stanley Mazor schlug Hoff einen radikalen Gegenvorschlag vor: diese sieben Operationen sollten in einer zentralen Prozessoreinheit, einer sogenannten „CPU“, vereint werden.

Mit diesem „Mikro-Prozessor“ ließe sich das von Busicom gewünschte System mit nur vier Chips realisieren: einem ein 256-Byte-Programmspeicher, einem 40-Byte-Datenspeicher, einem IC für die Peripherieschnittstellen, und eben jener CPU. Das so konzipierte System hätte darüber hinaus den Vorteil, dass es prinzipiell nicht nur auf reine Kalkulationsvorgänge beschränkt war: Es handelte sich effektiv um einen miniaturisierten 4-Bit-„Allzweckrechner“; in einer Zeit, in der ein Computer für gewöhnlich noch so groß wie ein Kühlschrank war.

An der „Grenze des Möglichen“

Weder Hoff noch Mazor waren aber Chipentwickler. Sie entwarfen lediglich die Spezifikation für das angedachte System, besaßen allerdings keine Erfahrung darin, diese auch in Logikgatterdiagramme und die dafür nötigen Transistorplatzierungen umzusetzen. Auch hatte Intel zu diesem Zeitpunkt nicht genug Personal, um sich einem so komplexen Problem zu widmen. Das Projekt blieb daher bis zum Sommer 1970 weitgehend unbeachtet liegen, bis Busicom schließlich auf die Lieferung des bestellten Systems zu drängen begann.

Frederico Faggin, der erst frisch von Fairchild zu Intel gestoßen war, erhielt die Aufgabe das Projekt in der verbliebenen Zeit zu realisieren. Als ihm an seinem ersten Arbeitstag erklärt wurde, was seine erste Aufgabe sei, fiel ihm laut seiner eigenen Erinnerung glatt „die Kinnlade herunter: Ich hatte weniger als sechs Monate Zeit, um vier Chips zu entwerfen, von denen einer, die CPU, an der Grenze des Möglichen lag.“ Dennoch schaffte es Faggin, das Konzept bis Jahresende in vier funktionsfähigen Chips unterzubringen, das Intel als MCS-4 bezeichnete. Das Herzstück, der Mikroprozessor 4004, verfügte über 2300 Transistoren in einem 16-Pin-Keramikgehäuse.

Im März 1971, nach fast zwei Jahren Entwicklungszeit (und nur sechs Monaten tatsächlicher Entwicklung), konnte das bestellte System ausgeliefert werden, als Faggin eine Entdeckung machte: Busicom befand sich in finanziellen Schwierigkeiten. Faggin überzeugte Noyce daraufhin, den Preis zu senken, im Gegenzug dafür, dass Intel aus dem Exklusivvertrag entlassen würde, um das System auch kommerziell anbieten zu können. Im Mai 1971 stimmte Busicom unter der Bedingung zu, dass es nicht für andere Taschenrechnerprojekte verwendet würde und dass Intel die Entwicklungskosten in Höhe von 60.000 Dollar zurückzahlen würde. So erhielt Intel die vollen Rechte an dem Prozessor.

Von der Skepsis zur Allgegenwärtigkeit

Im November 1971 begann das Unternehmen, den Intel 4004 als „ein mikroprogrammierbarer Computer auf einem Chip“ zu vermarkten. Zugegeben: Ganz neu war die Idee eines „Mikroprozessors“ nicht. Texas Instruments hatte bereits 1970 einen entsprechenden Chip in Auftragsarbeit für ein Terminal-System entwickelt. Intel waren aber die ersten, die einen solchen Prozessor als ein allzwecktaugliches kommerzielles Produkt anboten. Bereits 1972 folgte mit dem Intel 8008 ein 8-Bit-Pendant.

Doch der Markt reagierte zunächst verhalten: „Diese Mikroprozessoren sind eher spezialisiert als universell einsetzbar,“ urteilte das US-Fachmagazin Electronics in seiner Ausgabe vom 2. August 1973, und legte zwei Wochen später in der Folgeausgabe nach: „Die meisten Mikroprozessoren erfordern jedoch einen hohen Aufwand für die Software- und Firmware-Entwicklung.“ Dies sei „eine verschwenderische und kostspielige Angelegenheit, wenn der Anwender ständig neue Masken für Nur-Lese-Speicher bestellen muss.“

Mit dieser Einschätzung sollten die Fachleute sich täuschen. Tatsächlich wussten es Systementwickler schnell zu schätzen, nur mit wenigen Chips eine vollständige Elektronik mit integrierter Rechen- und Steuerungslogik umsetzen zu können. Nun zahlte es sich für Intel, dessen Marketingabteilung selbst kaum Notwendigkeit für den Mikroprozessor zu sehen geglaubt hatte, aus, eine kommerziell taugliche Allzwecklösung im Portfolio zu haben. Der 4004 wurde dort eingesetzt, wo die Implementierungskosten im Vordergrund standen. Der Chip fand breite Anwendung in eingebetteten Steuerungen für Anwendungen wie Mikrowellenherde oder Ampeln und ähnliche Aufgaben. Er erfüllte daher die Funktion, die man heute einem Mikrocontroller zuweisen würde. Sein 8-Bit-Nachfolger 8008 hingegen kam vor allem in benutzerprogrammierbaren Anwendungen wie Computerterminals, Mikrocomputern und ähnlichen Aufgaben zum Einsatz.

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„Die Welt hat sich in Bezug auf den Mikroprozessor geirrt,“ verkündete Intel-Gründer George Moore vor 50 Jahren, am 3. März 1976, in einem Interview mit der Tageszeitung Peninsula Times Tribune. Hatte das Unternehmen 1969 noch weniger als 20 Leute beschäftigt, war deren Zahl bis dahin auf 4600 gewachsen. Moore sagte noch großes für den „Computer auf einem Chip“ voraus: „Der Mikrocomputer-Markt mag derzeit nur 50 Millionen US-$ im Jahr betragen,“ heißt es im selben Artikel. „Aber so wie die Anwendungen zunehmen, dürfte diese Summe bis 1980 zehnmal so hoch sein.“ Im Jahr 1982 schrieb Time Magazine, dass im Jahr 1980 weltweit 1,8 Mrd. US-$ mit Mikrocomputern umgesetzt wurde. Und im Jahr 2025 lag das Marktvolumen für Mikrocontroller und -Prozessoren, je nach Schätzung und Analystenmeinung, im Bereich zwischen 80 und 125 Milliarden US-$. (sg)

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