50 Jahre Zilog Z80 Kultprozessor Zilog Z80 kehrt in Open-Source-Form zurück

Er war einer der prägenden Kult-Prozessoren der 70er- und 80er-Jahre, der Spielhallen, Heimcomputer und Industrieanlagen gleichermaßen bediente: Im Juli 1976 erschien die 8-Bit-CPU Zilog Z80 auf dem Markt. 2024 wurde die Produktion des Z80 zwar eingestellt, doch rechtzeitig zum 50. Jubiläum steht nun ein vollkompatibler Open-Source-Nachfolger im klassischen DIP-40-Gehäuse bereit.

Seine Geschichte begann mit einem Streit bei Intel. Der Ingenieur Federico Faggin war 1971 von Fairchild zu Intel gestoßen, und erhielt gleich zu Dienstauftritt eine schwierige Aufgabe: In nur wenigen Monaten den Designentwurf des später als Intel 4004 bekannten, ersten auf dem Markt verfügbaren Prozessors umzusetzen. In den kommenden Jahren erschienen unter seiner Forschungs- und Entwicklungsleitung auch die 8-Bit-Bachfolger Intel 8008 und 8080. Dennoch empfand Faggin seine Aufgabe bei Intel zunehmend frustrierend: Obwohl sich in seinen Augen bereuts abzeichnete, dass Prozessoren die Technologielandschaft verändern würden, behandelte Intel diesen Bereich weiterhin eher stiefmütterlich; die großen Umsätze wurden weiterhin mit Speicher-Chips erzielt.

Zunehmend frustriert, verließ Faggin im Oktober 1974 Intel, und gründete gemeinsam mit seinem Intel-Kollegen Ralph Ungermann die Firma Zilog Ihr Ziel: Den kommenden Bedarf an Mikroprozessoren zu bedienen und die Verbesserungen in seinen 8-Bit-CPU-Designs umzusetzen, die seine Vorgesetzten bei Intel nicht für nötig erachtet hatten. Der Zeitpunk für diesen Schritt hätte nicht besser gewählt sein können: 1975 kündigte MOS Technologies mit dem MOS 6502 den ersten Mikroprozessor an, der für weniger als 20 US-Dollar erhältlich war. Im selben Jahr stieß Masatoshi Shima, der ebenfalls maßgeblich zur Entwicklung des Intel 4004 und 8080 beigetragen hatte, ebenfalls zum Zilog-Entwicklungsteam. Zusammen erarbeiteten sie einen Prozessor, der mit dem Intel 8080 kompatibel, zugleich aber leistungsfähiger und einfacher einzusetzen sein sollte: der Zilog Z80.

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Vom Intel-Schreck zum Massenphänomen

Der erste Z80 bestand aus rund 8.500 Transistoren, wurde in einem 4-Mikrometer-Verfahren gefertigt und lief üblicherweise mit 2,5 Megahertz. Anders als der 8080 kam er mit einer einzelnen 5-Volt-Spannungsversorgung aus. Takterzeugung und Steuerung der Speicherauffrischung waren bereits integriert, sodass Computerhersteller weniger zusätzliche Bausteine benötigten. Spätere CMOS-Versionen erreichten Taktraten von bis zu 20 Megahertz.

Da Faggin und Shima den 8080 bestens kannten, konnten sie auch eine Reihe an Verbesserungen im Z80 implementieren. So konnten die beiden den Befehlssatz erweitern, da im Intel 8080 nicht alle Codes vollständig genutzt worden waren. Der Z80 besaß daher unter anderem erweiterte CPU-Register, einen vereinfachten Zugriff auf Stack-Pointer, zwei neue Interrupt-Modi, oder Block-Transfer-Befehle die es erlaubten, einen Block zu verschieben, kopieren, durchsuchen, einlesen und ausgeben konnte. Intel übernahm dieses Konzept tatsächlich zwei Jahre später bei dem 8080-Nachfolger Intel 8086.

Die Binärkompatibilität des Zilog Z80 zum Intel 8080 war für seinen Erfolg entscheidend. Denn dadurch konnten Z80-Rechner auf den vorhandenen bereits vorhandenen Softwarebestand des Betriebssystems CP/M zugreifen, dass für den Intel 8080 optimiert worden war. Programme wie WordStar, dBase und VisiCalc machten die Systeme auch für den professionellen Einsatz interessant. Zugleich war der Z80 deutlich günstiger als sein Intel-Vorbild. Auf diese Weise wurde Computertechnik nun auch für kleinere Unternehmen und Privatanwender erschwinglich.

Wie groß sein Einfluss war, zeigte sich in zahlreichen frühen Computersystemen. Microsofts erstes Hardwareprodukt war eine Z80-Erweiterungskarte für den Apple II, mit der sich CP/M nutzen ließ. Auch der Commodore 128 erhielt zusätzlich zu seinem Hauptprozessor einen Z80. Der tragbare Osborne 1 setzte ebenso auf den Chip wie zahlreiche Bürocomputer und Nachbauten. In der DDR entstand mit dem Mikrochip U880 in unlizenzierter Klon des Z80, der als Hauptprozessor für Büro- und Kleincomputer wie beispielsweise dem KC85/2 oder dem KC/87 diente.

Noch bekannter wurde der Z80 durch Heimcomputer und Videospiele. Er arbeitete unter anderem in den Sinclair-Heimconmputern ZX80, ZX81 und Spectrum sowie in der Amstrad CPC-Reihe und wurde damit zum bestimmenden 8-Bit-Prozessor der britischen Heimcomputerlandschaft. Ferner fand sich die CPU in Rechnern von Tandy, japanischen Sharp-PCs und in MSX-Systemen wieder.

Auch in Spielhallen fand der Chip weite Verbreitung. Arcadeautomaten wie Pac-Man und Galaxian nutzten ihn ebenfalls. In Spielkonsolen wie dem Sega Master System und dem Game Gear kam er direkt zum Einsatz, während spätere Konsolen der wie der Sega Mega Drive oder der Neo Geo AVS/MVS ihn als Koprozessor für Soundeffektue und Musikwiedergabe verwendete. Auch die Prozessorarchitektur des Nintendo Game Boy war eng mit dem Z80 verwandt.

Seine Karriere blieb nicht auf die klassische Heimcomputerära beschränkt. Der zuverlässige und vergleichsweise einfache Prozessor blieb jahrzehntelang in Druckern, Synthesizern, Haushaltsgeräten, Telefonzentralen, Industrieanlagen und eingebetteten Steuerungen im Einsatz. So setzte 1977 beispielsweise der Prophet-5, der erste polyphone Synthesizer mit vollständig programmierbarem Speicher, einen Z80 als CPU ein. Ebenso fand die CPU im Nachfolger Prophet 600 Anwendung, der erstmals als Synthesizer MIDI-Support anbot. Auch in grafikfähigen Taschenrechnern von Texas Instruments, wie beispielsweise der TI-8x-Reihe, lebte die Architektur weiter.

So durchschlagend der Erfolg Zilogs mit dem Z80 war, so schnell endete er allerdings auch wieder. Nachdem Intel 1979 mit dem 8086 erstmals eine 16-BitCPU anbot, zog Zilog noch im selben Jahr mit dem Z8000 nach. Dabei begingen die Entwickler eine Reihe von Fehlern. So war der Z8000 nicht Befehlssatzkompatibel zu seinem 8-Bit-Vorgänger Z80, während das beim Intel 8086 im Verlgiech zum 8080 und sogar 8008 der Fall war; dabei war es doch gerade die Kompatibilität zum 8080 gewesen, die den ursprünglichen Erfolg des Z80 erst in die Wege geleitet hatten. Zudem besaß die erste Generation der Z8000-Chips eine Reihe von Bugs und einen sehr langsamen DRAM-Speicherzugriff. Bis Zilog die Probleme in den Griff bekam, hatte der Markt sich schon längst für andere Konkurrenzprodukte entschieden; tatsächlich bot Motorola noch im selben Jahr mit dem 86000 den ersten 32-Bit-Prozessor auf dem Markt an. Dies führte dazu, dass die weiteren Prozessoren von Zilog nur noch ein Schattendasein im Markt fristeten. Das Unternehmen stellte 1986 mit dem Z80000 noch einen eigenen 32-Bit-Prozessor vor, konnte aber nicht mehr an seine ursprünglichen Erfolge anknüpfen.

Doch als günstiger und zuverlässiger 8-Bit-Prozessor blieb der Z80 weiterhin gefragt, weit länger als Marktrivalen wie etwa der MOS 6502. Erst am 15. April 2024 kündigte Zilog das Produktionsende der Z84C00-Familie an. Distributoren wie Mouser nahmen noch bis zum zum 14. Juni 2024 Bestellungen für die Z80-Reihe entgegen.

Ein neues Leben dank Open-Source-Community

Kurz nach dieser Ankündigung startete der Entwickler Renaldas Zioma das Projekt FOSS Z80. Grundlage ist der frei verfügbare TV80-Prozessorkern, der die Funktionen des Z80 in der Hardwarebeschreibungssprache Verilog abbildet. Eine erste Version wurde über das Community-Fertigungsprogramm Tiny Tapeout auf einem 130-Nanometer-Prozess von SkyWater hergestellt. Der lediglich 0,064 Quadratmillimeter große Chip wurde inzwischen erfolgreich getestet.

Weitere Fertigungsläufe folgten, darunter eine QFN64-Version mit sämtlichen 40 Anschlüssen sowie Chips auf einem 130-Nanometer-Prozess des Leibniz-Instituts für innovative Mikroelektronik. Der aktuelle Anlauf nutzt einen 180-Nanometer-Prozess von GlobalFoundries und soll den Prozessor per Chip-on-Board-Montage in das klassische DIP-40-Format bringen. Damit könnte er ältere Rechner wie den ZX Spectrum oder moderne Retrocomputer-Bausätze wie den RC2014 ohne größere Änderungen wieder zum Leben erwecken.

Die moderne Umsetzung soll Taktraten von bis zu 50 Megahertz erlauben und wäre damit deutlich schneller als die ursprünglichen NMOS-Versionen. Gleichzeitig geht es dem Projekt weniger um einen Hochleistungsprozessor als um den Erhalt einer prägenden Computerarchitektur. Während Zilog inzwischen auch Teile der eZ80-Nachfolgerfamilie aus dem Programm nimmt, finden Bastler weiterhin neue Aufgaben für den alten Befehlssatz. Erst Anfang 2026 brachte ein Entwickler sogar eine kleine dialogfähige KI auf einem Z80-System mit nur 64 Kilobyte Arbeitsspeicher zum Laufen. Nach 50 Jahren ist die Geschichte des Z80 damit noch immer nicht zu Ende.(sg)

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