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MCS-4的诞生史和收藏详解

作者 龟粪蛋子.

.历史 

.性能

.收藏

       Intel MCS-4

      National Semiconductor FIPS

      Hitachi HMSC-4

      4004 Board

.4004 的赝品和测试

 

MCS-4是intel公司在19世纪70年代初研发并生产的一款4芯片系统,由1个移位寄存器(4003)、1颗ROM芯片(4002)、1颗RAM芯片(4001)以及一颗处理器芯片(4004)组成。其中4004是世界上第一款商用微处理器芯片,它是由后来被誉为微处理器之父的Ted Hoff(特德.霍夫)研制开发。4004的诞生标志着微处理器和微机时代从此开始。

.历史

  ROM(只读存储器)以及DRAM(动态随机存取存储器)是一个主机系统必不可少的两个组件,也算是个人运算发展史上的两座里程碑。1969年,日本Nippon Calculating Machine Corporation(以下简称NCM)计算机公司找到了intel,希望Intel为他们的台式计算器(desktop calculator)设计一套12芯片系统。而此时的Intel正在紧锣密鼓的开发SRAM、DRAM以及EPROM芯片,所以非常希望与之合作,两者自然一拍即合。

  NCM方面最初的提议是打造一款8芯片系统的计算器,不过Intel的特德·霍夫(Ted Hoff)从当时的小型主机身上突然找到了设计灵感——用一颗芯片处理所有任务,而非一种芯片处理一种任务。霍夫的想法其实就是设计一款4芯片系统,项目代号MCS-4,由1个移位寄存器、1颗ROM芯片、1颗RAM芯片以及一颗处理器芯片组成。 

 1970年2月6日,NCM与Intel签署了合作协议,后者需要在未来三年之内为NCM提供至少60000套MCS-4计算器系统,Intel拿到了60000美元的预付款。霍夫提出的这套系统需要一颗处理器和三组辅助芯片。那么问题来了,谁来开发关键的处理器呢?这时候,又一位在仙童半导体郁郁不得志的工程师 Federico Faggin(费德里科.费金)走到了风口。

1970年4月3日,费金开始正式加入MCS-4项目的开发团队,他第一天的工作是听取斯坦·麦卓尔(Stan Mazor,首款微处理器的联合发明人之一)工程师的项目介绍。第二天,费金和NCM首席代表Masatoshi Shima进行了短暂的交谈,但是费金被告知:NCM现在想要的是尽快看到处理器的逻辑芯片,而非听一个接触该项目不到一天的人纸上谈兵。

 

         4004电路图                           4004初版封装样式                               1971年intel MCS-4系统的广告

  接下来,费金的团队(包括Masatoshi Shima,项目设计阶段成员)着手开发4芯片系统。很快,他们只用了不到一周时间就完成了项目之一——4001(动态内存DRAM)。到了5月份,4002(只读存储器ROM)和4003(寄存器)相继出炉后,业界首款商用微处理器4004的诞生正式进入倒计时。 

    同年12月份,Intel 4004在首次试生产阶段出现遇到了点小麻烦。在封装过程中,由于关键的埋接触层(buried contact layer)被忽略,以至于成品无法正常工作。不过,第二版解决了该问题。3周之后,4001、4002、4003和4004准备就绪,项目进入测试阶段。

这台Busicom 141-PF 计算器工程样品是Busicom公司主席 Yoshio Kojima送给Intel MCS-4系统项目主管Federico Faggin的礼物,1996年费金将这台机器赠与位于美国加州硅谷的计算机历史博物馆。这台工程样品上有完整的MCS-4 4芯片系统,主要由5个4001,2个4002,3个4003和1个4004来驱动busicom141-PF计算器。       

  但由于技术原因,Intel的延期交货让NCM公司颇为恼怒。与此同时,计算器领域的竞争日益激烈,当Intel彻底完成4004芯片的设计和样品的生产时,NCM公司要求Intel打折扣,Intel同意了,并退还了后者60000万美元的预付款,但是它附加了一个条件:允许Intel在除计算器芯片市场之外的其它市场上自由出售4004芯片——至此,业界首款商用计算机微处理器4004正式诞生了,Intel公司也完成了从单一的存储器制造商向微处理器制造商的转型。

Ted Hoff(特德·霍夫)

1968年,从斯坦福大学毕业的霍夫加入Intel,是intel的第一个微处理器系统MCS-4开发设计的架构定义领导者。

Federico Faggin(费德里科.费金)

费金出生成长于意大利,1970年加入intel,是MCS-4项目的主设计师和项目主管者。

Stanley Mazor(斯坦利·马泽尔)

马泽尔1969年加入intel,协同霍夫研发4004和8008位处理器的架构标准。

Masatoshi Shima(正敏岛)

正敏岛任职于日本Busicom公司,1970他作为费金的助手协同开发MCS-4系统。
2009年,美国总统奥巴马为特德·霍夫(左一),费德里科.费金(左二),斯坦利·马泽尔(左三)颁发美国国家技术与创新奖章

 

                                                                                                 MCS-4历史故事

                                                                                     

 

                                                                                  Intel 4004 微处理器35周年纪念大会

                                                                             

 

.性能

 相比现如今核心频率达到3-5Ghz的高端pc微处理器(intel酷睿i7,amd FX系列),4004只有可怜的500-750khz,核心频率差了近1万倍,晶体管数量差了100万倍。这只是摩尔定律归纳的历史发展而已,丝毫 不能掩盖4004划时代的意义。它将运算,寄存,指令控制等功能融入一块小小的芯片中(像更早的3002也能实现运算功能,但其未内建指令,只能从外部获取指令控制运算。只能说3002是cpu的雏形,还不是严格意义的cpu),而不是像以往每个芯片完成较为单一的功能任务,这样大大降低了电子设备的体积和成本。随着集成理念的进步和电子工艺的发展,如今人类生活的方方面面中都有微处理器在方便丰富我们的生活,比如小小的智能手机,既能完成当年Busicom 4004计算器的简单功能,又能解码播放高清影片,以及运行3d游戏等等复杂的功能。

    category        product picture                             pinout                                  specification

4004

4 Bit microprocessor (8 Bit instructions)
Intel C4004 P3740 Malaysia 7546 Introduction date :15. November 1971
Frequency :500-750 kHz
Technology :P-Channel silicon MOS technology
Transistors: 2300 , 10 Micron
Addressable memory :4096x8-bit ROM and 1280x4-bit RAM 
Instructions :45 with a 4 level stack and sixteen 4-bit (or eight 8-bit) registers

4003

10-bit Serial-in/Parallel-out, Serial-out Shift Register
Intel-C4003-6-7010-1584A-Philippines-7633 Introduction date: 1971
Technology:P-channel silicon gate MOS technology

4002

320-bit MOS RAM and 4-bit output port

Intel-C4002-2-6-7011-P3428-Malaysia-7536

Intel-C4002-1-6-7002-P3727-Malaysia-7547

Introduction date: 1971
Technology:P-channel silicon gate MOS technology
Memory:80 x 4-bit
History:The 4002 was designed to be used with other MCS-4/40 devices such as the 4004 CPU.
The chip was available in two different metal options 4002-1 and 4002-2 this was to make it possible to extend the chip selection so that 4pcs of 4002 chips could be connected to the 4004 CPU without any external chip selection logic.

4001

2048 Bit Read Only Memory
Intel-C4001-0703-6-7547-Malaysia-7415 Introduction date:1971
Technology:P-channel silicon gate MOS technology
Memory :256 x 8-bit

 

.收藏

   MCS-4的收藏重点自然是在其核心微处理器部件4004,而4004各版本中以金顶C版4004最为稀有(1971-1976),后来量产的灰瓷D版次之(1976-1981),量产塑料P版相比最容易找到(1976-1981)。有关4004的发售量intel并未公开,目前唯一可寻的线索是霍夫在2006年Intel 4004 微处理器35周年纪念大会上曾说过当年4004的总产量在100万颗,4040的产量在60万到100万颗。这个产量包括早期金顶C版,以及后来量产的灰瓷D版和黑塑料P版。

  虽然100万不是小数目,但我相信这些4004经过了几十年的时间,绝大多数已被湿气腐蚀,被不知其意义和收藏价值的洗金者投入熔炉。聚集大量全球cpu藏友的cpu-world论坛曾做过坛子内部藏友的4004收藏数量的统计,截至2012年5月,cpu-world藏友手中的金顶C版大概有130颗左右,如果算上未发帖的藏友以及非cpu-world论坛的藏友,我估计目前全球藏友金顶C版4004在300-500颗,如果算上还躺在旧机器或老实验室抽屉里将来会被发掘出来的金顶C版4004,我猜测总共可寻的金顶C版4004会在1000-2000颗。

  除了Intel生产过MCS-4,还有National Semiconductor 在1975开始生产过类似MCS-4的"Four-Bit Integrated Processor System" (FIPS),包含4004,4003,4002,4001,4008,4009,以及Hitachi生产过同样类似的HMCS-4。

 

Intel MCS-4


 

 

MCS-4 Series in gray traces ceramic package black dot 灰花纹黑点版本MCS-4

 

              C4004               C4003               C4002-2              C4002-1               C4001
Intel-C4004-0086R-N.D.C Intel-C4003-6-7010-P3192-Philippines-7542 Intel-C4002-2-6-7011-0401A-Philippines-7611
              N.D.C         Philippines 7542        Philippines 7611    

注:这是最稀有的mcs-4版本,每一颗都是屈指可数,估计这辈子也是搞不齐了。

稀有度10星★★★★★★★★★★

 

 

MCS-4 Series in gray traces ceramic package gold dot 灰花纹金点版本MCS-4

 

 

              C4004              C4003              C4002-2              C4002-1               C4001
Intel C4004 dark gray traces golden dot H5731 Intel-C4003-6-7010-N4448-Malaysia-7509 Intel-C4002-1-N6846-Malaysia-7516
              N.D.C         Malaysia 7509            Malaysia 7516  

注:相对白瓷金顶版本,灰花纹金点版本mcs-4是比较稀有的,两者比例我预计大概是3:1,其中还有不少的4004灰花纹是焊在主板上的,比如busicom 141-pf计算器中的灰花纹4004。另外4002-2灰花纹是极为少见的,4003灰花纹拔座的也比较少见。

稀有度9星★★★★★★★★★


 

 

 

MCS-4 Series in white ceramic package  #5 marking ground strap on the right side 5系右侧接地线白瓷版本MCS-4

 

 

 

              C4004               C4003              C4002-2              C4002-1               C4001
Intel-C4003-6-7010-N3114-Malaysia Intel-C4002-2-N4869-Malaysia
               N.D.C         Malaysia no date       Malaysia no date    

注:5系右接地版本的mcs-4和灰花纹黑点的版本一样,属于最稀有的mcs-4版本。其中4004目前出现过4-5颗,拔座的4003和4001也是极为少见。

稀有度10星★★★★★★★★★★


 

MCS-4 Series in white ceramic package  #5 marking ground strap on the left side 5系左侧接地线白瓷版本MCS-4

 

              C4004                C4003              C4002-2              C4002-1              C4001
Intel C4004 tin #5 marking 587356 0683A ground strap on the left side HongKong 7613 Intel-C4002-1-6-7002-0169A-HongKong-7606 Intel-C4001-7619-053113-USA-7618
       HongKong 7613           HongKong 7606          USA 7618

注:5系左接地版本比5系右接地的要多一些,目前有出现过20-30颗。但比普通白瓷和灰花纹金点版本的要少很多。

稀有度9星★★★★★★★★★


 

MCS-4 Series in white ceramic package  普通白瓷版本MCS-4

 

             C4004               C4003             C4002-2             C4002-1              C4001
Intel C4004 P3740 Malaysia 7546 Intel-C4003-6-7010-P4626-Malaysia-7551 Intel-C4002-2-6-7011-P3428-Malaysia-7536 Intel-C4002-1-6-7002-P3727-Malaysia-7547 Intel-C4001-6-7007-Malaysia-7411
         Malaysia 7546          Malaysia 7551         Malaysia 7536       Malaysia 7547          Malaysia 7411

注:普通白瓷版本的mcs-4是相对容易见到的版本,不难集齐。但要收集到品相一流的就没那么容易了。目前一套品相中上的普通白瓷mcs-4价值大概在1000刀左右。

稀有度7星★★★★★★★


 

 

MCS-4 Series in white ceramic package half round key  半圆坑白瓷版本MCS-4

 

              C4004               C4003              C4002-2              C4002-1               C4001
Intel C4004 0114R half round key USA 7631 Intel-C4003-6-7010-1876A-Philippines-7635 Intel-C4002-2-6-7011-1924A--Philippines-7636
          USA 7631        Philippines 7635        Philippines 7636    

注:这个版本的mcs-4左侧半圆是不通底部的,除此之外和普通白瓷版本没啥区别。这个版本比普通白瓷版本要少很多。估计和灰花纹金点版本差不多的存世量。

稀有度8星★★★★★★★★


 

 

MCS-4 Series in white ceramic package black dot  黑点白瓷版本MCS-4

 

              C4004               C4003              C4002-2              C4002-1               C4001
Intel-C4004-6-7001-1902A--Philippines-7635 Intel-C4003-6-7010-1584A-Philippines-7633 Intel-C4001-0703-6-7547-Malaysia-7415
        Philippines 7635        Philippines 7633          Malaysia 7415

注:这个版本的mcs-4左下角是一个黑色圆点,除此之外和普通白瓷版本没啥区别。这个版本比普通白瓷版本要少很多。估计和灰花纹金点版本差不多的存世量。

稀有度8星★★★★★★★★


 

MCS-4 Series in gray ceramic package  深灰瓷D版MCS-4

              D4004               D4003              D4002-2              D4002-1               D4001
Intel D4004 587356 3052A M alaysia 7705 intel-D4002-2-X1191123-Philippines-8118 intel-D4002-1-5173W-Philippines-8033
        Malaysia 7705        Philippines 8118         Philippines 8033  

注:这是量产深灰瓷D版的mcs4,比金顶C版本要多很多,但又比塑料P版本少。

稀有度5星★★★★★


 

MCS-4 Series in grey/black plastic package  深灰或黑色塑料P版MCS-4

              P4004               P4003              P4002-2              P4002-1               P4001
intel-P4004-2935W-Philippines-8006 intel-P4003-5833W-Philippines-8035 intel-P4002-2-W1103208-Philippines-8108 intel-P4002-1-W1092918-Philippines-8107 intel-P4001-1054-230342-Philippines-8301
        Philippines 8006        Philippines 8035      Philippines 8108         Philippines 8107        Philippines 8301

注:这是量产塑料P版的mcs4,属于最常见的intel mcs-4。其中有两组完整的版本,一组是深灰色,一组是纯黑色。另外还有金脚版本的P4001,P4002-1,P4002-2,P4003,但没有金脚版本的P4004。

稀有度4星★★★★


收藏者最喜爱的intel 金顶MCS-4版本中,71-74年生产的绝大多数都没有印产地和生产日期,应该都是在USA和Malaysia生产的。这个时间intel量能没上去,现存世的这个时期的mcs-4存量也的确只是占了MCS-4总存世量的少数。75-76年间intel显然扩大了产量,这个时间有USA,Mexco,HongKong,Philippines,Malaysia的intel工厂生产过MCS-4,且都印有生产地和生产日期,这个时期的mcs-4目前是比较多见的。就拿印有产地的mcs-4来说,Mexco,USA,HongKong比较少见,其次Philippines,Malaysia最为常见。 

 

 

National Semiconductor FIPS


 

FIPS Series in purple ceramic package  紫色陶瓷金顶版FIPS

              INS4004               INS4003              INS4002-2              INS4002-1               INS4001
National Semiconductor INS4004D 638 Tin pins National-Semiconductor-INS4003D-552-N.D.C National-Semiconductor-INS4002-1D-712-N.D.C
               7638                 7552                    7712    

注:最常见的INS FIPS版本

稀有度7星★★★★★★★


 

FIPS Series in grey ceramic package  灰色陶瓷金顶版FIPS

              INS4004               INS4003              INS4002-2              INS4002-1               INS4001
National Semiconductor INS4004D 835 gold pins National-Semiconductor-INS4001-54A-230343-721-N.D.C
               7835                               7721

注:与紫瓷金顶版一样,也是最常见的INS FIPS版本

稀有度7星★★★★★★★

 

 Other  Ins4004 

National Semiconductor INS4004D 634 white ceramic gold pins National-Semiconductor-INS4004D-530-N.D.C
              7634                7530                 7519                 7638
稀有度9星★★★★★★★★★ 稀有度9星★★★★★★★★★ 稀有度10星★★★★★★★★★★ 稀有度8星★★★★★★★★
注:ins4004有较多很不一样的版本,其中白瓷金顶和全金顶的版本非常少见,其它要较为常见。

 

 

 

Hitachi HMSC-4


这是hitachi生产的4004,由中国藏家LZF7000收藏。网络上有关HMSC-4的资料非常之少,曾引起cpu-world论坛中对这个4004广泛的讨论。最终还是挖掘出hitachi是除NS之外,4004的另一个授权生产商。

稀有度10星★★★★★★★★★★

 

 

 

.4004 Board

4004除了被用在busicom计算器外,作为核心部件还被用于众多微控制机器的cpu卡中,负责核心运算。以下是cpumine和全球其它藏友收藏的一些4004电路板。

Intel-C4004-6-7001-N4260-grey-trace-board Intel-C4004-6-7001-P4754-board Intel-C4004-F9695-board Intel-C4004-G-6-7001-0322R-half-round-key-USA-7641-original-board Intel-C4004-thick-#5-marking-N2709-Malaysia-original-board
       

4004的电路板并非极其难见到,ebay上偶尔就有4004电路板的拍卖出现。但品相不错的4004板子是可遇不可求的(基本只存在于未锈蚀的古董整机中,或刚拆机的旧货卖家手中),尤其是灰花纹等稀有版,intel原厂板更是稀有难见。


 

 

.4004 的赝品和测试

   在很多不熟悉4004的藏友眼中,4004尤其是金顶C版4004因其几百上千美金的收藏价值,肯定是造假奸商争先造假的目标。但事实的情况是,4004的假货并非泛滥如LV假货,甚至可以用“稀缺”来形容。

本人研究和收藏4004十载,过手过40多个4004(基本都为C版),以及见过N个4004的网络买卖交易或是网友贴图,直到现在我能见到的假货如下:

   这3个remark的4004假货见光于一个ebay拍卖(cpu-world网友识别为假货),以及瑞典著名的cpu-zone私人收藏站(站长自己识别为假货)。不能排除这些赝品来自JS云集的我天朝,但确实我在伟大的祖国尚未发现有假的4004。

   我想4004假货不多,尤其我天朝未曾见有几点原因:

  1.金顶上重印字很难和原品能一致,这有字体的原因,也有颜料附着的问题。一般不用放大镜也能分辨字迹的真伪,如上3个假货就是很好的例子。

  2.做remark的JS一般都是低频改高频,普通品改成军品等特殊品,目的还是要这个芯片去工作运行的,这些买家关注点也只是在运行上,往往会忽略粗糙的印字和打磨。而专门针对收藏的remark目前很少见,因为买家都是收藏者,关注点基本都在芯片的外观上,JS在技术上和收藏知识上很难骗过这一双双的火眼金睛。如上的假货不用看字基本就能从细小的地方分辨出是假货了。

  目前终极分辨4004等老dip真伪的办法自然就是上机测试了。国内外有好几位高手都开发出来能测试老DIP的主板,其中就包括我国南京的电子高材生小罗(lhf_james)开发的能测试4004,4040,4002的测试器(下图左一),目前已经被国内外几十名藏友订购用于测试4004。也有国外大神Bill Kotaska开发的Busicom 4004计算器的复制品,当然也能测试4004,不过貌似只有一个这样的成品(下图右一)。如果我们有幸收藏到一套完整能运行的4004机器,测试4004的真伪也不在话下。

我手中的三十几枚4004以及几十枚4002,除了一枚P4004上机不能运行(非赝品),其它都能完好的运行,其中有个别还有严重的锈蚀,可见早期DIP都是很皮实的东西,哪怕在洗金垃圾中摸爬滚打和水汽的腐蚀也不容易损坏。

   最后,祝愿各位老DIP的藏友能收藏到自己心仪的MCS-4!

本文部分图片来源于chipdb,cpu-world,cpu-zone等收藏网站,对此表示感谢!

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