矽穀傳奇——微處理器（CPU）之父霍夫

十九世紀是機械化的世紀，所有重大的科技進步都離不開機械，蒸汽機、火車、汽車是十九世紀和二十世紀初工業化的標誌。二十世紀則是電子化的世紀，二十世紀最重要的事件是電子計算機的發明，以及由它帶來的第三次產業革命。今天，電子計算機已進入了社會的各個方麵，成為信息時代的人們工作與生活須臾不能離開的工具。計算機是上個世紀最重大的科技發明。

第一台電子計算機的發明人是美國人約翰·文森特·阿塔那索夫(John Atanasoff)他是“電子計算機之父”。阿塔那索夫是愛阿華州立大學(Iow State University)物理係教授。阿塔那索夫和他的研究生克利福特•貝瑞(Clifford;  Berry)於1939年10月研發出了世界上第一台電子計算機。這台機器為有名的ABC (Atanasoff-Berry-Computer)，因為A、B為倆人姓氏的首字母，C為計算機的首字母。

1946年，賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的莫奇利(John Mauchly)和埃克特(John Eckert)等人研製成功了有名的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)計算機。從埃尼阿克至今，計算機繁衍了四代，最初是真空管(Vacuum Tube)計算機，然後是晶體管(Transistor)計算機，第三代是集成電路(Integrated Circuit)計算機，第四代是大規模集成電路(Large Scale Integrated Circuit)計算機。

計算機飛速發展基於二十世紀的三項重要發明：晶體管、集成電路、和泰德·霍夫1971年發明的微處理器(Central Process Unit, CPU)。其中最重要的是集成電路的發明並用集成電路來設計計算機。因為使用了集成電路技術，才使得今天的計算機功能遠超ABC和埃尼阿克。這一切都要歸功於本文的主人公——泰德·霍夫（Marcian Edward“Ted”Hoff）。

不像諾伊斯，霍夫沒有因為發明了CPU而獲得巨大財富。但他的發明如此重要，使其可以無愧地躋身於20世紀最偉大的科學家之列。英國的《經濟學家》雜誌將霍夫稱作是“第二次世界大戰以來最有影響的7位科學家之一”。

泰德·霍夫於1937年10月28日，出生於紐約州的羅切斯特(Rochester)。霍夫的童年是在市郊的北奇利(North Chili)村度過的，他的啟蒙教育始於隻有一間教室的鄉村學校(Churchville-Chili Central High School)，一名教師要分別教7個年級的13名學生。霍夫父親是通用鐵路信號公司(General Railway Signal Company)的電氣工程師，這使霍夫從小就對電學產生了興趣。霍夫的叔叔是化學工程師，受叔叔的影響，他迷上了化學。5歲那年，霍夫看見叔叔將兩種無色液體倒在一起，使它們變成鮮紅色。霍夫對此非常著迷，於是開始自學化學，叔叔送給霍夫一套化學實驗設備。霍夫在沒有上過高中化學課的情況下，參加了紐約州的化學考試，取得了95分的高分。叔叔給霍夫訂了《大眾科學》(Popular  Science)雜誌，這使霍夫在孩提時代就對科學產生了興趣。父親的《聯合收音機目錄》(Allied Radio Catalogue)，讓霍夫愛不釋手，這本書讓霍夫鍾情於電子技術，並從此開始學習電子學。

1954年，霍夫進入紐約州的倫塞勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)，攻讀電子工程。大學期間，每年暑假他都到通用鐵路信號公司的電子實驗室做技師。在那兒，他研究了電子跟蹤電路(Electronic Track Circuit)，並為部分設計提出合理化建議，因此，他的名字也上了專利證書。在另一項應用跟蹤電路的照明保護設計項目中，霍夫也獲得了專利。1958年，他以獲獎論文“晶體管中的電流轉換方式”獲學士學位。他久聞斯坦福特曼(Frederick Terman )教授的大名，來到了斯坦福大學，在斯坦福的電子工程係攻讀碩士和博士學位。

本科時，霍夫很少接觸計算機，隻選修過一門計算機課程。在斯坦福期間，他對模式識別和圖像處理很感興趣。畢業後作為研究員留在了斯坦福，並與論文導師一起獲得了一些專利。霍夫聰穎過人但很謙虛。霍夫的朋友哈羅德·霍依特(Harold Hoyt)在一次校友會上回憶道：“他有一種神奇的力量，隻用其他人所用時間的小部分就能解答出複雜的電子工程問題。”在斯坦福，霍夫對計算機發生了濃厚興趣。為了完成論文，他使用了斯坦福的IBM1620計算機，這是他第一次有機會編程。1959年，獲碩士學位，1962年獲博士學位。他的博士論是《適應性神經網絡中的學習現象》(Learning Phenomena in Networks of Adaptive Neurons)。此後，霍夫又在斯坦福作了6年的研究員。他的研究之一是和他的論文導師一起研究電化學貯存器，又獲得了兩項專利。

芯片上的電腦

1968年，英特爾(Intel)成立。英特爾總裁諾伊斯在搜羅各種研發人員，尤其是有計算機設計背景的人。斯坦福推薦了霍夫。英特爾最初看上的是IBM的一位工程師。但他不願離開紐約。後來諾伊斯又想請仙童(Fairchild  Semiconductor)的一位工程師，但也被謝絕。於是，諾伊斯隻得將這位英特爾的未來之星請到了公司，他是英特爾的第12位員工。

後來，英特爾承認：製造CPU的靈感源於1968年的一部電影，英特爾4004型CPU就是科幻片《2001：奧德賽邀遊太空》的主角——得了妄想症的殺人電腦HAL。英特爾是在慶祝CPU誕生30周年紀念日的典禮揭露這個曆史秘密的，它說：“1968年的影迷為HAL如癡如醉，它在科幻片中的表現令世人著迷。即使是這部超前的傑出影片，也沒有預測到PC及網絡技術發展如此之快，今天的一切對那個時代的人來說是不可想象的。”“在那部影片上映後不久，我們公司的工程師霍夫就發明了4004型CPU，它是為日本計算器廠Busicom設計的，它奠定了PC產業的基礎。”

微處理器的由來可追溯到50年代末，當時德州儀器(Texas Instruments)的基爾比和仙童半導體的諾依斯同時找到了將大量晶體管及它們間的連線製作在一塊矽片上的方法——集成電路。有了集成電路，製造CPU就隻是時間問題了。利用集成電路工藝，一個邏輯電路或存貯器，可以製作在一張矽片上。設計者可以把越來越多的晶體管製作在一塊矽片上，來實現各種電路功能。這就是今天所有電子產品的基礎——大規模集成電路LSI。

當時，霍夫負責英特爾的產品研發，他和一位同事合用一間小實驗室。房間裏堆著聯碳公司的一盒盒元件。當時英特爾的研發重點是半導體存儲芯片。

1960年代末，剛麵世的計算器每台價格為幾百美元。日本計算器公司Busicom想讓英特爾為其高端計算器設計生產一套芯片。這些芯每塊隻能完成一個功能，運算、存儲、打印輸出、鍵盤控製都需要一塊芯片。Busicom 承諾以每套50美元的價格，至少購買6萬套。英特爾同意了。Busicom 公司派了一支工程師團隊到英特爾參與設計。

霍夫仔細分析了設計要求後，確信這個價錢拿不下來。摩爾(Gordon Moore)對此類業務不感興趣，他告訴霍夫，如果劃不來，就推掉。霍夫不想放棄，有沒有方法既能滿足客戶需求，又能降低設計生產成本呢？霍夫再次認真研究了日本人的方案，他認為設計太複雜了，完全可以設計一款單一的多功能芯片來代替。通過簡化設計，能有效降低成本，而且隻需修改存儲器中的指令，就能讓處理器實現不同功能，而不僅僅是用於計算器。霍夫回憶到：“在該項目中，我的職責不包括設計，不久我發現自己身陷其中。我可以不做，當時英特爾剛起步，許多人希望該項目能在財政上成功，我們不想讓自己的努力付之東流。”霍夫“對其複雜程度感到驚訝”，他確信在已達成的價格下不可能生產出所需芯片。經過越來越多的思考，霍夫認為自己的單一多功能芯片方案更好。

據說霍夫設計CPU的靈感來自在塔西提島的海灘，在陽光普照的沙灘，霍夫想著芯片的事。霍夫突然想起一個方案：能不能把倉庫、工場和其他東西作在一塊芯片上，使處理器(Processor)變小成為微處理器(Microprocessor)呢？為此他設計出了世界上第一個微處理器——CPU。這塊芯片有著所有的功能上，再加兩個存儲芯片，一個存儲數據，另一個儲存驅動CPU的程序。這個設計不但使計算器變得簡單，也大大降低了成本。

Stan Mazor

霍夫把自己的設想告訴了日本人，但他們不賣帳，堅持原方案。霍夫找到諾伊斯，說了他的想法，一個CPU和三塊其他芯片就行了。諾伊斯問了一些問題。諾伊斯當時的關注點不在此，但直覺告訴他該方案可行。他鼓勵霍夫試一試，還按霍夫的要求讓剛從仙童過來的斯坦·麥卓爾(Stan Mazor)協助霍夫設計CPU。諾伊斯很早就有過微處理器的設想。在1960年代未的一次會議上，他就預言過，一個計算機的功能會集成在一塊芯片上。當時一位持不同觀點的人說：“我不希望我的那台計算機會掉進地板上的一個小洞裏。”諾伊斯笑道：“你搞錯了。你的書桌上有一百多個計算機，掉一個不算什麽。”

當時，業內普遍認為大型機才是大有可為的領域。但霍夫另辟蹊徑，他說服了剛從仙童公司跳槽的斯坦·麥卓爾與他合作。霍夫的突破是對芯片組結構的設計。霍夫把一個簡單的計算機的整個中央處理單元——CPU，集成在了一塊芯片上。他隻需再加二塊存貯芯片，一個是隻讀存貯器，另一個是讀寫存貯器。後來又加了一塊輸入輸出芯片。CPU是一個非常複雜的電路，人稱“單片機”，它擁有了所有計算機的邏輯運算功能，其體積隻有針尖大小。減少組件的數量不重要，關鍵在於組織和結構。霍夫說：“真正的關鍵不在組件的數目，而在於組織，結構概念。你要把一台通用計算機，製造在一個芯片上。”

英特爾進行該項目的同時，仙童、IBM、Signetics、Four Phase，以及美國無線電公司(RCA)也在做。1973年，英特爾申請了CPU專利，Microcomputer公司於1970年申請了一般邏輯性設備的專利。1971年，德州儀器申請了與CPU類似的專利。

霍夫的創新在於芯片的結構，不是芯片本身，芯片是費德裏科·費金(Federico Faggin )設計出來的。費金是一名天才，意大利移民，隻有高中學位。整個結構包括記錄、調度、芯片間的聯係規則、算術和邏輯運算係統，隻把輸出輸入和程序單元放在了不同的芯片上。霍夫設計出了能夠運行常規計算機程序的單片CPU，取代了不同的單個芯片。把承擔鍵盤控製、顯示控製、打印控製、算術運算、記錄等等功能都集成在了一塊芯片上。霍夫的CPU隻有1/8英寸長，1/6英寸寬，包括有2250個晶體管，但它的功能超過了ENIAC，它運行起來同60年代價值30萬美元的IBM計算機一樣，但後者的CPU像桌子一樣大。

費德裏科·費金(Federico Faggin)

與八人幫中的拉斯特(Jay Last)一樣，費金是一位擅長將想法變為產品的天才。霍夫的設計很快由費金在矽片上實現了。芯片本身——在芯片上用晶體管實現的電路——是費金的成果。1970年春，費金完成了芯片的設計。1971年1月，第一個真正可以運轉的CPU4004誕生了。隨後，費金主持開發了後續的8位處理器8008和8080。今天，人們常將CPU芯片的發明歸功於霍夫，實際上費金功不可抹，他獨立完成了芯片的具體設計，並最終使其成為產品。

4004的第一個4是指這是4位CPU，後一個4是指這是英特爾製造的第4個專用芯片。4004隻是Intel MCS-4係列的其中一塊芯片，它需要與另外三塊芯片協同工作，包括用於存儲數據的4001(動態隨機存儲器DRAM)、用於保存用戶指令的4002(隻讀存儲器ROM)和用於處理I/O接口的4003(寄存器Register)。4004是最關鍵的中央處理器芯片，用戶隻需改變一下4002中的指令，就可以讓4004實現不同功能。4004采用的是10微米的工藝，有2250個晶體管，時鍾頻率為74kHz，每秒可執行6萬次運算，售價200美元。這是一款劃時代的產品。作為曆史上第一款微處理器芯片，4004在電子計算機的發展史上，掀開了嶄新的一頁。

4004是現代計算機小型化的關鍵性一步，此後由CPU擔綱的計算機成了主流。今天，英特爾的CPU時鍾頻率已達到3GHZ，數字處理能力達64位。芯片上的晶體管的尺寸隻有幾十個納米，幾百個原子的大小，其柵極的氧化層隻有十個氧原子的厚度。過去上百噸的龐然大物ENIAC計算機，如今已成了平常百姓的日用品了。

1971年8月，諾伊斯致電Busicom總裁久野小島(Yoshio Kojima)提醒他，該電路的複雜性意味著不可能以50美元生產這些芯片。根據他們的設計方案，每套芯片的成本為300美元。10月，Busicom 的兩名高管來英特爾審查兩個方案。英特爾的設計為4塊芯片，最複雜的芯片有2250個晶體管，成本155美元。Busicom 設計方案的成本是其一倍，要12到15塊芯片，每塊芯片2000個晶體管。Busicom 高管放棄了自己的方案，選擇了英特爾方案。英特爾與Busicom正式簽訂合同，英特爾按霍夫和麥卓爾的設計方案為Busicom生產處理器芯片，CPU的專利權將歸Busicom公司獨家擁有。

在英特爾與Busicom簽約時，計算機終端公司(Computer Terminal Corporation，CTC)要英特爾為他們研製一款CPU。英特爾讓霍夫負責CTC的這一新項目。

4004芯片送到日本時，Busicom 以英特爾延遲交貨為由，拒絕按合同價格收貨。事實上，當時計算器市場價格大幅跳水，Busicom 公司要降低成本，便希望以過了交貨期為由殺價。趁此機會，霍夫、麥卓爾及費金慫恿英特爾與Busicom 談判，英特爾同意降價，Busicom 放棄了4004的獨占權。Busicom 未能意識到CPU的潛在價值，答應了該條件。最終，Busicom於1974年倒閉了。

英特爾的另一項新發明提高了霍夫的芯片的競爭力，它就是EROM(Electrical Programmable Read Only Memory 可編程式隻讀存貯器)。它是由英特爾的多夫·福拉曼(Dov Frohman)發明的。此前，計算機的存貯器幾乎是永久性的，很難改變。現在，有了 EPROM，使讀寫功能和重新編程成為可能。在EPROM之前，隻有不穩定的讀寫存貯器、從工廠定做的隻讀存貯器和一次性可編程隻讀存貯器。現在任何人都可以使用EPROM來重新編程而不需要編程去除錯誤部分。

不久，霍夫和麥卓爾為計算機終端公司設計了一種比4004更強大的CPU——8008。1972年4月，英特爾推出時鍾頻率200千赫茲的8008CPU，還是10微米技術，晶體管總數增至3,500個，內存160kＢ，在13.5平方毫米的矽片上能執行45種指令。這是真正的微處理器CPU。

走向市場

英特爾銷售部門不認為CPU會有好銷路，他們認為不值得去生產和推銷CPU。他們說，他是電腦業的一個後生，當時每年隻能賣掉2000台微電腦，如果英特爾出售他的芯片，那麽可能有10％的市場。另外，這樣一個要50－100美元成本的芯片怎麽能夠彌補開發費用呢？當時，PC還未誕生。沒人知道PC的未來。以至於沒有人，甚至霍夫和他的同事們，能預測霍夫的CPU將會引發計算機和電子工業的一場革命。當時的人們習慣於把計算機想成價值上百萬美元的大宗商品，還需要專家來操作和維修。一個在那麽便宜的芯片上的計算機，對大多數人來說太不可思議了。

盡管霍夫等人在不斷催促，但因為4004沒有市場需求，英特爾遲遲沒有把它推向市場。“我們每個月都向銷售部門提出要求，但他們每次商議的結果都是——暫不公布”。最後曾在德州儀器任職的愛德華·蓋爾博(Edward Gelbach)出任英特爾銷售部主任後，銷售部門的態度才積極起來。

要讓人們接受CPU絕非易事。1972年，人們開始注意到它了。1972年3月，即英特爾公布4004後4個月，德州儀器公司推出8位的CPU，兩家公司產生了爭執。最後，英特爾獲得了專利權。但霍夫說：“我並不認為一旦為微處理器申請了專利後，就可以聲稱擁有了微處理器的一切”。

對於霍夫的發明，當時的英特爾高層很多人並不支持。當時英特爾的主營業務是以DRAM為代表的半導體存儲器，安迪·格魯夫(Andy Grove)對CPU很不感冒，他聲稱：“CPU 對我而言沒有任何意義，我為存儲器的量產而生，也會為其而死。”不過，市場的反應出乎英特爾的意料，當它在4004廣告中宣稱這款產品將開創“集成電子——芯片上的微型可編程計算機的新紀元”後，有5000多人立刻寫信與英特爾取得聯係，希望獲得更多有關4004的信息。這種受到業界熱捧的現象很快讓英特爾認識到了CPU的價值。

在CPU之前，英特爾客戶的設計人員把單一功能的芯片組裝成一個係統。更改係統時，需要改變硬件的安排。使用英特爾CPU後，則不需要更改硬件，隻要更改存儲在程序存儲器中的指令就能實現。CPU將軟件帶入了行業。使CPU的客戶大增。早期的CPU大多用於控製設備，而不是計算機。1971年末，英特爾聘用了一位營銷與公共關係專家裏吉斯·麥肯納(Regis Mckenna )為CPU製定銷售規劃。麥肯納為CPU製訂了專門的市場運作方案。他為4004製訂了100多頁的用戶手冊，其他的英特爾芯片的相關手冊都不到10頁。英特爾寄出的用戶手冊超過了CPU的實際銷售量。英特爾還舉辦了一係列關於CPU的技術研討會。很快工業界開始接受CPU了，甚至通用汽車公司，都用上了4004。

1972年，西雅圖的兩個高中生，買下了4004的下一版本8008，他們用它計算街道上的車流量。他們成立了一家公司，但沒成功。幾年後，這兩個年輕人成立了第二家公司——微軟。他們是比爾·蓋茨(Bill Gates)和保羅·艾倫(Paul Allan)，後來他們在英特爾的CPU上寫出了DOS和視窗操作係統，正式是英特爾和微軟使計算機走進了億萬普通人家庭。今天，蓋茨的辦公室裏，還有英特爾當初的芯片廣告。

霍夫等人繼續加以改進。英特爾開始意識到霍夫的CPU應用前景是無限的。1973年8月，8080問世。首次使用了MOS技術，8080成為有史以來最成功的CPU 之一，這也是第一個真正的通用微處理器，是20世紀最後25年裏的一項最具有劃時代意義的發明。功能是8008 的十倍，每秒能執行29 萬條指令，由64字節的可設定地址存儲器，最初售價360美元，但成本不到25美元。芯片的銷量扶搖直上。8080真正地推動了微機市場。很快8080就成了工業標準，英特爾占領了80％的市場。一段時間裏，英特爾甚至用8080作為其電話的最後四位。

計算機愛好者、電腦DIY始祖愛德華·羅伯茨(Henry Edward Roberts)以8080為核心，裝配出了第一台PC，Altair 8800， 《大眾電子》(Popular Electrinics)雜誌稱其為“世界上第一台堪與商業機相媲美的以成套形式提供的小型計算機”，這個創舉使得很多人都開始了購買CPU等散件、自己製造PC並為其開發軟件。當時還未滿20歲的比爾·蓋茨是這些人中的一員，他和好友保羅·艾倫為Altair 8800成功地開發出了BASIC語言，這兩個年青人此前就花了376美元購買了一塊8008進行編程。英特爾發明的CPU，促成了PC的誕生，也成就了軟件產業。

霍夫說：“我對微處理器在PC上的應用也非常驚訝。我沒有想到人們會僅僅為了業餘愛好而買PC，隨著影像遊藝機的發展，PC成為人們的又一種娛樂工具。任何一位發明家如果能夠創造出什麽來提供給人們娛樂，他就能獲得成功。”1969年，霍夫研製第一種CPU時，很難把程序員吸引到他的研究組來。因為大家都把精力集中到大型機上。但如今每天都有程序員邁進霍夫的房間，要為CPU編程。

1982 年底，霍夫宣布他將離開自己工作了14年的英特爾。他說他需要變換一下工作環境。他接受了矽穀另一家公司阿塔裏(Atari)的聘請，任公司副總裁，負責研發。因為阿塔裏有誌將計算機推向家庭，而消費市場是霍夫最感興趣的領域。

但霍夫的運氣並不好，1984年7月，該公司就被賣掉了。霍夫開始從事一些獨立的谘詢和研究工作。他將加州陽光穀(Sunnyvale)家中的車庫，改成了實驗室。他說他在車庫裏就可以製造幾乎任何想製造的東西。

霍夫很快就意識到了這是一場革命：“我們正處於一場革命，它將持續50―100年。今天的年輕人正在成長起來，他們對計算機不再感到害怕，他們將把計算機的使用範圍進一步擴大。”

當他被問到最近在做什麽研究時，霍夫總是含糊地說：“我已經研究了計算機界麵的方方麵麵，並準備將計算機應用帶入更高的境界。”他幻想有一天計算機能代替日常生活中絕大部分艱苦的工作。

1983年，霍夫因發明了CPU而成為第三個獲得倫塞勒理工學院戴維斯傑出工程成就獎的人。

2011年11月15日，是英特爾4004首次麵市30周年紀念日。它是第一款將可編程的計算機核心要素集成於單一芯片的產品。此後，CPU使得計算機將各種信息整合為一體，後來的手機和PC上均用上了CPU。但是，4004的麵世實在是一個偶然事件。英特爾前董事會主席安迪·格魯夫曾表示：“這款CPU在當時代表了英特爾產品的未來，但在最初的15年中，我們根本就沒有意識到這一點。最終，這款CPU卻成了英特爾商業領域的標誌性產品。”

Henry Edward Roberts and Altair 8800

過去的幾十年裏，CPU已經無處不在。僅在2000年，英特爾就賣出了3.85億個CPU。一家市場分析公司的首席分析師表示：“這款CPU的麵世對每個人的生活都產生了根本性的影響，這麽說毫不奈張。在微處理器麵市之前，計算機全都是龐大的機器，有時甚至與一個房間一樣大。”

今天，由微處理器為核心的移動通訊、電腦和互聯網，已經滲透到我們生活的每個角落了。這些高科技產品不但為我們的生活帶來了極大的便利，我們生活的世界也因此變得越來越小了。這一切都離不開20世紀中葉美國的貝爾實驗室，離不開20世紀下半葉的矽穀，和那些天才的發明家。霍夫就是其中的佼佼者。