Intel 4004 занимает особое место в истории вычислительной техники. Это первый серийно выпускавшийся процессор Intel и центральный компонент микрокомпьютерного комплекта MCS-4. Он был представлен 15 ноября 1971 года как универсальная программируемая микросхема, способная заменить набор специализированной логики в калькуляторах, терминалах, контроллерах и другом электронном оборудовании.

Intel 4004 и семейство MCS-4: первый коммерческий микропроцессор Intel

Название Intel 4004 часто воспринимается как обозначение большой серии процессоров, подобной современным Intel Core или Xeon. В действительности процессорная часть семейства состояла из одной базовой архитектуры. Различные обозначения C4004, D4004 и P4004 указывали главным образом на тип корпуса и технологическое исполнение, а не на разные наборы ядер, частоты или объёмы кеша.

Полный комплект MCS-4 включал четыре основных типа микросхем:

Компонент	Назначение	Основные возможности
Intel 4004	Центральный процессор	4-разрядная ALU, 46 команд, 16 регистров по 4 бита, трёхуровневый стек
Intel 4001	Масочно-программируемая ROM	256 восьмибитных слов программы и четырёхразрядный порт ввода-вывода
Intel 4002	RAM данных	320 бит памяти и четырёхразрядный выходной порт
Intel 4003	Сдвиговый регистр	10-разрядное последовательное расширение числа выходов

Процессор не содержал встроенной оперативной памяти, постоянной памяти, генератора тактовой частоты или универсального контроллера периферии. Для построения работающей системы требовались микросхемы памяти и внешние компоненты. Поэтому Intel 4004 правильнее рассматривать не как самостоятельный компьютер, а как центральную часть масштабируемой платформы MCS-4.

Разработка началась после обращения японской компании Nippon Calculating Machine Corporation, продававшей оборудование под брендом Busicom. Заказчик планировал получить сложный набор специализированных микросхем для семейства калькуляторов. Инженеры Intel предложили более универсальную архитектуру из четырёх программируемых компонентов. Центральным элементом этого решения стал 4004. Intel впоследствии вернула права на продажу комплекта другим заказчикам и вывела MCS-4 на открытый рынок.

Где купить Intel 4004: предложения, цены и доступность

Intel 4004 давно снят с производства и не продаётся через обычные розничные каналы как новый серийный процессор. Основной рынок сформирован коллекционерами, продавцами винтажных микросхем, музеями и владельцами старого оборудования. Большинство сохранившихся экземпляров продаётся без проверки работоспособности.

Состояние торговых страниц проверено 1 августа 2026 года.

Поиск Яндекс Маркета по Intel 4004 показывает в том числе Intel Core 2 Duo и другие процессоры, не имеющие отношения к MCS-4. На Ситилинке число 4004 обнаруживается в пользовательских исторических заметках, но не в каталоге доступных товаров. На eBay видны объявления по цене около 439–700 долларов, однако рядом публикуются Intel C4001, C2102, P4040, серверные Xeon и AMD EPYC 4004.

Что именно продаётся под названием Intel 4004

В объявлениях встречается несколько принципиально разных категорий товаров:

• оригинальный процессор Intel C4004;

• более поздний Intel D4004;

• пластиковый Intel P4004;

• National Semiconductor INS4004;

• Intel 4001 ROM, ошибочно названная процессором;

• Intel 4002 RAM;

• Intel 4003;

• Intel P4040, представляющий следующую архитектуру;

• пустой керамический корпус с нанесённой маркировкой;

• сувенирная копия;

• процессор, залитый в прозрачную смолу;

• печатная репродукция топологии кристалла;

• часы, брелок или настольная композиция;

• современный серверный AMD EPYC 4004;

• электронный компонент с совпадающим фрагментом артикула.

Самая распространённая ошибка — покупка C4001 вместо C4004. Корпуса этих микросхем внешне похожи, а продавцы добавляют C4004 в название объявления для привлечения внимания. На крышке настоящего процессора должна присутствовать маркировка 4004, а не 4001, 4002, 4003, 4040 или номер другой микросхемы.

От чего зависит цена Intel 4004

Коллекционная стоимость определяется не только работоспособностью. На цену влияют:

• тип корпуса;

• дата производства;

• ранняя или поздняя версия логотипа Intel;

• наличие характерных серых дорожек на ранней белой керамике;

• сохранность позолоченной крышки;

• состояние выводов;

• отсутствие следов пайки;

• читаемость маркировки;

• наличие оригинального держателя;

• подтверждённое происхождение;

• принадлежность к полному комплекту MCS-4;

• наличие платы или калькулятора Busicom;

• результаты электрической проверки;

• сопроводительная документация.

Рабочий процессор с подтверждённой историей ценится выше непроверенной микросхемы. При этом электрическая проверка не всегда оправдана: неправильное питание или подключение современных логических уровней способно необратимо повредить редкий экземпляр.

Основные характеристики Intel 4004

Характеристика	Значение
Производитель	Intel
Дата представления	15 ноября 1971 года
Тип	Однокристальный центральный процессор
Архитектура данных	4 бита
Формат команд	8 или 16 бит
Адрес программы	12 бит
Максимальная память программ	4096 восьмибитных слов, 4 Кбайт
Максимальная память данных	5120 бит, 640 байт
Количество транзисторов	Около 2300
Технология	P-channel silicon-gate MOS, PMOS
Литография	Около 10 мкм
Размер пластины	2 дюйма
Частота	До 740–750 кГц
Машинный цикл	10,8 мкс
Тактов на машинный цикл	8
Время короткой команды	10,8 мкс
Время двухсловной команды	21,6 мкс
Максимальный темп коротких команд	Около 92 600 команд в секунду
Количество команд	46
Аккумулятор	4 бита
Индексные регистры	16 регистров по 4 бита
Регистровые пары	8 пар по 8 бит
Стек адресов	3 уровня
Счётчик команд	12 бит
Внешняя шина	4-разрядная мультиплексированная
Корпус	DIP-16
Питание	Разность 15 В между VSS и VDD
Типичный ток питания	Около 30 мА
Максимальный ток по спецификации	40 мА
Стандартный температурный диапазон	От 0 до 70 °C
Расширенный температурный вариант	От −40 до +85 °C
Основное исходное назначение	Калькуляторы Busicom
Преемник	Intel 4040

В официальной юбилейной инфографике Intel частота округлена до 750 кГц. В техническом описании минимальный период тактового сигнала равен 1,35 мкс, что соответствует приблизительно 740,7 кГц. Поэтому в исторических материалах используются оба значения: 740 и 750 кГц. Это не разные модели процессора, а разные способы округления одной предельной характеристики.

Исторический контекст появления 4004

К концу 1960-х электронные калькуляторы строились из большого количества специализированных интегральных схем. Отдельные микросхемы отвечали за арифметику, управление клавиатурой, формирование изображения, работу печатающего механизма и хранение данных. Изменение набора функций требовало переработки аппаратной логики.

Такая схема была дорогой по нескольким причинам. Для каждой модели оборудования приходилось проектировать собственные компоненты. Число корпусов на печатной плате оставалось большим. Сложность соединений повышала стоимость сборки и вероятность отказов. Разработанная для одного калькулятора логика плохо подходила для другого устройства.

Программируемый процессор менял эту модель. Одна и та же микросхема могла выполнять разные алгоритмы после замены программы в ROM. Аппаратная часть становилась универсальной, а различия между моделями переносились в программный код.

Intel в момент начала проекта была прежде всего производителем полупроводниковой памяти. Компания обладала компетенциями в области MOS-технологии и кремниевых затворов, но ещё не имела сформированной линейки центральных процессоров. Заказ Busicom дал возможность объединить память, вычислительную архитектуру и программируемое управление в одной системе.

Заказ Busicom и создание новой архитектуры

В 1969 году представители Busicom передали Intel проект семейства калькуляторных микросхем. Исходная концепция включала примерно десять–двенадцать специализированных компонентов. Она использовала последовательную десятичную арифметику, ROM для настройки различных моделей калькуляторов и отдельные схемы управления периферией.

Тэд Хофф оценил проект как слишком сложный для небольшой команды MOS-разработчиков Intel. Он предложил хранить рабочие данные в полупроводниковой RAM и выполнять необходимые операции программно. Четырёхразрядная организация естественно соответствовала одной двоично-десятичной цифре, поскольку значения от 0 до 9 помещаются в четыре бита.

Стэнли Мэйзор участвовал в формировании системы команд, подготовке программных фрагментов и проверке того, что архитектура сможет обслуживать клавиатуру, дисплей и печатающий механизм. Одной из важных идей стало выполнение периферийных функций программой вместо отдельных специализированных контроллеров.

Федерико Фаджин присоединился к Intel в апреле 1970 года и возглавил физическую реализацию комплекта. Он разработал схемы и топологию четырёх компонентов MCS-4, используя технологию кремниевого затвора. Масатоси Сима со стороны Busicom участвовал в логическом проектировании, проверке функций и подготовке калькуляторного программного обеспечения.

Распределение вклада можно представить следующим образом:

Участник	Основная роль
Марсиан Тэд Хофф	Концепция универсальной архитектуры и отказ от большого набора специализированных схем
Стэнли Мэйзор	Разработка архитектурных деталей, системы команд и программных примеров
Федерико Фаджин	Руководство проектом микросхем, схемотехника, физическая реализация и доведение кремния до рабочего состояния
Масатоси Сима	Логическое проектирование со стороны заказчика, проверка требований и программирование калькулятора

Рабочий кремний появился в начале 1971 года. Инженерный прототип Busicom 141-PF стал первой коммерческой системой, в которой применялся комплект MCS-4. Сохранившийся прототип передали Федерико Фаджину; сейчас он находится в Computer History Museum.

Возвращение прав и выход на открытый рынок

Первоначально права на использование разработки были связаны с контрактом Busicom. Команда Intel быстро поняла, что универсальный процессор представляет ценность далеко за пределами калькуляторов. В мае 1971 года Intel вернула права на продажу комплекта для других категорий оборудования, компенсировав Busicom затраты на разработку.

15 ноября 1971 года Intel опубликовала объявление о MCS-4. Реклама представляла комплект как альтернативу заказной логике. Покупателю предлагалось не проектировать уникальный набор схем, а собрать аппаратную платформу из стандартных компонентов и задать её поведение программой.

Это решение имело значение не только для Intel. Оно сформировало коммерческую модель, ставшую основой индустрии микропроцессоров: серийный универсальный CPU, документированная система команд, микросхемы памяти, средства разработки и возможность использовать одну архитектуру в разных устройствах.

Хронология Intel 4004

Год и период	Событие
Апрель 1969 года	Первые встречи Intel с представителями японского производителя калькуляторов
Лето 1969 года	Передача исходной концепции набора специализированных микросхем
1969 год	Тэд Хофф предлагает универсальную программируемую архитектуру
Сентябрь 1969 года	Стэнли Мэйзор присоединяется к проекту
Начало 1970 года	Формализуется контракт и структура будущего MCS-4
Апрель 1970 года	Федерико Фаджин присоединяется к Intel и начинает реализацию комплекта
Конец 1970 года	Завершается значительная часть схемотехники и топологии
Начало 1971 года	Получены первые образцы микросхем
Март 1971 года	Завершён работоспособный комплект для Busicom
Май 1971 года	Intel возвращает права на продажу системы другим заказчикам
15 ноября 1971 года	Публичное представление MCS-4
1972–1973 годы	Расширяется экосистема интерфейсных микросхем и средств разработки
1974 год	Появляется улучшенный Intel 4040
Вторая половина 1970-х	4004 продолжает использоваться во встраиваемых и управляющих системах
1981 год	Завершается период производства семейства
2006 год	Computer History Museum проводит юбилейную встречу участников проекта
2021 год	Отмечается 50-летие процессора
2025–2026 годы	Завершается крупномасштабная дискретная реконструкция полного MCS-4 и калькулятора Busicom

Intel 4004 выпускался значительно дольше, чем можно ожидать от первого поколения процессоров. Комплект обеспечивал удобную для своего времени модульную архитектуру и не требовал большого количества дополнительной дешифрирующей логики.

Модели и варианты исполнения Intel 4004

Полноценная процессорная серия 4004 не содержала десятков моделей. Подтверждены три основные группы корпусных обозначений.

Обозначение	Корпус	Внешний вид	Архитектурные отличия
Intel C4004	Белая керамика	Белый корпус, металлическая или позолоченная крышка	Базовая архитектура 4004
Intel D4004	Тёмная керамика	Коричневый или тёмно-керамический корпус	Та же архитектура
Intel P4004	Пластик	Чёрный пластиковый DIP-16	Та же архитектура

Буква перед номером не обозначает производительный класс. C4004 не является ускоренной версией D4004, а P4004 не содержит урезанную систему команд. Различия относятся к корпусу, периоду производства, производственной партии и температурному исполнению.

Ранний C4004 с серыми дорожками

Наиболее известный ранний вариант имеет белую керамическую основу, золотистую крышку и характерный серый рисунок на нижней стороне. Такие экземпляры особенно ценятся коллекционерами. У ранних микросхем встречается старый логотип Intel, выполненный в виде вытянутой буквы i.

Поздний белый C4004

Более поздние белые керамические процессоры могут иметь изменённую маркировку, другой рисунок обратной стороны и новые коды производства. Внутренняя архитектура остаётся совместимой с исходным 4004.

D4004

Тёмный керамический корпус был дешевле белого керамического исполнения. Такие процессоры менее эффектно выглядят в коллекции, но остаются оригинальными Intel 4004.

P4004

Пластиковый корпус относился к более позднему и экономичному производству. P4004 встречается реже в популярных фотографиях, поскольку исторические материалы обычно показывают ранний бело-золотой C4004.

Проект Intel 4004 50th Anniversary прямо рекомендует искать обозначения P4004, D4004 и C4004, расшифровывая их как пластиковое, тёмное керамическое и белое керамическое исполнение.

Лицензионные версии и совместимые компоненты

National Semiconductor выпускала совместимые микросхемы семейства под обозначениями INS4004 и INS4001. Они представляют интерес для восстановления старых систем и коллекционирования, но не являются процессорами, произведёнными Intel.

Совместимую микросхему необходимо описывать полным названием производителя. Маркировка INS4004 не должна продаваться как Intel C4004. Электрическая и программная совместимость не делает её оригинальным процессором Intel.

Встречаются и другие компоненты National Semiconductor, предназначенные для систем MCS-4. Их корпуса могут быть выполнены из необычной фиолетовой или тёмной керамики. На торговых площадках такие детали часто объединяются в одну выдачу с Intel 4004. Например, отдельные INS4001 продаются примерно за 120 долларов, хотя это ROM, а не CPU.

Технология производства и устройство кристалла

Intel 4004 изготовлен по P-канальной MOS-технологии с кремниевым затвором. Литографическая норма составляла около 10 мкм, то есть 10 000 нм. Для сравнения с современными обозначениями это значение следует воспринимать только как приблизительную характеристику минимального элемента процесса: методики измерения и маркетинговые названия технологических узлов за десятилетия существенно изменились.

На кристалле размещалось около 2300 транзисторов. По меркам 1971 года это была чрезвычайно высокая степень интеграции для логической схемы. Кремниевый затвор позволял создавать более компактные и быстрые транзисторы, чем прежние решения с металлическими затворами.

Основные функциональные блоки кристалла:

• четырёхразрядный аккумулятор;

• временный регистр;

• арифметико-логическое устройство;

• схема десятичной коррекции;

• триггер переноса;

• регистр команды;

• декодер команд;

• блок формирования машинных циклов;

• 12-разрядный счётчик команд;

• трёхуровневый стек адресов;

• мультиплексор стека;

• шестнадцать индексных регистров;

• мультиплексор регистров;

• четырёхразрядный буфер внешней шины;

• схема управления ROM и RAM;

• блок синхронизации.

Процессор выпускался на двухдюймовых кремниевых пластинах. Intel указывает 2300 транзисторов, 10-микрометровую литографию, 16 выводов и P-канальную технологию кремниевого затвора.

Корпус DIP-16 и распиновка

Ограничение шестнадцатью выводами сильно повлияло на архитектуру. Адреса, команды и данные передаются по одной четырёхразрядной шине в разные фазы машинного цикла. Отдельной 12-разрядной адресной шины и отдельной восьмиразрядной шины команд у 4004 нет.

Вывод	Сигнал	Назначение
1	D0	Разряд 0 двунаправленной шины
2	D1	Разряд 1 двунаправленной шины
3	D2	Разряд 2 двунаправленной шины
4	D3	Разряд 3 двунаправленной шины
5	VSS	Наиболее положительный потенциал питания
6	φ1	Первая фаза тактового сигнала
7	φ2	Вторая фаза тактового сигнала
8	SYNC	Сигнал начала машинного цикла
9	RESET	Сброс процессора
10	TEST	Вход, проверяемый условным переходом JCN
11	CM-ROM	Выбор микросхем ROM
12	VDD	Отрицательная линия питания, на 15 В ниже VSS
13	CM-RAM3	Выбор банка RAM 3
14	CM-RAM2	Выбор банка RAM 2
15	CM-RAM1	Выбор банка RAM 1
16	CM-RAM0	Выбор банка RAM 0

Сигналы D0–D3 используются для передачи адреса, кода операции, модификатора команды и данных. SYNC сообщает внешним компонентам о начале нового цикла. CM-ROM активирует память программ, а четыре линии CM-RAM выбирают один из банков памяти данных.

Для полного сброса документация требует удерживать RESET активным в течение 64 тактов, то есть восьми машинных циклов. Сбрасываются счётчик команд, флаги и статусные регистры.

Архитектура Intel 4004

Intel 4004 представляет собой четырёхразрядную аккумуляторную архитектуру с раздельными пространствами программ и данных. Команды хранятся в ROM в виде восьмибитных слов. Рабочие данные размещаются в четырёхразрядных ячейках RAM.

Четыре бита особенно удобны для калькулятора. Одна десятичная цифра в BCD-коде занимает один полубайт. Процессор складывает двоичные значения, а команда DAA выполняет десятичную коррекцию результата.

Архитектура не содержит:

• кеш-памяти;

• конвейера;

• динамического предсказания переходов;

• защиты памяти;

• виртуальной памяти;

• режима пользователя и ядра;

• плавающей запятой;

• аппаратного умножения;

• аппаратного деления;

• контроллера прерываний;

• встроенной ROM;

• встроенной RAM;

• универсального последовательного интерфейса;

• контроллера дисплея;

• графического ядра.

Отсутствие этих блоков не было недостатком проектирования в контексте 1971 года. 4004 предназначался для небольших управляющих алгоритмов и десятичной арифметики, а не для запуска операционной системы общего назначения.

Регистровая система

Процессор содержит аккумулятор A шириной четыре бита и шестнадцать индексных регистров R0–R15. Индексные регистры используются по отдельности или объединяются в восемь восьмибитных пар.

Ресурс	Разрядность	Количество	Назначение
Аккумулятор A	4 бита	1	Основной операнд арифметики, логики и операций памяти
Флаг переноса	1 бит	1	Перенос, заём и расширение арифметики
Индексные регистры	4 бита	16	Временные данные и счётчики
Регистровые пары	8 бит	8	Адресация RAM, загрузка непосредственных данных
Счётчик команд	12 бит	1	Адрес следующего байта программы
Стек адресов	12 бит	3 уровня	Адреса возврата из подпрограмм

Регистры R0 и R1 образуют пару P0, R2 и R3 — P1, далее до пары P7 из R14 и R15. Команды FIM, SRC, FIN и JIN работают с регистровыми парами.

Шестнадцать четырёхразрядных регистров дают 64 бита очень быстрой внутренней памяти. Для раннего микропроцессора это важный ресурс: обращение к внешней RAM требует выбора банка, регистра и ячейки, тогда как внутренний регистр доступен непосредственно.

Стек и подпрограммы

Стек Intel 4004 хранит три 12-разрядных адреса. Он аппаратно связан со счётчиком команд. Команда JMS сохраняет адрес возврата и переходит к подпрограмме. BBL возвращается на предыдущий уровень и одновременно загружает в аккумулятор четырёхразрядную константу.

Глубина вложения ограничена тремя уровнями. Четвёртый вызов вытесняет один из старых адресов, поскольку стек работает циклически. Программист обязан заранее контролировать структуру вызовов.

Это ограничение особенно важно при использовании библиотеки арифметических процедур. Например, основная программа может вызвать обработчик клавиатуры, тот — функцию преобразования цифры, а она — процедуру вывода. Дополнительный вложенный вызов уже создаёт риск потери адреса возврата.

Наличие встроенного стека было принципиальным архитектурным решением. Программа хранилась в ROM, куда нельзя записать адрес возврата. В мини-компьютерах с перезаписываемой памятью адрес часто сохранялся непосредственно в первой ячейке подпрограммы, но для масочной ROM такой подход не работал.

Шина и машинный цикл

Один машинный цикл состоит из восьми временных интервалов:

Фаза	Основная функция
X1	Старшая часть адреса программы
X2	Средняя часть адреса программы
X3	Младшая часть адреса программы
M1	Старшие четыре бита команды
M2	Младшие четыре бита команды
X1	Выполнение и передача управляющей информации
X2	Обмен с ROM, RAM или портом
X3	Завершение операции

Названия фаз в документации повторяют X1–X3 после интервалов M1 и M2. Во время первых трёх фаз процессор последовательно передаёт 12-разрядный адрес. ROM принимает три четырёхразрядные части и выбирает восьмибитное слово. Затем в M1 и M2 по той же шине возвращаются две половины команды.

В последней части цикла шина используется для выполнения операции, передачи адреса RAM, чтения данных или записи аккумулятора. Такая организация экономит выводы, но увеличивает продолжительность каждой команды.

Однословная команда занимает восемь тактов. Двухсловная — шестнадцать тактов, поскольку процессору требуется второй полный цикл для получения адреса или непосредственного операнда.

Память программ

Intel 4004 адресует до 4096 восьмибитных слов ROM. Это 4 Кбайт программного пространства. Адрес состоит из 12 бит и передаётся по внешней шине за три фазы.

Одна Intel 4001 содержит:

• 256 восьмибитных слов масочной ROM;

• четырёхразрядный порт ввода-вывода;

• логику распознавания собственного адреса;

• интерфейс с мультиплексированной шиной MCS-4.

Для заполнения всего пространства требуется 16 микросхем 4001. Каждая из них получает уникальный номер и отвечает за свой участок адресов.

Масочное программирование означает, что содержимое задавалось при производстве. Изменить программу после изготовления 4001 нельзя. Для серийного калькулятора это приемлемо, но разработка требовала тщательной отладки до заказа партии ROM.

Преимущества масочной ROM

• высокая плотность хранения;

• отсутствие необходимости в отдельном программаторе внутри готового устройства;

• стабильность содержимого;

• низкая стоимость при крупном серийном выпуске;

• встроенный порт ввода-вывода.

Недостатки масочной ROM

• невозможность обновления;

• длительный производственный цикл;

• высокая цена ошибки в программе;

• необходимость заказывать отдельную маску для каждой версии;

• неудобство разработки небольших партий.

Интерфейсные микросхемы Intel 4008, 4009 и позднее 4289 позволяли подключать стандартную память, что упрощало опытную разработку и создание систем с изменяемой программой.

Память данных Intel 4002

Одна микросхема Intel 4002 содержит 320 бит RAM. Память организована не как линейный массив современных байтов, а как четыре регистра, каждый из которых включает:

• 16 основных четырёхразрядных символов;

• четыре статусных четырёхразрядных символа.

Получается 20 полубайтов на регистр и 80 полубайтов на микросхему. В пересчёте на двоичные байты это 40 байт.

Элемент 4002	Количество	Объём
Основные ячейки в одном регистре	16	64 бита
Статусные ячейки в одном регистре	4	16 бит
Всего в одном регистре	20 полубайтов	80 бит
Регистров в одной 4002	4	320 бит
Полный объём одной 4002	80 полубайтов	40 байт

Система поддерживает четыре банка RAM. В каждом банке размещается до четырёх 4002. Максимум составляет 16 микросхем, или 5120 бит — 640 байт.

Статусные ячейки удобны для знака, переноса, типа числа, состояния операции и служебных флагов. Основные ячейки хранят десятичные цифры, промежуточные результаты и содержимое регистров калькулятора.

Каждая 4002 также имеет четырёхразрядный выходной порт. Полностью укомплектованная система получает до шестнадцати таких портов.

Intel 4003 и расширение ввода-вывода

Intel 4003 — десятиразрядный сдвиговый регистр с последовательным входом и параллельными выходами. Он не является памятью программы или данных. Его основная задача — увеличить число управляемых линий.

Несколько 4003 соединяются последовательно. Процессор формирует битовый поток, а регистры преобразуют его в параллельные сигналы. Такой способ подходит для:

• выбора разряда индикатора;

• управления лампами;

• сканирования клавиатуры;

• печатающего механизма;

• реле;

• простых панелей индикации.

Использование сдвигового регистра позволяло отказаться от большого числа специализированных периферийных микросхем. Часть логики переносилась в программу 4004.

Полная система команд Intel 4004

Intel 4004 поддерживает 46 команд. Часть мнемоник имеет несколько вариантов, определяемых номером регистра, условием или непосредственным значением.

Основные команды управления и передачи данных

Мнемоника	Длина	Назначение
NOP	1 байт	Нет операции
JCN	2 байта	Условный переход
FIM	2 байта	Загрузка восьмибитного значения в регистровую пару
SRC	1 байт	Передача управляющего адреса памяти
FIN	1 байт	Загрузка пары регистров из ROM по косвенному адресу
JIN	1 байт	Косвенный переход по регистровой паре
JUN	2 байта	Безусловный переход
JMS	2 байта	Вызов подпрограммы
INC	1 байт	Увеличение регистра
ISZ	2 байта	Увеличение регистра и переход, пока результат не равен нулю
LD	1 байт	Загрузка регистра в аккумулятор
XCH	1 байт	Обмен аккумулятора с регистром
BBL	1 байт	Возврат из подпрограммы и загрузка константы
LDM	1 байт	Загрузка четырёхразрядной константы

Арифметика

Мнемоника	Назначение
ADD	Сложение регистра, аккумулятора и переноса
SUB	Вычитание регистра с учётом заёма
IAC	Увеличение аккумулятора
DAC	Уменьшение аккумулятора
DAA	Десятичная коррекция после сложения
TCS	Преобразование переноса в значение для десятичного вычитания
TCC	Перенос флага в аккумулятор
CLC	Сброс переноса
STC	Установка переноса
CMC	Инвертирование переноса
CLB	Очистка аккумулятора и переноса
CMA	Инвертирование аккумулятора

Сдвиги и преобразования

Мнемоника	Назначение
RAL	Циклический сдвиг аккумулятора влево через перенос
RAR	Циклический сдвиг аккумулятора вправо через перенос
KBP	Преобразование однопозиционного кода клавиатуры
DCL	Выбор командной линии RAM

Операции с RAM, ROM и портами

Мнемоника	Назначение
WRM	Запись аккумулятора в основную ячейку RAM
WMP	Запись аккумулятора в выходной порт RAM
WRR	Запись аккумулятора в порт ROM
WPM	Запись полубайта в память программы через интерфейс
WR0	Запись в статусную ячейку 0
WR1	Запись в статусную ячейку 1
WR2	Запись в статусную ячейку 2
WR3	Запись в статусную ячейку 3
SBM	Вычитание ячейки RAM из аккумулятора
RDM	Чтение основной ячейки RAM
RDR	Чтение входного порта ROM
ADM	Сложение ячейки RAM с аккумулятором
RD0	Чтение статусной ячейки 0
RD1	Чтение статусной ячейки 1
RD2	Чтение статусной ячейки 2
RD3	Чтение статусной ячейки 3

Полная таблица кодов занимает пространство от 00h до FDh. Значительная часть значений младшего полубайта кодирует номер одного из шестнадцати регистров. Например, ADD R0 имеет код 80h, ADD R15 — 8Fh. LDM 0 начинается с D0h, а LDM 15 использует DFh.

Формат команд

Каждая команда состоит из двух четырёхразрядных полей:

• OPR — основной код операции;

• OPA — модификатор, номер регистра, условие или часть операнда.

Однословная команда занимает восемь бит. Двухсловная команда занимает шестнадцать бит: первый байт содержит код операции, второй — адрес или непосредственное значение.

Тип	Размер	Машинные циклы	Время при максимальной частоте
Однословная команда	8 бит	1	10,8 мкс
Двухсловная команда	16 бит	2	21,6 мкс

Двухсловными являются JCN, FIM, JUN, JMS и ISZ. Остальные базовые команды выполняются за один машинный цикл, хотя итоговый алгоритм обращения к памяти обычно требует последовательности из SRC и отдельной операции чтения или записи.

Двоичная и десятичная арифметика

ALU выполняет четырёхразрядные операции. Для обработки более длинных чисел программа проходит по цифрам или полубайтам последовательно.

При сложении десятичных цифр выполняется следующая последовательность:

1. В аккумулятор загружается первая цифра.

2. Команда ADD или ADM прибавляет вторую цифру и входной перенос.

3. Если двоичный результат не является правильной BCD-цифрой, применяется DAA.

4. Исправленная цифра сохраняется.

5. Перенос используется при обработке следующего разряда.

Например, BCD-сложение 8 и 7 сначала даёт двоичное значение 15, то есть Fh. Команда DAA прибавляет корректирующее значение и формирует цифру 5 с переносом в следующий десятичный разряд.

Для вычитания применяются SUB, SBM, TCS и операции с флагом переноса. Аппаратного знакового типа данных нет: формат отрицательного числа и положение знака определяются программой.

Пример программы

Ниже показан упрощённый фрагмент, сохраняющий значение 5 в выбранную ячейку RAM. Синтаксис конкретного ассемблера отличается, но последовательность мнемоник остаётся общей.

FIM P0, 0x00   ; загрузить адрес RAM в пару R0:R1
SRC P0         ; передать адрес памяти
LDM 0x5        ; загрузить число 5 в аккумулятор
WRM            ; записать аккумулятор в выбранную ячейку RAM

Для чтения значения используется та же адресная пара:

FIM P0, 0x00
SRC P0
RDM            ; аккумулятор получает содержимое RAM

Цикл на 16 повторений строится с помощью четырёхразрядного регистра:

LDM 0
XCH R2

loop:
    ; тело цикла
    ISZ R2, loop

ISZ увеличивает R2. Переход выполняется, пока четырёхразрядный результат не вернётся к нулю.

Тактовая частота и производительность

Процессор использует два неперекрывающихся тактовых сигнала φ1 и φ2. Один базовый тактовый период по спецификации составляет не менее 1,35 мкс. Восемь периодов образуют машинный цикл 10,8 мкс.

Максимальная теоретическая скорость однословных команд:

[
\frac{1}{10{,}8\ \text{мкс}} \approx 92,593\ \text{команды в секунду}
]

Для двухсловных команд:

[
\frac{1}{21{,}6\ \text{мкс}} \approx 46,296\ \text{команд в секунду}
]

Эти значения нельзя напрямую сравнивать с современными показателями IPC. Intel 4004 последовательно передаёт адрес и команду по четырём линиям, не использует конвейер и выполняет только одну операцию за машинный цикл.

Результаты расчётных тестов Intel 4004

Современные тесты Cinebench, Geekbench, SPEC CPU и PassMark для этой архитектуры неприменимы. Они требуют операционной системы, компилятора, большого объёма памяти и значительно более сложного набора команд. Корректная оценка строится на длительности документированных инструкций.

Тестовая операция	Команды	Циклов на повторение	Время одного повторения	Теоретический темп
Поток NOP	NOP	1	10,8 мкс	92 593 операций/с
Загрузка константы	LDM	1	10,8 мкс	92 593 операций/с
Загрузка регистра	LD	1	10,8 мкс	92 593 операций/с
Обмен с регистром	XCH	1	10,8 мкс	92 593 операций/с
Сложение с регистром	ADD	1	10,8 мкс	92 593 сложения/с
Вычитание	SUB	1	10,8 мкс	92 593 вычитания/с
Увеличение регистра	INC	1	10,8 мкс	92 593 операции/с
Загрузка пары	FIM	2	21,6 мкс	46 296 загрузок/с
Прямой переход	JUN	2	21,6 мкс	46 296 переходов/с
Вызов подпрограммы	JMS	2	21,6 мкс	46 296 вызовов/с
Возврат	BBL	1	10,8 мкс	92 593 возврата/с
Цикл ISZ	ISZ	2	21,6 мкс	46 296 итераций/с
Выбор RAM и чтение	SRC + RDM	2	21,6 мкс	46 296 чтений/с
Выбор RAM и запись	SRC + WRM	2	21,6 мкс	46 296 записей/с
Выбор RAM и сложение	SRC + ADM	2	21,6 мкс	46 296 операций/с
Десятичная коррекция	DAA	1	10,8 мкс	92 593 коррекции/с

Таблица показывает идеальный непрерывный поток без дополнительной подготовки адресов, сохранения результата и организации цикла. Реальная процедура длинной арифметики требует больше команд.

Сложение многозначных чисел

Для сложения двух восьмизначных десятичных чисел необходимо:

• выбрать очередную цифру первого числа;

• прочитать её из RAM;

• загрузить или сохранить промежуточное значение;

• выбрать цифру второго числа;

• выполнить сложение;

• выполнить десятичную коррекцию;

• записать результат;

• перейти к следующему разряду.

Исторически приводится время около 850 мкс для сложения двух восьмизначных значений. Это соответствует примерно 79 машинным циклам. Результат хорошо согласуется с частотой и сложностью последовательности операций.

Почему частота 740 кГц не означает 740 тысяч сложных операций

За один такт процессор не завершает полноценную инструкцию. Восьмитактовый цикл нужен для передачи адреса, чтения команды и выполнения. Двухсловная инструкция требует шестнадцати тактов. Поэтому реальный темп находится в диапазоне примерно от 46 до 93 тысяч простых команд в секунду.

Электрические характеристики

Intel 4004 использует питание, существенно отличающееся от современных микросхем. VSS является наиболее положительной линией, а VDD должна находиться на 15 В ниже неё.

В типовой системе:

• VSS подключается к +5 В;

• VDD подключается к −10 В;

• разность составляет 15 В;

• логические уровни отсчитываются относительно VSS.

Подключение VDD к обычным современным +5 В или +15 В приведёт к неправильному режиму и повреждению процессора.

Параметр	Значение
Номинальная разность VSS − VDD	15 В
Допуск	±5%
Типичный ток	30 мА
Максимальный ток	40 мА
Приблизительная типичная мощность	0,45 Вт
Приблизительная максимальная мощность по току	0,60 Вт
Абсолютно допустимая рассеиваемая мощность	1 Вт
Рабочая температура стандартной версии	0…70 °C
Температура хранения	−55…+125 °C

Абсолютные максимумы нельзя использовать как штатные параметры. Они определяют границу, за которой возможно необратимое повреждение.

Входы современных микроконтроллеров и FPGA нельзя напрямую соединять с MCS-4. Требуются преобразователи уровней, защита от отрицательного напряжения и корректный двухфазный генератор.

Интерфейсные микросхемы и расширение системы

Экосистема MCS-4 и MCS-40 включала дополнительные компоненты.

Микросхема	Назначение
Intel 4008	Защёлка адреса для подключения стандартной памяти
Intel 4009	Преобразователь ввода-вывода и интерфейс стандартной памяти
Intel 4201	Генератор тактовых сигналов
Intel 4269	Программируемый интерфейс клавиатуры и дисплея
Intel 4289	Стандартный интерфейс памяти, объединивший функции ранних схем
Intel 4308	ROM с интерфейсом для семейства MCS-40
Intel 4316	ROM увеличенного объёма
Intel 4702	Перепрограммируемая память для разработки

4008 и 4009 позволяли использовать стандартные ROM и RAM вместо исключительно 4001 и 4002. Это было важно при отладке, поскольку программа в масочной 4001 не изменяется.

Позднее 4289 объединила интерфейсные функции в одном корпусе. Такие решения применялись и с Intel 4040.

Средства разработки

Для промышленного применения одного процессора было недостаточно. Intel создала аппаратные и программные инструменты:

• ассемблер;

• кросс-ассемблер;

• загрузочные и контрольные программы;

• документацию по системе команд;

• отладочные модули;

• Intellec 4;

• интерфейсы для стандартной памяти;

• программаторы;

• демонстрационные платы.

Intellec 4 представлял собой специализированную систему разработки. Она позволяла вводить программу, проверять её выполнение и работать с оборудованием до заказа масочной ROM.

Типичный цикл разработки выглядел так:

1. Алгоритм записывался на ассемблере.

2. Код собирался на более крупной вычислительной системе.

3. Программа загружалась в отладочную память.

4. Инженер проверял клавиатуру, дисплей и исполнительные механизмы.

5. Исправлялись ошибки адресации и логики.

6. Финальный бинарный образ передавался для производства масочной 4001.

7. Новая ROM устанавливалась в серийное устройство.

Стоимость ошибки после изготовления маски была высокой, поэтому программное тестирование имело критическое значение.

Реальные устройства на базе Intel 4004

Самое известное применение — печатающий калькулятор Busicom 141-PF. В нём MCS-4 выполнял арифметику, сканировал клавиатуру, управлял печатью и обрабатывал внутреннее состояние.

Документированы и другие области:

• настольные калькуляторы;

• кассовое оборудование;

• системы учёта;

• контроллеры печатающих устройств;

• измерительные приборы;

• терминалы;

• управление технологическим оборудованием;

• системы сбора данных;

• устройства учёта топлива;

• программаторы памяти;

• контроллеры периферии.

Тэд Хофф вспоминал применение процессора в оборудовании автозаправочных станций для учёта количества отпущенного топлива. Intel также использовала 4004 в собственном программаторе EPROM. Когда конструкция памяти изменилась, алгоритм удалось обновить программно, а не переделывать всю аппаратную логику. Именно такая гибкость демонстрировала экономическое преимущество микропроцессора.

Busicom 141-PF

Busicom 141-PF был настольным калькулятором с клавиатурой и печатающим механизмом. Комплект MCS-4 заменял значительную часть специализированных схем.

Система включала:

• один Intel 4004;

• несколько Intel 4001 с программой;

• Intel 4002 для чисел и состояния;

• Intel 4003 для расширения выходов;

• клавиатурную матрицу;

• механизм печати;

• питание;

• двухфазный генератор.

Программа выполняла арифметику и одновременно обслуживала периферию. Процессор последовательно сканировал клавиши, устранял дребезг, обновлял состояние вычисления и управлял печатью.

Инженерный прототип Busicom 141-PF сохранился со всеми четырьмя основными компонентами MCS-4. Computer History Museum называет его успешным испытательным стендом первого коммерческого применения 4004.

Intel 4004 против Intel 4040

Intel 4040 стал прямым архитектурным преемником 4004. Он сохранил четырёхразрядную модель и значительную часть совместимости, но устранил важные ограничения.

Характеристика	Intel 4004	Intel 4040
Разрядность	4 бита	4 бита
Корпус	DIP-16	DIP-24
Базовые команды	46	Набор 4004 и 14 дополнительных команд
Индексные регистры	16 × 4 бита	24 × 4 бита
Стек	3 уровня	7 уровней для обычных вызовов плюс уровень прерывания
Прерывания	Нет	Есть
Halt	Нет отдельного режима	Добавлена команда остановки
Совместимость с MCS-4	Полная	Сохраняется для значительной части компонентов
Адрес программы	4 Кбайт	До 8 Кбайт с переключением банка
Корпусные выводы	Минимальный набор	Дополнительные управляющие линии

4040 лучше подходит для сложных контроллеров. Увеличенный стек облегчает программирование, а прерывания позволяют быстрее реагировать на внешние события. Для простого калькулятора исходный 4004 остаётся достаточным.

Intel 4004 против Intel 8008

Несмотря на похожие номера, Intel 8008 не является просто восьмибитной версией 4004. Проекты возникли из разных заказов и имеют разные архитектурные корни.

Характеристика	Intel 4004	Intel 8008
Год	1971	1972
Разрядность	4 бита	8 бит
Транзисторы	2300	Около 3500
Память программ	4 Кбайт	До 16 Кбайт
Основное исходное назначение	Калькуляторы	Терминал Datapoint
Десятичная ориентация	Выраженная	Меньшая
Корпус	DIP-16	DIP-18
Архитектурная линия	MCS-4, 4040	8008, 8080 и последующее развитие

8008 обрабатывает восьмибитные данные и лучше подходит для текстовых терминалов и общих вычислений. 4004 эффективнее использует минимальную аппаратную конфигурацию для BCD-арифметики и управляющих задач.

Intel описывает 8008 как отдельную разработку с существенно отличающимися характеристиками. Он появился через несколько месяцев после 4004 и содержал около 3500 транзисторов.

Intel 4004 против Intel 8080

Intel 8080, выпущенный в 1974 году, стал значительно более универсальным восьмибитным CPU. Именно на его основе создавались ранние микрокомпьютеры, включая Altair 8800.

Характеристика	Intel 4004	Intel 8080
Разрядность	4 бита	8 бит
Адресуемая память	Раздельные 4 Кбайт ROM и до 640 байт RAM	До 64 Кбайт общего адресного пространства
Стек	3 аппаратных уровня	Размещается в оперативной памяти
Прерывания	Нет	Есть
Назначение	Контроллеры и калькуляторы	Компьютеры общего назначения
Операционная система	Практически неприменима	Поддерживались ранние дисковые ОС
Производительность	До 92,6 тыс. коротких команд/с	Около 290 тыс. операций/с в оценке Intel

Федерико Фаджин характеризовал развитие так: 4004 и 8008 показали возможность микропроцессора, а 8080 превратил концепцию в полноценный универсальный продукт.

Исторические аналоги и конкуренты

National Semiconductor INS4004

Наиболее близкий функциональный аналог — совместимая реализация архитектуры 4004. Она предназначена для выполнения того же кода и работы в сходной системе.

Rockwell PPS-4

Rockwell PPS-4 появился в 1972 году. Это четырёхразрядное семейство для калькуляторов, игровых автоматов, кассовых аппаратов и управляющего оборудования. Оно имело собственную систему команд и набор периферийных микросхем.

Texas Instruments TMS1000

TMS1000 представляет другое направление развития. В одном корпусе объединялись CPU, ROM, RAM и ввод-вывод, поэтому его относят к ранним микроконтроллерам. Серия была представлена в 1974 году.

NEC μCOM-4

NEC развивала собственные четырёхразрядные процессоры и микрокомпьютерные комплекты для калькуляторов и встраиваемых устройств. Программной совместимости с Intel 4004 не было.

Garrett MP944

MP944 применялся в системе управления самолёта F-14 и состоял из нескольких типов микросхем. Разработка предшествовала открытому выходу 4004, но долго оставалась закрытой военной технологией и не продавалась как универсальный коммерческий CPU.

Four-Phase Systems AL1

AL1 был частью многокристальной процессорной системы. Он появился раньше 4004, но не представлял собой доступный на рынке однокристальный универсальный CPU в том же коммерческом смысле.

| Решение | Год | Разрядность | Однокристальный CPU | Свободная коммерческая продажа | Прямая совместимость |
|---|---:|---:|---|---|
| Intel 4004 | 1971 | 4 бита | Да | Да | Базовая архитектура |
| INS4004 | Позднее | 4 бита | Да | Да | Да |
| Rockwell PPS-4 | 1972 | 4 бита | Да | Да | Нет |
| TI TMS1000 | 1974 | 4 бита | CPU, ROM, RAM и I/O в одном корпусе | Да | Нет |
| NEC μCOM-4 | 1970-е | 4 бита | Да | Да | Нет |
| MP944 | Около 1970 года | Специализированная | Многокристальный комплект | Нет, военное применение | Нет |
| Four-Phase AL1 | 1969 | Специализированная | Компонент процессорной системы | Ограниченно | Нет |

Computer History Museum подчёркивает, что вопрос первенства зависит от определения: учитываются дата проектирования, однокристальная реализация, универсальность, публичность и коммерческая доступность. IEEE также описывает историю первых микропроцессоров как более сложную, чем простое присвоение одного абсолютного титула.

Аналоги Intel 4004 среди Xeon

Прямого аналога Intel 4004 среди процессоров Xeon не существует. Эти семейства решают противоположные задачи.

Intel 4004:

• четырёхразрядный;

• однопоточный;

• работает с сотнями байтов RAM;

• не имеет кеша;

• предназначен для простого встроенного управления;

• использует отдельные ROM и RAM;

• не поддерживает операционные системы серверного класса.

Intel Xeon:

• 64-разрядный;

• многоядерный;

• поддерживает большие объёмы памяти;

• имеет многоуровневый кеш;

• поддерживает виртуализацию;

• рассчитан на серверы, рабочие станции, облачные системы и базы данных;

• содержит сложные средства защиты и управления памятью.

Наиболее близким по общей идее интеграции управляющих функций можно назвать семейство Intel Xeon D, но это не замена 4004. Xeon D представляет серверную систему-на-кристалле для сетевого оборудования, хранилищ и периферийных серверов. Он не выполняет код MCS-4 и не подключается к компонентам 4001 или 4002.

Для сравнения современных серверных серий на XeonLive предусмотрен отдельный раздел Intel Xeon.

Эволюционное сравнение Intel 4004 и Xeon

Параметр	Intel 4004	Современный Intel Xeon
Разрядность	4 бита	64 бита
Ядра	1	От нескольких до десятков и более
Потоки	1	Многопоточность
Транзисторы	2300	Миллиарды
Частота	Около 0,00075 ГГц	Несколько гигагерц
Кеш	Нет	L1, L2, L3
Оперативная память	До 640 байт через 4002	Гигабайты и терабайты
ECC	Нет	Поддерживается серверной платформой
Виртуализация	Нет	Есть
Защита памяти	Нет	Есть
Векторные инструкции	Нет	Есть
Серверные сокеты	Нет	Одно- и многосокетные платформы
Сетевое применение	Только через внешнюю специализированную логику	Полноценные серверные и сетевые системы

Сравнение показывает масштаб развития, но не помогает выбрать взаимозаменяемую модель. Современный Xeon не заменяет 4004 в историческом калькуляторе, а 4004 не способен выполнять серверное программное обеспечение.

Подходит ли Intel 4004 для игр

Intel 4004 не подходит для игровой сборки в современном понимании. У него нет видеоконтроллера, звуковой системы, подходящей оперативной памяти, файловой системы и интерфейса для видеокарты.

На нём можно реализовать простейшие игровые алгоритмы:

• угадывание числа;

• электронный кубик;

• светодиодный лабиринт;

• простую реакционную игру;

• счётчик очков;

• крестики-нолики на внешней матрице;

• пошаговую логическую задачу;

• управление сегментным дисплеем.

Такой проект требует внешней ROM, RAM, кнопок, индикаторов и драйверов. Программа обычно занимает сотни байтов и работает с дискретной графикой, представленной отдельными лампами или сегментами.

Запустить Doom, Tetris для персонального компьютера, DOS, Windows или современный игровой движок на оригинальной системе MCS-4 нельзя. Даже простая растровая графика быстро превышает доступный объём памяти.

Учебная игровая конфигурация

Реалистичная демонстрационная сборка включает:

Компонент	Назначение
Intel 4004 или точная FPGA-реализация	Выполнение программы
ROM 4001 или эмулятор ROM	Хранение игрового алгоритма
RAM 4002	Состояние игры и счёт
4003	Управление светодиодами
Матрица кнопок	Ввод
Светодиодная матрица 4 × 4	Вывод
Преобразователи уровней	Согласование с современной логикой
Двухфазный генератор	Тактирование
Защищённый источник питания	Формирование +5 и −10 В

Использовать дорогой оригинальный C4004 для такого проекта нерационально. FPGA или программный эмулятор безопаснее, быстрее в отладке и не подвергает историческую микросхему риску.

Подходит ли Intel 4004 для сервера

Intel 4004 не является серверным процессором. Он не поддерживает:

• сетевой стек;

• многозадачность;

• виртуальную память;

• защищённый режим;

• ECC;

• дисковые контроллеры;

• многопроцессорность;

• аппаратную виртуализацию;

• современные криптографические инструкции;

• большие объёмы RAM;

• серверные операционные системы.

Теоретически система на 4004 может передавать или принимать отдельные биты через внешние порты. Это делает её контроллером периферии, но не сервером.

Даже минимальный сетевой протокол потребовал бы внешней памяти и специализированного интерфейса, объём которых многократно превосходил бы возможности стандартного MCS-4. Поэтому серверные конфигурации на базе Intel 4004 отсутствуют.

Разгон Intel 4004

У процессора нет множителя, Turbo Boost, настройки напряжения ядра или системной шины в современном смысле. Частота определяется внешним двухфазным генератором.

Документация устанавливает минимальный период 1,35 мкс, соответствующий приблизительно 740,7 кГц. Работа выше этой частоты выходит за гарантированные параметры.

Основные ограничения:

• скорость P-канальных транзисторов;

• ёмкость внешней шины;

• форма φ1 и φ2;

• неперекрытие фаз;

• задержки 4001 и 4002;

• температура;

• напряжение;

• длина соединений;

• нагрузка на линии данных.

Повышение частоты только процессора не гарантирует работу системы: ROM и RAM должны успевать распознать адрес и передать данные.

Дискретная реконструкция на 1,5 МГц

Современная крупномасштабная копия MCS-4 из дискретных транзисторов достигла примерно 1,5 МГц. Это не разгон оригинального C4004. В реконструкции использованы современные низкоёмкостные полевые транзисторы, другая физическая конструкция и тщательно настроенные временные параметры.

Почему оригинал не стоит разгонять

• стоимость исправного процессора высока;

• перегрузка входов может повредить затворы;

• неправильное питание разрушает микросхему;

• результат не имеет практической ценности;

• редкий экземпляр теряет коллекционную стоимость после пайки;

• безопаснее проводить эксперименты на FPGA или логической реконструкции.

Минимальная система MCS-4

Минимальный рабочий компьютер включает:

• Intel 4004;

• Intel 4001;

• двухфазный генератор;

• питание;

• цепь RESET;

• внешние устройства через порт 4001.

Одна 4001 даёт 256 байт программы и один четырёхразрядный порт. Без 4002 процессор использует только внутренние регистры. Такая конфигурация подходит для простого генератора последовательностей, счётчика или контроллера индикации.

Расширенная система

Полноценная конфигурация может содержать:

• один 4004;

• до шестнадцати 4001;

• до шестнадцати 4002;

• несколько 4003;

• генератор 4201;

• интерфейс 4008/4009 или 4289;

• стандартную память;

• клавиатуру;

• дисплей;

• принтер;

• датчики;

• исполнительные механизмы.

Максимальная система получает 4 Кбайт программной памяти, 640 байт RAM, до шестнадцати портов ROM и шестнадцати выходных портов RAM. Дополнительные 4003 ещё больше расширяют число выходов.

Безопасная учебная реконструкция

Для практического изучения рекомендуется отделить оригинальную микросхему от современной периферии.

Удачная конфигурация:

1. Панель DIP-16 с качественной цанговой колодкой.

2. Ограничение тока по каждой линии питания.

3. Отдельные стабилизированные +5 и −10 В.

4. Защита от неправильной полярности.

5. Преобразователи уровней.

6. Медленный пошаговый генератор.

7. Возможность переключения на штатную частоту.

8. Логический анализатор после развязки.

9. Эмулятор 4001 и 4002 на современной логике.

10. Аппаратная блокировка запуска при неправильном напряжении.

Первое включение выполняют на сниженной частоте. До установки процессора проверяют напряжения, отсутствие перекрытия фаз и уровни RESET.

Эмуляторы Intel 4004

Эмулятор воспроизводит регистры, флаг переноса, счётчик команд, стек и систему команд. Более точные проекты моделируют фазы шины и взаимодействие с 4001 и 4002.

Возможности современных эмуляторов:

• загрузка бинарного образа ROM;

• пошаговое выполнение;

• просмотр регистров;

• точки останова;

• трассировка команд;

• подсчёт машинных циклов;

• моделирование портов;

• эмуляция Busicom 141-PF;

• анализ содержимого RAM;

• сравнение результата с оригинальной схемой.

Функциональный эмулятор выполняет каждую команду как одну программную операцию. Тактово-точная модель воспроизводит X1, X2, X3, M1, M2 и последующие фазы, что важно при отладке внешних компонентов.

Проект 4004.com опубликовал восстановленные схемы, материалы фотошаблонов и симулятор комплекта MCS-4. Исследователи сравнивали результаты моделирования отдельных 4001, 4002, 4003 и 4004.

FPGA-реализации

FPGA позволяет реализовать архитектуру без редких оригинальных микросхем. Внутри программируемой логики создаются:

• ALU;

• аккумулятор;

• флаг переноса;

• шестнадцать регистров;

• стек;

• счётчик команд;

• декодер;

• ROM;

• RAM;

• порты.

FPGA-версия может работать в двух режимах:

• с исторической частотой и точными временными фазами;

• на повышенной частоте для удобства демонстрации.

Высокая скорость FPGA не отражает производительность оригинала. Для достоверного теста необходимо ограничить модель 10,8 мкс на машинный цикл и сохранить двухцикловое выполнение длинных команд.

Реконструкция на дискретных транзисторах

Проект Intel 4004 50th Anniversary восстановил схемы процессора на транзисторном уровне. На основе архивных чертежей были созданы крупные рабочие модули 4004, 4001, 4002 и 4003.

Значение реконструкции состоит в визуализации процессов, скрытых внутри кремния. Посетитель может наблюдать:

• передачу адреса;

• чтение команды;

• изменение аккумулятора;

• работу регистров;

• состояние стека;

• выбор RAM;

• формирование выходов;

• движение данных по шине.

К 54-летию был показан полный калькуляторный комплекс, собранный из увеличенных дискретных копий всех основных компонентов MCS-4. Система готовится как интерактивный музейный экспонат.

Как отличить оригинальный Intel 4004 от подделки

Проверка маркировки

На крышке должно быть обозначение C4004, D4004 или P4004. Дополнительная строка содержит код партии или даты.

Подозрительные признаки:

• слишком современный шрифт;

• неравномерная краска;

• следы шлифования;

• маркировка поверх царапин;

• логотип, не соответствующий периоду;

• неправильное положение текста;

• номер 4001 или 4002 при описании CPU;

• современный лазерный рисунок на старом корпусе.

Проверка корпуса

Оригинальная керамика имеет характерную структуру и геометрию. Позолоченная крышка установлена ровно. Выводы соответствуют DIP-16.

Признаки вмешательства:

• крышка приклеена;

• корпус вскрывался;

• выводы заменены;

• керамика окрашена;

• на нижней стороне отсутствуют ожидаемые элементы;

• контактные площадки имеют свежую позолоту;

• маркировка не соответствует материалу корпуса.

Проверка кода даты

Код должен соответствовать периоду производства. Маркировка с датой, предшествующей завершению разработки или значительно выходящей за период выпуска, требует объяснения.

Проверка фотографий

Продавец должен предоставить:

• вид сверху;

• вид снизу;

• оба ряда выводов;

• крупный план логотипа;

• крупный план кода;

• фотографию при боковом освещении;

• изображение без фильтров;

• снимок рядом с измерительной шкалой.

Фотография из музейного каталога или чужого объявления не подтверждает наличие товара у продавца.

Электрическая проверка

Надёжная проверка включает:

1. Измерение отсутствия короткого замыкания между питанием.

2. Установку в защищённый стенд.

3. Подачу правильной разности напряжений.

4. Сброс не менее чем на восемь машинных циклов.

5. Проверку сигнала SYNC.

6. Наблюдение адресных фаз.

7. Выполнение тестовой ROM.

8. Проверку нескольких команд.

9. Проверку всех регистров.

10. Проверку стека и переходов.

Отсутствие теста не доказывает подделку. Большинство продавцов не располагает подходящим оборудованием.

Коллекционная стоимость

Рыночная цена Intel 4004 нестабильна. Объявление отражает ожидания продавца, а не подтверждённую цену сделки.

Категория	Типичный уровень предложения	Факторы
Неизвестная микросхема без проверки	Низкий или средний	Высокий риск ошибки
D4004 или P4004 без подтверждения работы	Средний	Менее известное исполнение
Белый C4004	Высокий	Узнаваемый коллекционный вид
Ранний C4004 с серыми дорожками	Очень высокий	Редкость и историческая ценность
Рабочий экземпляр с тестовым отчётом	Выше среднего	Подтверждённая функциональность
Полный комплект MCS-4	Очень высокий	Согласованные 4001, 4002, 4003 и 4004
Плата Busicom или другое документированное устройство	Музейный уровень	Происхождение и сохранность

На eBay встречаются заявленные как Intel C4004 экземпляры примерно за 439–700 долларов. Сопутствующие ROM и RAM предлагаются от 50–200 долларов, а редкие 4003 могут выставляться значительно дороже. Эти суммы не являются справочной фиксированной стоимостью.

Хранение и обращение

Редкий процессор необходимо хранить в антистатическом контейнере. Старый чёрный токопроводящий поролон со временем разрушается, выделяет загрязнения и может повредить позолоту.

Правила хранения:

• использовать современную ESD-упаковку;

• не выпрямлять выводы без необходимости;

• не касаться выводов пальцами;

• не очищать маркировку растворителем;

• не полировать крышку;

• контролировать влажность;

• хранить отдельно от кислотных материалов;

• фиксировать происхождение;

• сохранять фотографии;

• не припаивать процессор непосредственно к плате;

• использовать качественную колодку.

Очистка

Допустима только мягкая сухая очистка. Агрессивная химия способна удалить маркировку, изменить цвет керамики и повредить герметизацию корпуса.

Выпрямление выводов

Вывод выравнивают один раз подходящим инструментом, поддерживая его у основания. Многократное изгибание вызывает усталостный излом.

Оценки Intel, IEEE и музеев

Intel рассматривает 4004 как первый программируемый микропроцессор компании и ключевую точку перехода от памяти к универсальным вычислительным компонентам. Юбилейные материалы подчёркивают возможность массово производить одну микросхему и задавать её функции программой.

Computer History Museum описывает MCS-4 как первый коммерческий микропроцессорный комплект. Музей отдельно выделяет вклад Хоффа, Мэйзора, Фаджина и Симы, а также сохраняет инженерный прототип Busicom.

IEEE Spectrum включил Intel 4004 в Chip Hall of Fame. Издание оценивает его не по абсолютной скорости, а по значению однокристальной программируемой архитектуры и влиянию на дальнейшее развитие полупроводников.

Современные технические издания рассматривают 4004 как исторический объект. Tom’s Hardware обращает внимание на 2300 транзисторов, 10-микрометровый процесс, частоту около 740 кГц и музейные реконструкции.

Был ли Intel 4004 первым микропроцессором

Формулировка первый микропроцессор требует уточнения критериев.

Intel 4004 был:

• однокристальным центральным процессором;

• универсально программируемым;

• серийно выпускавшимся;

• публично представленным;

• доступным независимым заказчикам;

• снабжённым документацией и средствами разработки.

Ранее существовали:

• процессорные системы из нескольких микросхем;

• специализированные военные комплекты;

• калькуляторные схемы с ограниченно программируемым управлением;

• отдельные процессорные секции;

• проекты, не продававшиеся как универсальные компоненты.

Поэтому наиболее точная формулировка: Intel 4004 — первый широко признанный коммерческий однокристальный универсальный микропроцессор. Она не отрицает существование более ранних процессорных проектов с другими характеристиками.

Влияние на полупроводниковую отрасль

Intel 4004 доказал, что центральный процессор можно выпускать как стандартную микросхему. Это изменило экономику разработки электроники.

До микропроцессора:

• логика проектировалась под конкретное устройство;

• изменение функций требовало изменения платы;

• число специализированных микросхем было большим;

• повторное использование архитектуры ограничивалось.

После появления программируемого CPU:

• аппаратная платформа стала универсальной;

• функции переносились в программный код;

• один процессор использовался в разных продуктах;

• стало выгодно создавать ассемблеры и отладчики;

• появилась независимая экосистема программного обеспечения;

• обновление алгоритма перестало всегда требовать новой схемотехники.

4004 не привёл непосредственно к персональному компьютеру в его современном виде. Эту роль в большей степени сыграли последующие восьмибитные процессоры. Но он сформировал базовый принцип: универсальная логика на одном кристалле, управляемая программой.

Преимущества Intel 4004

• Первая коммерчески успешная однокристальная процессорная архитектура Intel.

• Универсальность по сравнению со специализированной калькуляторной логикой.

• Компактный 16-выводный корпус.

• Эффективная работа с BCD-цифрами.

• Шестнадцать внутренних четырёхразрядных регистров.

• Возможность объединять регистры в восьмибитные пары.

• Аппаратный стек для программ в ROM.

• Масштабирование программной памяти до 4 Кбайт.

• Масштабирование RAM до 640 байт.

• Порты, встроенные в микросхемы памяти.

• Возможность расширения выходов через 4003.

• Документированная система из 46 команд.

• Небольшое число компонентов для полноценного контроллера.

• Большая историческая и образовательная ценность.

• Наличие восстановленных схем и эмуляторов.

• Возможность точной реконструкции на FPGA.

• Высокая коллекционная привлекательность ранних корпусов.

Недостатки Intel 4004

• Четырёхразрядная обработка данных.

• Малый объём программы.

• Очень небольшой объём RAM.

• Трёхуровневый стек.

• Отсутствие аппаратных прерываний.

• Отсутствие встроенной памяти.

• Необходимость внешнего двухфазного генератора.

• Необычное отрицательное питание.

• Несовместимость с современной логикой без преобразователей.

• Последовательная передача адреса и команды по четырём линиям.

• Медленное выполнение сложных алгоритмов.

• Отсутствие аппаратного умножения и деления.

• Невозможность обновить масочную 4001.

• Высокая стоимость оригинальных комплектов.

• Большое количество перемаркированных или неправильно описанных деталей.

• Риск повреждения при тестировании.

• Непригодность для современных компьютеров, игр и серверов.

Кому Intel 4004 интересен сегодня

Коллекционерам

Ранний C4004 является одним из наиболее узнаваемых процессоров. Он ценится за историческое значение, внешний вид и ограниченное количество сохранившихся экземпляров.

Музеям

Комплект MCS-4 позволяет показать переход от фиксированной логики к программируемым системам. Особенно ценны платы Busicom, отладочные комплекты и документация.

Студентам

Архитектура достаточно мала, чтобы проследить полный путь команды от ROM до ALU и обратно. На современных процессорах такой анализ осложнён кешами, конвейерами и параллельным исполнением.

Разработчикам эмуляторов

Всего 46 команд и ограниченное состояние делают 4004 удобной архитектурой для первого проекта эмулятора. При этом точное моделирование шины и памяти остаётся серьёзной задачей.

Разработчикам FPGA

MCS-4 подходит для изучения HDL, построения процессорного ядра, интерфейса ROM и тактово-точной симуляции.

Радиолюбителям

На совместимой реконструкции можно создать калькулятор, часы, контроллер индикации или простую игру.

Владельцам исторического оборудования

Оригинальная микросхема нужна для реставрации калькуляторов и редких контроллеров. Перед заменой необходимо убедиться, что неисправность действительно находится в CPU, а не в ROM, RAM, тактовом генераторе или питании.

Частые вопросы

Сколько транзисторов в Intel 4004

Около 2300.

Какая частота у Intel 4004

Предельная документированная частота соответствует примерно 740,7 кГц. Intel также использует округлённое значение 750 кГц.

Сколько команд поддерживает процессор

В документации указано 46 команд.

Сколько памяти программ адресует 4004

До 4096 восьмибитных слов, то есть 4 Кбайт.

Сколько оперативной памяти можно подключить

До 5120 бит, или 640 байт, с использованием шестнадцати Intel 4002.

Есть ли кеш

Нет.

Есть ли встроенная графика

Нет.

Есть ли контроллер памяти

В современном смысле нет. Процессор формирует сигналы для специализированных 4001 и 4002.

Можно ли запустить операционную систему

Практической операционной системы общего назначения для стандартной конфигурации MCS-4 нет. Ограничения памяти и архитектуры не позволяют использовать современные ОС.

Можно ли запустить игру

Можно написать простую игру для кнопок и светодиодов. Игры для персональных компьютеров не запускаются.

Можно ли собрать сервер

Нет. 4004 не поддерживает необходимые серверные функции.

Чем C4004 отличается от D4004

Главным образом корпусом. C4004 выполнен в белой керамике, D4004 — в тёмной.

Что означает P4004

Пластиковый корпус.

Чем 4004 отличается от 4040

4040 имеет больше регистров, более глубокий стек, дополнительные команды и аппаратные прерывания.

Является ли 8008 восьмибитной версией 4004

Нет. Это отдельная архитектурная линия, созданная на основе другого проекта.

Можно ли заменить 4004 микроконтроллером

В новом устройстве функции легко воспроизводятся современным микроконтроллером. В исторической плате прямая замена требует эмуляции шины, питания и временных фаз.

Существует ли точный современный аналог

Точная функциональная замена реализуется в FPGA или специальном эмуляторе. Серийного современного процессора с прямой совместимостью нет.

Существует ли аналог среди Xeon

Нет. Xeon относится к серверному классу и полностью несовместим с MCS-4.

Почему у процессора только 16 выводов

Для снижения стоимости корпуса адрес, команда и данные передаются по одной четырёхразрядной шине в разные моменты времени.

Почему программа хранится отдельно от данных

Архитектура рассчитана на масочную ROM и специализированную RAM. Такое разделение упрощало калькуляторную систему и позволяло оптимизировать компоненты.

Можно ли изменить программу в 4001

Нет. Содержимое задаётся маской при производстве.

Можно ли купить новый Intel 4004

Обычное серийное производство прекращено. Продаются старые складские остатки, выпаянные экземпляры и коллекционные микросхемы.

Итоговый вердикт

Intel 4004 нельзя оценивать как обычный старый процессор, который выбирают для бюджетного компьютера. Он не конкурирует с современными Intel Core, Xeon, AMD Ryzen или микроконтроллерами по скорости, объёму памяти и удобству разработки.

Его значение находится в другой области. 4004 показал, что центральный процессор можно интегрировать в одну серийную микросхему и использовать в разных устройствах за счёт программирования. Комплект MCS-4 превратил сложную специализированную логику калькулятора в компактную платформу из CPU, ROM, RAM и расширителя ввода-вывода.

Архитектура хорошо соответствует своей исходной задаче. Четырёхразрядная ALU обрабатывает BCD-цифры, внутренние регистры уменьшают обращения к медленной RAM, аппаратный стек поддерживает подпрограммы в ROM, а мультиплексированная шина позволяет разместить процессор в DIP-16.

В 2026 году Intel 4004 сохраняет три практические роли:

• музейный экспонат;

• коллекционный электронный компонент;

• учебная архитектура для эмуляции и реконструкции.

Для реального проекта оригинальный кристалл уступает FPGA и микроконтроллерам по всем эксплуатационным параметрам. Для изучения истории вычислительной техники он остаётся одним из важнейших процессоров: небольшим по числу транзисторов, медленным по современным меркам, но фундаментальным по влиянию на индустрию.