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sábado, 15 de noviembre de 2025

Intel 4004. Primer microprocesador en un chip. 15 de noviembre de 1971

Microprocesador Intel 4004. Encapsulado cerámica CERDIP-16. todotecnologia-eso

Hola. En esta entrada vamos a conocer el primer microprocesador fabricado en un chip: el Intel 4004. La compañía Intel lanzó la familia de chips 4000, luego conocida como MCS-4 (Micro Computer System 4-bit) el 15 de noviembre de 1971. El 4004 disponía de un bus de 4 bits y fue el primer microprocesador producido en masa y comercializado abiertamente, aunque inicialmente se diseñó para ser utilizado en una calculadora.

Un poco de historia

En 1969 la empresa japonesa Busicom contrata a la empresa estadounidense Intel (fundada en 1968) la fabricación de un conjunto de chips para una calculadora de mesa de bajo costo. Generalmente las calculadoras se realizaban con un diseño cerrado (lógica cableada), sin embargo la propuesta de Busicom era la realización de una serie de chips que se pudieran reutilizar en otros dispositivos simplemente cambiando el software (lógica programada).

Durante el otoño de 1969 Marcian Edward Ted Hoff, jefe de departamento de investigación de Intel, ayudado por Stanley Mazor, desarrollaron del diseño lógico de dicho conjunto de chips (microprocesador, memoria RAM, memoria ROM y un registro de desplazamiento). En abril de 1970 se incorporó el joven italiano Federico Faggin que había trabajado anteriormente en Fairchild Semiconductor.

Federico Faggin

Federico Faggin es un ingeniero, físico y empresario. Nació en Vicenza en 1941. Trabajando en Fairchild había desarrollado una tecnología pionera llamada Silicon Gate Technology (SGT) y además había diseñado el primer circuito integrado MOS usando la tecnología SGT (el Fairchild 3708), en 1968, demostrando la viabilidad de la nueva tecnología.

Faggin creó una nueva metodología de "random logic design" con silicon gate, que no existía previamente, y que la utilizó para alinear las máscaras utilizadas en la fabricación de los chips.

El retraso en la entrega del pedido a Busicom hace que la compañía japonesa proponga al ingeniero japonés Masatoshi Shima a Intel para supervisar el proyecto en 1970. Con Faggin y Shima a cargo se progresa en el proyecto y en marzo de 1971 se fabricaron las primeras calculadoras.

Masatoshi Shima

Faggin le demostró a Robert Noyce (entonces presidente de Intel) la viabilidad de estos integrados para uso general además de para calculadoras.. Intel por fin, vio el potencial de sus diseños y compró los derechos de uso de la familia 4000 a Busicom por 60.000$, con la excepción de su uso en calculadoras. Para Intel fue posiblemente la mejor compra de su historia.

Familia de chips 4000

Encapsulado DIP (Dual In-line Package) 16 p

La familia 4000 estaba compuesta por cuatro dispositivos de 16 pines: el 4001 era una ROM de dos kilobits (256 bytes) con salida de cuatro bits de datos; el 4002 era una RAM de 320 bits (40 B) con el puerto de entrada/salida (bus de datos) de cuatro bits; el 4003 era un registro de desplazamiento de 10 bits con entrada serie y salida paralelo; y el 4004 era el microprocesador de 4 bits.

Nueva empresa: Zilog

Federico Faggin abandona Intel y crea la empresa Zilog de microprocesadores en 1974. Masatoshi Shima se incorporó a Zilog en 1975. Zilog produce el microprocesador Z80 en marzo de 1976. Tiene un bus de datos de 8 bits y un conjunto de instrucciones compatible con el Intel 8080. El Z80 ha servido para el aprendizaje en numerosas universidades e institutos. Le tengo especial cariño porque me sirvió para el estudio de la programación con lenguaje ensamblador. El Z80 es uno de los microprocesadores más exitosos de la historia y a día de hoy todavía se fabrica.

Microprocesador 4004:

Esquema de registros del Intel 4004. Fuente: Wikipedia

El 4004 es un microprocesador de 4 bits de bus de datos, direcciona 32768 bits de ROM y 5120 bits de RAM. Además se pueden direccionar 16 puertos de entrada (de 4 bits) y 16 puertos de salida (de 4 bits). Contiene alrededor de 2300 transistores MOS de canal P de 10 micras. El ciclo de instrucción es de 10,8 microsegundos.

Aunque el bus de datos del Intel 4004 tenía solo 4 bits de ancho, operaba internamente con un ancho de instrucción de 8 bits. Contaba con 16 registros de 4 bits, cada uno de los cuales podía combinarse en registros de 8 bits. Incluso podía procesar subrutinas, lo que requería cuatro direcciones en la pila. En total, el chip constaba de tan solo 2300 transistores y su frecuencia de reloj era de 740 kHz (máxima).

Descripción de los pines:

Pines del Intel 4004. DIP-16 pines . Fuente: Wikipedia

Arquitectura:

Esquema lógico del microprocesador Intel 4004. Fuente: Wikipedia. Clic para ampliar

Die del 4004:

Die del 4004. En un extremo aparecen las iniciales F.F. en honor a su diseñador. Fuente: Tuva Design

Datasheet y folleto de publicidad:

Primera página del Datasheet del Intel 4004. Clic para ampliar

Clic para ampliar

La calculadora Busicom 141-PF / NCR 18-36

Calculadora Busicom 141-PF. Fuente

Placa base: La calculadora utilizaba tres chips 4001, dos 4002, dos 4003 y un 4004. Los chips 4001, 4002 y 4003 servían de soporte al microprocesador.

Placa base de la calculadora Busicom 141-PF /NCR 18-36. Fuente. Clic para ampliar

Esquema de la calculadora Busicom 141-PF

Esquema lógico de la calculadora Busicom 141-PF

Vídeo de uno de los desarrolladores de la familia 4000: Federico Faggin:

Federico Faggin junto al prototipo de la calculadora. Fuente

ANEXO: Fabricación de chips - Máquina de fotolitografía de ASML:

Fuentes consultadas

todotecnologia-eso.blogspot.com

sábado, 9 de noviembre de 2024

9 de noviembre. Ingenieras e inventoras: Emily Warren Roebling y Hedy Lamarr

Hola, ¿sabes el motivo de la celebración del 9 de noviembre como día Internacional del Inventor?. En esta entrada vamos a dar respuesta a esa pregunta y a conocer dos mujeres que destacaron en diversos campos como la ingeniería. Se trata de la ingeniera norteamericana Emily Warren Roebling y la actriz e inventora austriaca y posteriormente nacionalizada estadounidense, Hedy Lamarr.

Emily Warren Roebling (1843 –1903)

Emily Warren Roebling

Emily W. Roebling nació en Cold Spring (Nueva York) en 1843. Está considerada como la primera mujer "ingeniera civil de campo".

Podemos considerar la construcción del puente de Brooklyn como la desgracia de la familia Roebling. Unos días antes del inicio de las obras, en 1869 fallece su diseñador y suegro de Emily, John Augustus Roebling de tétanos. Su esposo, Washington Roebling ocupo el cargo dejado por su padre. Pero las desgracias no iban a quedar aquí.

Emily se convirtió de hecho en la ingeniera jefe de la obra, después de que su marido Washington Roebling, ingeniero jefe sobre el papel, desarrollara el síndrome de descompresión (embolia gaseosa producida por una disminución brusca de la presión atmosférica) durante la construcción del puente en 1872.

John Augustus Roebling. Diseñador e ingeniero civil. Fuente

El Puente de Brooklyn (conocido inicialmente como puente de Nueva York y Brooklyn) une los distritos de Manhattan y Brooklyn en la ciudad de Nueva York. Se construyó entre 1870 y 1883, y en el momento de su inauguración era el puente colgante más grande del mundo (mide 1825 metros de largo, y la luz entre pilares es de 486,3 metros), récord de luz hasta que en 1889 se construye el Forth Bridge, con una luz máxima de 521 m. Desde entonces, se ha convertido en uno de los símbolos más reconocibles de Nueva York.

Plano de una de las torres. Uno de los planos originales de John A. Roebling. Fuente

Detalle de la construcción del puente. Fuente

Puente de Brooklyn visto desde Manhattan. Fuente

El puente de Brooklyn tiene una placa dedicada a la memoria de Emily, su marido Washington y su suegro, John Augustus Roebling.

Hedy Lamarr

Hedy Lamarr (1914-2000)

Hedwig Eva Maria Kiesler, conocida como Hedy Lamarr (Viena, 9 de noviembre de 1914 - Casselberry, Florida, 19 de enero de 2000), fue una actriz de cine, productora e inventora austríaca. Junto con George Antheil, inventó la primera versión del espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) que permitiría las comunicaciones inalámbricas seguras de largas distancias. Hedy tuvo una vida personal difícil y aunque protagonizó numerosas películas no supo o pudo elegir las mejores. En esta entrada nos vamos a centrar en su faceta como ingeniera e inventora.

Pianola o piano mecánico.Clic para agrandar

Al inicio de la Segunda Guerra Mundial, Hedy ofreció sus servicios al ejército estadounidense. Tenía conocimientos de ingeniería y quería ayudar en las comunicaciones por radio. El invento de Hedy estaba inspirado en la caja mágica de la empresa Philco -el mando a distancia. El objetivo de su invento era el envío de mensajes u órdenes mediante radiofrecuencia que el enemigo no pudiera descifrar. Utilizaba saltos de frecuencia para enviar la información, de esta forma las comunicaciones aunque se intercepten, la señal sería ininteligible. Para la sincronización entre emisor y receptor se utilizo un mecanismo musical (rollo de una pianola de 88 teclas) que fue implementado por George Antheil. Con esta técnica cada tramo de información se transmite en una frecuencia distinta durante un intervalo de tiempo muy corto (ms). El orden en los saltos en frecuencia se determina según una secuencia pseudoaleatoria almacenada en unas tablas o rollos de la pianola, que tanto el emisor y como el receptor deben conocer.

Saltos de frecuencia para codificar la información en 5 bandas de frecuencia. Fuente

Esta tecnología era eficaz pero difícil de implementar con los dispositivos de la época (relés electromecánicos y válvulas de vacío) además el gobierno de los EEUU clasifico la patente como alto secreto. No fue hasta la invención de los transistores semiconductores (1947) y otros avances en las comunicaciones que su invento encontró numerosas aplicaciones.

En un artículo publicado en APS News el 6 de junio del 2011, se puede leer:

"Lamarr contribuyó a la idea de salto de frecuencia, mientras que Antheil se basó en su experiencia con el "Ballet Mécanique" y con los pianos para dieciséis ejecutantes para desarrollar un método de sincronización de las frecuencias de radio rápidamente cambiantes imaginadas por Lamarr. Su invención conjunta se basa en un mecanismo similar al rollo para pianos que permite sincronizar las variaciones entre 88 frecuencias -no por casualidad, este es también el número de teclas del piano- y utiliza un avión de observación a gran altura para dirigir el torpedo por radio control. Presentaron su patente el 10 de junio de 1941 y fue aceptada el 11 de agosto de 1942. Lamarr utilizó su nombre de casada en ese momento "Hedy Kiesler Markey".

No se trataba de un concepto completamente nuevo. Nikola Tesla aludió al salto de frecuencia en dos patentes de 1900 y 1903. Una patente similar para un "sistema secreto de comunicaciones" se le concedió en 1920, con patentes adicionales otorgadas en 1939 y 1940 a dos ingenieros alemanes. En la década de 1980 se supo que durante la Segunda Guerra Mundial, el Army Signal Corps de Estados Unidos trabajó en un sistema de comunicación que también utilizaba el concepto de espectro ensanchado."

George Antheil. (1900-1959) Pianista y compositor estadoudidense

En 1962 su patente se usó por primera vez en la crisis de los misiles de Cuba, y más tarde en Vietnam. También tuvo un papel predominante en el sistema estadounidense de defensa por satélite (Milstar), hasta que en la década de 1980, el sistema de espectro expandido vio sus primeras aportaciones en ingeniería civil. Con la irrupción de la tecnología digital, el salto de frecuencia permitió implantar la comunicación de datos por Wifi. También hace posible tener una conversación por teléfono móvil en una habitación en la que hay otro móvil, conectar por Bluetooth dos dispositivos o que un móvil reciba coordenadas GPS de un satélite.

Sistema de Comunicaciones Secreto. 1ª página Patente de 1942. Emisor y receptor para control remoto del timón de un torpedo. Obsérvese que la patente figura a nombre de H. K. Markey y George Antheil. Fuente imágenes: Los mundos de Brana

2ª página de la patente de H. Lamarr y G. Antheil. Rollo de pianola. Clic para ampliar. Fuente

No fue hasta 1997 cuando le reconocieron junto a Antheil de forma oficial su invento, cuyo valor de mercado se estima actualmente en 30.000 millones de dólares. Según la ley de patentes de Estados Unidos, un inventor dispone de los seis años posteriores al vencimiento de su patente para reclamar su compensación económica. Hedy y George no lo sabían.

Curiosidad: Su cara "vectorizada" fue la portada de la aplicación CorelDraw 9 de 1997. Fuente

La respuesta a la pregunta inicial es obvia: el 9 de noviembre se celebra el día Internacional del inventor en honor al nacimiento de Hedy Lamarr. Creo que lo más correcto sería: "Día Internacional del inventor y la inventora".

Más información:


Tipos de modulación: AM, FM y PM. Modificación de algunos parámetros de la onda portadora (amplitud, frecuencia o fase) por la señal moduladora que se quiere transmitir.

Modulación digital. Fuente

Rango frecuencias Radio AM y FM. Fuente

Reparto de bandas de frecuencia en España para telefonía móvil. Fuente

todotecnologia-eso.blogspot.com

viernes, 5 de abril de 2024

La calculadora mecánica de Blaise Pascal. La pascalina

Blaise Pascal (1623-1662), Polímata, matemático y teólogo

Hola. En esta entrada conoceremos un poco mejor la "pascalina" del genio francés B. Pascal. Es importante en la historia de la informática y las matemáticas por ser la primera calculadora mecánica. Básicamente podía sumar y restar.

Blaise Pascal nació en Clermont Ferrand en 1623. Educado por su padre, que ocupaba un importante cargo público, pronto dio muestras de su genio, especialmente en cuestiones matemáticas, y a los 16 años compuso un ensayo sobre las cónicas. También destacó en la hidráulica con su famoso principio, que es la base de las prensas hidráulicas.

Principio de Pascal. 1653

En su honor la unidad de medida de la presión en el SI se llama pascal (Pa)

En 1642, a los 19 años, inventó una máquina aritmética conocida como "pascalina", en cuya realización trabajó muchos años. La pascalina funcionaba mediante engranajes y ruedas. La primera versión presentada al público se produjo en 1645.

Pascal concibió la idea de la pascalina con el fin de facilitar la tarea de su padre, que acababa de ser nombrado superintendente de la Alta Normandía por el cardenal Richelieu, y que debía restaurar el orden de los ingresos fiscales de esta provincia.

La pascalina abultaba algo menos que una caja de zapatos y era baja y alargada. En su interior, se disponían unas ruedas dentadas conectadas entre sí, formando una cadena de transmisión, de modo que, cuando una rueda giraba completamente sobre su eje, hacía avanzar un diente a la siguiente posición (un diente o un número, pues cada diente del engranaje corresponde a un número del 0 al 9).

Interior de la pascalina

Las ruedas representaban el «sistema decimal de numeración». Cada rueda constaba de diez pasos, para lo cual estaba convenientemente marcada con números del 9 al 0. El número total de ruedas era ocho (seis ruedas para representar los números enteros y dos ruedas más, en el extremo derecho, para los decimales). Con esta disposición «se podían obtener números entre 0'01 y 999.999'99».

Exterior de la pascalina de 6 cilindros

Mediante una manivela se hacía girar las ruedas dentadas. Para sumar o restar no había más que accionar la manivela en el sentido apropiado, con lo que las ruedas corrían los pasos necesarios. Cuando una rueda estaba en el 9 y se sumaba 1, ésta avanzaba hasta la posición marcada por un cero. En este punto, un gancho hacía avanzar un paso a la rueda siguiente. De esta manera se realizaba la operación de adición.

No se pueden realizar directamente las sumas y restas. Las restas utilizan el principio del «complemento 9». Se realizan tan fácilmente como las sumas y se hacen en la ventana de complementos. Nada impide realizar multiplicaciones por adiciones sucesivas o divisiones por restas sucesivas. En algunas máquinas, se podían conservar los resultados intermedios. Mediante una manivela se hacía girar las ruedas dentadas. Para sumar o restar no había más que accionar la manivela en el sentido apropiado, con lo que las ruedas corrían los pasos necesarios.

Indudablemente la pascalina supuso un avance en la realización de cálculos simples y complementó al ábaco. Sirvió de inspiración a la calculadora del alemán Gottfried W. Leibniz, la Staffelwalze (Step Reckoner, también conocida como el Stepped Reckoner o máquina de Leibniz) de 1671. Esta última podía sumar, restar, realizar multiplicaciones, divisiones y raíces cuadradas. Posteriormente, el francés Thomas de Colmar inventó su aritmómetro en 1820 basado en la rueda o cilindro de Leibniz, pero le llevó 30 años de desarrollo antes de que se comercializara en 1851. Se fabricó hasta 1915.