Příchod hackerů: jednočipové, neviditelné

21. 7. 2015

Doba čtení: 7 minut

Líbí se vám článek?
Podpořte redakci

Zrodily se ve stejné době jako první mikroprocesor Intelu, v roce 2006 jich ale bylo prodáno přes 4 miliardy a roce 2012 už okolo šesti miliard. V hračkách se objevily na konci let 70., posléze opanovaly pračky, ledničky, mikrovlnné trouby, dálkové ovladače a automobily. Vítejte ve světě jednočipových počítačů.

Největší slabina mikrokontrolérů je, že si jejich přítomnost ani neuvědomujeme. Na miniaturní jednočipové počítače, které umožnily masivní nástup levných kalkulaček a digitálních hodinek ve druhé polovině 70. let, zrod moderní spotřební černé i bílé elektroniky v letech 80. a 90. nebo moderní elektronikou napěchované automobily dnes narážíme doslova na každém kroku. Prakticky každý dálkový ovladač, který během dne vezmeme do ruky, ale i většina kuchyňských spotřebičů obsahuje jeden nebo více mikrokontrolérů.

Už v průběhu devadesátých let jsme každý den vzali do ruky nebo používali několik desítek přístrojů a zařízení, která by bez miniaturních vestavěných počítačů nedokázala fungovat. Je překvapivé, jak často velebíme revoluční změny, které přinesly počítače, tablety a mobilní telefony a zapomínáme, jak zásadní význam hrály posledních 40 let (a dodnes hrají) ve světě kolem nás jejich menší a jednodušší sourozenci.

Vynález z nudy

Konstrukční a designérská oddělení výrobců polovodičů byla na přelomu 60. a 70. cosi jako dílny realizující objednávky jednotlivých zákazníků. Přišlo zadání na funkce, které je třeba zajistit, a konstruktéři na jejich základě navrhli čipovou sadu sestávající z několika integrovaných obvodů, které dokázaly plnit zadání zákazníka – obvykle jiné elektrotechnické společnosti zabývající se výrobou kancelářské nebo jiné techniky (Canon, Olivetti a další). Většina z nich byla nadšena z pokroku, který přinesl přechod z integrovaných tranzistorů TTL na MOS (MOSFET, CMOS) – nové integrované obvody kombinovaly větší počet funkcí a dokázaly tak nahradit desítky komponent předchozí generace čipů.

Některým konstruktérům v TI bylo ale stále jasnější, že by vše šlo řešit mnohem efektivněji a ukončit tak opakující se a veskrze nudné vývojové projekty. Požadavky většiny zákazníků byly z hlediska funkcí, které musel čipset nabídnout, poměrně podobné, každá zakázka ale vázala několik špičkových technologů na šest či více měsíců a možnosti Texas Instruments obsloužit nové zákazníky tak byly do značné míry limitovány lidským faktorem.

V roce 1970 se proto Gary Boone rozhodl, že zjistí, co vše obvykle zákazníci požadují a společně s kolegy navrhne univerzálnější a modernější řešení. Vydal se tedy na cestu do Evropy, kde navštívil firmy, jimž TI dodávalo čipové sady pro nové kancelářské stroje – zejména do Německa, kde sídlil například průmyslový gigant Mannesmann nebo do Itálie k již zmíněné Olivetti. Při své cestě si potvrdil původní předpoklad – většina požadavků se skutečně lišila v detailech a bylo by možné je přeměnit na univerzální zadání – určitou velikost ROM a RAM paměti, určitý čtyřbitový výpočetní výkon a rozhraní pro číselnou klávesnici.

Boone se společně s kolegou Michaelem Cochranem rozhodl realizovat celou univerzální specifikaci nikoliv v podobě univerzálního čipsetu, ale na jediném čipu. Tak se v roce 1971 zrodil vedle prvního čtyrbitového procesoru Intel 4004 také první čtyřbitový jednočipový počítač (tzv. mikrokontrolér) TMS 1000 s pěti tisíci tranzistory, vlastní jednoduchou aritmeticko-logickou jednotkou, třemi kilobity programové ROM, 128 bity RAM a I/O rozhraním. TI jej oficiálně představilo 17. září 1971 a začalo používat ve svých kalkulačkách.

Intel (ne)byl první

Znáte-li historii zrodu osobních počítačů skutečně dobře, pak si možná vzpomenete, že Intel poprvé oficiálně představil (v podobě reklam a obchodních nabídek) až o dva měsíce později – 15. listopadu 1971. A nejen to. TI si TMS 1000, obsahující pochopitelně i čtyřbitový mikroprocesor patentovalo dříve a patent na jednočipový mikroprocesor byl skutečně udělen Gary Boonovi o dva roky později – v září 1973. Intel toto prvenství nikdy nerozporoval – již v roce 1971 a poté opět v roce 1976 uzavřel s TI smlouvu o výměně duševního vlastnictví a za patent na mikroprocesor skutečně platil. Jak je tedy možné, že je dnes prvenství v oblasti mikroprocesorů spojováno s i4004 a nikoliv s TMS 1000?

Odpověď je prostá: byznysem Intelu byl především návrh a výroba mikročipů (mikroprocesorů), nikoliv jejich „aplikace“ – praktické nasazování ve výrobě. Zatímco i4004 se do „volného“ prodeje dostal již v listopadu 1971, TI svůj TMS 1000 začalo volně prodávat až v roce 1974, do té doby jej využívalo jen ve vlastních výrobcích (například zmíněné kalkulačky a později například také první skutečně spolehlivé a navíc i levné digitální hodinky). Možnosti využití TMS 1000 coby jednočipového počítače s jasně danými kapacitami ROM a RAM i možnostmi I/O rozhraní byly přeci jen trochu omezené, Intel navíc přišel již v roce 1972 s vůbec prvním osmibitovým procesorem 8008. Paradoxně nebyl 8008 procesorem, který navrhli v Intelu. Jeho plány vytvořila společnost CTC pro svou novou řadu počítačových terminálů a výrobu zadala TI a Intelu. TI se nepodařilo vyrobit spolehlivý čip a Intel se s výrobou dostal do skluzu. CTC proto své „8008“ postavila pomocí starších TTL čipů, a aby nemusela Intelu platit za práci odvedenou na přípravě výroby, kterou nakonec (kvůli zpoždění) neodebrala, ponechala dodavateli volnou ruku ve využití architektury 8008. To bychom ale odbočovali, stejně jako v případě jiného jednočipového řešení pro kalkulačky z roku 1971 – PICO1/GI250, které také někdy aspiruje na titul prvního mikroprocesoru či mikrokontroléru.

Pulsar Time Computer

V několika posledních letech jsme mohli sledovat doslova revoluci v měření času. Viděli jsme první hodiny elektrické, poté elektronické a digitální. A nyní přichází digitální náramkové hodinky.

Nejnovější hodinky Pulsar od Hamilton Watch Company používají integrované obvody – jedná se o plně elektronický časoměr bez jakýchkoliv pohyblivých částí. Namísto toho má tři hlavní elektronické části:

Vyměnitelnou tříčlánkovou baterii s napětím 4,5 voltu
Vysokofrekvenční oscilátor
Počítačový modul s mikrominiaturní logikou a obvody displeje

Vysokokapacitní hlavní baterie, která zabírá 80 % vnitřního prostoru, napájí oscilační krystal s frekvencí 32 768 Hz. Napájí také menší podpůrnou baterii, která pohání logické obvody.

Logické obvody sestávají ze sedmi samostatných hybridních obvodů obsahujících celkem 44 MOS integrovaných obvodů. Odpovídají 3 474 tranzistorům.

Úryvek z časopisu Radio-Electronics ze srpna 1970.

Když Hamilton představil první „digitálky“ Pulsar Time Computer, jednalo se o senzaci. Sluší se uvést, že nápad vyrobit digitální hodinky vzešel z filmu 2001: Vesmírná Odyssea, pro který o tři roky dříve v Hamiltonu navrhli futuristický prototyp digitálních hodinek. Pulsar tak byl vlastně jen převedením filmařské vize roku 2001 ro reality roku 1971.

Jenže se 44 samostatnými čipy a hladovým displejem měla jejich spotřeba a spolehlivost daleko k dokonalosti (tak špatně jako hodinky Android Wear, které nabíjím každý den, na tom ale jistě nebyly). Novinka navíc byla určena jen skutečně majetným zákazníkům – s pouzdrem z 18karátového zlata a cenou přes 2 tisíce dolarů, která odpovídá současným 12 tisícům dolarů (shodou okolností se tak blíží ceně zlatých Apple Watch). Hamilton sice nabídl i levnější varianty za „lidovějších“ 1500 dolarů, i tak se ale jednalo o hračku pro skutečné technologické nadšence, nebo milovníky Jamese Bonda, kde si Pulsary také zahrály.

Není těžké se divit nadšení některých analytiků pro údajnou revoluci, kterou by mohly přinést chytré hodinky, pokud se inspirujete revolucí, jíž si prošly digitálky v průběhu pouhých šesti let – od prvních Hamilton Pulsar z let 1971/72 až po lidové modely Texas Instruments, které přišly na trh v roce 1976.

První zásadní změnou bylo představení úsporného LCD displeje (Microma / Seiko O6LC). Skutečně revoluční změnou ale bylo nahrazení desítek integrovaných obvodů jediným mikrokontrolérem v ceně pouhých dvou dolarů. TI tak mohlo v roce 1976 představit plastové digitálky (stále ještě s LED displejem) s maloobchodní cenou 20 dolarů – tedy za 1 % původní ceny hodinek Hamilton Pulsar (pochopitelně nikoliv ve zlatém provedení). Po několika měsících byly hodinky TI dokonce zlevněny na polovinu. Digitální hodinky si mohl dovolit doslova každý. A doslova každý je také záhy měl.

Hamilton Pulsar sice v témž roce (1976) představil první digitální hodinky s kalkulačkou (ach, pamatujete na čínské digitálky s kalkulačkou, jaký status symbol to pro školáky či teenagery ještě v polovině 80. let byl….?), ztráta prodejů ve výši 6 milionů dolarů, kterou způsobily levné LED digitálky TI, byla ale neúnosná, a tak si značku Pulsar koupilo Seiko.

Miliony, miliardy.

Od poloviny 70. let začaly TI, Intel, AMD a další výrobci chrlit nejdřív miliony, záhy desítky a stovky milionů 4, 8, 16 a posléze i 32 bitových jednočipových počítačů s cenou v řádu několika dolarů (ta po roce 2000 klesla na desítky centů). Jen TMS 1000 se v různých variantách za deset let prodalo přes 100 milionů. V roce 2002 představovaly mikrokontrolery 55 % všech vyrobených procesorů (dnes je situace, zejména díky boomu mobilních čipů, odlišná, jednočipové počítače jsou ale nadále vyráběny v počtu miliard kusů ročně).

Revoluce jednočipových počítačů svým způsobem začala hodinkami, měla se ale záhy vydat do řady odvětví – od hračkářství přes bílé a černé elektro až po automobilový průmysl. O tom víc v některém dalším díle seriálu. Mikrokontroléry pochopitelně nebyly jedinými „sourozenci“ mikroprocesorů s obrovským významem. V řadě směrů téměř stejně důležité byly například digitální signálové procesory (DSP). To je ale také jiný příběh.