【人物传记】微处理器之父-特德·霍夫

【人物传记】微处理器之父-特德·霍夫 1 特德·霍夫简介特德·霍夫Marcian Edward “Ted” Hoff1937年10月28日- 美国电子工程师生于纽约州罗彻斯特。获伦斯勒理工学院电气工程学士学位1958年、斯坦福大学硕士1959年及博士学位1962年。1968年成为英特尔第12名雇员获MOS随机存取存储器专利。其发明的微处理器与晶体管、集成电路并列为计算机产业三大突破。《经济学家》杂志将其列为第二次世界大战以来最有影响的7位科学家之一2 生平与成长从跳蚤市场走出的电子少年1937年10月28日特德·霍夫出生于美国纽约州罗切斯特市郊的北奇利村。他的启蒙教育始于只有一间教室的乡村学校一位老师要同时教七个年级的十三名学生。正是这种环境培养了他独立思考的能力。霍夫的父亲在通用铁路信号公司担任电气工程师是引导他进入电子世界的启蒙人。他的叔叔是化学工程师送给他一套化学实验设备还为他订阅了《大众科学》杂志。在叔叔的影响下霍夫5岁时就迷上了化学——他亲眼看着叔叔将两种无色液体倒在一起变成鲜艳的红色那种神奇感让他终生难忘。但真正点燃霍夫热情的是一本《联合收音机目录》。他爱不释手从此开始学习电子学。他没有上过高中化学课程却参加了纽约州的化学考试取得了95分的高分。到12岁时他已经开始用从盟军无线电目录订购的零件、短波无线电套件以及从父亲公司垃圾堆里回收的继电器和电机制造各种电子装置。最令人惊叹的是在高中时期他主要使用二手组件成功制造了一台示波器。凭借这项成就他获得了在通用铁路信号公司当技术员的工作机会。1954年霍夫进入纽约州特洛伊的伦斯勒理工学院攻读电子工程。大学期间的每个暑假他都会回到通用铁路信号公司的电子实验室做技师。他发明了音频铁路列车跟踪电路和防雷装置在十几岁之前就获得了头两项专利。1958年他以获奖论文《晶体管中的电流转换方式》获得学士学位。随后霍夫进入斯坦福大学深造1959年获硕士学位1962年获博士学位。在博士阶段他与导师伯纳德·威德罗共同研究自适应系统今天的神经网络发明了LMS自适应算法这项技术至今仍广泛应用于现代通信系统。他的博士论文题目是《适应性神经网络中的学习现象》。获得博士学位后霍夫在斯坦福继续担任了六年研究员。他回忆说当时必须与校园计算机中心的官员打交道那些人认为计算机应该放在一个地方由专家管理穿孔卡片研究人员“以交互方式编程”的想法在他们看来是“厌恶”的。1968年英特尔公司创始人罗伯特·诺伊斯打来电话。诺伊斯问霍夫半导体集成电路业务的下一个增长领域在哪里。霍夫回答“存储。”这正是诺伊斯心中的答案。霍夫成为英特尔第12名雇员也开启了一段改变历史的旅程。3 核心贡献微处理器的诞生与数字革命3.1 灵感的闪现从12个芯片到1个芯片1969年6月日本Busicom公司的一队工程师从东京来到硅谷希望英特尔为他们设计一套用于合成计算器的特殊芯片。当时的方案极其复杂六种芯片每一种都有超过3000个晶体管和36条引线分别处理计算器逻辑和控制的不同元素。霍夫被指派负责接待这些日本工程师给他们拿铅笔和纸告诉他们餐厅在哪里——没什么技术性的任务。但霍夫脑子里的“技术开关”从未关闭。他很快估算出仅封装成本就会超过计算器的目标零售价。他的书桌旁正好放着一台DEC的PDP-8小型计算机。一个念头浮现出来“我凝视着PDP-8型计算机凝视着Busicom的设计方案。我纳闷他们这种计算器为什么要搞得这么复杂”霍夫想既然PDP-8这样的通用计算机可以执行计算器的功能为什么不能把一台计算机浓缩在一块芯片上他估算一台能处理计算器功能的简单计算机只需要约1900个晶体管而英特尔的MOS硅栅技术完全可以实现。Busicom的工程师对他的想法不感兴趣诺伊斯却坚定地支持了他。霍夫说“减少组件的数量并不重要关键还在于设计。真正的关键不一定是组件的数目而在于组织、结构概念。你拿来一台通用计算机并把它造在一个芯片系统上。”3.2 从概念到现实Intel 4004的诞生1969年10月霍夫与刚从仙童公司跳槽的斯坦利·马佐尔Stanley Mazor合作完成了芯片架构设计和指令集。随后费德里科·法金Federico Faggin加入团队负责将逻辑设计转化为硅片上的电路布局。1970年春法金确定了芯片的大小和晶体管数目。1971年2月Busicom收到了第一批可工作的原型芯片。1971年11月15日英特尔在《电子新闻》上发布广告正式向世界推出Intel 4004微处理器。Intel 4004的规格在今天看来微不足道集成了2300个晶体管4位处理器时钟频率740kHz。但它的意义是革命性的——它是世界上第一个将完整CPU的所有功能集成在一块芯片上的通用微处理器。它的处理能力相当于1946年那台占地1500平方英尺的ENIAC计算机。4004 芯片采用了当时最先进的硅栅技术SGTPMOS 逻辑电路——这项技术由 Faggin 于 1968 年在仙童半导体公司完善——也是世界上第一个金属氧化物硅MOS工艺。这一突破使得 4004 芯片拥有不少于 2300 个晶体管特征尺寸达到 10 微米。4004 芯片的尺寸仍然相当惊人——但无论特征尺寸或晶体管数量如何真正令 4004 芯片叹为观止的是它是由一整块硅片雕刻而成。Faggin 对自己的发明感到无比自豪甚至在芯片上签名“FF”可以在下图的右上角看到这个签名。霍夫在设计中充分实践了图灵和冯·诺依曼的存储程序思想。芯片具有可编程性安装上输入输出设备和存储器后就能从存储器中读出指令并执行。若将完成单一功能的程序永久存入存储器它就成为专用的单功能机若更换程序它又能完成其他任务——这就是通用计算的本质。3.3 微处理器时代的开启4004的成功只是开始。霍夫随后参与开发了8008和8080微处理器。1974年推出的8080集成了4800个晶体管运算速度比4004快20倍。它成为第一款真正进入个人计算机领域的微处理器——Altair 8800、IMSAI 8080等早期PC都基于8080。1975年霍夫在英特尔创建了一个专注于电信产品的研发小组。他的团队生产了世界上第一个单片电话编解码器CODEC和第一个商用开关电容滤波器还开发了最早的数字信号处理芯片之一Intel 2920。霍夫认为单芯片编解码器才是他最大的技术突破。他在回忆这个项目时兴奋地说“现在这项工作是一项令人兴奋的技术挑战因为有很多人说无法完成。”他和团队开发的多路转换方法让发送和接收通道共享单个转换器大幅降低了电话公司的系统成本。1980年霍夫被任命为英特尔首位研究员Intel Fellow这是公司最高的技术职位。在英特尔的历史上至今只有极少数人获得过这一殊荣。4 至暗时刻被低估的贡献与被错失的专利4.1 得不到公众充分认识的发明家与晶体管发明者肖克利、巴丁、布拉顿以及集成电路发明者诺伊斯和基尔比不同霍夫“既没有享受到巨大的财富也没有因此获得什么特别的荣耀”。他曾在采访中透露自己根本没有因为发明微处理器而收到过任何版税。《经济学家》杂志将他列为“第二次世界大战以来最有影响的7位科学家之一”但他的名字远不如其他科技名人那样家喻户晓。对此霍夫一向保持着低姿态。他在叙述发明微处理器的过程时“就像一名学生在向老师汇报他刚刚结束的暑假活动”。这种谦逊的态度或许正是他被公众忽视的原因之一。4.2 未能申请的专利1971年当英特尔推出4004微处理器时霍夫没有为这项发明申请专利。他后来解释说在那时这项发明在他看来“如此显而易见”以至于他从未想过申请专利。他甚至认为如果申请专利专利局会以“显而易见性”为由拒绝。结果1980年代独立发明家吉尔伯特·海厄特Gilbert Hyatt申请了一项处理器专利并提到它将在单个芯片上制造。1990年经过多次上诉和延期海厄特获得了这项专利并开始向许多微处理器制造商收取版税。虽然历史可以追溯今天的微处理器起源于霍夫、马佐尔和法金但该发明的合法权利属于海厄特。霍夫回忆这段往事时语气里带着苦涩“专利局目前似乎无视‘显而易见性’规则。”4.3 英特尔内部的不信任更令他沮丧的是来自英特尔内部的阻力。当霍夫在公司内四处谈论他的微处理器构想时大多数人对此不感兴趣。当时人们普遍认为计算机是大型设备怎么可能装在一块芯片上最难说服的是英特尔的营销部门。他们告诉霍夫“我们有二极管推销员疯狂地卖内存你想让他们卖电脑吗你疯了。”他们甚至估算微处理器的年销量可能只有2000个芯片。幸运的是诺伊斯始终坚定地支持着他。4.4 与法金的微妙关系关于4004的发明贡献霍夫与法金的关系一直是科技史讨论的话题。法金后来回忆说当他开始实施微处理器设计时霍夫似乎对这个项目失去了兴趣已经转向下一个项目。霍夫自己则认为“如果我们没有在1971年发明4004微处理器那么别的什么人也会在一两年里发明它。”他觉得自己占了“天时和地利之便”。4.5 雅达利的短暂停留1983年霍夫离开英特尔加入雅达利Atari担任公司副总裁负责研发。他希望通过这家视频游戏巨头将计算机推向家庭——这正是他最感兴趣的消费市场。然而这步棋没有走好。1984年7月就在他加入18个月后雅达利被出售。霍夫后来从事独立咨询工作将家中的车库改装成实验室。8 思想遗产微处理器如何改变世界5.1 与晶体管、集成电路并列的三大突破计算机产业的腾飞借助了人类历史上三项最重要的发明一是肖克利、巴丁、布拉顿发明的晶体管二是诺伊斯和基尔比发明的集成电路三是特德·霍夫1971年发明的微处理器。这三项突破共同支撑起了整个数字时代。5.2 让计算机“远离那些人”霍夫曾说过一句意味深长的话“我们在微处理器方面所做的一切有一个结果一直让我很高兴那就是我们让计算机远离了那些人。”他指的是当年在斯坦福大学时那些认为计算机应该锁在机房、由专家操作穿孔卡片的官僚。微处理器的诞生让计算机从大型机房的禁锢中解放出来走进每一个人的书桌、口袋和家庭。这是真正的“计算民主化”。5.3 从4004到AI芯片今天的微处理器从智能手机的SoC到英伟达的GPU从英特尔酷睿到苹果M系列都是4004的后代。霍夫用一个指甲盖大小的芯片完成了查尔斯·巴贝奇穷尽一生未能实现的梦想——将“巨大工厂”浓缩进“小小的微型宇宙”之中。5.4 第一个英特尔研究员1980年霍夫被任命为英特尔首位研究员这是英特尔最高的技术职位。这一荣誉不仅是对他个人贡献的认可也开创了技术专家在大型科技公司中的发展路径。5.5 谦逊的力量霍夫从不认为自己有什么特别的智慧。他说自己能发明微处理器不过是“天时和地利之便”。这种谦逊的态度与他的发明同样珍贵。他证明了真正改变世界的人未必是站在聚光灯下的人。6 时代启示6.1 思想的种子霍夫的故事告诉我们改变世界的思想往往诞生于最不经意的时刻。他只是凝视着桌上的PDP-8纳闷日本工程师的设计“为什么要搞得这么复杂”。然后一个念头闪现。真正的创新往往源于对复杂性的质疑和对简洁的追求。6.2 实现比理念更重要霍夫自己说过“理念不重要实现才重要。我可以给你一百个点子但你若无法制造它们永远只是点子。”在微处理器的发明中霍夫提供了架构理念马佐尔协助指令集法金完成了硅片实现。三人缺一不可。在AI时代算法和模型层出不穷但真正改变世界的是那些能把算法变成产品、把论文变成工具的人。6.3 面对不公的态度霍夫没有因为未能申请专利而怨天尤人也没有因为被公众忽视而愤世嫉俗。他始终保持着自己的节奏在英特尔继续研发在雅达利探索新领域在Teklicon担任首席技术专家直到退休。这种“宠辱不惊”的态度是对功利主义最好的回应。6.4 远见的力量早在1969年当业内普遍认为“设计大型机才是大有可为的领域”时霍夫已经在思考把计算机浓缩在一块芯片上。在AI狂飙突进的今天我们需要更多这样的远见——不被眼前的繁荣迷惑敢于设想未来的可能。7 结语让计算机走进千家万户的点火人特德·霍夫今年88岁了。他的一生跨越了从电子管到AI芯片的整个信息时代。他本可以安享微处理器之父的荣耀却始终保持着谦逊的姿态继续探索技术的边界。他说“我们如果没有在1971年发明4004微处理器那么别的什么人也会在一两年里发明它。”这种举重若轻的态度或许才是真正改变世界的人应有的胸怀。今天当你用智能手机发消息、用笔记本电脑工作、用智能手表监测健康时你都在与霍夫对话。那个在跳蚤市场里淘零件的小男孩那个在斯坦福实验室训练神经网络的年轻研究员那个在英特尔办公室凝视PDP-8的工程师——他的思想已融入每一颗微处理器、每一行代码、每一次数字交互之中。《经济学家》杂志将他列为“第二次世界大战以来最有影响的7位科学家之一”。这个评价恰如其分。8 荣誉与著作8.1 荣誉年份荣誉名称授予机构1954西屋科学人才选拔赛决赛选手西屋公司现英特尔STS1979斯图尔特·巴兰坦奖章富兰克林研究所1980IEEE克莱多·布鲁内蒂奖电气与电子工程师学会1980英特尔首位研究员英特尔公司1982IEEE会士电气与电子工程师学会1984IEEE百年纪念奖章电气与电子工程师学会1988计算机先驱奖IEEE计算机学会1996国家发明家名人堂入选美国国家发明家名人堂1996富兰克林研究所荣誉证书富兰克林研究所1997京都奖稻盛基金会2009国家技术与创新奖章美国总统奥巴马2009计算机历史博物馆院士计算机历史博物馆2011IEEE/RSE詹姆斯·克拉克·麦克斯韦奖电气与电子工程师学会8.2 主要专利与学术贡献领域成果美国专利17项专利学术论文40余篇技术论文早期专利音频铁路列车跟踪电路、防雷装置1959年批准大学期间申请博士研究LMS自适应算法与Bernard Widrow合作现代通信系统的理论基础微处理器Intel 4004、8008、8080架构设计电信芯片首个单片电话CODEC、首个商用开关电容滤波器、Intel 2920 DSP芯片欢迎访问我的网站BruceOu的哔哩哔哩BruceOu的主页BruceOu的博客BruceOu的CSDN博客BruceOu的简书BruceOu的知乎欢迎订阅我的微信公众号关注公众号[嵌入式实验楼]获取更多资讯欢迎订阅我的知识星球关注知识星球[嵌入式实验楼]获取更多资讯