[Перевод] Создание Commodore 64: истории инженеров. Часть 1
Смелые архитектурные решения, которые легли в основу самого продаваемого компьютера всех времен и народов.
В январе 1981 года несколько инженеров компании MOS Technology начали разрабатывать графический и звуковой чипы, предназначенные для последующей продажи компаниям, которые захотят создать «лучшую в мире игровую приставку». А в январе 1982 года домашний компьютер с этими чипами был представлен на зимней выставке потребительской электроники в Лас-Вегасе. Благодаря использованию внутренних мощностей компании для создания прототипов инженеры сократили срок разработки каждого чипа до менее чем девяти месяцев, а пять опытных компьютеров для выставки удалось спроектировать и собрать всего за пять недель. Однако самым большим удивлением для представителей индустрии домашних компьютеров стала начальная цена Commodore 64: $595 за устройство с клавиатурой, центральным процессором, графическим и звуковым чипами и 64 килобайтами памяти вместо 16 или 32, которые тогда считались стандартом.
MOS Technology с момента основания занималась преимущественно производством и продажей полупроводниковых компонентов. Группа LSI, возглавляемая в то время Альбертом Шарпантье, отвечала за разработку некоторых чипов, которые вошли в домашний компьютер Commodore VIC-20, успешно выпущенный на рынок несколькими годами ранее. «У нас была масса идей по поводу новых микросхем, равно как и понимание ожиданий наших клиентов, — говорит Шарпантье, — поэтому мы решили производить самые современные видео- и звуковые чипы, которые найдут свое место в лучшей игровой приставке следующего поколения».
Эта статья впервые была опубликована под названием «История дизайна: Commodore 64». Она появилась в мартовском номере журнала IEEE Spectrum за 1985 год. Версия в формате PDF доступна на IEEE Xplore. Схемы и фотографии микросхем, печатных плат и экранов появились в оригинальной печатной версии.
Чарльз Уинтербл, тогдашний директор по мировым разработкам Commodore, дал добро на разработку чипа, и группа Шарпантье к середине ноября 1981 года представила первые результаты своей работы.
Unsplash / Photo by Alexander Grigoryev
На встрече с Шарпантье и Винтерблом в конце того же месяца Джек Трэмиел, тогдашний президент Commodore, решил свернуть проект создания игровой приставки. Вместо этого он решил, что чипы идеально впишутся в архитектуру нового 64-килобайтного домашнего компьютера, который можно будет показать на CES в Лас-Вегасе. Сам компьютер, правда, еще не был спроектирован, но это легко было исправить.
За два дня инженеры набросали на бумаге базовую схему новой машины. А незадолго до нового года они подготовили целых пять рабочих прототипов. Кроме того, параллельно шел процесс адаптации системного ПО VIC-20 к новой машине, чтобы максимально полно продемонстрировать публике ее потенциал. После восторженного приема на выставке Commodore 64 был немедленно запущен в производство.
Commodore 64 пережил несколько модификаций, как успешных, так и провальных, и продавался вплоть до банкротства компании в 1994 году — прим. перевод.
Несмотря на некоторые претензии к контролю качества и самый медленный в мире дисковый накопитель, Commodore 64 имел беспрецедентный успех и вытеснил с рынка целый ряд конкурентов. Отчасти причиной его популярности стала цена, которая все время падала — с $595 в начале продаж до $149 уже через пару лет. За эти деньги потребитель получал графику и звук, такие же или даже лучшие, чем у машин, которые стоили в пять раз дороже.
Проектирование великих чипов
В конце 1970-х годов MOS Technology была успешной полупроводниковой компанией: её инженеры разработали популярный микропроцессор 6502, и она производила несколько других хорошо продаваемых продуктов. Commodore поглотила MOS в 1976 году, в результате чего многие инженеры уволились, а их акции были куплены по цене 10 центов за доллар. При этом MOS не лишилась автономности в разработках и принятии решений.
За 1979 и 1980 годы, вспоминает Шарпантье, MOS Technology разработала микропроцессор 6510 — минорную модификацию 6502 с дополнительным портом ввода-вывода, периферийный контроллер 6526, множество микросхем памяти ROM и 4-килобитную память с произвольным доступом (RAM). В то время MOS поставляла оборудование для Atari Inc, General Electric Co, Hewlett-Packard Co, а также Commodore.
Когда было принято решение разработать новейшие чипы для графики и звука, первый шаг был очевиден: посмотреть, на что способны прямые конкуренты. Собирая команду разработчиков, Шарпантье нанял Роберта Яннеса, молодого инженера, который присоединился к MOS в 1979 году и сконструировал VIC-20 у себя дома из запасной платы прототипа. Около двух недель команда потратила на исследование сопоставимых чипов.
«Мы внимательно изучили Mattel Intellivision», — вспоминает Уинтербл. «А также Texas Instruments 99/4A и Atari 800. Мы пытались понять, что создатели этих устройств могут сделать в будущем. Это позволило нам представить, какими должны быть графические возможности нашей новой машины».
Разработчики MOS свободно заимствовали понравившиеся им идеи — спрайты из машины TI, технологию обнаружения столкновений и графику с отображением символов из Intellivision, а битовую карту из своего же VIC-20. Затем им оставалось «всего лишь» уместить как можно больше крутых идей на кусочке кремния фиксированного размера.
«Элу [Шарпантье] была дана свобода: он мог поместить в новый чип любую функциональность, для которой физически оставалось место. Когда у него заканчивались регистры, он прекращал процесс», — говорит Уинтербл. «Мы заранее определили размер приемлемый для нашего техпроцесса (5 мкм) размер кристалла. Затем расставили приоритеты в списке пожеланий: от того, что обязательно должно быть, до того, без чего вполне можно обойтись».
Девять месяцев до первого чипа
В течение девяти месяцев Шарпантье работал с двумя конструкторами и одним оператором CAD над графическим чипом, а Яннес вместе со своей небольшой командой — над звуковым. У них не было современных рабочих станций, однако кое-каким преимуществом инженеры все же располагали: собственной линией производства чипов на территории компании. «С её помощью, — объясняет Уинтербл, — схему, спрятанную глубоко внутри чипа, можно было извлечь и запустить в качестве отладочного образца, что позволяло проводить тщательную проверку без ущерба для других элементов схемы. Дэвид А. Зимбицки, инженер-технолог Commodore, вспоминает, что средний срок производства составлял несколько недель, но в экстренных случаях завод мог изготовить готовый образец всего за четыре дня.
Стоимость разработки Commodore 64 до сих пор точно не подсчитана. «У меня не было даже формальной бюджетной отчетности, — говорит Уинтербл, — разве что Джек [Трэмиел] постоянно следил за моей работой. И Джек часто говорил, что бюджеты — это лицензия на воровство». Поскольку производственный цех MOS Technology работал не на полную мощность, оборудование, используемое для изготовления тестовых чипов C64, простаивало бы без дела. «Мы использовали людей, которые и так там находились», — говорит Зимбицки. «Да, на работу уходит какое-то количество кремния, но он очень дешев. Фактически, это обыкновенный песок».
Несмотря на то, что заказные чипы обычно считаются дорогими, микросхемы C64 таковыми не были. Затраты поглощались накладными расходами компании, к тому же платить наценку за разработку «на стороне» не требовалось. А скорость оказалась на высоте, поскольку сама компания не скупилась на модернизацию производства.
Звуковой чип был разработан по 7-микрометровой технологии, местами отмасштабированной до 6. (Для сравнения, заказной чип для видеокомпьютерной системы Atari, изготовленный четырьмя годами ранее, был создан по 6-микрометровой технологии).
Чип VIC-II. (A) Накопитель указателей символов (B) Счетчики адресов спрайтов © Счетчики адресов символов (D) Генератор тактовых импульсов (E) Вертикальный компаратор спрайтов (F) Управление вертикальной синхронизацией (G) Горизонтальный компаратор спрайтов (H) Управление горизонтальной синхронизацией (I) Регистры сдвига спрайтов и символов (J) Кодер приоритета отображения (K) Регистр цвета (L) Обнаружение коллизий между спрайтами и символами (M) Видеовыходы
«Примечательно было то, — добавил Уинтербл, — что девять месяцев спустя, когда мы выпустили первый вариант микросхемы, она превосходно функционировала, за исключением одного «битого спрайта».
В ноябре 1981 года работа над чипами была завершена. Изначально предполагалось, что они будут использованы в сугубо игровой машине, однако рынок персональных компьютеров начал выглядеть более многообещающим. На встрече Шарпантье, Винтербла и Трэмиэля было принято решение заняться разработкой персонального компьютера. По словам Шарпантье, следующий знаковый выбор между 16-килобайтной и 64-килобайтной машиной в пользу последней был сделан во многом благодаря Джек Трэмиэлу.
«Джек сделал ставку на то, что к тому времени, когда мы будем готовы к выпуску продукта, 64К памяти будут стоить достаточно дешево», — говорит Шарпантье.
Когда началась разработка Commodore 64, первостепенными целями были простота и низкая стоимость. Первоначальная производственная стоимость Commodore 64 была ориентирована на 130 долларов, по итогу выяснилось, что она составляет $135. Для ускорения разработки компьютера пришлось использовать тот же корпус, что и у VIC-20 (за некоторыми небольшими исключениями), и разработать печатную плату сопоставимого размера. «Это даже не было каким-то сложным решением», — говорит Шарпантье. «Это был обычный здравый смысл. Если у тебя есть хороший продукт, зачем что-то менять?». Чтобы перейти от VIC-20 к Commodore 64, производственной группе нужно было только уменьшить слот картриджа, изменить цвет корпуса и разработать новую этикетку.
Вместо того, чтобы разрабатывать компьютер, ориентируясь в первую очередь на его производительность, а потом уже на цену, как это обычно делают инженеры, небольшая команда разработчиков Commodore с самого начала заботилась о стоимости. Яннес, к примеру, объявил экономию своим кредо ещё в то время, когда, будучи бедным школьником, он искал детали для сборки звукового синтезатора. «Каждый раз, когда я что-то проектирую, я хочу использовать минимально возможное количество компонентов. Это личный вызов. Commodore 64 был моей попыткой построить предельно компактную систему, которую можно было бы собрать практически только из видео- и звукового чипов».
С Новым 1982 годом!
В индустрии потребительской электроники новые продукты традиционно представляются дистрибьюторам, дилерам, прессе и конкурентам дважды в год — в первые выходные января и в первые выходные июня, на зимней и летней выставках потребительской электроники (CES).
«Когда ты работаешь в Commodore, — говорит Яннес, — ты всегда должен иметь что-то для зимней CES». Зимой 1982 года у C64 не было серьезных конкурентов. Atari всё ещё выпускала свои машинки 400/800. Mattel представила компьютер Aquarius, а Spectravideo — компьютер/игровую машину. И у того, и у другого ресурсы были очень ограниченными.
Зимбицки вспоминает: «У нашего стенда постоянно крутились представители Atari. Они стояли с раскрытыми ртами: «Как вам удалось сделать это всего за $595?».
Обложка журнала за 1988 год
Источник: https://pikabu.ru/story/zhurnal_commodore_za_1988_908334После этой выставки Commodore, которую и так ругали за прототипы, не добиравшиеся до магазинов, пришлось активно разворачивать производство. Чтобы подготовить машину к серийному выпуску, инженеры внесли в его конструкцию всего парочку небольших изменений.
На самом деле, по словам Зимбицки, «после того, как компьютер наконец-то поступил в производство, мы задались вопросом — зачем мы вообще меняли что-то после январской выставки? Он бы не продался ни на одну штуку меньше, но мы бы сэкономили кучу денег на разработке!».
Часть изменений была довольно значительной, но некоторые, пожалуй, создали не меньше проблем, чем решили. Самое серьезное улучшение было связано с устранением «затыков» видеочипа.
Когда Шарпантье начал разрабатывать видеочип, он подчеркнул, что его целью была оптимальная производительность как в черно-белом, так и в цветном режиме. В видеочипах Atari и Apple частота черно-белого сигнала составляла 7,16 МГц — в два раза больше, чем частота цветного телевизионного сигнала (3,58 МГц), но это не позволяло втиснуть в строку достаточное количество символов, а также вызывало перекрестные помехи между двумя сигналами, в результате чего объект на экране немного смещался влево или вправо в зависимости от цвета. После январской выставки CES 1982 года, когда выяснилось, что 40 символов не помещаются на экране телевизора, Шарпантье увеличил тактовую частоту черно-белого сигнала и сделал эти два сигнала полностью асинхронными. Поскольку цветной и черно-белый потоки постоянно меняли фазу относительно друг друга, «цветовые переходы получались фантастическими, но в целом возникал «мыльный эффект», — вспоминает он. Решением проблемы стало включение в систему ФАПЧ. По признанию Шарпантье, это была своеобразная заплатка, а не полноценный фикс.
Чип на 5-микрометровом техпроцессе, работающий на тактовой частоте 8 МГц, рассеивал очень много энергии — почти 1,5 ватта. «Чтобы цвета не размывались, как это было в VIC-20, мы перешли на питание 12 вольт, это позволило нам выжать максимум сочности из цветовых сигналов», — вспоминает Винтербл. «И мы, безусловно, понимали, что нагрев чипа будет очень значителен».
Именно тогда Уинтербл придумал еще один «фикс» — приварить небольшой металлический выступ на внутреннюю сторону крышки экранирующего кожуха вокруг видеочипа. Когда компьютер был в сборе, выступ прижимался к верхней части корпуса чипа, превращая экран в теплоотвод.
Некоторые изменения, которые могли бы значительно улучшить машину, не были внесены из-за поспешного запуска производства. Например, по словам Яннеса, дорожки для вывода звука на печатной плате проходят рядом с дорожками видеосигнала. В результате звуковой выход издает раздражающий вой на частоте 15 750 Гц. Перепрокладка схемы потребовала бы времени, «а у нас была полностью рабочая плата», — пояснил он. «Тогда, если всё корректно работало, мы ничего не меняли, даже ради улучшения качества». По словам представителей Commodore, в последующих ревизиях эта проблема была устранена.
Но на самом деле разработчики все-таки поменяли кое-что из того, что «работало» — и ухудшили качество работы машины. В первоначальном проекте был предусмотрен высококачественный радиочастотный модулятор для передачи сигнала на телевизор, но вместо него был установлен более дешевый аналог. «Хороший модуль стоил от $6,25 до $6,50, а нам удалось выгадать почти $3!», — рассказывал Шарпантье.
У Винтербла совершенно обратное мнение о модуляторе за 3 доллара: «Модулятор за 50 центов, который мы использовали на VIC-20, был недостаточно хорош, — говорил он, — поэтому мы перешли на более дорогой аналог».
«Вообще, это было очень весело», — говорит Зимбицки. «В частности, когда речь заходила о сборке. Конструкторы предпочитали английский винт. А на производстве решили использовать метрический. Поэтому компьютеры фактически собирали из того, что было на складах. На производстве Commodore очень хорошо умели делать так, чтобы все детали подходили друг к другу, вне зависимости от того, как их изначально задумали. Их девиз был «Ship 'em» — отгрузи [любой ценой]!».
«Нужно быть очень злым человеком, — шутит Шарпантье, — чтобы сказать: «Мы не будем отгружать компьютеры, потому что они не так хороши, как могли бы быть», — особенно если люди жаждут их купить».
Продолжение следует…
