מאז היו מכונות חישוב ומחשבים, הייתה שאיפה למיזעור. מאז המצאת המעגל המשולב על ידי רוברט נויס, (שמאוחר יותר ייסד את אינטל), מספר הרכיבים על שבב סיליקון יחיד עלה בצורה עקבית משנה לשנה, עד כדי שהעלייה הזו נוסחה כ"חוק" (ראו חוק מור). לקראת סוף שנות ה־60 של המאה ה־20 כבר יוצרו רכיבים עם אלפי טרנזיסטורים, כמו מוצר הדגל של אינטל, 1101, שבב זיכרון דינמי (DRAM) בקיבולת של 1K סיביות, כשכל תא זיכרון מורכב מ־3 טרנזיסטורים, כלומר קצת יותר מ־3,000 טרנזיסטורים על שבב יחיד. בעזרת מספר כזה של רכיבים כבר אפשר לממש מחשב - למשל, מחשב מ־1956, LGP-30 , השתמש ב־113 שפופרות ו־1,450 דיודות בלבד. המהנדס טד הוף (Marcian Edward "Ted" Hoff, Jr. ), שעבד באינטל, חשב שהגיע הזמן לפתח מעבד על שבב יחיד.
ב־1969, פנתה יצרנית מכונות החישוב היפנית ביזיקום (Busicom), לשתי חברות שבבים אמריקאיות, אינטל ומוסטק (Mostek), כדי שיפתחו עבורה שבבי LSI (כלומר שבבים המכילים אלפי טרנזיסטורים) לשימוש בדור הבא של מכונות חישוב אלקטרוניות. חברת מוסטק אכן פיתחה שבב שמימש את כל הפונקציונליות של מחשבון, והיה הראשון בסדרה של מוצרי "מחשבון על שבב" (calculator-on-a-chip), של מוסטק וחברות אחרות (כמה שנים אחר כך גם אינטל הוציאה מוצר מחשבון על שבב).
אינטל, לעומת זאת, בהמלצת הוף, הציעה לביזיקום פתרון מסוג חדש: פיתוח מיקרו־מעבד כללי, בעזרתו תוכל ביזיקום לממש את הפונקציונליות של מכונת החישוב, ומאוחר יותר, כשיידרשו תכונות אחרות, תוכל לממש אותם בעזרת אותם הרכיבים, בעזרת שינוי בתוכנה.
בערך באותו הזמן פנתה חברה נוספת, יצרנית המסופים CTC לאינטל, כדי שתפתח עבורה מעבד על שבב יחיד, שיועד להחליף מעבד קיים, שמומש על מספר לוחות מודפסים שהכילו מספר רב של רכיבים. בפרויקט זה הלקוח הגיע עם סט פקודות מוגדר, כמו במעבד הקיים. פרויקט זה נקרא 8008, והושלם מאוחר יותר.
פיתוח.
הוף ומזור - תכנון ראשוני וסט פקודות.
ביזיקום הסכימה, והוף, בעזרת מהנדס נוסף, סטנלי מזור, עיבדו מפרט מפורט ותכנון ראשוני, כתחליף לתכנון המקורי איתו הגיעה ביזיקום. תכנון זה כלל את סט הפקודות של המעבד, ותכנון כללי ראשוני, כמו דיאגרמות בלוקים, בחירת המארז (16 פינים), הגדרת משפחת השבבים, השמת הפינים, וכן הלאה. מזור החל לכתוב קטעי קוד , שמבצעים משימות מסוימות של מכונת חישוב, כדי להדגים איך ניתן לבצע את הדרוש. תכנון זה קיבל את אישורה של חברת ביזיקום, שהתכנון המקורי שלה כלל שמונה או עשרה שבבים שונים, שחלקם עם 40 פינים (גורם בעל השפעה משמעותית על המחיר). ביזיקום החלה לפתח את מכונות החישוב עצמן, בהתבסס על תוכנית זו, בסתיו 1969.
פדריקו פגין.
פדריקו פגין (Federico Faggin, נולד ב־1941), הוא פיזיקאי ומהנדס איטלקי, שעבד בחברת אוליבטי , שם בנה, בין השאר, מחשב מבוסס טרנזיסטורים כחלק מבדיקת היתכנות למחשב קטן וזול, פרויקט שלא הפך מוצר (פגין החל כעוזר למהנדס, אך עקב צירוף נסיבות שכלל עזיבת המהנדס שניהל את הפרויקט, ותאונה למהנדס אחר, קיבל פגין את האחריות לפרויקט והשלים אותו). אחרי השלמת תואר הדוקטור בפיזיקה, עבד פגין בחברת SGS־פיירצ'יילד , חברה איטלקית בבעלות חלקית של חברת פיירצ'יילד סמיקונדקטור (Fairchild Semiconductor) האמריקאית (אחת מחברות המוליכים למחצה הראשונות, והראשונה שייצרה מעגלים משולבים. חברות רבות בעמק הסיליקון, ביניהן אינטל, AMD, סיגנטיקס, ועשרות חברות נוספות נוסדו על ידי יוצאי פיירצ'יילד). במסגרת זו הוצע לפגין לעבוד חצי שנה בחברת האם, במסגרת "חילופי מהנדסים", פגין הסכים, ובפברואר 1968 הגיע לקליפורניה, ולמעשה נשאר בארצות הברית מאז. בתום ששת החודשים, פיירצ'יילד מכרה את חלקה ב־SGS, והציעה לפגין להישאר כעובד פיירצ'יילד. יום העבודה הראשון של פגין כעובד מן השורה בפיירצ'יילד, היה היום בו הודיעו רוברט נויס וגורדון מור על עזיבתם את פיירצ'יילד (זמן קצר אחר כך הכריזו נויס ומור על הקמת אינטל). פגין התמחה בבניית רכיבים בטכנולוגיות MOS. ופיתח כמה תהליכים וטכנולוגיות. לקראת סוף 1969, פגין חש תסכול, בין השאר בגלל הקושי בפיירצ'יילד להעביר תהליך חדש מהמעבדה לייצור. פגין פנה למנהל שלו לשעבר, לס ואדאס (Leslie L. Vadász; שעזב את פיירצ'יילד והצטרף לנויס ומור באינטל), בבקשה לעבוד באינטל, ובמרץ 1970 הצטרף פגין לאינטל, ומיד קיבל את פרויקט ה־4004.
מסטושי שימה.
מסטושי שימה (, נולד ב־1943) הוא מהנדס יפני, שלמד כימיה אורגנית. ללא אפשרות תעסוקה בתחום, שימה הצטרף ליצרנית מכונות החישוב ביזיקום, בחטיבת המכונות האלקטרוניות. שימה הכיר את המפרט לעומק, ובמרץ 1970 נשלח לקליפורניה, כדי לבדוק את התקדמות הפרויקט. הוא נחת ביום העבודה השני של פגין באינטל, והופתע לגלות כמה מעט התקדמות נעשתה בפרויקט מאז אושר התכנון הראשוני. פגין מספר שאחרי שבוע בו שימה הפגין את אכזבתו וחוסר שביעות רצונו מהמצב, פגין אמר לו שהוא יכול להמשיך להתלונן, או לעזור לקיים את הפרויקט:
שימה בחר להצטרף לפגין, ושניהם היוו גלעין הצוות שבנה את ה־4004.
לא שבב יחיד, אלא משפחה.
כדי להשתמש במעבד ולהפיק ממנו תועלת, נחוצות עוד מספר פונקציות, והפרויקט הגדיר משפחה של ארבעה שבבים למערכת שלמה:
שבב הקלט/פלט הוא הפשוט ביותר, אחריו הזיכרון, לאחר מכן זיכרון קריאה־בלבד, ולבסוף המעבד עצמו, שהיה האתגר הגדול - עד אז איש מעולם לא בנה מעבד שלם על שבב יחיד.
תכנון לוגי, חשמלי, ושרטוט המסכות.
ב־1970 כבר היו מספר שבבים, של אינטל ושל יצרנים אחרים, עם אלפי טרנזיסטורים, אבל באינטל, השבבים הצפופים היו פשוטים יחסית מבחינת התכנון, אם כי לאו דווקא מבחינת הייצור: שבבי זיכרון בנויים ממספר רב של "תאים" זהים, ומסביבם מספר קטן יחסית של לוגיקה דיסקרטית לבקרה (ב־1970 פיתחה וייצרה אינטל משפחה של שבבי זיכרון דינמי של 1,024 סיביות, כשכל סיבית ממומשת בעזרת שלושה טרנזיסטורים - זיכרון דינמי עם טרנזיסטור בודד לתא הופיע מעט אחר כך). למעשה, לא הייתה באינטל מתודולוגיה לתכנון מעגל כה מורכב על שבב יחיד, ואינטל טרם בנתה שבב בטכנולוגיה החדשה שעליה ה־4004 היה מבוסס - "שערי סיליקון", שעשו שימוש בהמצאה של פגין מפיירצ'ילד, אותה כינה "מגע קבור" או "מגע מוטמן". פגין פיתח שיטה עבודה שונה מעט מהמקובל: בשיטה זו הצוות "דילג" על השלבים של תכנון בעזרת דיאגרמת בלוקים, שערים לוגיים, ולבסוף טרנזיסטורים, ושימה פנה היישר לשרטוט הטרנזיסטורים, כשהוא משרטט אותם בגודל אחיד. באופן זה, התכנון החשמלי נתן, לפחות בקווים כלליים, את המבנה הפיזי, והמעבר לשרטוט המסכות היה יחסית ברור, משום שהמיקום ניתן, לפחות בקווים כלליים, כבר בשרטוט החשמלי.
הצוות: פגין, שימה ואחרים.
שימה הצטרף לפגין, ויחדיו החלו לקדם את הפרויקט. פגין היה מומחה בתהליכי ייצור סיליקון, והיה גם בעל ידע מעמיק בתכנון מערכות לוגיות, בין השאר בזכות הפרויקט לבניית מחשב באוליבטי. לשימה לא היה ידע בתכנון שבבים, ולעומת זאת, היה לו ניסיון בתכנון מעגלים לוגיים, והיכרות מעמיקה עם התכנון הקיים ומפרט, שנשלח לביזיקום בסתיו.
פיתוח שבב דורש מספר שלבים: יש לבצע את התכנון הלוגי, בדרך כלל בעזרת שערים, או יחידות בניין גדולות יותר, שבנויות כל אחת משערים. לאחר מכן יש להפוך את התכנון הלוגי למעגל חשמלי, המורכב מטרנזיסטורים, דיודות, ונגדים. בשלב הבא פורסים את התכנון הפיזי של הרכיבים על גבי הסיליקון, ומשרטטים מסיכות, שמגדירות את שלבי הייצור. את המסכות הללו מצלמים ומקטינים לגודל הדרוש, והן משמשות לייצר את המעגלים. מלבד שימה, לצוות נוסף שרטט, כדי לסייע בשלב השרטוט. כדי להעביר מהתכנון החשמלי לתכנון הפיזי, יש לדעת מה הפרמטרים של הטכנולוגיה בה עובדים, כלומר מה גודלו של כל תא, או "רכיב", על שבב הסיליקון, מה המרווח הנחוץ בין כל שני תאים, וכן הלאה.
השבב הראשון היה ה־4001, משום שהתכנון הלוגי שלו היה פשוט, ובאופן כזה השרטט היה יכול להתחיל לעבוד כמעט מיד. פגין תכנן את התכנון הלוגי ואז החשמלי של השבב, ובמקביל עבד עם שימה על התכנון הלוגי והחשמלי של ה־4004. תכנון ה־4001 ארך כשבועיים, ופגין עבר לשרטוט, תוך אימון השרטט שהצטרף לצוות. השבב הבא היה ה־4003, שעבר תהליך דומה, כשבינתיים שימה מתקדם עם ה־4004. את התכנון החשמלי של ה־4004 ביצע שימה לבדו, ובינתיים הצוות גדל: נוסף מהנדס צעיר, שבהדרכתו של פגין החל לעבוד על שבב הזיכרון, ה־4002, ונוספו שרטטים, כך שכשנשלם התכנון החשמלי והפיזי של ה־4004, עבדו על המסכות שלושה שרטטים. המונח "שרטוט" אינו מדויק, משום שבטכנולוגיית המעגלים המשולבים של 1970, ה"שרטוט" התבצע למעשה בחיתוך וקילוף רובילית' (Rubylith ), בעזרת עזרי שרטוט כמו הקואורדינטוגרף.
לאחר סיום התכנון החשמלי של ה־4004, אך לפני שתמה העבודה של שרטוט המסכות, שימה חזר ליפן. הוא בנה שם מעגלים זהים ל־4004 על גבי לוחות מודפסים, בעזרת לוגיקה דיסקרטית, והחל (או המשיך) לפתח ולבדוק את התוכנה של מכונות החישוב. כשהשבבים הראשונים הגיעו מהייצור, החל ב־4001, ואחריו ה־4002 וה־4003, דוגמאות נשלחו ליפן, ושולבו במעגלים של שימה, לבדיקה והוכחת הפעולה.