Le 4004 d'Intel est le premier microprocesseur commercialisé, c'est-à-dire la première intégration réussie d'une grande partie des fonctions d'un processeur sur un seul et unique circuit intégré.
Il est d'abord produit en exclusivité pour l'industriel qui a commandité son développement, Busicom, en mars 1971. Après avoir fait lever la clause d'exclusivité, Intel annonce sa commercialisation le 15 novembre 1971.
Sa réalisation est rendue possible par la toute nouvelle technologie des self-aligned gates, qui permet à son concepteur, Federico Faggin, d'intégrer sur un même circuit intégré 2 300 transistors.
Avec une puissance d'exécution de 92 600 opérations par seconde à une fréquence maximale de 740 kHz, il est d'une puissance comparable à l'ENIAC, le premier ordinateur moderne dévoilé en 1946, qui occupait 167 m2 pour un poids total de 30 t.
Le 4004 reste nettement moins performant que les processeurs des mini-ordinateurs de la même époque. Par contre, il permet d'imaginer de construire des ordinateurs nettement moins chers que ceux‑ci : des micro-ordinateurs. Le 4004 et les puces de support qu'il utilise sont ainsi commercialisés par Intel en tant que « Micro Computer Set » (« Ensemble pour Micro-ordinateur ») MCS-4.
Le 4004 et le chipset MCS‑4 ont cependant de nombreuses limitations qui font qu'ils ne seront pas utilisés pour construire des microordinateurs mais plutôt des contrôleurs embarqués.
Le 4004 est par contre suivi l'année suivante par le premier microprocesseur 8 bits, le 8008 (et par le 4040, un 4004 révisé), puis en 1974 par le microprocesseur qui commence effectivement la révolution des micro-ordinateurs, le 8080.
Le 4004 a été conçu par deux ingénieurs d'Intel : Marcian Hoff, qui mit son architecture au point en 1969, et Federico Faggin, l'unique designer de puce du projet MCS-4. Faggin avait une expérience de la conception de transistor MOSFET sur silicium, et notamment de la nouvelle technique dite de « self-aligned gates », qu'il avait mise au point à Fairchild Semiconductor en 1968. Ce dernier a dirigé avec succès le projet MCS-4 en 1970-1971.
Au moment de l’invention du microprocesseur, les ingénieurs savaient concevoir l'architecture d'un microprocesseur et en définir la logique, mais personne n’était encore en mesure d'en réaliser un sur une puce unique de silicium.
En 1969, la société japonaise Busicom, premier gros client d'Intel (fondé la même année, en 1968) se rapprocha d'Intel afin de discuter du développement de circuits intégrés dont elle avait conçu l'architecture logique. Ceux-ci leur étaient nécessaires pour réaliser un type de calculatrices. L'architecture utilisée par Busicom était répartie en sept puces : un CPU à but spécifique lui-même divisé en trois puces avec une mémoire en lecture seule (ROM) destinée au stockage des programmes ; un registre à décalage ayant pour but de stocker l'information; et deux puces d'entrée et sortie (I/O).
Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff), assisté par Stan Mazor (en) d'Intel, proposa une architecture plus simple employant quatre puces : une architecture de CPU d'utilité générale utilisant la mémoire vive pour stocker l'information qui pouvait potentiellement être intégrée dans une puce, une puce de mémoire en lecture seule (ROM), une puce de mémoire à accès aléatoire (RAM) et une puce entrée et sortie (I/O). Les ingénieurs de Busicom évaluèrent la proposition de Hoff et l'acceptèrent en octobre 1969.
Federico Faggin, qui était alors employé chez Fairchild Semiconductor, fut engagé chez Intel en avril 1970 pour y diriger le projet et réaliser le 4004. Durant son passage chez Fairchild, Faggin créa en 1968 la technologie originale du silicon gate avec grille auto-alignée (« self-aligned gate »), appelée « Silicon Gate Technology (SGT) », une technologie qui permit de réaliser le microprocesseur, et réalisa le premier circuit intégré MOS du monde utilisant la SGT (le Fairchild 3708), prouvant la viabilité de la nouvelle technologie. Alors qu'il travaillait chez Olivetti à Borgolombardo en Italie en 1961, Faggin avait acquis l'expérience sur la conception et la réalisation d'un petit ordinateur électronique et était très familier avec son architecture. À Intel, Federico Faggin créa une nouvelle méthodologie de projet, inexistante jusque-là, employant la technologie SGT pour la logique du processeur, qui permit d'intégrer le microprocesseur dans une seule puce. Il fut impliqué aussi dans tous les aspects du développement avec l'assistance de Masatoshi Shima de Busicom. Shima, par la suite, écrivit le logiciel pour la calculatrice imprimante de bureau pour Busicom, le premier produit final à utiliser le microprocesseur.
Étant donné que Busicom avait les droits exclusifs sur le 4004, Intel ne pouvait le vendre à aucun autre client. Faggin, voyant le potentiel que le 4004 pouvait avoir sur des applications générales, exhorta la direction d'Intel à renégocier le contrat avec Busicom pour permettre d'élargir le marché du microprocesseur. Ed Gelbach, issu de la société Texas Instruments, qui venait juste d'être nommé vice-président de la section marketing et ventes d'Intel, comprit rapidement le potentiel du microprocesseur et décida de le commercialiser. Le 4004 fut enfin introduit sur le marché général en novembre 1971, ouvrant ainsi un nouveau chapitre dans l'histoire de la microélectronique.
Bien que le 4004 soit largement considéré comme le premier microprocesseur, un autre modèle a été développé un an avant en 1970 par Ray Holt de la société américaine Central Air Data Computer pour équiper l'avion de chasse F-14 Tomcat de l'avionneur Grumman. Toutefois, l'unité centrale de traitement (CPU) de Holt, ainsi que les autres CPU antérieurs à 1970, était composée d'au moins trois puces (chips) LSI et n'était donc pas intégrée dans un chip unique : il ne s'agissait pas d'un microprocesseur. L'existence de ce modèle beaucoup plus performant que le 4004 est révélée en 1998.
Les 4004 sont sortis dans un boîtier DIP à seize broches en céramique le 15 novembre 1971. C'est la première fois que toutes les fonctions d'un processeur sont réunies sur un seul et unique circuit intégré, ce qui en fait le premier microprocesseur de l'histoire et de l'industrie. Le tarif industriel à sa sortie est de deux cents dollars.
Les dimensions du circuit intégré sont de 3,81 mm de long sur 2,79 mm de large, soit environ 10,63 mm2. Il offre ainsi des performances équivalentes aux 66 m3 de l'ENIAC concentrées sur seulement 10 mm2.
Il comporte 2 300 transistors pMOS (Metal-Oxide Semiconductor à canal P) en technologie 10 µm, alimentés en −15 V.
Conçu pour du calcul décimal codé binaire, il a une architecture de traitement 4 bits, c'est-à-dire qu'il manipule des « caractères » de 4 bits (des quartets), suffisants pour représenter des chiffres entre 0 et 9.