INTEL: La Historia de la Empresa que Construyó el Mundo Digital (VI)
Intel 4040: El microprocesador que perfeccionó la primera generación (1974)
El Intel 4040 fue el sucesor directo del mítico 4004, y llegó para demostrar que los microprocesadores podían ser algo más que una curiosidad técnica. Con sus 24 pines, 60 instrucciones y capacidad para manejar 8 KB de memoria, este chip de 4 bits se convirtió en el cerebro de sistemas de control, juegos y dispositivos industriales. Fue el paso que consolidó la revolución del silicio, llevando la informática desde las calculadoras hacia el mundo real.
1. Introducción
El Intel 4040, lanzado en 1974, fue el sucesor directo del histórico Intel 4004, el primer microprocesador comercial del mundo.
Aunque menos conocido que su antecesor, el 4040 fue un chip mucho más completo, robusto y funcional, que solucionó la mayoría de las limitaciones del 4004 y permitió que la primera generación de microprocesadores fuese realmente útil en aplicaciones industriales, de control y de entretenimiento. El 4040 agregó 14 instrucciones, un stack más grande, 8 KB de programa, 8 registros adicionales y habilidades de interrupción.
El 4040 no fue un simple “4004 mejorado”, fue el primer microprocesador de la historia con interrupciones, el primero con ejecución paso a paso, y el primero con un stack profundo y usable.
2. El contexto histórico: 1971–1974
Entre 1971 y 1974, la industria de los semiconductores vivió una transformación acelerada que redefinió por completo la forma de construir sistemas electrónicos. En 1971 apareció el Intel 4004, el primer microprocesador comercial, que demostró que una CPU completa podía integrarse en un solo chip. Apenas un año después, en 1972, llegó el Intel 8008, el primer microprocesador de 8 bits, que abrió la puerta a sistemas más potentes y a los primeros experimentos con microcomputadoras. Entre 1973 y 1974 se consolidaron los sistemas embebidos, que empezaron a sustituir la lógica cableada en instrumentación, control industrial y terminales inteligentes. Finalmente, en 1974, el Intel 8080 inauguró la era del microcomputador, convirtiéndose en el corazón de máquinas como el Altair 8800 y marcando el inicio de la informática personal.
En medio de esta explosión tecnológica, Intel necesitaba un procesador fiable, económico y mejorado para aplicaciones industriales y de control, un chip que mantuviera la compatibilidad con el 4004 pero ofreciera más capacidad, más instrucciones y mayor robustez. Ese procesador fue el 4040, un microcontrolador evolucionado que nació para cubrir un nicho esencial en un mercado que estaba creciendo a una velocidad sin precedentes.
3. El 4004 y sus limitaciones
El Intel 4004 fue un hito histórico, el primer microprocesador comercial y la prueba de que una CPU completa podía integrarse en un solo chip. Sin embargo, su arquitectura estaba marcada por limitaciones severas que lo hacían inadecuado para aplicaciones industriales y de control. Era un procesador de solo 4 bits, con un stack de tres niveles que restringía la profundidad de las llamadas a subrutinas y sin soporte para interrupciones, una característica esencial en sistemas que deben reaccionar a eventos externos. Tampoco ofrecía ejecución paso a paso ni mecanismos avanzados de depuración, y su conjunto de instrucciones se limitaba a cuarenta y seis operaciones, suficientes para calculadoras y lógica básica, pero insuficientes para sistemas complejos.
El 4004 solo podía direccionar 4 KB de programa y estaba encapsulado en un paquete de 16 pines que obligaba a multiplexar señales y reducía aún más su flexibilidad. Carecía de registros sombra, de puertos de entrada y salida de tamaño byte y de memorias ROM y RAM de gran capacidad, lo que obligaba a recurrir a hardware externo para funciones que un procesador más avanzado podría manejar internamente. En conjunto, estas restricciones hacían que el 4004, pese a su importancia histórica, fuera demasiado limitado para el mundo industrial que empezaba a demandar controladores más potentes, fiables y programables. Esa necesidad fue la que llevó directamente al desarrollo del Intel 4040.
4. El nacimiento del Intel 4040
Tras el éxito del 4004, Intel comprendió que el mercado necesitaba un procesador más capaz, pero que mantuviera la compatibilidad con el diseño original. Las aplicaciones industriales, los sistemas de control y la instrumentación exigían más memoria, más instrucciones, mayor robustez y funciones profesionales que el 4004 simplemente no podía ofrecer. La empresa decidió entonces crear un sucesor que ampliara sus capacidades sin romper la base tecnológica existente, un chip que incorporara mejoras reales pero que siguiera siendo económico y fácil de integrar en sistemas ya diseñados alrededor del 4004. De esa necesidad nació el Intel 4040, lanzado en 1974, un microprocesador que conservaba la esencia del primer CPU comercial pero añadía nuevas instrucciones, un stack más profundo, funciones de interrupción y un ecosistema más completo. El 4040 fue la respuesta de Intel a un mercado que estaba evolucionando con rapidez y que necesitaba un procesador más profesional sin abandonar la arquitectura que había iniciado la revolución del microprocesador.
5. Federico Faggin y Tom Innes: los arquitectos del 4040
El Intel 4040 nació bajo la dirección de dos figuras clave en la historia del microprocesador. Federico Faggin, creador del 4004 y arquitecto fundamental del 8008 y del 8080, fue quien propuso la arquitectura del nuevo chip y supervisó su diseño con la misma atención al detalle que había caracterizado sus trabajos anteriores. Su experiencia en tecnología MOS, en diseño de lógica aleatoria y en la integración de funciones complejas en un único chip resultó esencial para transformar el 4004 en un procesador más robusto y profesional. Junto a él trabajó Tom Innes, ingeniero de Intel que asumió la dirección del proyecto y lideró la implementación final, coordinando al equipo y asegurando que el 4040 cumpliera los requisitos de compatibilidad, fiabilidad y coste que el mercado industrial exigía.
El 4040 fue, además, el último microprocesador de 4 bits diseñado por Faggin antes de abandonar Intel y fundar Zilog, donde crearía el legendario Z80, uno de los procesadores más influyentes de la historia. En retrospectiva, el 4040 representa el cierre de una etapa: la culminación de la arquitectura de 4 bits y el punto final de la primera generación de microprocesadores, justo antes de que Faggin y otros ingenieros abrieran el camino hacia los 8 bits y hacia la informática personal.
6. La familia MCS‑40
El Intel 4040 no era un chip aislado, sino el núcleo de una familia completa de componentes conocida como MCS‑40, sucesora directa de la MCS‑4 que había acompañado al 4004. Esta nueva familia ofrecía un ecosistema mucho más robusto y versátil, diseñado específicamente para construir sistemas embebidos profesionales. En su centro se encontraba la CPU 4040, acompañada por las ROMs 4308 y 4316, que permitían almacenar programas de mayor tamaño y con mayor flexibilidad que las memorias de la generación anterior. Las RAMs 4101 y 4002 proporcionaban espacio para datos y buffers de trabajo, esenciales en aplicaciones industriales y de control.
La familia incluía también una serie de puertos de entrada y salida —los 4207, 4209 y 4211— que facilitaban la comunicación con teclados, displays, sensores y actuadores, ampliando las capacidades del sistema sin necesidad de lógica externa compleja. El interfaz 4289 actuaba como puente entre el procesador y memorias o dispositivos estándar, mientras que la EPROM 4702 ofrecía almacenamiento reprogramable, una característica crucial para el desarrollo y la actualización de firmware. El conjunto se completaba con el generador de reloj 4201, encargado de proporcionar la temporización estable que el 4040 necesitaba para funcionar correctamente.
En conjunto, la MCS‑40 constituía un ecosistema completo y coherente para construir sistemas embebidos, mucho más avanzado y profesional que el de la generación anterior. Con ella, Intel ofrecía no solo un microprocesador, sino una plataforma integral que permitía diseñar controladores, instrumentos y dispositivos industriales con una arquitectura sólida, modular y plenamente programable.
7. Mejoras clave del 4040 frente al 4004
El Intel 4040 representó una mejora sustancial respecto al 4004 y corrigió prácticamente todas las limitaciones que habían quedado evidentes en la primera generación de microprocesadores. Su conjunto de instrucciones pasó de cuarenta y seis a sesenta operaciones, lo que ampliaba de forma notable la capacidad de programación y permitía implementar rutinas más complejas sin recurrir a lógica externa. El stack también creció de tres a siete niveles, una mejora crucial para sistemas que necesitaban subrutinas profundas y estructuras de control más elaboradas. El número de registros aumentó de dieciséis a veinticuatro, proporcionando más espacio de trabajo interno y reduciendo la dependencia de la memoria externa.
El 4040 duplicó la memoria de programa direccionable, pasando de 4 KB a 8 KB, lo que permitía desarrollar firmware más extenso y funcional. Fue además la primera CPU de Intel en incorporar interrupciones, una característica esencial para aplicaciones industriales que debían responder a eventos externos en tiempo real. Añadió también ejecución paso a paso, una función pensada para depuración y desarrollo que facilitaba enormemente el trabajo de los ingenieros. Los registros sombra ofrecían copias rápidas de los primeros ocho registros, acelerando el cambio de contexto y mejorando la eficiencia en tareas repetitivas. El encapsulado creció de dieciséis a veinticuatro pines, lo que redujo la necesidad de multiplexar señales y permitió una arquitectura más limpia y flexible. A todo ello se sumaban mejoras internas en temporización y control que proporcionaban un rendimiento superior, incluso manteniendo la filosofía de diseño de 4 bits.
En conjunto, el 4040 no fue una simple revisión del 4004, sino una evolución profunda que transformó un microprocesador experimental en una herramienta profesional capaz de afrontar las exigencias del mercado industrial.
8. Arquitectura interna del 4040
El Intel 4040 seguía siendo un procesador de 4 bits, pero su arquitectura interna representaba un salto cualitativo respecto al 4004. Era un diseño mucho más maduro, pensado para aplicaciones industriales y de control que exigían fiabilidad, flexibilidad y un conjunto de recursos más amplio. En su núcleo se encontraba una unidad aritmético‑lógica de 4 bits, acompañada por veinticuatro registros internos que ofrecían un espacio de trabajo considerablemente mayor que el de su predecesor. El stack se ampliaba a siete niveles, lo que permitía manejar subrutinas más profundas y estructuras de programa más complejas. El contador de programa de doce bits habilitaba un espacio de direccionamiento de 8 KB, suficiente para firmware industrial de tamaño medio.
El 4040 incorporaba además un sistema de interrupciones, una característica esencial para responder a eventos externos en tiempo real, y disponía de registros sombra que actuaban como copias rápidas de los primeros ocho registros, facilitando el cambio de contexto y acelerando operaciones repetitivas. La lógica de control había sido rediseñada para mejorar la temporización y la coordinación interna, mientras que el bus seguía siendo multiplexado de 4 bits, aunque con señales de control ampliadas que permitían una comunicación más clara con la memoria y los periféricos.
El encapsulado también evolucionó: el 4040 utilizaba un paquete CERDIP de 24 pines, que ofrecía más líneas de control y una mayor flexibilidad de diseño. Este aumento de pines reducía la necesidad de multiplexar señales críticas y permitía una arquitectura más limpia, más estable y más fácil de integrar en sistemas embebidos profesionales. En conjunto, la arquitectura interna del 4040 representaba la culminación de la primera generación de microprocesadores, un diseño compacto pero sorprendentemente sofisticado para un chip de 4 bits.
9. Conjunto de instrucciones ampliado
El conjunto de instrucciones del Intel 4040 fue una de las mejoras más significativas respecto al 4004. El nuevo procesador añadió catorce instrucciones adicionales que ampliaban de forma notable sus capacidades y lo convertían en el microprocesador de 4 bits más avanzado de su época. Entre estas nuevas operaciones se encontraban instrucciones específicas para gestionar interrupciones, una función esencial en sistemas que debían reaccionar a eventos externos en tiempo real. También incorporó instrucciones de retorno mejoradas, que facilitaban la gestión del stack ampliado y permitían estructuras de programa más complejas y seguras. Las instrucciones dedicadas a la manipulación de los registros sombra ofrecían un mecanismo rápido para cambiar de contexto y acelerar tareas repetitivas, mientras que las nuevas operaciones lógicas y de control de flujo ampliaban la expresividad del lenguaje máquina y reducían la necesidad de recurrir a lógica externa.
El 4040 añadió además nuevas instrucciones de entrada y salida, que facilitaban la comunicación con periféricos y dispositivos industriales, reforzando su papel como procesador para sistemas embebidos. Con todas estas incorporaciones, el conjunto total ascendió a sesenta instrucciones, una cifra notable para un procesador de 4 bits y una prueba del esfuerzo de Intel por convertir el 4040 en una herramienta profesional. En conjunto, estas mejoras transformaron la programación del chip, haciéndola más flexible, más potente y mucho más adecuada para las exigencias del mercado industrial de principios de los años setenta.
10. Sistema de interrupciones
El Intel 4040 introdujo una de las funciones más importantes de toda la arquitectura de 4 bits de Intel: el sistema de interrupciones. Fue el primer microprocesador de la compañía capaz de detener la ejecución normal de un programa para responder de inmediato a un evento externo, ya fuera una señal de hardware, un cambio en un sensor, una petición de un periférico o una condición crítica en un proceso industrial. Esta capacidad transformó por completo la forma de diseñar sistemas embebidos, permitiendo implementar control en tiempo real, mejorar la eficiencia de los programas y reducir la necesidad de lógica cableada.
El 4004 carecía por completo de un mecanismo similar, lo que obligaba a los ingenieros a recurrir a técnicas de sondeo continuo que consumían tiempo de CPU y complicaban el diseño del firmware. Con el 4040, las interrupciones se convirtieron en una herramienta fundamental para construir controladores más inteligentes, más reactivos y más fiables. Esta característica, junto con el conjunto de instrucciones ampliado y el stack más profundo, consolidó al 4040 como un procesador mucho más profesional y adecuado para las exigencias del mercado industrial de principios de los años setenta.
11. El nuevo stack de 7 niveles
El Intel 4040 incorporó un stack de siete niveles, una mejora decisiva frente al stack de tres niveles del 4004. Esta ampliación permitió manejar subrutinas mucho más profundas y construir programas con estructuras de control más avanzadas, algo esencial en aplicaciones industriales donde los procesos suelen dividirse en múltiples rutinas encadenadas. Con un stack más amplio, los ingenieros podían diseñar firmware más complejo, modular y seguro, evitando desbordamientos y reduciendo la necesidad de soluciones externas o trucos de programación. Esta capacidad transformó la arquitectura de 4 bits en una herramienta mucho más profesional y adecuada para sistemas embebidos que debían ejecutar tareas repetitivas, gestionar interrupciones y coordinar múltiples funciones simultáneas. En conjunto, el nuevo stack fue una de las mejoras más críticas del 4040 y una de las razones por las que el chip se convirtió en un estándar en control industrial durante la primera mitad de los años setenta.
12. El ecosistema de chips de soporte
El Intel 4040 no trabajaba solo: formaba parte de un ecosistema de chips de soporte que convertía la familia MCS‑40 en una plataforma completa para construir sistemas embebidos profesionales. Este conjunto de componentes ampliaba las capacidades del procesador y ofrecía soluciones específicas para temporización, memoria, entrada y salida, y comunicación con dispositivos externos. El generador de reloj 4201 proporcionaba la señal de temporización necesaria para el funcionamiento del 4040, operando entre 500 y 740 kHz y utilizando cristales de entre 4 y 5.185 MHz, lo que garantizaba una base estable para aplicaciones industriales. Las ROM 4308 y 4316 ofrecían capacidades de 1 KB y 2 KB respectivamente, permitiendo almacenar programas más extensos y complejos que los posibles en la generación anterior.
El ecosistema incluía también la EPROM 4702, una memoria reprogramable de 256 bytes que fue una de las primeras EPROM comerciales y que resultaba esencial para el desarrollo y la actualización de firmware. Los puertos de entrada y salida —el 4207 para salida de 8 bits, el 4209 para entrada de 8 bits y el 4211 como puerto bidireccional— facilitaban la comunicación con periféricos, sensores y actuadores, ampliando la capacidad del sistema sin necesidad de lógica externa compleja. El interfaz 4289 sustituía a los antiguos 4008 y 4009 y ofrecía una conexión mucho más flexible con memorias estándar, simplificando el diseño de sistemas embebidos. En cuanto a la memoria de trabajo, la RAM 4101 proporcionaba 256 nibbles, mientras que la 4002 ofrecía 320 bits organizados en ochenta palabras de cuatro bits y añadía cuatro salidas discretas que podían utilizarse para control directo de dispositivos.
En conjunto, este ecosistema convertía al 4040 en el núcleo de un sistema completo, modular y profesional. Cada chip estaba diseñado para integrarse de forma natural con el procesador, creando una plataforma coherente que permitía desarrollar controladores industriales, instrumentos electrónicos y sistemas embebidos con una arquitectura sólida y plenamente programable.
13. Aplicaciones reales del 4040
El Intel 4040 encontró un lugar destacado en una amplia variedad de aplicaciones reales, convirtiéndose en uno de los microprocesadores de 4 bits más utilizados de su época. Su combinación de bajo coste, compatibilidad con el 4004 y mejoras sustanciales en arquitectura lo hizo ideal para sistemas embebidos tempranos, donde la simplicidad y la fiabilidad eran más importantes que la potencia bruta. Se empleó en máquinas recreativas y juegos electrónicos, donde controlaba pantallas, teclados y lógica interna con una eficiencia sorprendente. También apareció en sistemas de control industrial, gestionando procesos repetitivos, secuencias de producción y automatismos que antes dependían de relés o lógica cableada.
El 4040 tuvo presencia en instrumentación y equipos de laboratorio, donde su capacidad para manejar interrupciones y su stack ampliado permitían construir dispositivos más inteligentes y programables. Fue utilizado en sistemas de prueba, en prototipos de microcomputadoras y en diversos electrodomésticos que empezaban a incorporar electrónica programable. En todos estos casos, el 4040 ofrecía una solución más barata y más fácil de integrar que el 8008 o el 8080, cuyos requisitos de hardware eran mayores y cuyo coste resultaba prohibitivo para muchos fabricantes. Gracias a su ecosistema MCS‑40 y a su arquitectura mejorada, el 4040 se convirtió en el corazón de numerosos sistemas embebidos de principios de los años setenta, demostrando que un procesador de 4 bits aún podía desempeñar un papel esencial en la industria.
14. El 4040 en la industria del entretenimiento y control
El Intel 4040 tuvo una presencia especialmente destacada en la industria del entretenimiento y en sistemas de control sencillos, donde su bajo coste, su fiabilidad y su facilidad de integración lo convirtieron en un estándar de facto. Fue ampliamente utilizado en máquinas de pinball y en juegos arcade, controlando luces, sonidos, contadores y secuencias de juego con una precisión que antes solo podía lograrse mediante lógica cableada. También apareció en numerosos juguetes electrónicos, donde su arquitectura compacta y su ecosistema MCS‑40 permitían crear dispositivos interactivos sin necesidad de hardware complejo.
En el ámbito del control, el 4040 se empleó en controladores de luces, paneles animados y sistemas de automatización simples que requerían respuestas rápidas y una programación flexible. Su capacidad para manejar interrupciones, su stack ampliado y sus puertos de entrada y salida de 8 bits lo hacían ideal para estas tareas, ofreciendo una solución económica frente a procesadores más avanzados como el 8008 o el 8080, cuyo coste y complejidad eran innecesarios para este tipo de aplicaciones. Gracias a estas características, el 4040 se convirtió en uno de los microprocesadores más populares en sistemas recreativos y de control durante la primera mitad de los años setenta.
15. Comparación con otros microprocesadores contemporáneos
El 4040 era el mejor microprocesador de 4 bits del mundo en 1974.
16. El 4040 como puente hacia el 8008 y el 8080
El Intel 4040 fue el último microprocesador de 4 bits de Intel y marcó el cierre definitivo de la primera generación de CPUs comerciales. Después de él, la industria avanzó de manera natural hacia los 8 bits, donde la potencia, la capacidad de direccionamiento y la flexibilidad de programación crecieron de forma exponencial. Sin embargo, el 4040 desempeñó un papel crucial como puente entre ambas eras. Introdujo conceptos que no existían en el 4004 y que serían fundamentales en los procesadores posteriores: el sistema de interrupciones, la ejecución paso a paso para depuración, los registros sombra para acelerar el cambio de contexto, un stack profundo que permitía estructuras de programa más complejas y un ecosistema de entrada y salida de 8 bits que anticipaba la arquitectura de los microprocesadores más avanzados.
Todas estas ideas se trasladaron directamente al Intel 8008, al 8080, al 8085 y finalmente al 8086, donde evolucionaron y se convirtieron en elementos esenciales de la arquitectura moderna. En retrospectiva, el 4040 no fue solo una mejora del 4004, sino un procesador de transición que preparó el terreno para la llegada de los 8 bits y para el nacimiento de la informática personal. Su diseño encapsula el momento exacto en el que los microprocesadores dejaron de ser simples controladores y comenzaron a convertirse en el corazón de sistemas cada vez más potentes y versátiles.
17. El ciclo de vida del 4040
El Intel 4040 fue introducido en 1974 y permaneció en producción hasta 1981, lo que le otorgó una vida útil de siete años. En comparación con otros microprocesadores de su época, su ciclo fue relativamente corto, especialmente frente a chips de 8 bits como el 8080 o el 8085, que continuaron utilizándose durante mucho más tiempo. Sin embargo, esos siete años fueron suficientes para que el 4040 dejara una huella profunda en la industria. Durante ese periodo se consolidó como un procesador fiable, económico y fácil de integrar, ampliamente adoptado en sistemas embebidos, instrumentación y dispositivos de entretenimiento. Su desaparición coincidió con la transición definitiva hacia arquitecturas de 8 bits, pero su legado quedó firmemente establecido como el cierre de la primera generación de microprocesadores y como el puente conceptual hacia los diseños que definirían la informática moderna.
18. El legado del 4040
El Intel 4040 representó la madurez definitiva de la primera generación de microprocesadores. Perfeccionó la arquitectura de 4 bits introducida por el 4004 y añadió características que serían esenciales en el diseño de sistemas embebidos durante toda la década de los setenta. Fue el primer microprocesador con interrupciones, lo que permitió construir sistemas capaces de reaccionar a eventos externos en tiempo real. También fue el primero en ofrecer ejecución paso a paso, una función que transformó el proceso de depuración y facilitó el desarrollo de firmware. Incorporó registros sombra para acelerar el cambio de contexto y un stack profundo que habilitó estructuras de programa mucho más complejas. A ello se sumó un ecosistema de entrada y salida de 8 bits que anticipaba la arquitectura de los procesadores de mayor capacidad.
Todas estas innovaciones convirtieron al 4040 en un puente natural hacia los microprocesadores de 8 bits. Muchas de sus ideas se trasladaron directamente al 8008, al 8080, al 8085 y finalmente al 8086, donde evolucionaron y se convirtieron en elementos fundamentales de la informática moderna. En retrospectiva, el 4040 no solo cerró la etapa de los 4 bits, sino que preparó el terreno para la explosión de los microcomputadores y para el éxito del 8080, cuyo diseño habría sido mucho menos sólido sin las lecciones aprendidas en el desarrollo del 4040. Su legado es el de un procesador que, sin ser el más potente de su tiempo, definió conceptos que marcaron el futuro de toda la industria.
19. Conclusión
El Intel 4040 no fue simplemente el sucesor del 4004, sino el microprocesador que llevó a madurez la primera generación de CPUs comerciales. Transformó un experimento revolucionario en una herramienta industrial real, fiable y programable, capaz de integrarse en sistemas embebidos, instrumentación y dispositivos de entretenimiento con una facilidad que el 4004 nunca pudo ofrecer. Introdujo funciones que definieron el futuro del diseño de microprocesadores: interrupciones, ejecución paso a paso, registros sombra, un stack profundo y un ecosistema de entrada y salida de 8 bits. Estas innovaciones no solo resolvieron las limitaciones del primer microprocesador, sino que establecieron los principios que guiarían el desarrollo de las arquitecturas de 8 bits.
El 4040 fue, en esencia, el primer microprocesador verdaderamente profesional de la historia. Su diseño marcó el punto exacto en el que los microprocesadores dejaron de ser curiosidades tecnológicas y se convirtieron en componentes fundamentales de la industria. Preparó el terreno para el 8008, para el 8080 y para toda la familia de procesadores que definiría la informática moderna. Sin el 4040, el 8080 no habría alcanzado el éxito que tuvo, porque muchas de sus ideas y soluciones nacieron precisamente en este chip de transición. Su legado perdura en cada sistema embebido contemporáneo, en cada controlador industrial y en cada arquitectura que heredó sus conceptos fundamentales. El 4040 es, en retrospectiva, la culminación de una era y el punto de partida de otra.
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