Pojawienie się tego układu zmieniło bieg rozwoju układów scalonych!
Pod koniec lat 70. procesory 8-bitowe były nadal najbardziej zaawansowaną technologią w tamtym czasie, a procesy CMOS były w niekorzystnej sytuacji w dziedzinie półprzewodników. Inżynierowie z AT&T Bell Labs wykonali odważny krok w przyszłość, łącząc najnowocześniejsze procesy produkcji 3,5-mikronowych CMOS z innowacyjną architekturą procesorów 32-bitowych, aby prześcignąć konkurentów pod względem wydajności chipów, przewyższając IBM i Intel.
Chociaż ich wynalazek, mikroprocesor Bellmac-32, nie osiągnął komercyjnego sukcesu wcześniejszych produktów, takich jak Intel 4004 (wydany w 1971 r.), jego wpływ był głęboki. Obecnie chipy w niemal wszystkich smartfonach, laptopach i tabletach opierają się na zasadach komplementarnego półprzewodnika metalowo-tlenkowego (CMOS), zapoczątkowanych przez Bellmac-32.
Zbliżały się lata 80., a AT&T próbowało się przekształcić. Przez dziesięciolecia gigant telekomunikacyjny, nazywany „Mother Bell”, dominował w branży komunikacji głosowej w Stanach Zjednoczonych, a jego spółka zależna Western Electric produkowała niemal wszystkie popularne telefony w amerykańskich domach i biurach. Rząd federalny USA nalegał na podział działalności AT&T z powodów antymonopolowych, ale AT&T dostrzegło szansę na wejście na rynek komputerowy.
Ponieważ firmy komputerowe były już dobrze ugruntowane na rynku, AT&T miało trudności z nadrobieniem zaległości. Strategia firmy polegała na przeskakiwaniu, a Bellmac-32 był jej trampoliną.
Rodzina chipów Bellmac-32 została uhonorowana nagrodą IEEE Milestone Award. Uroczystości odsłonięcia odbędą się w tym roku w kampusie Nokia Bell Labs w Murray Hill w stanie New Jersey oraz w Computer History Museum w Mountain View w Kalifornii.
UNIKALNY CHIP
Zamiast podążać za standardem branżowym 8-bitowych chipów, dyrektorzy AT&T rzucili wyzwanie inżynierom Bell Labs, aby opracowali rewolucyjny produkt: pierwszy komercyjny mikroprocesor zdolny do przesyłania 32 bitów danych w jednym cyklu zegara. Wymagało to nie tylko nowego chipa, ale także nowej architektury — takiej, która mogłaby obsługiwać przełączanie telekomunikacyjne i służyć jako kręgosłup przyszłych systemów komputerowych.
„Nie budujemy tylko szybszego układu” — powiedział Michael Condry, który kieruje grupą architektoniczną w zakładzie Bell Labs w Holmdel w stanie New Jersey. „Próbujemy zaprojektować układ, który będzie obsługiwał zarówno głos, jak i obliczenia”.
W tamtym czasie technologia CMOS była postrzegana jako obiecująca, ale ryzykowna alternatywa dla projektów NMOS i PMOS. Chipy NMOS opierały się całkowicie na tranzystorach typu N, które były szybkie, ale energochłonne, podczas gdy chipy PMOS opierały się na ruchu dodatnio naładowanych dziur, co było zbyt wolne. CMOS wykorzystywał hybrydową konstrukcję, która zwiększała prędkość przy jednoczesnym oszczędzaniu energii. Zalety CMOS były tak przekonujące, że branża wkrótce zdała sobie sprawę, że nawet jeśli wymagało to dwukrotnie większej liczby tranzystorów (NMOS i PMOS dla każdej bramki), było to tego warte.
Wraz z szybkim rozwojem technologii półprzewodnikowej opisanym przez prawo Moore'a, koszt podwojenia gęstości tranzystorów stał się możliwy do opanowania i ostatecznie nieistotny. Jednak gdy Bell Labs podjęło się tego ryzykownego ryzyka, technologia produkcji CMOS na dużą skalę nie była sprawdzona, a koszt był stosunkowo wysoki.
To nie przestraszyło Bell Labs. Firma wykorzystała wiedzę swoich kampusów w Holmdel, Murray Hill i Naperville w stanie Illinois i zgromadziła „zespół marzeń” inżynierów półprzewodników. W skład zespołu wchodzili Condrey, Steve Conn, wschodząca gwiazda projektowania układów scalonych, Victor Huang, inny projektant mikroprocesorów, i dziesiątki pracowników z AT&T Bell Labs. Zaczęli opanowywać nowy proces CMOS w 1978 r. i od podstaw zbudowali 32-bitowy mikroprocesor.
Zacznij od projektowania architektury
Condrey był byłym członkiem IEEE Fellow, a później pełnił funkcję Chief Technology Officer w firmie Intel. Zespół architektoniczny, którym kierował, był zobowiązany do zbudowania systemu, który natywnie obsługiwałby system operacyjny Unix i język C. W tamtym czasie zarówno Unix, jak i język C były jeszcze w powijakach, ale były przeznaczone do dominacji. Aby przełamać niezwykle cenny limit pamięci kilobajtów (KB) w tamtym czasie, wprowadzili złożony zestaw instrukcji, który wymagał mniejszej liczby kroków wykonania i mógł wykonywać zadania w ciągu jednego cyklu zegara.
Inżynierowie zaprojektowali również układy scalone obsługujące magistralę równoległą VersaModule Eurocard (VME), która umożliwia przetwarzanie rozproszone i pozwala wielu węzłom przetwarzać dane równolegle. Układy scalone zgodne z VME umożliwiają również ich wykorzystanie do sterowania w czasie rzeczywistym.
Zespół napisał własną wersję Uniksa i wyposażył ją w funkcje czasu rzeczywistego, aby zapewnić zgodność z automatyką przemysłową i podobnymi aplikacjami. Inżynierowie Bell Labs wynaleźli również logikę domina, która zwiększyła prędkość przetwarzania poprzez redukcję opóźnień w złożonych bramkach logicznych.
Dodatkowe techniki testowania i weryfikacji zostały opracowane i wprowadzone wraz z modułem Bellmac-32, złożonym projektem weryfikacji i testowania wielu układów scalonych kierowanym przez Jen-Hsun Huanga, który osiągnął zero lub prawie zero defektów w produkcji złożonych układów scalonych. Było to pierwsze na świecie badanie układów scalonych o bardzo dużej skali (VLSI). Inżynierowie Bell Labs opracowali systematyczny plan, wielokrotnie sprawdzali pracę swoich kolegów i ostatecznie osiągnęli bezproblemową współpracę w wielu rodzinach układów scalonych, co zakończyło się kompletnym systemem mikrokomputerów.
Teraz nadchodzi najtrudniejsza część: faktyczna produkcja układu scalonego.
„W tamtym czasie układ, testy i technologie produkcji o wysokiej wydajności były bardzo rzadkie”, wspomina Kang, który później został prezesem Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) i członkiem IEEE. Zauważa, że brak narzędzi CAD do pełnej weryfikacji układu scalonego zmusił zespół do drukowania dużych rysunków Calcomp. Te schematy pokazują, jak tranzystory, przewody i połączenia międzyukładowe powinny być rozmieszczone w układzie scalonym, aby uzyskać pożądany wynik. Zespół zmontował je na podłodze za pomocą taśmy, tworząc gigantyczny kwadratowy rysunek o boku ponad 6 metrów. Kang i jego współpracownicy ręcznie rysowali każdy obwód kolorowymi ołówkami, szukając uszkodzonych połączeń i nakładających się lub nieprawidłowo obsługiwanych połączeń międzyukładowych.
Po zakończeniu fizycznego projektu zespół stanął przed kolejnym wyzwaniem: produkcją. Chipy były produkowane w zakładzie Western Electric w Allentown w Pensylwanii, ale Kang wspomina, że wskaźnik wydajności (procent chipów na waflu, które spełniały standardy wydajności i jakości) był bardzo niski.
Aby temu zaradzić, Kang i jego współpracownicy codziennie przyjeżdżali do zakładu z New Jersey, zakasali rękawy i robili wszystko, co było konieczne, włącznie z zamiataniem podłóg i kalibracją sprzętu testowego, aby zbudować koleżeńskie relacje i przekonać wszystkich, że najbardziej złożony produkt, jaki kiedykolwiek próbowano wytwarzać w tym zakładzie, rzeczywiście może tam powstać.
„Proces budowania zespołu przebiegał sprawnie” — powiedział Kang. „Po kilku miesiącach Western Electric było w stanie produkować wysokiej jakości chipy w ilościach przewyższających popyt”.
Pierwsza wersja Bellmac-32 została wydana w 1980 r., ale nie spełniła oczekiwań. Jego docelowa częstotliwość wynosiła tylko 2 MHz, a nie 4 MHz. Inżynierowie odkryli, że najnowocześniejszy sprzęt testowy Takeda Riken, którego wówczas używali, był wadliwy, a efekty linii transmisyjnych między sondą a głowicą testową powodowały niedokładne pomiary. Współpracowali z zespołem Takeda Riken, aby opracować tabelę korekcyjną w celu skorygowania błędów pomiaru.
Chipy Bellmac drugiej generacji miały taktowanie przekraczające 6,2 MHz, czasami nawet 9 MHz. W tamtym czasie uważano to za całkiem szybkie. 16-bitowy procesor Intel 8088, który IBM wypuścił w swoim pierwszym komputerze PC w 1981 r., miał taktowanie wynoszące zaledwie 4,77 MHz.
Dlaczego Bellmac-32 nie'stać się głównym nurtem
Pomimo obietnicy technologia Bellmac-32 nie zyskała powszechnej akceptacji komercyjnej. Według Condreya, AT&T zaczęło przyglądać się producentowi sprzętu NCR pod koniec lat 80. i później zwróciło się ku przejęciom, co oznaczało, że firma zdecydowała się wspierać różne linie produktów chipowych. W tym czasie wpływ Bellmac-32 zaczął rosnąć.
„Przed Bellmac-32, NMOS dominował na rynku” – powiedział Condry. „Ale CMOS zmienił krajobraz, ponieważ okazał się bardziej wydajnym sposobem na jego wdrożenie w fabryce”.
Z czasem ta świadomość zmieniła kształt przemysłu półprzewodników. CMOS stał się podstawą nowoczesnych mikroprocesorów, napędzając cyfrową rewolucję w urządzeniach takich jak komputery stacjonarne i smartfony.
Odważny eksperyment Bell Labs — wykorzystujący nieprzetestowany proces produkcyjny i obejmujący całą generację architektury układów scalonych — był kamieniem milowym w historii technologii.
Jak mówi profesor Kang: „Byliśmy na czele tego, co było możliwe. Nie podążaliśmy po prostu istniejącą ścieżką, przecieraliśmy nowe szlaki”. Profesor Huang, który później został zastępcą dyrektora Singapore Institute of Microelectronics i jest również członkiem IEEE Fellow, dodaje: „Obejmowało to nie tylko architekturę i projekt chipów, ale także weryfikację chipów na dużą skalę – przy użyciu CAD, ale bez dzisiejszych narzędzi do symulacji cyfrowej, a nawet płytek stykowych (standardowy sposób sprawdzania projektu obwodu systemu elektronicznego przy użyciu chipów, zanim elementy obwodu zostaną trwale połączone)”.
Condry, Kang i Huang z rozrzewnieniem wspominają tamten okres i wyrażają podziw dla umiejętności i zaangażowania wielu pracowników AT&T, których wysiłki umożliwiły stworzenie rodziny procesorów Bellmac-32.
Czas publikacji: 19-05-2025