Pojawienie się tego układu zmieniło bieg rozwoju układów scalonych!
Pod koniec lat 70. procesory 8-bitowe były wówczas wciąż najbardziej zaawansowaną technologią, a procesy CMOS w dziedzinie półprzewodników były w niekorzystnej sytuacji. Inżynierowie z AT&T Bell Labs postawili śmiały krok w przyszłość, łącząc najnowocześniejsze procesy produkcji 3,5-mikronowych układów CMOS z innowacyjną architekturą procesorów 32-bitowych, aby prześcignąć konkurencję pod względem wydajności układów scalonych, wyprzedzając IBM i Intel.
Chociaż ich wynalazek, mikroprocesor Bellmac-32, nie odniósł sukcesu komercyjnego, takiego jak wcześniejsze produkty, takie jak Intel 4004 (wprowadzony na rynek w 1971 roku), jego wpływ był ogromny. Obecnie układy scalone w niemal wszystkich smartfonach, laptopach i tabletach opierają się na technologii CMOS (Complementary Metal-Tlenek Półprzewodnikowy), zapoczątkowanej przez Bellmac-32.
Zbliżały się lata 80. XX wieku, a AT&T próbowało się przekształcić. Przez dekady gigant telekomunikacyjny, nazywany „Mother Bell”, dominował na rynku 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 AT&T z powodu naruszenia przepisów 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 nadążeniem. Strategia firmy polegała na prześcignięciu konkurentów, a Bellmac-32 był jej trampoliną.
Rodzina układów 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 Muzeum Historii Komputerów w Mountain View w Kalifornii.
UNIKALNY CHIP
Zamiast podążać za branżowym standardem 8-bitowych układów scalonych, kierownictwo AT&T rzuciło inżynierom Bell Labs wyzwanie opracowania rewolucyjnego produktu: pierwszego komercyjnego mikroprocesora zdolnego do przesyłania 32 bitów danych w jednym cyklu zegara. Wymagało to nie tylko nowego układu scalonego, ale także nowej architektury – takiej, która mogłaby obsługiwać przełączanie telekomunikacyjne i stanowić podstawę przyszłych systemów komputerowych.
„Nie budujemy tylko szybszego układu” – powiedział Michael Condry, kierownik zespołu architektonicznego w zakładzie Bell Labs w Holmdel w stanie New Jersey. „Staramy się zaprojektować układ, który będzie obsługiwał zarówno głos, jak i obliczenia”.
W tamtym czasie technologię CMOS postrzegano jako obiecującą, ale ryzykowną alternatywę dla konstrukcji NMOS i PMOS. Układy NMOS opierały się wyłącznie na tranzystorach typu N, które były szybkie, ale energochłonne, podczas gdy układy PMOS opierały się na ruchu dziur o ładunku dodatnim, co było zbyt wolne. CMOS wykorzystywał konstrukcję hybrydową, która zwiększała prędkość przy jednoczesnym oszczędzaniu energii. Zalety CMOS były tak przekonujące, że branża wkrótce zdała sobie sprawę, że nawet jeśli wymagałoby to dwukrotnie większej liczby tranzystorów (NMOS i PMOS dla każdej bramki), to było to opłacalne.
Wraz z szybkim rozwojem technologii półprzewodnikowej, opisanym przez prawo Moore'a, koszt podwojenia gęstości tranzystorów stał się możliwy do opanowania i ostatecznie znikomy. Jednak kiedy Bell Labs podjęło się tego ryzykownego przedsięwzięcia, technologia produkcji układów CMOS na dużą skalę nie była jeszcze sprawdzona, a koszty były stosunkowo wysokie.
Nie przestraszyło to Bell Labs. Firma wykorzystała wiedzę i doświadczenie swoich kampusów w Holmdel, Murray Hill i Naperville w stanie Illinois i stworzyła „zespół marzeń” inżynierów półprzewodników. W skład zespołu weszli Condrey, Steve Conn, wschodząca gwiazda projektowania układów scalonych, Victor Huang, kolejny projektant mikroprocesorów, oraz dziesiątki pracowników AT&T Bell Labs. W 1978 roku rozpoczęli oni prace nad nowym procesem CMOS i od podstaw zbudowali 32-bitowy mikroprocesor.
Zacznij od projektowania architektury
Condrey był byłym członkiem IEEE, a później pełnił funkcję dyrektora ds. technologii w firmie Intel. Kierowany przez niego zespół architektów dążył 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 skazane na dominację. Aby przełamać niezwykle cenny limit pamięci, wynoszący wówczas kilobajty (KB), 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 na równoległe przetwarzanie danych. Układy scalone zgodne z VME umożliwiają również ich wykorzystanie do sterowania w czasie rzeczywistym.
Zespół stworzył własną wersję Uniksa i wyposażył ją w funkcje czasu rzeczywistego, aby zapewnić kompatybilność z automatyką przemysłową i podobnymi aplikacjami. Inżynierowie z Bell Labs opracowali również logikę domina, która zwiększyła szybkość przetwarzania poprzez redukcję opóźnień w złożonych bramkach logicznych.
Dodatkowe techniki testowania i weryfikacji opracowano i wdrożono w module Bellmac-32, złożonym projekcie weryfikacji i testowania wielu układów scalonych, kierowanym przez Jen-Hsun Huanga, który pozwolił osiągnąć zerową lub bliską zeru liczbę defektów w produkcji złożonych układów scalonych. Było to pierwsze tego typu osiągnięcie na świecie w zakresie testów układów scalonych bardzo dużej skali (VLSI). Inżynierowie z Bell Labs opracowali systematyczny plan, wielokrotnie sprawdzali pracę swoich współpracowników i ostatecznie osiągnęli płynną współpracę w ramach wielu rodzin układów scalonych, czego ukoronowaniem był kompletny system mikrokomputerowy.
Teraz nadchodzi najtrudniejsza część: faktyczna produkcja układu scalonego.
„W tamtych czasach technologie projektowania układów, testowania i 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 układów scalonych zmusił zespół do drukowania dużych rysunków Calcomp. Schematy te 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 kwadrat o boku ponad 6 metrów. Kang i jego współpracownicy ręcznie rysowali każdy obwód kredkami, szukając uszkodzonych połączeń oraz nakładających się lub nieprawidłowo wykonanych połączeń międzyukładowych.
Po ukończeniu projektu fizycznego zespół stanął przed kolejnym wyzwaniem: produkcją. Chipy były produkowane w zakładzie Western Electric w Allentown w Pensylwanii, ale Kang wspomina, że wskaźnik wydajności (odsetek chipów na waflu spełniających standardy wydajności i jakości) był bardzo niski.
Aby temu zaradzić, Kang i jego współpracownicy codziennie jeździli do zakładu z New Jersey, zakasywali rękawy i robili wszystko, co konieczne, włącznie z zamiataniem podłóg i kalibracją sprzętu testowego, aby zbudować koleżeńską atmosferę i przekonać wszystkich, że najbardziej złożony produkt, jaki zakład kiedykolwiek próbował wytworzyć, rzeczywiście może być tam wytwarzany.
„Proces budowania zespołu przebiegł bezproblemowo” – 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 roku, ale nie spełniła oczekiwań. Docelowa częstotliwość pracy wynosiła zaledwie 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 niedokładność pomiarów. Współpracowali z zespołem Takeda Riken nad opracowaniem tabeli korekcji błędów pomiarowych.
Chipy Bellmac drugiej generacji charakteryzowały się częstotliwością taktowania przekraczającą 6,2 MHz, a czasami nawet 9 MHz. W tamtych czasach uważano to za dość wysoką wartość. 16-bitowy procesor Intel 8088, który IBM wprowadził do swojego pierwszego komputera PC w 1981 roku, miał częstotliwość taktowania zaledwie 4,77 MHz.
Dlaczego Bellmac-32 nie'stać się głównym nurtem
Pomimo obiecujących perspektyw, technologia Bellmac-32 nie zyskała powszechnego zastosowania komercyjnego. Według Condreya, pod koniec lat 80. AT&T zaczęło się interesować producentem sprzętu NCR, a później zdecydowało się na przejęcia, co oznaczało, że firma zdecydowała się wspierać różne linie produktów z chipami. Do tego czasu wpływ Bellmac-32 zaczął rosnąć.
„Przed Bellmac-32 na rynku dominował NMOS” – powiedział Condry. „Ale CMOS zmienił sytuację, ponieważ okazał się bardziej efektywnym sposobem wdrożenia go w fabryce”.
Z biegiem czasu ta świadomość zmieniła oblicze przemysłu półprzewodnikowego. Technologia CMOS stała 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 ujął to profesor Kang: „Byliśmy pionierami tego, co było możliwe. Nie podążaliśmy po prostu istniejącą ścieżką, ale przecieraliśmy nowe szlaki”. Profesor Huang, który później został zastępcą dyrektora Singapurskiego Instytutu Mikroelektroniki i jest również członkiem IEEE Fellow, dodaje: „Obejmowało to nie tylko architekturę i projekt układów scalonych, ale także ich weryfikację na dużą skalę – z wykorzystaniem oprogramowania CAD, ale bez dzisiejszych narzędzi do symulacji cyfrowej, a nawet płytek stykowych (standardowej metody sprawdzania projektu układu elektronicznego za pomocą układów scalonych przed ich trwałym połączeniem)”.
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 układów Bellmac-32.
Czas publikacji: 19 maja 2025 r.