Apariția acestui cip a schimbat cursul dezvoltării cipurilor!
La sfârșitul anilor 1970, procesoarele pe 8 biți erau încă cea mai avansată tehnologie la acea vreme, iar procesele CMOS erau dezavantajate în domeniul semiconductorilor. Inginerii de la AT&T Bell Labs au făcut un pas îndrăzneț spre viitor, combinând procesele de fabricație CMOS de ultimă generație de 3,5 microni cu arhitecturi inovatoare de procesoare pe 32 de biți, în efortul de a depăși concurenții în ceea ce privește performanța cipurilor, depășind IBM și Intel.
Deși invenția lor, microprocesorul Bellmac-32, nu a reușit să obțină succesul comercial al unor produse anterioare, cum ar fi Intel 4004 (lansat în 1971), influența sa a fost profundă. Astăzi, cipurile din aproape toate smartphone-urile, laptopurile și tabletele se bazează pe principiile CMOS (semiconductori metal-oxid complementari), inițiate de Bellmac-32.
Se apropiau anii 1980, iar AT&T încerca să se transforme. Timp de decenii, gigantul telecomunicațiilor, poreclit „Mother Bell”, dominase industria comunicațiilor vocale din Statele Unite, iar filiala sa Western Electric producea aproape toate telefoanele comune din casele și birourile americane. Guvernul federal american a cerut destrămarea afacerii AT&T pe motive antitrust, dar AT&T a văzut o oportunitate de a intra în domeniul computerelor.
Având în vedere că firmele de calculatoare erau deja bine stabilite pe piață, AT&T a întâmpinat dificultăți în a recupera terenul pierdut; strategia sa a fost să facă un salt rapid, iar Bellmac-32 a fost punctul de plecare.
Familia de cipuri Bellmac-32 a fost onorată cu un premiu IEEE Milestone. Ceremoniile de lansare vor avea loc anul acesta la campusul Nokia Bell Labs din Murray Hill, New Jersey, și la Muzeul de Istorie a Calculatoarelor din Mountain View, California.
CIP UNIC
În loc să urmeze standardul industrial al cipurilor pe 8 biți, directorii AT&T i-au provocat pe inginerii de la Bell Labs să dezvolte un produs revoluționar: primul microprocesor comercial capabil să transfere 32 de biți de date într-un singur ciclu de ceas. Acest lucru a necesitat nu doar un cip nou, ci și o arhitectură nouă - una care să poată gestiona comutarea telecomunicațiilor și să servească drept coloană vertebrală a viitoarelor sisteme de calcul.
„Nu construim doar un cip mai rapid”, a declarat Michael Condry, care conduce grupul de arhitectură de la fabrica Bell Labs din Holmdel, New Jersey. „Încercăm să proiectăm un cip care să poată suporta atât vocea, cât și calculul.”
La acea vreme, tehnologia CMOS era văzută ca o alternativă promițătoare, dar riscantă, la modelele NMOS și PMOS. Cipurile NMOS se bazau în întregime pe tranzistoare de tip N, care erau rapide, dar consumatoare de energie, în timp ce cipurile PMOS se bazau pe mișcarea golurilor încărcate pozitiv, ceea ce era prea lent. CMOS folosea un design hibrid care creștea viteza și economisea energie. Avantajele CMOS erau atât de convingătoare încât industria și-a dat seama curând că, chiar dacă necesita de două ori mai multe tranzistoare (NMOS și PMOS pentru fiecare poartă), merita efortul.
Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei semiconductorilor descrisă de Legea lui Moore, costul dublării densității tranzistoarelor a devenit gestionabil și în cele din urmă neglijabil. Cu toate acestea, când Bell Labs s-a angajat în acest pariu riscant, tehnologia de fabricație CMOS la scară largă nu era dovedită, iar costul era relativ ridicat.
Acest lucru nu a speriat Bell Labs. Compania a apelat la expertiza campusurilor sale din Holmdel, Murray Hill și Naperville, Illinois, și a format o „echipă de vis” de ingineri de semiconductori. Echipa i-a inclus pe Condrey, Steve Conn, o stea în ascensiune în proiectarea de cipuri, Victor Huang, un alt designer de microprocesoare, și zeci de angajați de la AT&T Bell Labs. Aceștia au început să stăpânească un nou proces CMOS în 1978 și să construiască un microprocesor pe 32 de biți de la zero.
Începeți cu arhitectura de design
Condrey a fost membru IEEE și ulterior a ocupat funcția de director tehnic la Intel. Echipa de arhitectură pe care a condus-o s-a dedicat construirii unui sistem care să suporte nativ sistemul de operare Unix și limbajul C. La acea vreme, atât Unix, cât și limbajul C erau încă la început, dar erau destinate să domine. Pentru a depăși limita de memorie extrem de valoroasă de kilobiți (KB) de la acea vreme, au introdus un set complex de instrucțiuni care necesita mai puțini pași de execuție și putea finaliza sarcinile într-un singur ciclu de ceas.
Inginerii au proiectat, de asemenea, cipuri care acceptă magistrala paralelă VersaModule Eurocard (VME), care permite calculul distribuit și permite mai multor noduri să proceseze date în paralel. Cipurile compatibile cu VME permit, de asemenea, utilizarea lor pentru control în timp real.
Echipa a scris propria versiune de Unix și i-a oferit capabilități în timp real pentru a asigura compatibilitatea cu automatizarea industrială și aplicații similare. Inginerii de la Bell Labs au inventat și logica domino, care a crescut viteza de procesare prin reducerea întârzierilor din porțile logice complexe.
Tehnici suplimentare de testare și verificare au fost dezvoltate și introduse odată cu modulul Bellmac-32, un proiect complex de verificare și testare multi-cip condus de Jen-Hsun Huang, care a permis obținerea a zero sau aproape zero defecte în fabricarea cipurilor complexe. Aceasta a fost o premieră în lumea testării circuitelor integrate la scară foarte mare (VLSI). Inginerii de la Bell Labs au dezvoltat un plan sistematic, au verificat în mod repetat munca colegilor lor și, în cele din urmă, au realizat o colaborare perfectă între mai multe familii de cipuri, culminând cu un sistem complet de microcomputer.
Urmează cea mai dificilă parte: fabricarea propriu-zisă a cipului.
„La acea vreme, tehnologiile de proiectare, testare și fabricație de înaltă performanță erau foarte rare”, își amintește Kang, care a devenit ulterior președinte al Institutului Coreean de Știință și Tehnologie Avansată (KAIST) și membru al IEEE. El observă că lipsa instrumentelor CAD pentru verificarea completă a cipului a obligat echipa să imprime desene Calcomp supradimensionate. Aceste scheme arată cum ar trebui aranjate tranzistoarele, firele și interconexiunile în cadrul unui cip pentru a oferi rezultatul dorit. Echipa le-a asamblat pe podea cu bandă adezivă, formând un desen pătrat gigantic cu latura de peste 6 metri. Kang și colegii săi au desenat manual fiecare circuit cu creioane colorate, căutând conexiuni rupte și interconexiuni suprapuse sau manipulate necorespunzător.
Odată ce designul fizic a fost finalizat, echipa s-a confruntat cu o altă provocare: fabricația. Cipurile au fost produse la uzina Western Electric din Allentown, Pennsylvania, dar Kang își amintește că rata de randament (procentul de cipuri de pe wafer care au îndeplinit standardele de performanță și calitate) a fost foarte scăzută.
Pentru a rezolva această problemă, Kang și colegii săi mergeau zilnic cu mașina la fabrică din New Jersey, își suflecau mânecile și făceau tot ce era necesar, inclusiv măturarea podelelor și calibrarea echipamentelor de testare, pentru a construi camaraderie și a convinge pe toată lumea că cel mai complex produs pe care fabrica încercase vreodată să îl producă putea fi într-adevăr fabricat acolo.
„Procesul de construire a echipei a decurs fără probleme”, a spus Kang. „După câteva luni, Western Electric a reușit să producă cipuri de înaltă calitate în cantități care au depășit cererea.”
Prima versiune a Bellmac-32 a fost lansată în 1980, dar nu a reușit să se ridice la înălțimea așteptărilor. Frecvența sa țintă de performanță era de doar 2 MHz, nu 4 MHz. Inginerii au descoperit că echipamentul de testare de ultimă generație Takeda Riken pe care îl foloseau la acea vreme era defect, efectele liniei de transmisie dintre sondă și capul de testare provocând măsurători inexacte. Au lucrat cu echipa Takeda Riken pentru a dezvolta un tabel de corecție pentru a corecta erorile de măsurare.
Cipurile Bellmac de a doua generație aveau viteze de ceas care depășeau 6,2 MHz, uneori chiar și 9 MHz. Aceasta era considerată destul de rapidă la acea vreme. Procesorul Intel 8088 pe 16 biți lansat de IBM în primul său PC în 1981 avea o viteză de ceas de doar 4,77 MHz.
De ce Bellmac-32 nu a„să nu devină mainstream
În ciuda promisiunilor sale, tehnologia Bellmac-32 nu a fost adoptată pe scară largă pe plan comercial. Potrivit lui Condrey, AT&T a început să se orienteze către producătorul de echipamente NCR la sfârșitul anilor 1980 și ulterior a apelat la achiziții, ceea ce a însemnat că firma a ales să susțină diferite linii de produse cu cipuri. Până atunci, influența Bellmac-32 începuse să crească.
„Înainte de Bellmac-32, NMOS domina piața”, a spus Condry. „Dar CMOS a schimbat peisajul pentru că s-a dovedit a fi o modalitate mai eficientă de a-l implementa în fabrică.”
În timp, această realizare a remodelat industria semiconductorilor. CMOS avea să devină baza microprocesoarelor moderne, alimentând revoluția digitală în dispozitive precum computerele desktop și smartphone-urile.
Experimentul îndrăzneț al Bell Labs — care a folosit un proces de fabricație netestat și care a cuprins o întreagă generație de arhitectură de cipuri — a reprezentat o piatră de hotar în istoria tehnologiei.
După cum spune profesorul Kang: „Eram în avangarda a ceea ce era posibil. Nu doar urmăm o cale existentă, ci deschideam o nouă potecă.” Profesorul Huang, care ulterior a devenit director adjunct al Institutului de Microelectronică din Singapore și este, de asemenea, membru IEEE, adaugă: „Aceasta a inclus nu doar arhitectura și proiectarea cipurilor, ci și verificarea cipurilor la scară largă - folosind CAD, dar fără instrumentele digitale de simulare de astăzi sau chiar plăcile de testare (o modalitate standard de verificare a designului circuitului unui sistem electronic folosind cipuri înainte ca componentele circuitului să fie conectate permanent împreună).”
Condry, Kang și Huang își amintesc cu drag de acea perioadă și își exprimă admirația pentru priceperea și dăruirea numeroșilor angajați AT&T ale căror eforturi au făcut posibilă familia de cipuri Bellmac-32.
Data publicării: 19 mai 2025