Ankomsten af denne chip ændrede kursen for chipudvikling!
I slutningen af 1970'erne var 8-bit processorer stadig den mest avancerede teknologi på det tidspunkt, og CMOS-processer var i en ulempe inden for halvlederområdet. Ingeniører hos AT&T Bell Labs tog et modigt skridt ind i fremtiden og kombinerede banebrydende 3,5-mikron CMOS-fremstillingsprocesser med innovative 32-bit processorarkitekturer i et forsøg på at overgå konkurrenterne inden for chipydelse og dermed overgå IBM og Intel.
Selvom deres opfindelse, Bellmac-32-mikroprocessoren, ikke opnåede den samme kommercielle succes som tidligere produkter, såsom Intel 4004 (udgivet i 1971), var dens indflydelse dybtgående. I dag er chips i næsten alle smartphones, bærbare computere og tablets baseret på de komplementære metaloxid-halvlederprincipper (CMOS), som Bellmac-32 var pioner for.
1980'erne nærmede sig, og AT&T forsøgte at transformere sig selv. I årtier havde telekommunikationsgiganten med tilnavnet "Mother Bell" domineret talekommunikationsbranchen i USA, og dets datterselskab Western Electric producerede næsten alle almindelige telefoner i amerikanske hjem og kontorer. Den amerikanske føderale regering opfordrede til opløsningen af AT&T's forretning af antitrust-grunde, men AT&T så en mulighed for at komme ind på computerområdet.
Da computervirksomheder allerede var veletablerede på markedet, havde AT&T svært ved at indhente det forsømte; deres strategi var at tage springet, og Bellmac-32 var deres springbræt.
Bellmac-32-chipfamilien er blevet hædret med en IEEE Milestone Award. Afsløringsceremonierne vil i år blive afholdt på Nokia Bell Labs campus i Murray Hill, New Jersey, og på Computer History Museum i Mountain View, Californien.
UNIK CHIP
I stedet for at følge industristandarden for 8-bit chips udfordrede AT&T-chefer Bell Labs' ingeniører til at udvikle et revolutionerende produkt: den første kommercielle mikroprocessor, der var i stand til at overføre 32 bits data i en enkelt clockcyklus. Dette krævede ikke kun en ny chip, men også en ny arkitektur – en arkitektur, der kunne håndtere telekommunikationskobling og fungere som rygraden i fremtidens computersystemer.
"Vi bygger ikke bare en hurtigere chip," sagde Michael Condry, der leder arkitekturgruppen på Bell Labs' anlæg i Holmdel, New Jersey. "Vi forsøger at designe en chip, der kan understøtte både tale og databehandling."
På det tidspunkt blev CMOS-teknologi set som et lovende, men risikabelt alternativ til NMOS- og PMOS-design. NMOS-chips var udelukkende afhængige af N-type transistorer, som var hurtige, men strømkrævende, mens PMOS-chips var afhængige af bevægelsen af positivt ladede huller, hvilket var for langsomt. CMOS brugte et hybriddesign, der øgede hastigheden og samtidig sparede strøm. Fordelene ved CMOS var så overbevisende, at industrien hurtigt indså, at selvom det krævede dobbelt så mange transistorer (NMOS og PMOS for hver gate), var det det værd.
Med den hurtige udvikling af halvlederteknologi, beskrevet af Moores lov, blev omkostningerne ved at fordoble transistortætheden håndterbare og til sidst ubetydelige. Men da Bell Labs påbegyndte dette højrisikosatsning, var storstilet CMOS-produktionsteknologi uprøvet, og omkostningerne var relativt høje.
Dette skræmte ikke Bell Labs. Virksomheden trak på ekspertisen fra sine campusser i Holmdel, Murray Hill og Naperville, Illinois, og samlede et "drømmehold" af halvlederingeniører. Teamet bestod af Condrey, Steve Conn, en stigende stjerne inden for chipdesign, Victor Huang, en anden mikroprocessordesigner, og snesevis af medarbejdere fra AT&T Bell Labs. De begyndte at mestre en ny CMOS-proces i 1978 og bygge en 32-bit mikroprocessor fra bunden.
Start med designarkitektur
Condrey var tidligere IEEE Fellow og fungerede senere som Intels Chief Technology Officer. Arkitekturteamet, han ledede, var dedikeret til at bygge et system, der understøttede Unix-operativsystemet og C-sproget. På det tidspunkt var både Unix og C-sproget stadig i deres vorden, men de var bestemt til at dominere. For at bryde igennem den ekstremt værdifulde hukommelsesgrænse på kilobyte (KB) på det tidspunkt introducerede de et komplekst instruktionssæt, der krævede færre udførelsestrin og kunne fuldføre opgaver inden for én clockcyklus.
Ingeniørerne designede også chips, der understøtter VersaModule Eurocard (VME) parallelbussen, som muliggør distribueret databehandling og giver flere noder mulighed for at behandle data parallelt. VME-kompatible chips gør det også muligt at bruge dem til realtidsstyring.
Holdet skrev sin egen version af Unix og gav den realtidsfunktioner for at sikre kompatibilitet med industriel automation og lignende applikationer. Bell Labs' ingeniører opfandt også domino-logik, som øgede behandlingshastigheden ved at reducere forsinkelser i komplekse logiske gates.
Yderligere test- og verifikationsteknikker blev udviklet og introduceret med Bellmac-32-modulet, et komplekst multi-chip verifikations- og testprojekt ledet af Jen-Hsun Huang, der opnåede nul eller næsten nul defekter i kompleks chipproduktion. Dette var en førstegangstest i verden inden for meget storskala integreret kredsløb (VLSI). Bell Labs' ingeniører udviklede en systematisk plan, kontrollerede gentagne gange deres kollegers arbejde og opnåede i sidste ende et problemfrit samarbejde på tværs af flere chipfamilier, hvilket kulminerede i et komplet mikrocomputersystem.
Dernæst kommer den mest udfordrende del: selve fremstillingen af chippen.
"På det tidspunkt var layout-, test- og højtydende produktionsteknologier meget knappe," husker Kang, der senere blev præsident for Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) og fellow i IEEE. Han bemærker, at manglen på CAD-værktøjer til verifikation af hele chip tvang teamet til at udskrive Calcomp-tegninger i overdimensionerede størrelser. Disse skemaer viser, hvordan transistorer, ledninger og forbindelser skal arrangeres i en chip for at give det ønskede output. Teamet samlede dem på gulvet med tape og dannede en kæmpe firkantet tegning på mere end 6 meter på hver side. Kang og hans kolleger tegnede hvert kredsløb i hånden med farveblyanter og ledte efter ødelagte forbindelser og overlappende eller forkert håndterede forbindelser.
Da det fysiske design var færdigt, stod teamet over for endnu en udfordring: fremstilling. Chipsene blev produceret på Western Electric-fabrikken i Allentown, Pennsylvania, men Kang husker, at udbyttet (procentdelen af chips på waferen, der opfyldte ydeevne- og kvalitetsstandarder) var meget lavt.
For at imødekomme dette kørte Kang og hans kolleger til fabrikken fra New Jersey hver dag, smøgede ærmerne op og gjorde alt, hvad der var nødvendigt, herunder at feje gulve og kalibrere testudstyr, for at opbygge kammeratskab og overbevise alle om, at det mest komplekse produkt, fabrikken nogensinde havde forsøgt at producere, faktisk kunne fremstilles der.
"Teambuilding-processen gik glat," sagde Kang. "Efter et par måneder var Western Electric i stand til at producere chips af høj kvalitet i mængder, der oversteg efterspørgslen."
Den første version af Bellmac-32 blev udgivet i 1980, men den levede ikke op til forventningerne. Dens målfrekvens var kun 2 MHz, ikke 4 MHz. Ingeniørerne opdagede, at det avancerede Takeda Riken testudstyr, de brugte på det tidspunkt, var mangelfuldt, da transmissionslinjeeffekter mellem sonden og testhovedet forårsagede unøjagtige målinger. De arbejdede sammen med Takeda Riken-teamet for at udvikle en korrektionstabel til at rette målefejlene.
Anden generation af Bellmac-chips havde clockhastigheder på over 6,2 MHz, nogle gange så høje som 9 MHz. Dette blev betragtet som ret hurtigt på det tidspunkt. Den 16-bit Intel 8088-processor, som IBM udgav i sin første pc i 1981, havde en clockhastighed på kun 4,77 MHz.
Hvorfor Bellmac-32 ikke'ikke blive mainstream
Trods sit løfte opnåede Bellmac-32-teknologien ikke udbredt kommerciel adoption. Ifølge Condrey begyndte AT&T at se på udstyrsproducenten NCR i slutningen af 1980'erne og vendte sig senere mod opkøb, hvilket betød, at virksomheden valgte at understøtte forskellige chipproduktlinjer. På det tidspunkt var Bellmac-32's indflydelse begyndt at vokse.
"Før Bellmac-32 dominerede NMOS markedet," sagde Condry. "Men CMOS ændrede landskabet, fordi det viste sig at være en mere effektiv måde at implementere det på i fabrikken."
Med tiden omformede denne erkendelse halvlederindustrien. CMOS ville blive grundlaget for moderne mikroprocessorer, der drev den digitale revolution inden for enheder som stationære computere og smartphones.
Bell Labs' dristige eksperiment – der anvendte en uprøvet fremstillingsproces og strakte sig over en hel generation af chiparkitekturer – var en milepæl i teknologiens historie.
Som professor Kang udtrykker det: "Vi var på forkant med, hvad der var muligt. Vi fulgte ikke bare en eksisterende vej, vi banede en ny vej." Professor Huang, der senere blev vicedirektør for Singapore Institute of Microelectronics og også er IEEE Fellow, tilføjer: "Dette omfattede ikke kun chiparkitektur og -design, men også chipverifikation i stor skala – ved hjælp af CAD, men uden nutidens digitale simuleringsværktøjer eller endda breadboards (en standardmetode til at kontrollere kredsløbsdesignet i et elektronisk system ved hjælp af chips, før kredsløbskomponenterne er permanent forbundet sammen)."
Condry, Kang og Huang ser tilbage på den tid med glæde og udtrykker beundring for de mange AT&T-medarbejderes dygtighed og dedikation, hvis indsats gjorde Bellmac-32-chipfamilien mulig.
Udsendelsestidspunkt: 19. maj 2025