Prihod tega čipa je spremenil potek razvoja čipov!
Konec sedemdesetih let prejšnjega stoletja so bili 8-bitni procesorji takrat še vedno najnaprednejša tehnologija, CMOS postopki pa so bili na področju polprevodnikov v slabšem položaju. Inženirji v laboratorijih AT&T Bell so naredili drzen korak v prihodnost in združili najsodobnejše 3,5-mikronske proizvodne postopke CMOS z inovativnimi 32-bitnimi procesorskimi arhitekturami, da bi prehiteli konkurenco v zmogljivosti čipov in prehiteli IBM in Intel.
Čeprav njihov izum, mikroprocesor Bellmac-32, ni dosegel komercialnega uspeha prejšnjih izdelkov, kot je Intel 4004 (izdan leta 1971), je bil njegov vpliv globok. Danes čipi v skoraj vseh pametnih telefonih, prenosnikih in tablicah temeljijo na načelih komplementarnega kovinsko-oksidnega polprevodnika (CMOS), ki jih je uvedel Bellmac-32.
Bližala so se osemdeseta leta prejšnjega stoletja in AT&T se je poskušal preoblikovati. Telekomunikacijski velikan z vzdevkom "Mati zvon" je desetletja prevladoval v poslovanju z glasovnimi komunikacijami v Združenih državah Amerike, njegova hčerinska družba Western Electric pa je proizvajala skoraj vse običajne telefone v ameriških domovih in pisarnah. Ameriška zvezna vlada je zaradi protimonopolnih razlogov pozvala k razdružitvi poslovanja AT&T, vendar je AT&T videl priložnost za vstop na računalniško področje.
Ker so bila računalniška podjetja na trgu že dobro uveljavljena, je imel AT&T težave z dohitevanjem; njegova strategija je bila preskakovanje, Bellmac-32 pa je bil odskočna deska.
Družina čipov Bellmac-32 je prejela nagrado IEEE Milestone Award. Slovesnosti ob predstavitvi bodo letos potekale v kampusu Nokia Bell Labs v Murray Hillu v New Jerseyju in v Muzeju računalniške zgodovine v Mountain Viewu v Kaliforniji.
UNIKATEN ČIP
Namesto da bi sledili industrijskemu standardu 8-bitnih čipov, so vodstvo podjetja AT&T izzvalo inženirje Bell Labsa, naj razvijejo revolucionaren izdelek: prvi komercialni mikroprocesor, ki je sposoben prenesti 32 bitov podatkov v enem samem taktnem ciklu. To ni zahtevalo le novega čipa, temveč tudi novo arhitekturo – takšno, ki bi lahko obvladovala telekomunikacijsko preklapljanje in služila kot hrbtenica prihodnjih računalniških sistemov.
»Ne gradimo le hitrejšega čipa,« je dejal Michael Condry, ki vodi skupino za arhitekturo v obratu Bell Labs v Holmdelu v New Jerseyju. »Poskušamo zasnovati čip, ki lahko podpira tako glas kot računalništvo.«
Takrat je bila tehnologija CMOS videti kot obetavna, a tvegana alternativa zasnovam NMOS in PMOS. Čipi NMOS so se v celoti zanašali na tranzistorje tipa N, ki so bili hitri, a požrešni po energiji, medtem ko so se čipi PMOS zanašali na gibanje pozitivno nabitih lukenj, kar je bilo prepočasno. CMOS je uporabljal hibridno zasnovo, ki je povečala hitrost in hkrati prihranila energijo. Prednosti CMOS so bile tako prepričljive, da je industrija kmalu spoznala, da se splača, tudi če potrebuje dvakrat več tranzistorjev (NMOS in PMOS za vsaka vrata).
Z naglim razvojem polprevodniške tehnologije, ki jo opisuje Moorov zakon, so stroški podvojitve gostote tranzistorjev postali obvladljivi in sčasoma zanemarljivi. Ko pa se je Bell Labs lotil tega tveganega tveganja, tehnologija obsežne proizvodnje CMOS-ov ni bila preizkušena, stroški pa so bili relativno visoki.
To ni prestrašilo Bell Labsov. Podjetje se je oprlo na strokovno znanje svojih kampusov v Holmdelu, Murray Hillu in Napervillu v Illinoisu ter sestavilo "sanjsko ekipo" inženirjev polprevodnikov. V ekipi so bili Condrey, Steve Conn, vzhajajoča zvezda v oblikovanju čipov, Victor Huang, še en oblikovalec mikroprocesorjev, in številni zaposleni iz AT&T Bell Labs. Leta 1978 so začeli osvajati nov CMOS postopek in iz nič graditi 32-bitni mikroprocesor.
Začnite z arhitekturnim oblikovanjem
Condrey je bil nekdanji član IEEE in kasneje glavni tehnološki direktor pri Intelu. Arhitekturna ekipa, ki jo je vodil, je bila predana izgradnji sistema, ki bi izvorno podpiral operacijski sistem Unix in jezik C. Takrat sta bila tako Unix kot jezik C še v povojih, a jima je bilo usojeno prevladati. Da bi prebili takrat izjemno dragoceno omejitev pomnilnika v kilobajtih (KB), so uvedli kompleksen nabor ukazov, ki je zahteval manj izvedbenih korakov in je lahko opravil naloge v enem taktnem ciklu.
Inženirji so zasnovali tudi čipe, ki podpirajo vzporedno vodilo VersaModule Eurocard (VME), ki omogoča porazdeljeno računalništvo in vzporedno obdelavo podatkov več vozliščim. Čipi, združljivi z VME, omogočajo tudi njihovo uporabo za nadzor v realnem času.
Ekipa je napisala svojo različico Unixa in ji dodala zmogljivosti delovanja v realnem času, da bi zagotovila združljivost z industrijsko avtomatizacijo in podobnimi aplikacijami. Inženirji Bell Labsa so izumili tudi domino logiko, ki je povečala hitrost obdelave z zmanjšanjem zamud v kompleksnih logičnih vratih.
Dodatne tehnike testiranja in preverjanja so bile razvite in uvedene z modulom Bellmac-32, kompleksnim projektom preverjanja in testiranja več čipov, ki ga je vodil Jen-Hsun Huang in je dosegel ničelno ali skoraj ničelno stopnjo napak pri izdelavi kompleksnih čipov. To je bil prvi takšen primer testiranja zelo velikih integriranih vezij (VLSI) v svetu. Inženirji Bell Labs so razvili sistematičen načrt, večkrat preverili delo svojih kolegov in na koncu dosegli brezhibno sodelovanje med več družinami čipov, kar je privedlo do popolnega mikroračunalniškega sistema.
Sledi najzahtevnejši del: dejanska izdelava čipa.
»Takrat so bile tehnologije za postavitev, testiranje in visokozmogljivo proizvodnjo zelo redke,« se spominja Kang, ki je kasneje postal predsednik Korejskega naprednega inštituta za znanost in tehnologijo (KAIST) in član IEEE. Opozarja, da je pomanjkanje orodij CAD za preverjanje celotnega čipa ekipo prisililo, da je natisnila prevelike risbe Calcompa. Te sheme prikazujejo, kako je treba tranzistorje, žice in medsebojne povezave razporediti znotraj čipa, da se doseže želeni izhod. Ekipa jih je sestavila na tleh s trakom in tako oblikovala velikansko kvadratno risbo s stranico več kot 6 metrov. Kang in njegovi kolegi so vsako vezje ročno narisali z barvnimi svinčniki in iskali prekinjene povezave ter prekrivajoče se ali nepravilno ravnane medsebojne povezave.
Ko je bila fizična zasnova končana, se je ekipa soočila z novim izzivom: proizvodnjo. Čipi so bili proizvedeni v tovarni Western Electric v Allentownu v Pensilvaniji, vendar se Kang spominja, da je bila stopnja izkoristka (odstotek čipov na rezini, ki so izpolnjevali standarde zmogljivosti in kakovosti) zelo nizka.
Da bi to rešili, so se Kang in njegovi kolegi vsak dan vozili v tovarno iz New Jerseyja, zavihali rokave in storili vse, kar je bilo potrebno, vključno s pometanjem tal in kalibracijo testne opreme, da bi zgradili tovarištvo in prepričali vse, da je najkompleksnejši izdelek, kar jih je tovarna kdaj poskušala proizvesti, resnično mogoče izdelati tam.
»Proces izgradnje ekipe je potekal gladko,« je dejal Kang. »Po nekaj mesecih je Western Electric lahko proizvajal visokokakovostne čipe v količinah, ki so presegle povpraševanje.«
Prva različica Bellmac-32 je bila izdana leta 1980, vendar ni izpolnila pričakovanj. Njegova ciljna frekvenca delovanja je bila le 2 MHz, ne 4 MHz. Inženirji so ugotovili, da je bila najsodobnejša testna oprema Takeda Riken, ki so jo takrat uporabljali, pomanjkljiva, saj so učinki prenosnih vodov med sondo in testno glavo povzročali netočne meritve. Z ekipo Takeda Riken so sodelovali pri razvoju korekcijske tabele za odpravo napak pri meritvah.
Čipi Bellmac druge generacije so imeli taktne frekvence, ki so presegale 6,2 MHz, včasih celo 9 MHz. To je takrat veljalo za precej hitro. 16-bitni procesor Intel 8088, ki ga je IBM izdal v svojem prvem osebnem računalniku leta 1981, je imel taktno frekvenco le 4,77 MHz.
Zakaj Bellmac-32 ni'ne postati mainstream
Kljub svoji obljubi tehnologija Bellmac-32 ni dobila široke komercialne uporabe. Po Condreyjevih besedah se je AT&T konec osemdesetih let začel zanimati za proizvajalca opreme NCR in se kasneje obrnil na prevzeme, kar je pomenilo, da se je podjetje odločilo podpirati različne linije čipov. Do takrat je vpliv Bellmac-32 začel naraščati.
»Pred Bellmac-32 je trg prevladoval NMOS,« je dejal Condry. »Toda CMOS je spremenil situacijo, ker se je izkazal za učinkovitejši način njegove implementacije v tovarni.«
Sčasoma je to spoznanje preoblikovalo polprevodniško industrijo. CMOS je postal osnova za sodobne mikroprocesorje, ki so poganjali digitalno revolucijo v napravah, kot so namizni računalniki in pametni telefoni.
Drzni eksperiment Bell Labsa – z uporabo nepreizkušenega proizvodnega procesa, ki je zajemal celotno generacijo arhitekture čipov – je bil mejnik v zgodovini tehnologije.
Kot pravi profesor Kang: »Bili smo v ospredju tega, kar je bilo mogoče. Nismo le sledili obstoječi poti, ampak smo utirali novo.« Profesor Huang, ki je kasneje postal namestnik direktorja Singapurskega inštituta za mikroelektroniko in je tudi član IEEE, dodaja: »To ni vključevalo le arhitekture in zasnove čipov, temveč tudi preverjanje čipov v velikem obsegu – z uporabo CAD-a, vendar brez današnjih orodij za digitalno simulacijo ali celo testnih plošč (standardni način preverjanja zasnove vezja elektronskega sistema z uporabo čipov, preden so komponente vezja trajno povezane).«
Condry, Kang in Huang se z naklonjenostjo spominjajo tistega časa in izražajo občudovanje za spretnost in predanost številnih zaposlenih v podjetju AT&T, katerih prizadevanja so omogočila družino čipov Bellmac-32.
Čas objave: 19. maj 2025