Поява цього чіпа змінила хід розробки чіпів!
Наприкінці 1970-х років 8-бітні процесори все ще були найсучаснішою технологією на той час, а КМОП-процеси мали невигідне становище в галузі напівпровідників. Інженери з AT&T Bell Labs зробили сміливий крок у майбутнє, поєднавши передові 3,5-мікронні КМОП-технологічні процеси з інноваційними 32-бітними архітектурами процесорів, прагнучи перевершити конкурентів за продуктивністю чіпів, випередивши IBM та Intel.
Хоча їхній винахід, мікропроцесор Bellmac-32, не зміг досягти комерційного успіху попередніх продуктів, таких як Intel 4004 (випущений у 1971 році), його вплив був глибоким. Сьогодні чіпи майже у всіх смартфонах, ноутбуках і планшетах базуються на принципах комплементарних металоксидних напівпровідників (КМОП), вперше запропонованих Bellmac-32.
Наближалися 1980-ті роки, і AT&T намагалася трансформуватися. Протягом десятиліть телекомунікаційний гігант на прізвисько «Дзвін матері» домінував у бізнесі голосового зв'язку в Сполучених Штатах, а його дочірня компанія Western Electric виробляла майже всі поширені телефони в американських будинках та офісах. Федеральний уряд США закликав до поділу бізнесу AT&T з антимонопольних міркувань, але AT&T побачила можливість увійти в комп'ютерну сферу.
Оскільки комп'ютерні компанії вже добре зарекомендували себе на ринку, AT&T було важко наздогнати їх; їхня стратегія полягала в тому, щоб випередити конкурентів, і Bellmac-32 став для цього трампліном.
Сімейство мікросхем Bellmac-32 було удостоєно нагороди IEEE Milestone Award. Церемонії презентації відбудуться цього року в кампусі Nokia Bell Labs у Мюррей-Гілл, штат Нью-Джерсі, та в Музеї історії комп'ютерів у Маунтін-В'ю, штат Каліфорнія.
УНІКАЛЬНИЙ ЧІП
Замість того, щоб дотримуватися галузевого стандарту 8-бітних чіпів, керівники AT&T поставили перед інженерами Bell Labs завдання розробити революційний продукт: перший комерційний мікропроцесор, здатний передавати 32 біти даних за один такт. Це вимагало не лише нового чіпа, але й нової архітектури — такої, яка могла б обробляти комутацію телекомунікацій та слугувати основою майбутніх обчислювальних систем.
«Ми не просто створюємо швидший чіп», — сказав Майкл Кондрі, який очолює групу архітектури на об'єкті Bell Labs у Холмделі, штат Нью-Джерсі. «Ми намагаємося розробити чіп, який може підтримувати як голос, так і обчислення».
У той час технологія CMOS розглядалася як перспективна, але ризикована альтернатива конструкціям NMOS та PMOS. NMOS-транзистори повністю спиралися на N-типу транзистори, які були швидкими, але енергоємними, тоді як PMOS-транзистори спиралися на рух позитивно заряджених дірок, що було занадто повільним. CMOS використовувала гібридну конструкцію, яка збільшувала швидкість, одночасно заощаджуючи енергію. Переваги CMOS були настільки переконливими, що промисловість незабаром зрозуміла, що навіть якщо для цього потрібно вдвічі більше транзисторів (NMOS та PMOS для кожного затвора), це того варте.
Зі швидким розвитком напівпровідникової технології, описаної законом Мура, вартість подвоєння щільності транзисторів стала керованою і зрештою незначною. Однак, коли Bell Labs розпочала цю ризиковану авантюру, технологія великомасштабного виробництва КМОП-транзисторів була неперевіреною, а вартість була відносно високою.
Це не налякало Bell Labs. Компанія спиралася на досвід своїх кампусів у Холмделі, Мюррей-Гілл та Нейпервіллі, штат Іллінойс, і зібрала «команду мрії» з інженерів-напівпровідників. До команди входили Кондрі, Стів Конн, висхідна зірка в галузі розробки мікросхем, Віктор Хуанг, ще один розробник мікропроцесорів, та десятки співробітників AT&T Bell Labs. Вони почали освоювати новий CMOS-процес у 1978 році та створювати 32-бітний мікропроцесор з нуля.
Почніть з архітектури дизайну
Кондрі був колишнім членом IEEE, а згодом обіймав посаду головного технічного директора Intel. Команда архітектури, яку він очолював, була прагне створити систему, яка б власно підтримувала операційну систему Unix та мову програмування C. У той час і Unix, і мова C ще перебували на стадії становлення, але їм судилося домінувати. Щоб подолати надзвичайно цінний на той час ліміт пам'яті в кілобайти (КБ), вони запровадили складний набір інструкцій, який вимагав менше кроків виконання та міг виконувати завдання протягом одного такту.
Інженери також розробили чіпи, що підтримують паралельну шину VersaModule Eurocard (VME), яка забезпечує розподілені обчислення та дозволяє кільком вузлам обробляти дані паралельно. VME-сумісні чіпи також дозволяють використовувати їх для керування в режимі реального часу.
Команда написала власну версію Unix та надала їй можливості роботи в режимі реального часу, щоб забезпечити сумісність з промисловою автоматизацією та подібними програмами. Інженери Bell Labs також винайшли логіку доміно, яка збільшила швидкість обробки за рахунок зменшення затримок у складних логічних вентилях.
Додаткові методи тестування та верифікації були розроблені та впроваджені за допомогою модуля Bellmac-32, складного проекту з верифікації та тестування багатьох мікросхем під керівництвом Джен-Хсун Хуанга, який досяг нульового або майже нульового рівня дефектів у виробництві складних мікросхем. Це було перше у світі випробування надвеликих інтегральних схем (НВІС). Інженери Bell Labs розробили систематичний план, неодноразово перевіряли роботу своїх колег і зрештою досягли безперебійної співпраці між кількома сімействами мікросхем, що призвело до створення повноцінної мікрокомп'ютерної системи.
Далі настає найскладніша частина: власне виробництво чіпа.
«У той час технології компонування, тестування та високопродуктивного виробництва були дуже дефіцитними», – згадує Кан, який згодом став президентом Корейського передового інституту науки і технологій (KAIST) та членом IEEE. Він зазначає, що відсутність інструментів САПР для повної перевірки мікросхем змусила команду друкувати величезні креслення Calcomp. Ці схеми показують, як транзистори, дроти та з’єднання повинні бути розташовані всередині мікросхеми, щоб забезпечити бажаний вихідний сигнал. Команда зібрала їх на підлозі за допомогою скотчу, утворюючи гігантський квадратний малюнок зі стороною понад 6 метрів. Кан та його колеги від руки намалювали кожну схему кольоровими олівцями, шукаючи пошкоджені з’єднання та перекриття або неправильно оброблені з’єднання.
Після завершення фізичного проектування команда зіткнулася з ще одним викликом: виробництвом. Чіпи вироблялися на заводі Western Electric в Аллентауні, штат Пенсільванія, але Канг згадує, що коефіцієнт виходу (відсоток чіпів на пластині, які відповідали стандартам продуктивності та якості) був дуже низьким.
Щоб вирішити цю проблему, Канг та його колеги щодня їздили на завод з Нью-Джерсі, засукали рукави та робили все необхідне, включаючи підмітання підлоги та калібрування випробувального обладнання, аби створити товариські стосунки та переконати всіх, що найскладніший продукт, який коли-небудь намагався виробляти завод, справді можна виготовити саме тут.
«Процес формування команди пройшов гладко», — сказав Канг. «Через кілька місяців Western Electric змогла виробляти високоякісні чіпи в кількостях, які перевищували попит».
Перша версія Bellmac-32 була випущена в 1980 році, але вона не виправдала очікувань. Його цільова частота становила лише 2 МГц, а не 4 МГц. Інженери виявили, що сучасне випробувальне обладнання Takeda Riken, яке вони використовували на той час, мало недоліки, а ефекти лінії передачі між зондом і випробувальною головкою призводили до неточних вимірювань. Вони працювали з командою Takeda Riken над розробкою коригувальної таблиці для виправлення похибок вимірювань.
Чіпи Bellmac другого покоління мали тактову частоту понад 6,2 МГц, а іноді й 9 МГц. На той час це вважалося досить швидким. 16-бітний процесор Intel 8088, який IBM випустила у своєму першому ПК у 1981 році, мав тактову частоту лише 4,77 МГц.
Чому Bellmac-32 не'не стати мейнстрімом
Незважаючи на свою багатообіцяючість, технологія Bellmac-32 не отримала широкого комерційного впровадження. За словами Кондрі, AT&T почала розглядати виробника обладнання NCR наприкінці 1980-х років, а пізніше звернулася до придбань, що означало, що компанія вирішила підтримувати різні лінійки мікросхем. На той час вплив Bellmac-32 почав зростати.
«До появи Bellmac-32 на ринку домінували NMOS-транзистори», — сказав Кондрі. «Але CMOS-транзистори змінили ситуацію, оскільки виявилися ефективнішим способом їх впровадження у виробництві».
З часом це усвідомлення змінило напівпровідникову промисловість. КМОП стала основою для сучасних мікропроцесорів, що сприяло цифровій революції в таких пристроях, як настільні комп'ютери та смартфони.
Сміливий експеримент Bell Labs, що використовував неперевірений виробничий процес і охоплював ціле покоління архітектури мікросхем, став віхою в історії технологій.
Як зазначає професор Канг: «Ми були на передовій можливого. Ми не просто йшли існуючим шляхом, ми прокладали новий». Професор Хуанг, який пізніше став заступником директора Сінгапурського інституту мікроелектроніки, а також є стипендіатом IEEE, додає: «Це включало не лише архітектуру та дизайн мікросхем, але й масштабну верифікацію мікросхем – за допомогою САПР, але без сучасних інструментів цифрового моделювання чи навіть макетних плат (стандартний спосіб перевірки схеми електронної системи за допомогою мікросхем, перш ніж компоненти схеми будуть остаточно з’єднані разом)».
Кондрі, Канг і Хуан з теплотою згадують той час і висловлюють захоплення майстерністю та відданістю багатьох співробітників AT&T, чиї зусилля зробили можливим створення сімейства мікросхем Bellmac-32.
Час публікації: 19 травня 2025 р.