Появата на този чип промени хода на разработването на чипове!
В края на 70-те години на миналия век 8-битовите процесори все още бяха най-модерната технология по това време, а CMOS процесите бяха в неизгодно положение в областта на полупроводниците. Инженерите от AT&T Bell Labs направиха смела крачка към бъдещето, комбинирайки авангардни 3,5-микронни CMOS производствени процеси с иновативни 32-битови процесорни архитектури в опит да надминат конкурентите си по производителност на чиповете, изпреварвайки IBM и Intel.
Въпреки че тяхното изобретение, микропроцесорът Bellmac-32, не успя да постигне търговския успех на по-ранни продукти като Intel 4004 (пуснат на пазара през 1971 г.), влиянието му беше дълбоко. Днес чиповете в почти всички смартфони, лаптопи и таблети разчитат на принципите на комплементарния метал-оксиден полупроводник (CMOS), въведени от Bellmac-32.
Наближаваха 80-те години на миналия век и AT&T се опитваше да се трансформира. В продължение на десетилетия телекомуникационният гигант, наричан „Майката камбана“, доминираше бизнеса с гласови комуникации в Съединените щати, а дъщерното му дружество Western Electric произвеждаше почти всички разпространени телефони в американските домове и офиси. Федералното правителство на САЩ настояваше за разделяне на бизнеса на AT&T по антитръстови причини, но AT&T видя възможност да навлезе в компютърната област.
Тъй като компютърните компании вече бяха добре установени на пазара, AT&T трудно успяваше да навакса; стратегията им беше да изпреварват потребителите, а Bellmac-32 беше трамплинът им.
Семейството чипове Bellmac-32 беше удостоено с наградата IEEE Milestone. Церемонията по представянето ще се проведе тази година в кампуса на Nokia Bell Labs в Мъри Хил, Ню Джърси, и в Музея на компютърната история в Маунтин Вю, Калифорния.
УНИКАЛЕН ЧИП
Вместо да следват индустриалния стандарт за 8-битови чипове, ръководителите на AT&T предизвикаха инженерите на Bell Labs да разработят революционен продукт: първият търговски микропроцесор, способен да прехвърля 32 бита данни в един тактов цикъл. Това изискваше не само нов чип, но и нова архитектура – такава, която можеше да обработва телекомуникационната комутация и да служи като гръбнак на бъдещите компютърни системи.
„Ние не просто изграждаме по-бърз чип“, каза Майкъл Кондри, който ръководи архитектурната група в съоръжението на Bell Labs в Холмдел, Ню Джърси. „Опитваме се да проектираме чип, който може да поддържа както глас, така и изчисления.“
По това време CMOS технологията се разглеждаше като обещаваща, но рискована алтернатива на NMOS и PMOS дизайните. NMOS чиповете разчитаха изцяло на N-тип транзистори, които бяха бързи, но енергоемки, докато PMOS чиповете разчитаха на движението на положително заредени дупки, което беше твърде бавно. CMOS използваше хибриден дизайн, който увеличаваше скоростта, като същевременно пестеше енергия. Предимствата на CMOS бяха толкова убедителни, че индустрията скоро осъзна, че дори да изисква два пъти повече транзистори (NMOS и PMOS за всеки гейт), си заслужаваше.
С бързото развитие на полупроводниковите технологии, описани от закона на Мур, цената на удвояване на плътността на транзисторите стана управляема и в крайна сметка незначителна. Когато обаче Bell Labs се впуснаха в този високорисков хазарт, технологията за производство на CMOS в голям мащаб беше недоказана и цената беше сравнително висока.
Това не уплаши Bell Labs. Компанията се възползва от експертния опит на своите кампуси в Холмдел, Мъри Хил и Нейпървил, Илинойс, и сформира „екип мечта“ от инженери по полупроводници. Екипът включваше Кондри, Стив Кон, изгряваща звезда в дизайна на чипове, Виктор Хуанг, друг дизайнер на микропроцесори, и десетки служители от AT&T Bell Labs. Те започнаха да усвояват нов CMOS процес през 1978 г. и да изграждат 32-битов микропроцесор от нулата.
Започнете с дизайнерска архитектура
Кондри е бил член на IEEE, а по-късно е бил главен технологичен директор на Intel. Архитектурният екип, който е ръководил, е бил ангажиран с изграждането на система, която нативно да поддържа операционната система Unix и езика C. По това време както Unix, така и езикът C са били все още в начален стадий на развитие, но са били предопределени да доминират. За да преодолеят изключително ценния по това време лимит на паметта от килобайти (KB), те въведоха сложен набор от инструкции, който изискваше по-малко стъпки за изпълнение и можеше да изпълнява задачи в рамките на един тактов цикъл.
Инженерите са проектирали и чипове, които поддържат паралелната шина VersaModule Eurocard (VME), която позволява разпределени изчисления и позволява на множество възли да обработват данни паралелно. VME-съвместимите чипове им позволяват да се използват и за управление в реално време.
Екипът написа своя собствена версия на Unix и ѝ предостави възможности за работа в реално време, за да осигури съвместимост с индустриална автоматизация и подобни приложения. Инженерите на Bell Labs също така изобретиха домино логиката, която увеличи скоростта на обработка чрез намаляване на закъсненията в сложните логически елементи.
Допълнителни техники за тестване и проверка бяха разработени и въведени с модула Bellmac-32, сложен проект за многочипова проверка и тестване, ръководен от Джен-Хсун Хуанг, който постигна нулеви или почти нулеви дефекти при производството на сложни чипове. Това беше първият в света тест на многомащабни интегрални схеми (VLSI). Инженерите на Bell Labs разработиха систематичен план, многократно провериха работата на колегите си и в крайна сметка постигнаха безпроблемно сътрудничество между множество семейства чипове, което доведе до цялостна микрокомпютърна система.
Следва най-предизвикателната част: самото производство на чипа.
„По онова време технологиите за оформление, тестване и високопроизводително производство бяха много оскъдни“, спомня си Канг, който по-късно става президент на Корейския институт за напреднали науки и технологии (KAIST) и член на IEEE. Той отбелязва, че липсата на CAD инструменти за пълна проверка на чипа е принудила екипа да разпечата прекалено големи чертежи на Calcomp. Тези схеми показват как транзисторите, проводниците и свързващите връзки трябва да бъдат разположени в чипа, за да се получи желаният резултат. Екипът ги сглобил на пода с тиксо, образувайки гигантска квадратна рисунка със страна повече от 6 метра. Канг и колегите му нарисували на ръка всяка схема с цветни моливи, търсейки счупени връзки и припокриващи се или неправилно обработени свързващи връзки.
След като физическият дизайн беше завършен, екипът се изправи пред друго предизвикателство: производството. Чиповете бяха произведени в завода на Western Electric в Алентаун, Пенсилвания, но Канг си спомня, че процентът на добив (процентът на чиповете върху пластината, които отговарят на стандартите за производителност и качество) беше много нисък.
За да се справят с това, Канг и колегите му шофирали до завода от Ню Джърси всеки ден, запретвали ръкави и правели каквото е необходимо, включително метене на подове и калибриране на тестово оборудване, за да изградят другарство и да убедят всички, че най-сложният продукт, който заводът някога се е опитвал да произвежда, наистина може да бъде произведен там.
„Процесът на изграждане на екип премина гладко“, каза Канг. „След няколко месеца Western Electric успя да произвежда висококачествени чипове в количества, надвишаващи търсенето.“
Първата версия на Bellmac-32 е пусната през 1980 г., но не успява да оправдае очакванията. Целевата му честота е само 2 MHz, а не 4 MHz. Инженерите откриват, че най-съвременното тестово оборудване Takeda Riken, което използват по това време, е дефектно, като ефектите от предавателната линия между сондата и тестовата глава причиняват неточни измервания. Те работят с екипа на Takeda Riken, за да разработят корекционна таблица за коригиране на грешките в измерването.
Чиповете Bellmac от второ поколение имаха тактова честота над 6,2 MHz, понякога достигайки 9 MHz. По онова време това се смяташе за доста бързо. 16-битовият процесор Intel 8088, който IBM пусна в първия си компютър през 1981 г., имаше тактова честота само 4,77 MHz.
Защо Bellmac-32 не го направи„да стане мейнстрийм
Въпреки обещаващите си резултати, технологията Bellmac-32 не е получила широко търговско приложение. Според Кондри, AT&T е започнала да се интересува от производителя на оборудване NCR в края на 80-те години на миналия век и по-късно се е насочила към придобивания, което е означавало, че компанията е избрала да поддържа различни продуктови линии с чипове. По това време влиянието на Bellmac-32 е започнало да расте.
„Преди Bellmac-32, NMOS доминираше на пазара“, каза Кондри. „Но CMOS промени пейзажа, защото се оказа по-ефективен начин за внедряването му във фабриката.“
С течение на времето това осъзнаване промени полупроводниковата индустрия. CMOS щеше да се превърне в основата на съвременните микропроцесори, захранвайки дигиталната революция в устройства като настолни компютри и смартфони.
Смелият експеримент на Bell Labs – използващ неизпитан производствен процес и обхващащ цяло поколение чипова архитектура – беше важен етап в историята на технологиите.
Както професор Канг го формулира: „Бяхме начело на възможното. Не просто следвахме съществуващ път, а проправяхме нов.“ Професор Хуанг, който по-късно става заместник-директор на Сингапурския институт по микроелектроника и е също така член на IEEE, добавя: „Това включваше не само архитектура и дизайн на чипове, но и мащабна проверка на чипове – използвайки CAD, но без днешните инструменти за цифрова симулация или дори макети (стандартен начин за проверка на схемата на електронна система с помощта на чипове, преди компонентите на схемата да бъдат постоянно свързани заедно).“
Кондри, Канг и Хуанг си спомнят с умиление за това време и изразяват възхищение от уменията и всеотдайността на многото служители на AT&T, чиито усилия направиха възможно създаването на семейството чипове Bellmac-32.
Време на публикуване: 19 май 2025 г.