Ennek a chipnek a megjelenése megváltoztatta a chipfejlesztés menetét!
Az 1970-es évek végén a 8 bites processzorok még mindig a legfejlettebb technológiát jelentették, és a CMOS eljárások hátrányban voltak a félvezetők területén. Az AT&T Bell Labs mérnökei merész lépést tettek a jövőbe, a legmodernebb 3,5 mikronos CMOS gyártási eljárásokat innovatív 32 bites processzorarchitektúrákkal kombinálva, annak érdekében, hogy a chipek teljesítményében felülmúlják versenytársaikat, megelőzve az IBM-et és az Intelt.
Bár találmányuk, a Bellmac-32 mikroprocesszor, nem érte el a korábbi termékek, például az Intel 4004 (1971-ben jelent meg) kereskedelmi sikerét, hatása mélyreható volt. Ma már szinte az összes okostelefonban, laptopban és táblagépben található chipek a Bellmac-32 által úttörő módon kidolgozott CMOS (komplementer fém-oxid félvezető) elveken alapulnak.
Közeledett az 1980-as évek, és az AT&T megpróbálta átalakítani magát. Évtizedekig az „Anyaharang” becenevű telekommunikációs óriás uralta az Egyesült Államok hangkommunikációs üzletágát, leányvállalata, a Western Electric pedig szinte az összes elterjedt telefonkészüléket gyártotta az amerikai otthonokban és irodákban. Az amerikai szövetségi kormány trösztellenes okokból sürgette az AT&T üzletágának felosztását, de az AT&T lehetőséget látott a számítástechnikai területre való belépésre.
Mivel a számítógépes cégek már jól beválták a piacot, az AT&T nehezen tudta utolérni őket; stratégiájuk az volt, hogy kihagyják a versenyt, és a Bellmac-32 volt a ugródeszka.
A Bellmac-32 chipcsaládot IEEE mérföldkő díjjal tüntették ki. Az ünnepélyes leleplező ünnepségre idén a Nokia Bell Labs Murray Hill-i (New Jersey) campusán és a kaliforniai Mountain View-i Számítógéptörténeti Múzeumban kerül sor.
EGYEDI CHIP
Ahelyett, hogy az ipari szabványnak számító 8 bites chipeket követték volna, az AT&T vezetői arra kérték a Bell Labs mérnökeit, hogy fejlesszenek ki egy forradalmi terméket: az első kereskedelmi forgalomban kapható mikroprocesszort, amely képes 32 bites adatot egyetlen órajelciklus alatt továbbítani. Ehhez nemcsak egy új chipre, hanem egy új architektúrára is szükség volt – egy olyanra, amely képes kezelni a telekommunikációs kapcsolást, és a jövőbeli számítástechnikai rendszerek gerincét képezi.
„Nem csupán egy gyorsabb chipet építünk” – mondta Michael Condry, a Bell Labs holmdeli (New Jersey állambeli) létesítményének architektúracsoportjának vezetője. „Olyan chipet próbálunk tervezni, amely képes mind a hangátvitelt, mind a számítást támogatni.”
Abban az időben a CMOS technológiát ígéretes, de kockázatos alternatívának tekintették az NMOS és PMOS kialakításokkal szemben. Az NMOS chipek teljes mértékben N típusú tranzisztorokra támaszkodtak, amelyek gyorsak, de energiaigényesek voltak, míg a PMOS chipek a pozitív töltésű lyukak mozgására támaszkodtak, ami túl lassú volt. A CMOS hibrid kialakítást alkalmazott, amely növelte a sebességet, miközben energiát takarított meg. A CMOS előnyei annyira meggyőzőek voltak, hogy az iparág hamarosan rájött, hogy még ha kétszer annyi tranzisztorra van is szükség (NMOS és PMOS minden egyes kapuhoz), megéri.
A félvezető technológia Moore törvénye által leírt gyors fejlődésével a tranzisztorsűrűség megduplázása kezelhetővé, végül pedig elhanyagolhatóvá vált. Amikor azonban a Bell Labs belevágott ebbe a nagy kockázatú szerencsejátékba, a nagyméretű CMOS gyártástechnológia még nem volt kipróbálva, és a költségek viszonylag magasak voltak.
Ez nem ijesztette meg a Bell Labs-ot. A cég a holmdeli, murray hilli és illinois-i naperville-i telephelyeinek szakértelmére támaszkodva félvezető mérnökökből álló „álomcsapatot” állított össze. A csapatban Condrey, Steve Conn, a chiptervezés feltörekvő sztárja, Victor Huang, egy másik mikroprocesszor-tervező, és az AT&T Bell Labs több tucat alkalmazottja volt. 1978-ban kezdték el elsajátítani egy új CMOS-eljárást, és a nulláról kezdték el építeni a 32 bites mikroprocesszort.
Kezdjük a tervezési architektúrával
Condrey korábban az IEEE ösztöndíjasa volt, később pedig az Intel technológiai igazgatójaként szolgált. Az általa vezetett architektúracsapat elkötelezett volt egy olyan rendszer felépítése iránt, amely natívan támogatja az Unix operációs rendszert és a C nyelvet. Abban az időben mind az Unix, mind a C nyelv még gyerekcipőben járt, de arra voltak ítélve, hogy dominánssá váljanak. Annak érdekében, hogy áttörjék az akkoriban rendkívül értékes kilobájtos (KB) memóriakorlátot, bevezettek egy összetett utasításkészletet, amely kevesebb végrehajtási lépést igényelt, és egy órajelcikluson belül tudta elvégezni a feladatokat.
A mérnökök olyan chipeket is terveztek, amelyek támogatják a VersaModule Eurocard (VME) párhuzamos buszt, amely lehetővé teszi az elosztott számítástechnikát, és lehetővé teszi több csomópont számára az adatok párhuzamos feldolgozását. A VME-kompatibilis chipek valós idejű vezérlésre is alkalmasak.
A csapat megírta a saját Unix-verzióját, és valós idejű képességekkel látta el, hogy biztosítsa a kompatibilitást az ipari automatizálással és hasonló alkalmazásokkal. A Bell Labs mérnökei feltalálták a dominólogikát is, amely a komplex logikai kapuk késleltetésének csökkentésével növelte a feldolgozási sebességet.
További tesztelési és ellenőrzési technikákat fejlesztettek ki és vezettek be a Bellmac-32 modullal, egy Jen-Hsun Huang vezette komplex, többchipes ellenőrzési és tesztelési projekttel, amely nulla vagy közel nulla hibát ért el a komplex chipgyártásban. Ez volt az első ilyen jellegű teszt a világon a nagyon nagyméretű integrált áramkörök (VLSI) tesztelése terén. A Bell Labs mérnökei kidolgoztak egy szisztematikus tervet, többször ellenőrizték kollégáik munkáját, és végül zökkenőmentes együttműködést értek el több chipcsalád között, ami egy teljes mikrokomputeres rendszerben csúcsosodott ki.
Ezután jön a legnehezebb rész: a chip tényleges gyártása.
„Abban az időben az elrendezési, tesztelési és nagy hozamú gyártási technológiák nagyon szűkösek voltak” – emlékszik vissza Kang, aki később a Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) elnöke és az IEEE tagja lett. Megjegyzi, hogy a teljes chip-ellenőrzéshez szükséges CAD-eszközök hiánya arra kényszerítette a csapatot, hogy túlméretezett Calcomp rajzokat nyomtasson. Ezek a vázlatok azt mutatják, hogyan kell a tranzisztorokat, vezetékeket és összeköttetéseket elrendezni egy chipen belül a kívánt kimenet elérése érdekében. A csapat ragasztószalaggal szerelte össze őket a padlón, egy hatalmas, több mint 6 méteres oldalhosszúságú négyzetet alkotva. Kang és kollégái kézzel rajzolták meg az egyes áramköröket színes ceruzákkal, törött csatlakozásokat és átfedő vagy nem megfelelően kezelt összeköttetéseket keresve.
Miután a fizikai terv elkészült, a csapat egy újabb kihívással nézett szembe: a gyártással. A chipeket a pennsylvaniai Allentownban található Western Electric üzemben állították elő, de Kang felidézi, hogy a hozamráta (a teljesítmény- és minőségi előírásoknak megfelelő chipek százalékos aránya a lapkán) nagyon alacsony volt.
Ennek megoldására Kang és kollégái minden nap autóval utaztak New Jersey-ből az üzembe, feltűrték az ingujjukat, és mindent megtettek, ami szükséges volt – beleértve a padló felsöprését és a tesztberendezések kalibrálását –, hogy bajtársiasságot építsenek, és mindenkit meggyőzzenek arról, hogy a gyár által valaha gyártott legösszetettebb termék valóban előállítható ott.
„A csapatépítési folyamat zökkenőmentesen ment” – mondta Kang. „Néhány hónap múlva a Western Electric képes volt kiváló minőségű chipeket gyártani a keresletet meghaladó mennyiségben.”
A Bellmac-32 első verzióját 1980-ban adták ki, de nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket. A célfrekvenciája mindössze 2 MHz volt, nem pedig 4 MHz. A mérnökök felfedezték, hogy az akkoriban használt legmodernebb Takeda Riken tesztberendezés hibás volt, a szonda és a tesztfej közötti távvezeték-hatások pontatlan méréseket okoztak. A Takeda Riken csapatával együttműködve kidolgoztak egy korrekciós táblázatot a mérési hibák korrigálására.
A második generációs Bellmac chipek órajele meghaladta a 6,2 MHz-et, néha akár a 9 MHz-et is. Ez akkoriban meglehetősen gyorsnak számított. Az IBM által 1981-ben az első PC-jében kiadott 16 bites Intel 8088 processzor órajele mindössze 4,77 MHz volt.
Miért nem tette a Bellmac-32'nem válnak mainstreammé
Ígéretei ellenére a Bellmac-32 technológia nem terjedt el széles körben a kereskedelmi forgalomban. Condrey szerint az AT&T az 1980-as évek végén kezdett el érdeklődni az NCR berendezésgyártó cég iránt, majd később felvásárlások felé fordult, ami azt jelentette, hogy a vállalat úgy döntött, hogy más chip termékcsaládokat támogat. Addigra a Bellmac-32 befolyása már növekedni kezdett.
„A Bellmac-32 előtt az NMOS uralta a piacot” – mondta Condry. „A CMOS azonban megváltoztatta a helyzetet, mert hatékonyabb módszernek bizonyult a gyártásban való megvalósítására.”
Idővel ez a felismerés átalakította a félvezetőipart. A CMOS a modern mikroprocesszorok alapjává vált, és lendületet adott a digitális forradalomnak olyan eszközökben, mint az asztali számítógépek és az okostelefonok.
A Bell Labs merész kísérlete – egy kipróbálatlan gyártási folyamat alkalmazásával és egy egész chiparchitektúra-generációt felölelve – mérföldkő volt a technológia történetében.
Ahogy Kang professzor fogalmaz: „A lehetséges dolgok élvonalában jártunk. Nemcsak egy meglévő utat követtünk, hanem egy újat is kitapostunk.” Huang professzor, aki később a Szingapúri Mikroelektronikai Intézet igazgatóhelyettese lett, és egyben az IEEE ösztöndíjasa is, hozzáteszi: „Ez nemcsak a chiparchitektúrát és -tervezést foglalta magában, hanem a nagyméretű chip-ellenőrzést is – CAD használatával, de a mai digitális szimulációs eszközök vagy akár próbapanelek (egy elektronikus rendszer áramköri tervének chipeket használó ellenőrzésének szabványos módja, mielőtt az áramköri alkatrészeket véglegesen összekapcsolnák) nélkül.”
Condry, Kang és Huang szeretettel gondolnak vissza arra az időre, és csodálják az AT&T számos alkalmazottjának szakértelmét és elkötelezettségét, akiknek erőfeszítései lehetővé tették a Bellmac-32 chipcsalád létrehozását.
Közzététel ideje: 2025. május 19.