Појава овог чипа променила је ток развоја чипова!
Крајем 1970-их, 8-битни процесори су и даље били најнапреднија технологија у то време, а CMOS процеси су били у неповољном положају у области полупроводника. Инжењери у AT&T Bell Labs-у су направили храбар корак у будућност, комбинујући најсавременије 3,5-микронске CMOS производне процесе са иновативним 32-битним архитектурама процесора у настојању да надмаше конкуренцију у перформансама чипова, престижући IBM и Intel.
Иако њихов изум, микропроцесор Bellmac-32, није успео да постигне комерцијални успех ранијих производа као што је Intel 4004 (објављен 1971. године), његов утицај је био дубок. Данас се чипови у скоро свим паметним телефонима, лаптоповима и таблетима ослањају на принципе комплементарног метал-оксидног полупроводника (CMOS) које је пионирски представио Bellmac-32.
Приближавале су се осамдесете године прошлог века, а AT&T је покушавао да се трансформише. Деценијама је телекомуникациони гигант под надимком „Мајка звоно“ доминирао пословањем гласовних комуникација у Сједињеним Државама, а његова подружница Western Electric производила је скоро све уобичајене телефоне у америчким домовима и канцеларијама. Савезна влада САД је инсистирала на раздвајању пословања AT&T-а из антимонополских разлога, али је AT&T видео прилику да уђе у рачунарску област.
Пошто су рачунарске компаније већ биле добро успостављене на тржишту, AT&T је имао потешкоћа да их сустигне; њихова стратегија је била да прескоче тржиште, а Bellmac-32 је био одскочна даска.
Породица чипова Bellmac-32 награђена је наградом IEEE Milestone Award. Свечано представљање одржаће се ове године у кампусу Nokia Bell Labs у Мари Хилу, Њу Џерзи, и у Музеју историје рачунара у Маунтин Вјуу, Калифорнија.
ЈЕДИНСТВЕНИ ЧИП
Уместо да прате индустријски стандард 8-битних чипова, руководиоци AT&T-а су изазвали инжењере Bell Labs-а да развију револуционарни производ: први комерцијални микропроцесор способан да пренесе 32 бита података у једном тактном циклусу. Ово је захтевало не само нови чип већ и нову архитектуру — ону која би могла да се носи са телекомуникационим комутацијама и да служи као окосница будућих рачунарских система.
„Не правимо само бржи чип“, рекао је Мајкл Кондри, који води групу за архитектуру у погону компаније Бел Лабс у Холмделу, у Њу Џерзију. „Покушавамо да дизајнирамо чип који може да подржи и глас и рачунарство.“
У то време, CMOS технологија се сматрала обећавајућом, али ризичном алтернативом NMOS и PMOS дизајнима. NMOS чипови су се у потпуности ослањали на N-тип транзисторе, који су били брзи, али су трошили много енергије, док су се PMOS чипови ослањали на кретање позитивно наелектрисаних рупица, што је било преспоро. CMOS је користио хибридни дизајн који је повећавао брзину уз уштеду енергије. Предности CMOS-а су биле толико убедљиве да је индустрија убрзо схватила да чак и ако је потребно двоструко више транзистора (NMOS и PMOS за сваку капију), то се исплати.
Са брзим развојем полупроводничке технологије описане Муровим законом, трошкови удвостручавања густине транзистора постали су прихватљиви и на крају занемарљиви. Међутим, када се Бел Лабс упустио у овај високоризични ризик, технологија производње ЦМОС-а великих размера није била доказана, а трошкови су били релативно високи.
Ово није уплашило Белове лабораторије. Компанија се ослонила на стручност својих кампуса у Холмделу, Мари Хилу и Нејпервилу, Илиноис, и окупила „тим из снова“ инжењера полупроводника. Тим је укључивао Кондрија, Стива Кона, звезду у успону у дизајну чипова, Виктора Хуанга, још једног дизајнера микропроцесора, и десетине запослених из AT&T Белових лабораторија. Почели су да савладавају нови CMOS процес 1978. године и да граде 32-битни микропроцесор од нуле.
Почните са дизајнерском архитектуром
Кондри је био бивши члан IEEE програма, а касније је служио као главни технолошки директор компаније Интел. Архитектонски тим који је водио био је посвећен изградњи система који је изворно подржавао оперативни систем Unix и језик C. У то време, и Unix и језик C су још увек били у повоју, али су били предодређени да доминирају. Да би пробили изузетно вредно ограничење меморије од килобајта (KB) у то време, увели су сложен скуп инструкција који је захтевао мање корака извршавања и могао је да заврши задатке у року од једног тактног циклуса.
Инжењери су такође дизајнирали чипове који подржавају паралелну магистралу VersaModule Eurocard (VME), која омогућава дистрибуирано рачунарство и дозвољава вишеструким чворовима да паралелно обрађују податке. VME-компатибилни чипови им такође омогућавају да се користе за контролу у реалном времену.
Тим је написао сопствену верзију Јуникса и дао јој могућности рада у реалном времену како би осигурао компатибилност са индустријском аутоматизацијом и сличним апликацијама. Инжењери Бел Лабса су такође изумели домино логику, која је повећала брзину обраде смањењем кашњења у сложеним логичким капијама.
Додатне технике тестирања и верификације развијене су и уведене са модулом Bellmac-32, сложеним пројектом верификације и тестирања више чипова који је водио Џен-Хсун Хуанг, а који је постигао нулту или скоро нулту грешку у производњи сложених чипова. Ово је био први у свету тестирања интегрисаних кола веома великих размера (VLSI). Инжењери Bell Labs-а развили су систематски план, више пута проверавали рад својих колега и на крају постигли беспрекорну сарадњу између више породица чипова, што је кулминирало комплетним микрорачунарским системом.
Следи најзахтевнији део: стварна производња чипа.
„У то време, технологије распореда, тестирања и производње високог приноса биле су веома оскудне“, сећа се Канг, који је касније постао председник Корејског напредног института за науку и технологију (KAIST) и члан IEEE-а. Он напомиње да је недостатак CAD алата за потпуну верификацију чипа приморао тим да одштампа превелике Calcomp цртеже. Ове шеме показују како транзистори, жице и међусобне везе треба да буду распоређени унутар чипа да би се добио жељени излаз. Тим их је саставио на поду помоћу траке, формирајући џиновски квадратни цртеж са страном већом од 6 метара. Канг и његове колеге ручно су цртали свако коло обојеним оловкама, тражећи прекинуте везе и преклапајуће или неправилно руковане међусобне везе.
Када је физички дизајн завршен, тим се суочио са још једним изазовом: производњом. Чипови су произведени у фабрици Western Electric у Алентауну, Пенсилванија, али Канг се сећа да је стопа приноса (проценат чипова на плочици који су испуњавали стандарде перформанси и квалитета) била веома ниска.
Да би се позабавили овим проблемом, Канг и његове колеге су свакодневно возили до фабрике из Њу Џерзија, засукали рукаве и радили све што је било потребно, укључујући чишћење подова и калибрацију опреме за тестирање, како би изградили другарство и убедили све да се најсложенији производ који је фабрика икада покушала да произведе заиста може направити тамо.
„Процес изградње тима је протекао глатко“, рекао је Канг. „После неколико месеци, Western Electric је био у стању да производи висококвалитетне чипове у количинама које су премашиле потражњу.“
Прва верзија Bellmac-32 је објављена 1980. године, али није испунила очекивања. Његова циљна фреквенција била је само 2 MHz, а не 4 MHz. Инжењери су открили да је најсавременија тест опрема Takeda Riken коју су користили у то време била неисправна, са ефектима преносне линије између сонде и тест главе који су узроковали нетачна мерења. Сарађивали су са тимом Takeda Riken како би развили табелу корекција како би исправили грешке у мерењу.
Белмак чипови друге генерације имали су тактне брзине веће од 6,2 MHz, понекад и до 9 MHz. Ово се у то време сматрало прилично брзим. 16-битни процесор Intel 8088 који је IBM објавио у свом првом рачунару 1981. године имао је тактну брзину од само 4,77 MHz.
Зашто Белмак-32 није'постати мејнстрим
Упркос обећању, технологија Белмак-32 није стекла широку комерцијалну примену. Према Кондрију, AT&T је почео да разматра произвођача опреме NCR крајем 1980-их, а касније се окренуо аквизицијама, што је значило да је компанија одлучила да подржи различите линије чипова. До тада је утицај Белмак-32 почео да расте.
„Пре Bellmac-32, NMOS је доминирао тржиштем“, рекао је Кондри. „Али CMOS је променио пејзаж јер се показао као ефикаснији начин да се имплементира у фабрици.“
Временом је ово сазнање променило индустрију полупроводника. CMOS ће постати основа за модерне микропроцесоре, покрећући дигиталну револуцију у уређајима попут десктоп рачунара и паметних телефона.
Смео експеримент компаније Bell Labs – коришћење непровереног производног процеса и обухватање целе генерације архитектуре чипова – био је прекретница у историји технологије.
Како професор Канг каже: „Били смо у првим редовима онога што је било могуће. Нисмо само пратили постојећи пут, већ смо крчили нови.“ Професор Хуанг, који је касније постао заменик директора Сингапурског института за микроелектронику, а такође је и члан IEEE програма, додаје: „Ово је укључивало не само архитектуру и дизајн чипова, већ и верификацију чипова великих размера – коришћењем CAD-а, али без данашњих алата за дигиталну симулацију или чак пробних плоча (стандардни начин провере дизајна кола електронског система коришћењем чипова пре него што се компоненте кола трајно повежу).“
Кондри, Канг и Хуанг се са сетом сећају тог времена и изражавају дивљење према вештини и посвећености многих запослених у AT&T-у чији су напори омогућили стварање породице чипова Bellmac-32.
Време објаве: 19. мај 2025.