Появление этого чипа изменило ход разработки чипов!
В конце 1970-х годов 8-битные процессоры все еще были самой передовой технологией, а КМОП-процессы были в невыгодном положении в области полупроводников. Инженеры AT&T Bell Labs сделали смелый шаг в будущее, объединив передовые 3,5-микронные КМОП-производственные процессы с инновационной 32-битной архитектурой процессоров в попытке превзойти конкурентов по производительности чипов, обойдя IBM и Intel.
Хотя их изобретение, микропроцессор Bellmac-32, не смогло достичь коммерческого успеха более ранних продуктов, таких как Intel 4004 (выпущенный в 1971 году), его влияние было глубоким. Сегодня чипы почти во всех смартфонах, ноутбуках и планшетах основаны на принципах комплементарного металл-оксид-полупроводника (КМОП), впервые разработанных Bellmac-32.
Приближались 1980-е, и AT&T пыталась трансформироваться. На протяжении десятилетий телекоммуникационный гигант, прозванный «Mother Bell», доминировал в сфере голосовой связи в Соединенных Штатах, а его дочерняя компания Western Electric производила почти все распространенные телефоны в американских домах и офисах. Федеральное правительство США настаивало на разделении бизнеса AT&T по антимонопольным причинам, но AT&T увидела возможность войти в компьютерную сферу.
Поскольку компьютерные компании уже прочно обосновались на рынке, AT&T было трудно догнать их; ее стратегия заключалась в том, чтобы совершить скачок, и Bellmac-32 стал для этого трамплином.
Семейство чипов Bellmac-32 было удостоено награды IEEE Milestone Award. Церемонии открытия пройдут в этом году в кампусе Nokia Bell Labs в Мюррей-Хилл, Нью-Джерси, и в Музее компьютерной истории в Маунтин-Вью, Калифорния.
УНИКАЛЬНЫЙ ЧИП
Вместо того чтобы следовать отраслевому стандарту 8-битных чипов, руководители AT&T бросили вызов инженерам Bell Labs, поставив задачу разработать революционный продукт: первый коммерческий микропроцессор, способный передавать 32 бита данных за один такт. Для этого требовался не только новый чип, но и новая архитектура — такая, которая могла бы обрабатывать коммутацию телекоммуникаций и служить основой будущих вычислительных систем.
«Мы не просто создаем более быстрый чип», — сказал Майкл Кондри, возглавляющий архитектурную группу на предприятии Bell Labs в Холмделе, штат Нью-Джерси. «Мы пытаемся разработать чип, который сможет поддерживать как голос, так и вычисления».
В то время технология CMOS рассматривалась как многообещающая, но рискованная альтернатива конструкциям NMOS и PMOS. Чипы NMOS полностью полагались на транзисторы N-типа, которые были быстрыми, но прожорливыми, в то время как чипы PMOS полагались на движение положительно заряженных дырок, что было слишком медленно. CMOS использовала гибридную конструкцию, которая увеличивала скорость, экономя энергию. Преимущества CMOS были настолько убедительными, что отрасль вскоре поняла, что даже если для этого требовалось вдвое больше транзисторов (NMOS и PMOS для каждого затвора), это того стоило.
С быстрым развитием полупроводниковой технологии, описанной законом Мура, стоимость удвоения плотности транзисторов стала управляемой и в конечном итоге незначительной. Однако, когда Bell Labs ввязалась в эту рискованную авантюру, крупномасштабная технология производства КМОП была непроверенной, а стоимость была относительно высокой.
Это не испугало Bell Labs. Компания опиралась на опыт своих кампусов в Холмделе, Мюррей-Хилле и Напервилле (штат Иллинойс) и собрала «команду мечты» инженеров-полупроводников. В команду вошли Кондри, Стив Конн, восходящая звезда в области проектирования микросхем, Виктор Хуан, еще один разработчик микропроцессоров, и десятки сотрудников из AT&T Bell Labs. Они начали осваивать новый КМОП-процесс в 1978 году и создавать 32-битный микропроцессор с нуля.
Начните с проектирования архитектуры
Кондри был бывшим членом IEEE, а позже занимал должность главного технического директора Intel. Архитектурная команда, которую он возглавлял, была нацелена на создание системы, которая изначально поддерживала операционную систему Unix и язык C. В то время и Unix, и язык C были еще в зачаточном состоянии, но им было суждено доминировать. Чтобы преодолеть чрезвычайно ценный в то время предел памяти в килобайтах (КБ), они ввели сложный набор инструкций, который требовал меньше этапов выполнения и мог выполнять задачи в течение одного тактового цикла.
Инженеры также разработали чипы, которые поддерживают параллельную шину VersaModule Eurocard (VME), которая обеспечивает распределенные вычисления и позволяет нескольким узлам обрабатывать данные параллельно. Чипы, совместимые с VME, также позволяют использовать их для управления в реальном времени.
Команда написала собственную версию Unix и дала ей возможности реального времени для обеспечения совместимости с промышленной автоматикой и аналогичными приложениями. Инженеры Bell Labs также изобрели логику домино, которая увеличила скорость обработки за счет сокращения задержек в сложных логических вентилях.
Дополнительные методы тестирования и проверки были разработаны и внедрены с модулем Bellmac-32, сложным проектом проверки и тестирования нескольких чипов под руководством Дженсена Хуанга, который достиг нулевых или почти нулевых дефектов при производстве сложных чипов. Это был первый в мире тест сверхбольших интегральных схем (VLSI). Инженеры Bell Labs разработали систематический план, неоднократно проверяли работу своих коллег и в конечном итоге добились бесперебойного взаимодействия между несколькими семействами чипов, что привело к созданию полной микрокомпьютерной системы.
Далее следует самая сложная часть: непосредственное изготовление чипа.
«В то время технологии компоновки, тестирования и высокопроизводительного производства были очень редки», — вспоминает Канг, который позже стал президентом Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и членом IEEE. Он отмечает, что отсутствие инструментов САПР для полной проверки чипа заставило команду распечатать увеличенные чертежи Calcomp. Эти схемы показывают, как транзисторы, провода и межсоединения должны быть расположены внутри чипа, чтобы обеспечить желаемый выход. Команда собрала их на полу с помощью клейкой ленты, образовав гигантский квадратный чертеж со стороной более 6 метров. Канг и его коллеги вручную нарисовали каждую схему цветными карандашами, выискивая разорванные соединения и перекрывающиеся или неправильно обработанные межсоединения.
После завершения физического проектирования команда столкнулась с еще одной проблемой: производством. Чипы производились на заводе Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания, но Канг вспоминает, что выход годных (процент чипов на пластине, которые соответствовали стандартам производительности и качества) был очень низким.
Чтобы решить эту проблему, Канг и его коллеги каждый день приезжали на завод из Нью-Джерси, засучили рукава и делали все необходимое, включая подметание полов и калибровку испытательного оборудования, чтобы создать товарищеский дух и убедить всех, что самый сложный продукт, который когда-либо пытался произвести завод, действительно может быть изготовлен там.
«Процесс формирования команды прошел гладко», — сказал Канг. «Через несколько месяцев Western Electric смогла производить высококачественные чипы в количествах, превышающих спрос».
Первая версия Bellmac-32 была выпущена в 1980 году, но она не оправдала ожиданий. Ее целевая частота производительности составляла всего 2 МГц, а не 4 МГц. Инженеры обнаружили, что современное испытательное оборудование Takeda Riken, которое они использовали в то время, было несовершенным, а эффекты линии передачи между зондом и испытательной головкой приводили к неточным измерениям. Они работали с командой Takeda Riken, чтобы разработать таблицу коррекции для исправления ошибок измерений.
Чипы Bellmac второго поколения имели тактовую частоту, превышающую 6,2 МГц, иногда достигающую 9 МГц. В то время это считалось довольно быстрым. 16-битный процессор Intel 8088, который IBM выпустила в своем первом ПК в 1981 году, имел тактовую частоту всего 4,77 МГц.
Почему Bellmac-32 не'т стать мейнстримом
Несмотря на свои обещания, технология Bellmac-32 не получила широкого коммерческого распространения. По словам Кондри, AT&T начала присматриваться к производителю оборудования NCR в конце 1980-х годов, а затем обратилась к поглощениям, что означало, что компания решила поддерживать различные линейки чипов. К тому времени влияние Bellmac-32 начало расти.
«До Bellmac-32 на рынке доминировали NMOS, — сказал Кондри. — Но CMOS изменили ситуацию, поскольку оказалось, что это более эффективный способ внедрения на фабрике».
Со временем это осознание изменило полупроводниковую промышленность. КМОП стала основой для современных микропроцессоров, обеспечив цифровую революцию в таких устройствах, как настольные компьютеры и смартфоны.
Смелый эксперимент Bell Labs — с использованием непроверенного производственного процесса и охватившего целое поколение архитектуры микросхем — стал важной вехой в истории технологий.
Как говорит профессор Канг: «Мы были на передовой того, что было возможно. Мы не просто следовали по уже существующему пути, мы прокладывали новый путь». Профессор Хуанг, который позже стал заместителем директора Сингапурского института микроэлектроники и также является членом IEEE, добавляет: «Это включало в себя не только архитектуру и дизайн чипа, но и масштабную проверку чипа — с использованием САПР, но без современных инструментов цифрового моделирования или даже макетных плат (стандартный способ проверки конструкции схемы электронной системы с использованием чипов до того, как компоненты схемы будут постоянно соединены вместе)».
Кондри, Канг и Хуанг с теплотой вспоминают то время и выражают восхищение мастерством и преданностью делу многих сотрудников AT&T, чьи усилия сделали возможным появление семейства микросхем Bellmac-32.
Время публикации: 19 мая 2025 г.