Появление этого чипа изменило ход развития микросхем!
В конце 1970-х годов 8-битные процессоры всё ещё оставались самой передовой технологией, а КМОП-технологии занимали невыгодное положение в полупроводниковой отрасли. Инженеры AT&T Bell Labs сделали смелый шаг в будущее, объединив передовые 3,5-микронные КМОП-технологии с инновационными 32-битными процессорными архитектурами, чтобы превзойти конкурентов по производительности чипов, обогнав IBM и Intel.
Хотя их изобретение, микропроцессор Bellmac-32, не достигло коммерческого успеха более ранних продуктов, таких как Intel 4004 (выпущенный в 1971 году), его влияние было огромным. Сегодня чипы почти во всех смартфонах, ноутбуках и планшетах основаны на принципах комплементарной металл-оксидной полупроводниковой (CMOS) технологии, впервые примененной в Bellmac-32.
Приближались 1980-е годы, и AT&T пыталась трансформироваться. На протяжении десятилетий телекоммуникационный гигант, прозванный «Матерью Белл», доминировал на рынке 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 на основании антимонопольных соображений, но AT&T увидела возможность выйти на рынок компьютерной техники.
Поскольку компьютерные компании уже прочно закрепились на рынке, AT&T было трудно догнать конкурентов; ее стратегия заключалась в том, чтобы совершить скачок вперед, и Bellmac-32 стал для нее трамплином.
Семейство микросхем Bellmac-32 удостоено награды IEEE Milestone Award. Церемонии презентации состоятся в этом году в кампусе Nokia Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, и в Музее истории компьютеров в Маунтин-Вью, штат Калифорния.
УНИКАЛЬНЫЙ ЧИП
Вместо того чтобы следовать отраслевому стандарту 8-битных чипов, руководители AT&T поставили перед инженерами Bell Labs 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 телекоммуникационные коммутационные процессы и служить основой для будущих вычислительных систем.
«Мы не просто создаём более быстрый чип, — сказал Майкл Кондри, руководитель группы архитектуры в подразделении Bell Labs в Холмделе, штат Нью-Джерси. — Мы пытаемся разработать чип, который сможет поддерживать как голосовую связь, так и вычисления».
В то время технология CMOS рассматривалась как многообещающая, но рискованная альтернатива NMOS и PMOS схемам. NMOS-чипы полностью полагались на N-транзисторы, которые были быстрыми, но энергоемкими, в то время как PMOS-чипы полагались на движение положительно заряженных дырок, что было слишком медленно. В CMOS использовалась гибридная конструкция, которая увеличивала скорость при одновременной экономии энергии. Преимущества CMOS были настолько убедительными, что в отрасли вскоре поняли: даже если потребуется вдвое больше транзисторов (NMOS и PMOS для каждого затвора), это того стоит.
Благодаря стремительному развитию полупроводниковых технологий, описываемому законом Мура, стоимость удвоения плотности транзисторов стала приемлемой и в конечном итоге пренебрежимо малой. Однако, когда Bell Labs взялась за эту рискованную авантюру, технология крупномасштабного производства КМОП-транзисторов еще не была проверена, а стоимость была относительно высокой.
Это не испугало Bell Labs. Компания, опираясь на опыт своих подразделений в Холмделе, Мюррей-Хилле и Нейпервилле, штат Иллинойс, собрала «команду мечты» из инженеров-полупроводниковиков. В команду вошли Кондрей, Стив Конн, восходящая звезда в области проектирования микросхем, Виктор Хуанг, еще один разработчик микропроцессоров, и десятки сотрудников AT&T Bell Labs. В 1978 году они начали осваивать новый КМОП-процесс и создавать 32-разрядный микропроцессор с нуля.
Начните с проектирования архитектуры.
Кондрей был бывшим членом IEEE, а позже занимал должность главного технического директора Intel. Возглавляемая им команда архитекторов стремилась создать систему, которая бы изначально поддерживала операционную систему Unix и язык C. В то время и Unix, и язык C находились еще в зачаточном состоянии, но им было суждено занять лидирующие позиции. Чтобы преодолеть чрезвычайно важное ограничение памяти в килобайтах (КБ), они ввели сложный набор инструкций, требующий меньшего количества шагов выполнения и способный выполнять задачи за один такт.
Инженеры также разработали микросхемы, поддерживающие параллельную шину VersaModule Eurocard (VME), которая обеспечивает распределенные вычисления и позволяет нескольким узлам обрабатывать данные параллельно. Совместимые с VME микросхемы также позволяют использовать их для управления в реальном времени.
Команда разработала собственную версию Unix и наделила её возможностями работы в реальном времени для обеспечения совместимости с промышленной автоматизацией и аналогичными приложениями. Инженеры Bell Labs также изобрели домино-логику, которая повысила скорость обработки за счёт уменьшения задержек в сложных логических элементах.
Дополнительные методы тестирования и верификации были разработаны и внедрены в рамках модуля Bellmac-32 — сложного проекта по верификации и тестированию многокристальных систем, возглавляемого Джен-Хсуном Хуангом, который позволил добиться нулевого или почти нулевого количества дефектов при производстве сложных микросхем. Это был первый в мире опыт тестирования 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 микросхем, что привело к созданию полноценной микрокомпьютерной системы.
Далее следует самая сложная часть: собственно изготовление микросхемы.
«В то время технологии компоновки, тестирования и высокопроизводительного производства были крайне редки», — вспоминает Кан, который позже стал президентом Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) и членом IEEE. Он отмечает, что отсутствие инструментов САПР для полномасштабной верификации микросхемы вынуждало команду распечатывать чертежи Calcomp большого размера. Эти схемы показывают, как должны быть расположены транзисторы, провода и межсоединения внутри микросхемы для получения желаемого результата. Команда собирала их на полу с помощью скотча, формируя гигантский квадратный чертеж размером более 6 метров в длину. Кан и его коллеги вручную рисовали каждую схему цветными карандашами, ища обрывы соединений и перекрывающиеся или неправильно обработанные межсоединения.
После завершения разработки физического дизайна команда столкнулась с еще одной проблемой: производством. Микросхемы производились на заводе Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания, но Кан вспоминает, что процент выхода годных микросхем (процент микросхем на пластине, соответствующих стандартам производительности и качества) был очень низким.
Чтобы решить эту проблему, Кан и его коллеги каждый день ездили на завод из Нью-Джерси, засучили рукава и делали все необходимое, включая подметание полов и калибровку испытательного оборудования, чтобы укрепить командный дух и убедить всех в том, что самый сложный продукт, который когда-либо пытался произвести завод, действительно можно изготовить здесь.
«Процесс формирования команды прошел гладко, — сказал Кан. — Спустя несколько месяцев компания Western Electric смогла производить высококачественные микросхемы в количествах, превышающих спрос».
Первая версия Bellmac-32 была выпущена в 1980 году, но не оправдала ожиданий. Целевая частота составляла всего 2 МГц, а не 4 МГц. Инженеры обнаружили, что используемое в то время современное испытательное оборудование Takeda Riken имело недостатки: эффекты линии передачи между зондом и измерительной головкой приводили к неточным измерениям. Вместе с командой Takeda Riken они разработали корректирующую таблицу для исправления ошибок измерений.
Чипы Bellmac второго поколения имели тактовую частоту, превышающую 6,2 МГц, а иногда и достигающую 9 МГц. По тем временам это считалось довольно высокой скоростью. 16-битный процессор Intel 8088, выпущенный IBM в своем первом персональном компьютере в 1981 году, имел тактовую частоту всего 4,77 МГц.
Почему Bellmac-32 не'стать мейнстримом
Несмотря на многообещающие перспективы, технология Bellmac-32 не получила широкого коммерческого распространения. По словам Кондрея, AT&T начала изучать возможности производителя оборудования NCR в конце 1980-х годов, а позже перешла к приобретениям, что означало, что компания предпочла поддерживать другие линейки микросхем. К тому времени влияние Bellmac-32 начало расти.
«До Bellmac-32 на рынке доминировали NMOS-транзисторы, — сказал Кондри. — Но CMOS-транзисторы изменили ситуацию, поскольку оказались более эффективным способом внедрения в производство».
Со временем это осознание изменило полупроводниковую промышленность. Технология CMOS стала основой для современных микропроцессоров, обеспечив цифровую революцию в таких устройствах, как настольные компьютеры и смартфоны.
Смелый эксперимент Bell Labs, в котором использовался непроверенный производственный процесс и который охватывал целое поколение архитектур микросхем, стал важной вехой в истории технологий.
Как говорит профессор Кан: «Мы были на передовой того, что было возможно. Мы не просто следовали существующему пути, мы прокладывали новую дорогу». Профессор Хуанг, который позже стал заместителем директора Сингапурского института микроэлектроники и членом IEEE, добавляет: «Это включало не только архитектуру и проектирование микросхем, но и крупномасштабную проверку микросхем — с использованием САПР, но без современных инструментов цифрового моделирования или даже макетных плат (стандартный способ проверки схемы электронной системы с использованием микросхем до окончательного соединения компонентов схемы)».
Кондри, Канг и Хуанг с теплотой вспоминают то время и выражают восхищение мастерством и преданностью делу многих сотрудников AT&T, благодаря усилиям которых стало возможным создание семейства микросхем Bellmac-32.
Дата публикации: 19 мая 2025 г.