Ankomsten av denne brikken endret kursen for brikkeutviklingen!
På slutten av 1970-tallet var 8-bits prosessorer fortsatt den mest avanserte teknologien på den tiden, og CMOS-prosesser var i en ulempe innen halvlederfeltet. Ingeniører ved AT&T Bell Labs tok et dristig skritt inn i fremtiden, og kombinerte banebrytende 3,5-mikron CMOS-produksjonsprosesser med innovative 32-bits prosessorarkitekturer i et forsøk på å overgå konkurrentene innen brikkeytelse, og dermed overgå IBM og Intel.
Selv om oppfinnelsen deres, Bellmac-32-mikroprosessoren, ikke oppnådde den kommersielle suksessen til tidligere produkter som Intel 4004 (utgitt i 1971), var dens innflytelse betydelig. I dag er brikkene i nesten alle smarttelefoner, bærbare datamaskiner og nettbrett avhengige av de komplementære metalloksid-halvlederprinsippene (CMOS) som ble utviklet av Bellmac-32.
1980-tallet nærmet seg, og AT&T prøvde å forandre seg. I flere tiår hadde telekommunikasjonsgiganten med kallenavnet «Mother Bell» dominert talekommunikasjonsbransjen i USA, og datterselskapet Western Electric produserte nesten alle vanlige telefoner i amerikanske hjem og kontorer. Den amerikanske føderale regjeringen oppfordret til oppløsning av AT&Ts virksomhet av antitrust-grunner, men AT&T så en mulighet til å gå inn i databransjen.
Med dataselskaper som allerede var godt etablerte i markedet, fant AT&T det vanskelig å ta igjen; strategien deres var å hoppe over, og Bellmac-32 var springbrettet deres.
Bellmac-32-brikkefamilien har blitt hedret med en IEEE Milestone Award. Avdukingsseremoniene vil bli holdt i år på Nokia Bell Labs-campus i Murray Hill, New Jersey, og på Computer History Museum i Mountain View, California.
UNIK CHIP
I stedet for å følge industristandarden for 8-bits brikker, utfordret AT&T-lederne Bell Labs' ingeniører til å utvikle et revolusjonerende produkt: den første kommersielle mikroprosessoren som kunne overføre 32 bits med data i en enkelt klokkesyklus. Dette krevde ikke bare en ny brikke, men også en ny arkitektur – en som kunne håndtere telekommunikasjonssvitsjing og tjene som ryggraden i fremtidige datasystemer.
«Vi bygger ikke bare en raskere brikke», sa Michael Condry, som leder arkitekturgruppen ved Bell Labs' anlegg i Holmdel i New Jersey. «Vi prøver å designe en brikke som kan støtte både tale og databehandling.»
På den tiden ble CMOS-teknologi sett på som et lovende, men risikabelt alternativ til NMOS- og PMOS-design. NMOS-brikker var utelukkende avhengige av N-type transistorer, som var raske, men strømkrevende, mens PMOS-brikker var avhengige av bevegelsen av positivt ladede hull, som var for treg. CMOS brukte en hybriddesign som økte hastigheten samtidig som den sparte strøm. Fordelene med CMOS var så overbevisende at industrien snart innså at selv om det krevde dobbelt så mange transistorer (NMOS og PMOS for hver gate), var det verdt det.
Med den raske utviklingen av halvlederteknologi beskrevet av Moores lov, ble kostnaden ved å doble transistortettheten håndterbar og til slutt ubetydelig. Da Bell Labs imidlertid startet denne høyrisikosatsingen, var storskala CMOS-produksjonsteknologi uprøvd, og kostnaden var relativt høy.
Dette skremte ikke Bell Labs. Selskapet trakk veksler på ekspertisen fra campusene sine i Holmdel, Murray Hill og Naperville, Illinois, og satte sammen et «drømmelag» av halvlederingeniører. Teamet inkluderte Condrey, Steve Conn, en stigende stjerne innen chipdesign, Victor Huang, en annen mikroprosessordesigner, og dusinvis av ansatte fra AT&T Bell Labs. De begynte å mestre en ny CMOS-prosess i 1978 og bygge en 32-bits mikroprosessor fra bunnen av.
Start med designarkitektur
Condrey var en tidligere IEEE-stipendiat og fungerte senere som Intels teknologidirektør. Arkitekturteamet han ledet var forpliktet til å bygge et system som innebygd støttet Unix-operativsystemet og C-språket. På den tiden var både Unix og C-språket fortsatt i sin spede begynnelse, men var forutbestemt til å dominere. For å bryte gjennom den ekstremt verdifulle minnegrensen på kilobyte (KB) på den tiden, introduserte de et komplekst instruksjonssett som krevde færre utførelsestrinn og kunne fullføre oppgaver innen én klokkesyklus.
Ingeniørene designet også brikker som støtter VersaModule Eurocard (VME) parallellbussen, som muliggjør distribuert databehandling og lar flere noder behandle data parallelt. VME-kompatible brikker gjør det også mulig å bruke dem til sanntidskontroll.
Teamet skrev sin egen versjon av Unix og ga den sanntidsfunksjoner for å sikre kompatibilitet med industriell automatisering og lignende applikasjoner. Bell Labs-ingeniører oppfant også domino-logikk, som økte prosesseringshastigheten ved å redusere forsinkelser i komplekse logiske porter.
Ytterligere test- og verifiseringsteknikker ble utviklet og introdusert med Bellmac-32-modulen, et komplekst verifiserings- og testprosjekt for flere brikketyper ledet av Jen-Hsun Huang, som oppnådde null eller nesten null feil i kompleks brikkeproduksjon. Dette var en førstegangs testing i verden av svært storskala integrerte kretser (VLSI). Bell Labs-ingeniører utviklet en systematisk plan, sjekket gjentatte ganger kollegenes arbeid og oppnådde til slutt sømløst samarbeid på tvers av flere brikkefamilier, noe som kulminerte i et komplett mikrodatamaskinsystem.
Deretter kommer den mest utfordrende delen: selve produksjonen av brikken.
«På den tiden var layout-, test- og høykapasitetsproduksjonsteknologier svært knappe», minnes Kang, som senere ble president for Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) og medlem av IEEE. Han bemerker at mangelen på CAD-verktøy for fullbrikkeverifisering tvang teamet til å skrive ut overdimensjonerte Calcomp-tegninger. Disse skjemaene viser hvordan transistorer, ledninger og sammenkoblinger bør arrangeres i en brikke for å gi ønsket utgang. Teamet monterte dem på gulvet med tape, og dannet en gigantisk firkantet tegning på over 6 meter på hver side. Kang og kollegene hans tegnet hver krets for hånd med fargeblyanter, og lette etter ødelagte forbindelser og overlappende eller feil håndterte sammenkoblinger.
Da den fysiske designen var ferdig, sto teamet overfor en annen utfordring: produksjon. Brikkene ble produsert ved Western Electric-anlegget i Allentown, Pennsylvania, men Kang husker at utbyttet (prosentandelen brikker på waferen som oppfylte ytelses- og kvalitetsstandarder) var svært lav.
For å håndtere dette kjørte Kang og kollegene hans til fabrikken fra New Jersey hver dag, brettet opp ermene og gjorde hva som helst som var nødvendig, inkludert å feie gulv og kalibrere testutstyr, for å bygge kameratskap og overbevise alle om at det mest komplekse produktet fabrikken noen gang hadde forsøkt å produsere faktisk kunne lages der.
«Teambuilding-prosessen gikk knirkefritt», sa Kang. «Etter noen måneder var Western Electric i stand til å produsere brikker av høy kvalitet i mengder som oversteg etterspørselen.»
Den første versjonen av Bellmac-32 ble utgitt i 1980, men den levde ikke opp til forventningene. Målfrekvensen for ytelsen var bare 2 MHz, ikke 4 MHz. Ingeniørene oppdaget at det toppmoderne Takeda Riken-testutstyret de brukte på den tiden var feilaktig, med transmisjonslinjeeffekter mellom proben og testhodet som forårsaket unøyaktige målinger. De samarbeidet med Takeda Riken-teamet for å utvikle en korreksjonstabell for å korrigere målefeilene.
Andre generasjons Bellmac-brikker hadde klokkehastigheter på over 6,2 MHz, noen ganger så høye som 9 MHz. Dette ble ansett som ganske raskt på den tiden. 16-bits Intel 8088-prosessoren som IBM ga ut i sin første PC i 1981 hadde en klokkehastighet på bare 4,77 MHz.
Hvorfor Bellmac-32 ikke'ikke bli mainstream
Til tross for løftet, fikk ikke Bellmac-32-teknologien bred kommersiell adopsjon. Ifølge Condrey begynte AT&T å se på utstyrsprodusenten NCR på slutten av 1980-tallet og vendte seg senere til oppkjøp, noe som medførte at selskapet valgte å støtte forskjellige chip-produktlinjer. Da hadde Bellmac-32s innflytelse begynt å vokse.
«Før Bellmac-32 dominerte NMOS markedet», sa Condry. «Men CMOS endret landskapet fordi det viste seg å være en mer effektiv måte å implementere det på i fabrikken.»
Over tid omformet denne erkjennelsen halvlederindustrien. CMOS skulle bli grunnlaget for moderne mikroprosessorer, og drive den digitale revolusjonen innen enheter som stasjonære datamaskiner og smarttelefoner.
Bell Labs' dristige eksperiment – som brukte en uprøvd produksjonsprosess og strakte seg over en hel generasjon med chiparkitektur – var en milepæl i teknologihistorien.
Som professor Kang uttrykker det: «Vi var i forkant av hva som var mulig. Vi fulgte ikke bare en eksisterende vei, vi banet vei for ny vei.» Professor Huang, som senere ble visedirektør for Singapore Institute of Microelectronics og også er IEEE-stipendiat, legger til: «Dette inkluderte ikke bare chiparkitektur og -design, men også storskala chipverifisering – ved hjelp av CAD, men uten dagens digitale simuleringsverktøy eller til og med breadboards (en standard måte å sjekke kretsdesignet til et elektronisk system ved hjelp av brikker før kretskomponentene er permanent koblet sammen).»
Condry, Kang og Huang ser tilbake på den tiden med glede og uttrykker beundring for dyktigheten og engasjementet til de mange AT&T-ansatte hvis innsats gjorde Bellmac-32-brikkefamilien mulig.
Publiseringstid: 19. mai 2025