Pojava ovog čipa promijenila je tok razvoja čipova!
Krajem 1970-ih, 8-bitni procesori su i dalje bili najnaprednija tehnologija u to vrijeme, a CMOS procesi su bili u nepovoljnom položaju u oblasti poluprovodnika. Inženjeri u AT&T Bell Labs-u su hrabro zakoračili u budućnost, kombinujući najsavremenije 3,5-mikronske CMOS proizvodne procese sa inovativnim 32-bitnim procesorskim arhitekturama u nastojanju da nadmaše konkurente u performansama čipova, prestigavši IBM i Intel.
Iako njihov izum, mikroprocesor Bellmac-32, nije uspio postići komercijalni uspjeh ranijih proizvoda poput Intel 4004 (objavljenog 1971. godine), njegov utjecaj je bio dubok. Danas se čipovi u gotovo svim pametnim telefonima, laptopima i tabletima oslanjaju na principe komplementarnog metal-oksidnog poluprovodnika (CMOS) koje je prvi put predstavio Bellmac-32.
Bližile su se 1980-te, a AT&T je pokušavao da se transformiše. Decenijama je telekomunikacijski gigant, nadimka "Mother Bell", dominirao poslovanjem glasovnih komunikacija u Sjedinjenim Državama, a njegova podružnica Western Electric proizvodila je gotovo sve uobičajene telefone u američkim domovima i kancelarijama. Savezna vlada SAD-a insistirala je na razdvajanju AT&T-ovog poslovanja iz antimonopolskih razloga, ali AT&T je vidio priliku da uđe u računarsku oblast.
S obzirom na to da su računarske kompanije već bile dobro etablirane na tržištu, AT&T-u je bilo teško da ih sustigne; njihova strategija je bila da preskoče konkurenciju, a Bellmac-32 je bio odskočna daska.
Porodica čipova Bellmac-32 nagrađena je nagradom IEEE Milestone. Ceremonija predstavljanja održat će se ove godine u kampusu Nokia Bell Labs u Murray Hillu, New Jersey, i u Muzeju računarske historije u Mountain Viewu, Kalifornija.
JEDINSTVENI ČIP
Umjesto da slijede industrijski standard 8-bitnih čipova, rukovodioci AT&T-a izazvali su inženjere Bell Labsa da razviju revolucionarni proizvod: prvi komercijalni mikroprocesor sposoban za prijenos 32 bita podataka u jednom taktnom ciklusu. To je zahtijevalo ne samo novi čip već i novu arhitekturu - onu koja bi mogla podnijeti telekomunikacijsko prebacivanje i poslužiti kao okosnica budućih računarskih sistema.
„Ne gradimo samo brži čip“, rekao je Michael Condry, koji vodi arhitektonsku grupu u Bell Labsovom pogonu u Holmdelu, New Jersey. „Pokušavamo dizajnirati čip koji može podržavati i glas i računarstvo.“
U to vrijeme, CMOS tehnologija se smatrala obećavajućom, ali rizičnom alternativom NMOS i PMOS dizajnima. NMOS čipovi su se u potpunosti oslanjali na N-tip tranzistora, koji su bili brzi, ali su trošili mnogo energije, dok su se PMOS čipovi oslanjali na kretanje pozitivno naelektrisanih rupa, što je bilo previše sporo. CMOS je koristio hibridni dizajn koji je povećavao brzinu uz uštedu energije. Prednosti CMOS-a bile su toliko uvjerljive da je industrija ubrzo shvatila da se isplati čak i ako je potrebno dvostruko više tranzistora (NMOS i PMOS za svaki gejt).
S brzim razvojem poluprovodničke tehnologije opisane Murovim zakonom, trošak udvostručenja gustoće tranzistora postao je podnošljiv i na kraju zanemariv. Međutim, kada se Bell Labs upustio u ovaj visokorizični rizik, tehnologija proizvodnje CMOS-a velikih razmjera nije bila dokazana, a trošak relativno visok.
Ovo nije uplašilo Bell Labs. Kompanija se oslonila na stručnost svojih kampusa u Holmdelu, Murray Hillu i Napervilleu, Illinois, i okupila "tim iz snova" inženjera za poluprovodnike. Tim je uključivao Condreyja, Stevea Conna, zvijezdu u usponu u dizajnu čipova, Victora Huanga, još jednog dizajnera mikroprocesora, i desetine zaposlenih iz AT&T Bell Labsa. Počeli su da savladavaju novi CMOS proces 1978. godine i da grade 32-bitni mikroprocesor od nule.
Počnite s arhitekturom dizajna
Condrey je bio bivši IEEE stipendista, a kasnije je služio kao glavni tehnološki direktor u Intelu. Arhitektonski tim koji je vodio bio je posvećen izgradnji sistema koji izvorno podržava operativni sistem Unix i jezik C. U to vrijeme, i Unix i jezik C su još uvijek bili u povojima, ali su bili predodređeni da dominiraju. Kako bi probili izuzetno vrijedno ograničenje memorije od kilobajta (KB) u to vrijeme, uveli su složeni skup instrukcija koji je zahtijevao manje koraka izvršavanja i mogao je završiti zadatke unutar jednog taktnog ciklusa.
Inženjeri su također dizajnirali čipove koji podržavaju paralelnu magistralu VersaModule Eurocard (VME), koja omogućava distribuirano računarstvo i dopušta više čvorova da paralelno obrađuju podatke. Čipovi kompatibilni sa VME im također omogućavaju da se koriste za kontrolu u realnom vremenu.
Tim je napisao vlastitu verziju Unixa i dao joj mogućnosti rada u realnom vremenu kako bi osigurao kompatibilnost s industrijskom automatizacijom i sličnim aplikacijama. Inženjeri Bell Labsa su također izumili domino logiku, koja je povećala brzinu obrade smanjenjem kašnjenja u složenim logičkim vratima.
Dodatne tehnike testiranja i verifikacije razvijene su i uvedene s modulom Bellmac-32, složenim projektom verifikacije i testiranja više čipova koji je vodio Jen-Hsun Huang, a koji je postigao nula ili gotovo nula defekata u proizvodnji složenih čipova. Ovo je bio prvi takav slučaj u svijetu testiranja integriranih kola vrlo velikih razmjera (VLSI). Inženjeri Bell Labsa razvili su sistematski plan, više puta provjeravali rad svojih kolega i na kraju postigli besprijekornu saradnju između više porodica čipova, što je kulminiralo kompletnim mikroračunarskim sistemom.
Sljedeći je najizazovniji dio: sama proizvodnja čipa.
„U to vrijeme, tehnologije za raspored, testiranje i proizvodnju visokog prinosa bile su vrlo rijetke“, prisjeća se Kang, koji je kasnije postao predsjednik Korejskog naprednog instituta za nauku i tehnologiju (KAIST) i član IEEE-a. Napominje da je nedostatak CAD alata za potpunu verifikaciju čipa prisilio tim da odštampa prevelike Calcompove crteže. Ove sheme pokazuju kako tranzistori, žice i međusobni spojevi trebaju biti raspoređeni unutar čipa kako bi se dobio željeni izlaz. Tim ih je sastavio na podu pomoću trake, formirajući ogromni kvadratni crtež sa stranicom većom od 6 metara. Kang i njegove kolege ručno su crtali svako kolo olovkama u boji, tražeći prekinute veze i preklapajuće ili nepravilno rukovane međusobne spojeve.
Nakon što je fizički dizajn završen, tim se suočio s još jednim izazovom: proizvodnjom. Čipovi su proizvedeni u tvornici Western Electric u Allentownu, Pennsylvania, ali Kang se prisjeća da je stopa prinosa (postotak čipova na pločici koji su ispunjavali standarde performansi i kvalitete) bila vrlo niska.
Da bi se pozabavili ovim problemom, Kang i njegove kolege su se svaki dan vozili do fabrike iz New Jerseyja, zasukali rukave i radili sve što je bilo potrebno, uključujući metenje podova i kalibraciju opreme za testiranje, kako bi izgradili drugarstvo i uvjerili sve da se najkompleksniji proizvod koji je fabrika ikada pokušala proizvesti zaista može napraviti tamo.
„Proces izgradnje tima je tekao glatko“, rekao je Kang. „Nakon nekoliko mjeseci, Western Electric je bio u stanju proizvoditi visokokvalitetne čipove u količinama koje su premašivale potražnju.“
Prva verzija Bellmac-32 je izdata 1980. godine, ali nije ispunila očekivanja. Njegova ciljana frekvencija performansi bila je samo 2 MHz, a ne 4 MHz. Inženjeri su otkrili da je najsavremenija Takeda Riken ispitna oprema koju su koristili u to vrijeme bila neispravna, s efektima prenosne linije između sonde i ispitne glave koji su uzrokovali netačna mjerenja. Sarađivali su s Takeda Riken timom kako bi razvili tabelu korekcija za ispravljanje grešaka u mjerenju.
Bellmac čipovi druge generacije imali su taktne brzine veće od 6,2 MHz, ponekad i do 9 MHz. To se u to vrijeme smatralo prilično brzim. 16-bitni Intel 8088 procesor koji je IBM izdao u svom prvom PC-u 1981. godine imao je taktnu brzinu od samo 4,77 MHz.
Zašto Bellmac-32 nije't postati mejnstrim
Uprkos obećanju, Bellmac-32 tehnologija nije stekla široku komercijalnu primjenu. Prema Condreyu, AT&T je krajem 1980-ih počeo razmatrati proizvođača opreme NCR, a kasnije se okrenuo akvizicijama, što je značilo da se kompanija odlučila podržati različite linije čipova. Do tada je utjecaj Bellmac-32 počeo rasti.
„Prije Bellmac-32, NMOS je dominirao tržištem“, rekao je Condry. „Ali CMOS je promijenio situaciju jer se pokazao kao efikasniji način implementacije u fabrici.“
Vremenom je ovo otkriće preoblikovalo industriju poluprovodnika. CMOS će postati osnova za moderne mikroprocesore, pokrećući digitalnu revoluciju u uređajima poput desktop računara i pametnih telefona.
Smjeli eksperiment kompanije Bell Labs – korištenje netestiranog proizvodnog procesa i obuhvatanje cijele generacije arhitekture čipova – bio je prekretnica u historiji tehnologije.
Kako profesor Kang kaže: „Bili smo u prvim redovima onoga što je bilo moguće. Nismo samo slijedili postojeći put, već smo krčili novi.“ Profesor Huang, koji je kasnije postao zamjenik direktora Singapurskog instituta za mikroelektroniku, a ujedno je i IEEE stipendista, dodaje: „Ovo je uključivalo ne samo arhitekturu i dizajn čipova, već i verifikaciju čipova velikih razmjera – korištenjem CAD-a, ali bez današnjih alata za digitalnu simulaciju ili čak probnih ploča (standardni način provjere dizajna kola elektronskog sistema korištenjem čipova prije nego što se komponente kola trajno spoje).“
Condry, Kang i Huang se s ljubavlju prisjećaju tog vremena i izražavaju divljenje prema vještini i posvećenosti mnogih zaposlenika kompanije AT&T čiji su napori omogućili stvaranje porodice čipova Bellmac-32.
Vrijeme objave: 19. maj 2025.