Pojava ovog čipa promijenila je tijek razvoja čipova!
Krajem 1970-ih, 8-bitni procesori su još uvijek bili najnaprednija tehnologija u to vrijeme, a CMOS procesi su bili u nepovoljnom položaju u području poluvodiča. Inženjeri u AT&T Bell Labsu napravili su hrabar korak u budućnost, kombinirajući vrhunske 3,5-mikronske CMOS proizvodne procese s 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 Intela 4004 (objavljenog 1971.), njegov utjecaj bio je dubok. Danas se čipovi u gotovo svim pametnim telefonima, prijenosnim računalima i tabletima oslanjaju na principe komplementarnog metal-oksidnog poluvodiča (CMOS) koje je prvi put predstavio Bellmac-32.
Bližile su se 1980-e, a AT&T se pokušavao transformirati. Desetljećima je telekomunikacijski div 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 uredima. Američka savezna vlada poticala je na podjelu AT&T-ovog poslovanja iz antimonopolskih razloga, ali AT&T je vidio priliku za ulazak u računalno područje.
S računalnim tvrtkama koje su već bile dobro etablirane na tržištu, AT&T-u je bilo teško sustići ih; njihova je strategija bila preskočiti tržište, a Bellmac-32 bio je odskočna daska.
Obitelj čipova Bellmac-32 nagrađena je nagradom IEEE Milestone. Svečanosti predstavljanja održat će se ove godine u kampusu Nokia Bell Labs u Murray Hillu u New Jerseyju i u Muzeju računalne povijesti u Mountain Viewu u Kaliforniji.
JEDINSTVENI ČIP
Umjesto da slijede industrijski standard 8-bitnih čipova, rukovoditelji 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 računalnih sustava.
„Ne gradimo samo brži čip“, rekao je Michael Condry, koji vodi arhitektonsku grupu u pogonu Bell Labsa u Holmdelu u New Jerseyju. „Pokušavamo dizajnirati čip koji može podržavati i glas i računalstvo.“
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 nabijenih 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 ulaz).
S brzim razvojem poluvodičke tehnologije opisane Mooreovim 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.
To nije uplašilo Bell Labs. Tvrtka se oslonila na stručnost svojih kampusa u Holmdelu, Murray Hillu i Napervilleu u Illinoisu te okupila "tim iz snova" inženjera za poluvodiče. Tim je uključivao Condreyja, Stevea Conna, zvijezdu u usponu u dizajnu čipova, Victora Huanga, još jednog dizajnera mikroprocesora, i desetke zaposlenika iz AT&T Bell Labsa. Počeli su svladavati novi CMOS proces 1978. i graditi 32-bitni mikroprocesor od nule.
Započnite s arhitekturom dizajna
Condrey je bio bivši IEEE-ov član, a kasnije je služio kao Intelov glavni tehnološki direktor. Arhitektonski tim koji je vodio bio je posvećen izgradnji sustava koji je izvorno podržavao operativni sustav Unix i jezik C. U to vrijeme, i Unix i jezik C bili su još u povojima, ali su bili predodređeni da dominiraju. Kako bi probili tadašnje izuzetno vrijedno ograničenje memorije od kilobajta (KB), uveli su složeni skup instrukcija koji je zahtijevao manje koraka izvršavanja i mogao je dovršiti zadatke unutar jednog taktnog ciklusa.
Inženjeri su također dizajnirali čipove koji podržavaju paralelnu sabirnicu VersaModule Eurocard (VME), koja omogućuje distribuirano računanje i dopušta više čvorova da paralelno obrađuju podatke. Čipovi kompatibilni s VME-om također im omogućuju korištenje za upravljanje u stvarnom vremenu.
Tim je napisao vlastitu verziju Unixa i dao joj mogućnosti rada u stvarnom vremenu kako bi osigurao kompatibilnost s industrijskom automatizacijom i sličnim aplikacijama. Inženjeri Bell Labsa također su 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 nedostataka u proizvodnji složenih čipova. Ovo je bio prvi takav slučaj u svijetu testiranja integriranih krugova vrlo velikih razmjera (VLSI). Inženjeri Bell Labsa razvili su sustavni plan, više puta provjeravali rad svojih kolega i na kraju postigli besprijekornu suradnju između više obitelji čipova, što je kulminiralo cjelovitim mikroračunalnim sustavom.
Sljedeći je najizazovniji dio: sama proizvodnja čipa.
„U to vrijeme, tehnologije za raspored, testiranje i visokoprinosnu proizvodnju bile su vrlo rijetke“, prisjeća se Kang, koji je kasnije postao predsjednik Korejskog naprednog instituta za znanost i tehnologiju (KAIST) i član IEEE-a. Napominje da je nedostatak CAD alata za potpunu verifikaciju čipa prisilio tim da ispiše prevelike Calcompove crteže. Ove sheme pokazuju kako bi tranzistori, žice i međuspojevi trebali biti raspoređeni unutar čipa kako bi se dobio željeni izlaz. Tim ih je sastavio na podu pomoću trake, formirajući divovski kvadratni crtež sa stranicom većom od 6 metara. Kang i njegovi kolege ručno su crtali svaki krug olovkama u boji, tražeći prekinute veze i preklapajuće ili nepravilno rukovane međuspojeve.
Nakon što je fizički dizajn bio dovršen, tim se suočio s još jednim izazovom: proizvodnjom. Čipovi su proizvedeni u tvornici Western Electric u Allentownu u Pennsylvaniji, ali Kang se prisjeća da je stopa prinosa (postotak čipova na pločici koji su zadovoljavali standarde performansi i kvalitete) bila vrlo niska.
Kako bi to riješili, Kang i njegovi kolege svaki su dan vozili u tvornicu iz New Jerseyja, zasukali rukave i radili sve što je bilo potrebno, uključujući metenje podova i kalibriranje ispitne opreme, kako bi izgradili prijateljski odnos i uvjerili sve da se najsloženiji proizvod koji je tvornica ikada pokušala proizvesti doista može tamo napraviti.
„Proces izgradnje tima tekao je glatko“, rekao je Kang. „Nakon nekoliko mjeseci, Western Electric je uspio proizvoditi visokokvalitetne čipove u količinama koje su premašivale potražnju.“
Prva verzija Bellmac-32 izdana je 1980. godine, ali nije ispunila očekivanja. Njegova ciljana frekvencija performansi bila je samo 2 MHz, a ne 4 MHz. Inženjeri su otkrili da je najsuvremenija ispitna oprema Takeda Riken koju su tada koristili bila manjkava, s efektima prijenosne linije između sonde i ispitne glave koji su uzrokovali netočna mjerenja. Surađivali su s timom Takeda Riken kako bi razvili korekcijsku tablicu za ispravljanje pogrešaka mjerenja.
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 računalu 1981. imao je taktnu brzinu od samo 4,77 MHz.
Zašto Bellmac-32 nije'ne postati mainstream
Unatoč obećanju, tehnologija Bellmac-32 nije stekla široku komercijalnu primjenu. Prema Condreyju, AT&T je krajem 1980-ih počeo razmatrati proizvođača opreme NCR, a kasnije se okrenuo akvizicijama, što je značilo da je tvrtka 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 učinkovitiji način implementacije u tvornici.“
S vremenom je ta spoznaja preoblikovala poluvodičku industriju. CMOS će postati osnova za moderne mikroprocesore, pokrećući digitalnu revoluciju u uređajima poput stolnih računala i pametnih telefona.
Smjeli eksperiment Bell Labsa - korištenje neispitanog proizvodnog procesa i obuhvaćanje cijele generacije arhitekture čipova - bio je prekretnica u povijesti 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 ravnatelja Singapurskog instituta za mikroelektroniku, a ujedno je i IEEE-ov stipendist, dodaje: „To 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 sklopa elektroničkog sustava pomoću čipova prije nego što se komponente sklopa trajno spoje).“
Condry, Kang i Huang s ljubavlju se prisjećaju tog vremena i izražavaju divljenje vještini i predanosti mnogih zaposlenika AT&T-a čiji su napori omogućili stvaranje obitelji čipova Bellmac-32.
Vrijeme objave: 19. svibnja 2025.