Príchod tohto čipu zmenil smer vývoja čipov!
Koncom 70. rokov 20. storočia boli 8-bitové procesory v tom čase stále najpokročilejšou technológiou a procesy CMOS boli v oblasti polovodičov v nevýhode. Inžinieri v laboratóriách AT&T Bell Labs urobili odvážny krok do budúcnosti a skombinovali špičkové výrobné procesy 3,5-mikrónových CMOS s inovatívnymi architektúrami 32-bitových procesorov v snahe prekonať konkurenciu vo výkone čipov a predbehnúť IBM a Intel.
Hoci ich vynález, mikroprocesor Bellmac-32, nedosiahol komerčný úspech skorších produktov, ako napríklad Intel 4004 (uvedený na trh v roku 1971), jeho vplyv bol hlboký. Dnes sa čipy v takmer všetkých smartfónoch, notebookoch a tabletoch spoliehajú na princípy komplementárnych polovodičov kov-oxid (CMOS), ktoré prvýkrát predstavil Bellmac-32.
Blížili sa 80. roky a spoločnosť AT&T sa snažila transformovať. Telekomunikačný gigant prezývaný „Mother Bell“ desaťročia dominoval v oblasti hlasovej komunikácie v Spojených štátoch a jeho dcérska spoločnosť Western Electric vyrábala takmer všetky bežné telefóny v amerických domácnostiach a kanceláriách. Federálna vláda USA naliehala na rozdelenie podnikania spoločnosti AT&T z antitrustových dôvodov, ale AT&T videla príležitosť vstúpiť do počítačovej oblasti.
Keďže počítačové spoločnosti už boli na trhu dobre etablované, spoločnosť AT&T mala problém dobehnúť zameškané; jej stratégiou bolo predbehnúť ostatných a Bellmac-32 bol jej odrazovým mostíkom.
Rodina čipov Bellmac-32 získala ocenenie IEEE Milestone Award. Slávnostné odhalenie sa tento rok uskutoční v areáli Nokia Bell Labs v Murray Hill v New Jersey a v Múzeu počítačovej histórie v Mountain View v Kalifornii.
JEDINEČNÝ ČIP
Namiesto toho, aby sa riadili priemyselným štandardom 8-bitových čipov, vedenie spoločnosti AT&T vyzvalo inžinierov z Bell Labs, aby vyvinuli revolučný produkt: prvý komerčný mikroprocesor schopný preniesť 32 bitov dát v jednom hodinovom cykle. To si vyžadovalo nielen nový čip, ale aj novú architektúru – takú, ktorá by zvládla telekomunikačné prepínanie a slúžila ako chrbtica budúcich výpočtových systémov.
„Nevyvíjame len rýchlejší čip,“ povedal Michael Condry, ktorý vedie architektonickú skupinu v zariadení Bell Labs v Holmdeli v New Jersey. „Snažíme sa navrhnúť čip, ktorý dokáže podporovať hlas aj výpočty.“
V tom čase bola technológia CMOS považovaná za sľubnú, ale riskantnú alternatívu k konštrukciám NMOS a PMOS. Čipy NMOS sa spoliehali výlučne na tranzistory typu N, ktoré boli rýchle, ale energeticky náročné, zatiaľ čo čipy PMOS sa spoliehali na pohyb kladne nabitých dier, čo bolo príliš pomalé. CMOS používal hybridný dizajn, ktorý zvyšoval rýchlosť a zároveň šetril energiu. Výhody CMOS boli také presvedčivé, že si priemysel čoskoro uvedomil, že aj keby vyžadoval dvakrát toľko tranzistorov (NMOS a PMOS pre každú bránu), stálo to za to.
S rýchlym rozvojom polovodičovej technológie, ktorú opisuje Moorov zákon, sa náklady na zdvojnásobenie hustoty tranzistorov stali zvládnuteľnými a nakoniec zanedbateľnými. Keď sa však spoločnosť Bell Labs pustila do tohto vysoko rizikového riskantného projektu, technológia výroby CMOS vo veľkom meradle nebola overená a náklady boli relatívne vysoké.
To však spoločnosť Bell Labs nevystrašilo. Spoločnosť využila odborné znalosti svojich kampusov v Holmdeli, Murray Hill a Naperville v štáte Illinois a zostavila „tím snov“ polovodičových inžinierov. Tím zahŕňal Condreyho, Steva Conna, vychádzajúcu hviezdu v oblasti návrhu čipov, Victora Huanga, ďalšieho konštruktéra mikroprocesorov, a desiatky zamestnancov spoločnosti AT&T Bell Labs. V roku 1978 začali zvládať nový proces CMOS a od základov zostaviť 32-bitový mikroprocesor.
Začnite s architektúrou dizajnu
Condrey bol bývalým členom IEEE a neskôr pôsobil ako hlavný technologický riaditeľ spoločnosti Intel. Architektonický tím, ktorý viedol, sa zaviazal vybudovať systém, ktorý by natívne podporoval operačný systém Unix a jazyk C. V tom čase boli Unix aj jazyk C ešte len v plienkach, ale boli predurčené k dominancii. Aby prekonali v tom čase mimoriadne cenný limit pamäte kilobajtov (KB), zaviedli komplexnú sadu inštrukcií, ktorá vyžadovala menej krokov vykonávania a dokázala dokončiť úlohy v rámci jedného hodinového cyklu.
Inžinieri tiež navrhli čipy, ktoré podporujú paralelnú zbernicu VersaModule Eurocard (VME), ktorá umožňuje distribuované výpočty a paralelné spracovanie dát viacerými uzlami. Čipy kompatibilné s VME tiež umožňujú ich použitie na riadenie v reálnom čase.
Tím napísal vlastnú verziu Unixu a vybavil ju funkciami pre prácu v reálnom čase, aby zabezpečil kompatibilitu s priemyselnou automatizáciou a podobnými aplikáciami. Inžinieri z Bell Labs tiež vynašli domino logiku, ktorá zvýšila rýchlosť spracovania znížením oneskorení v zložitých logických bránach.
Ďalšie testovacie a overovacie techniky boli vyvinuté a zavedené s modulom Bellmac-32, komplexným projektom overovania a testovania viacerých čipov pod vedením Jen-Hsun Huanga, ktorý dosiahol nulové alebo takmer nulové chyby pri výrobe zložitých čipov. Išlo o prvé testovanie veľmi rozsiahlych integrovaných obvodov (VLSI) vo svete. Inžinieri spoločnosti Bell Labs vyvinuli systematický plán, opakovane kontrolovali prácu svojich kolegov a nakoniec dosiahli bezproblémovú spoluprácu naprieč viacerými rodinami čipov, čo vyvrcholilo kompletným mikropočítačovým systémom.
Nasleduje najnáročnejšia časť: samotná výroba čipu.
„V tom čase boli technológie návrhu, testovania a výroby s vysokým výnosom veľmi vzácne,“ spomína Kang, ktorý sa neskôr stal prezidentom Kórejského pokročilého inštitútu vedy a techniky (KAIST) a členom IEEE. Poznamenáva, že nedostatok CAD nástrojov na overenie celého čipu prinútil tím tlačiť nadrozmerné výkresy Calcomp. Tieto schémy ukazujú, ako by mali byť tranzistory, vodiče a prepojenia usporiadané v čipe, aby sa dosiahol požadovaný výstup. Tím ich zostavil na podlahe pomocou pásky a vytvoril obrovský štvorcový výkres s jednou stranou viac ako 6 metrov. Kang a jeho kolegovia ručne nakreslili každý obvod farebnými ceruzkami a hľadali prerušené spojenia a prekrývajúce sa alebo nesprávne manipulované prepojenia.
Po dokončení fyzického návrhu tím čelil ďalšej výzve: výrobe. Čipy sa vyrábali v závode Western Electric v Allentowne v Pensylvánii, ale Kang si spomína, že miera výťažnosti (percento čipov na doštičke, ktoré spĺňali výkonnostné a kvalitatívne štandardy) bola veľmi nízka.
Aby sa tento problém vyriešil, Kang a jeho kolegovia každý deň jazdili do závodu z New Jersey, vyhrnuli si rukávy a robili všetko potrebné vrátane zametania podláh a kalibrácie testovacích zariadení, aby vybudovali kamarátstvo a presvedčili všetkých, že najzložitejší produkt, aký sa kedy závod pokúsil vyrobiť, sa skutočne dá vyrobiť práve tam.
„Proces budovania tímu prebehol hladko,“ povedal Kang. „Po niekoľkých mesiacoch bola spoločnosť Western Electric schopná vyrábať vysokokvalitné čipy v množstvách, ktoré prevyšovali dopyt.“
Prvá verzia prístroja Bellmac-32 bola uvedená na trh v roku 1980, ale nesplnila očakávania. Jeho cieľová frekvencia bola iba 2 MHz, nie 4 MHz. Inžinieri zistili, že najmodernejšie testovacie zariadenie Takeda Riken, ktoré v tom čase používali, bolo chybné, pričom efekty prenosového vedenia medzi sondou a testovacou hlavou spôsobovali nepresné merania. Spolupracovali s tímom Takeda Riken na vývoji korekčnej tabuľky na opravu chýb merania.
Čipy Bellmac druhej generácie mali taktovaciu frekvenciu presahujúcu 6,2 MHz, niekedy až 9 MHz. V tom čase sa to považovalo za dosť rýchle. 16-bitový procesor Intel 8088, ktorý spoločnosť IBM uviedla na trh vo svojom prvom počítači v roku 1981, mal taktovaciu frekvenciu iba 4,77 MHz.
Prečo Bellmac-32 nefungoval'nestať sa mainstreamom
Napriek sľubným výsledkom sa technológia Bellmac-32 nedočkala širokého komerčného uplatnenia. Podľa Condreyho sa spoločnosť AT&T začala koncom 80. rokov zaujímať o výrobcu zariadení NCR a neskôr sa obrátila na akvizície, čo znamenalo, že sa spoločnosť rozhodla podporovať rôzne produktové rady čipov. V tom čase už vplyv spoločnosti Bellmac-32 začal rásť.
„Pred Bellmac-32 dominovali na trhu NMOS tranzistory,“ povedal Condry. „Ale CMOS tranzistory zmenili situáciu, pretože sa ukázali ako efektívnejší spôsob ich implementácie vo výrobe.“
Postupom času toto uvedomenie zmenilo tvar polovodičového priemyslu. CMOS sa stal základom moderných mikroprocesorov a poháňal digitálnu revolúciu v zariadeniach, ako sú stolové počítače a smartfóny.
Odvážny experiment spoločnosti Bell Labs – s využitím neotestovaného výrobného procesu a zahŕňajúcim celú generáciu architektúry čipov – bol míľnikom v dejinách technológie.
Ako hovorí profesor Kang: „Boli sme v popredí toho, čo bolo možné. Nešli sme len po existujúcej ceste, ale razili sme novú.“ Profesor Huang, ktorý sa neskôr stal zástupcom riaditeľa Singapurského inštitútu mikroelektroniky a je tiež členom IEEE, dodáva: „To zahŕňalo nielen architektúru a dizajn čipov, ale aj overovanie čipov vo veľkom meradle – pomocou CAD, ale bez dnešných nástrojov digitálnej simulácie alebo dokonca nepájivých dosiek (štandardný spôsob kontroly návrhu obvodu elektronického systému pomocou čipov predtým, ako sú komponenty obvodu trvalo prepojené).“
Condry, Kang a Huang s láskou spomínajú na to obdobie a vyjadrujú obdiv k zručnostiam a obetavosti mnohých zamestnancov spoločnosti AT&T, ktorých úsilie umožnilo vznik rodiny čipov Bellmac-32.
Čas uverejnenia: 19. mája 2025