З'яўленне гэтага чыпа змяніла ход распрацоўкі чыпаў!
У канцы 1970-х гадоў 8-бітныя працэсары ўсё яшчэ былі самай перадавой тэхналогіяй на той час, і CMOS-працэсы былі ў нявыгадным становішчы ў галіне паўправаднікоў. Інжынеры з AT&T Bell Labs зрабілі смелы крок у будучыню, спалучыўшы перадавыя 3,5-мікронныя вытворчыя працэсы CMOS з інавацыйнымі 32-бітнымі архітэктурамі працэсараў, імкнучыся перасягнуць канкурэнтаў па прадукцыйнасці чыпаў, абышоўшы IBM і Intel.
Нягледзячы на тое, што іх вынаходніцтва, мікрапрацэсар Bellmac-32, не дасягнула камерцыйнага поспеху папярэдніх прадуктаў, такіх як Intel 4004 (выпушчаны ў 1971 годзе), яго ўплыў быў вельмі значным. Сёння чыпы амаль ва ўсіх смартфонах, ноўтбуках і планшэтах абапіраюцца на прынцыпы камплементарных метал-аксідных паўправаднікоў (КМАП), упершыню выкарыстаныя ў Bellmac-32.
Набліжаліся 1980-я гады, і AT&T спрабавала трансфармавацца. На працягу дзесяцігоддзяў тэлекамунікацыйны гігант пад мянушкай «Маці-Белочка» дамінаваў у бізнэсе галасавой сувязі ў Злучаных Штатах, а яго даччыная кампанія Western Electric вырабляла амаль усе распаўсюджаныя тэлефоны ў амерыканскіх дамах і офісах. Федэральны ўрад ЗША заклікаў да падзелу бізнесу AT&T па антыманапольных прычынах, але AT&T убачыла магчымасць увайсці ў камп'ютэрную сферу.
Паколькі камп'ютэрныя кампаніі ўжо добра зарэкамендавалі сябе на рынку, AT&T было цяжка дагнаць іх; яе стратэгія заключалася ў тым, каб пераскочыць, і Bellmac-32 стаў для гэтага трамплінам.
Сямейства мікрасхем Bellmac-32 было ўганаравана прэміяй IEEE Milestone Award. Цырымоніі адкрыцця адбудуцца ў гэтым годзе ў кампусе Nokia Bell Labs у Мюрэй-Хіл, штат Нью-Джэрсі, і ў Музеі гісторыі камп'ютэраў у Маўнцін-В'ю, штат Каліфорнія.
УНІКАЛЬНЫ ЧЫП
Замест таго, каб прытрымлівацца галіновага стандарту 8-бітных чыпаў, кіраўніцтва AT&T паставіла перад інжынерамі Bell Labs задачу распрацаваць рэвалюцыйны прадукт: першы камерцыйны мікрапрацэсар, здольны перадаваць 32 біты дадзеных за адзін тактавы цыкл. Гэта патрабавала не толькі новага чыпа, але і новай архітэктуры — такой, якая магла б апрацоўваць камутацыю тэлекамунікацый і служыць асновай будучых вылічальных сістэм.
«Мы не проста ствараем больш хуткі чып», — сказаў Майкл Кондры, які ўзначальвае групу архітэктуры ў лабараторыі Bell Labs у Холмдэле, штат Нью-Джэрсі. «Мы спрабуем распрацаваць чып, які можа падтрымліваць як голас, так і вылічэнні».
У той час тэхналогія CMOS разглядалася як перспектыўная, але рызыкоўная альтэрнатыва канструкцыям NMOS і PMOS. Чыпы NMOS цалкам абапіраліся на транзістары N-тыпу, якія былі хуткімі, але энергаёмістымі, у той час як чыпы PMOS абапіраліся на рух станоўча зараджаных дзірак, што было занадта павольна. У CMOS выкарыстоўвалася гібрыдная канструкцыя, якая павялічвала хуткасць, адначасова эканомячы энергію. Перавагі CMOS былі настолькі пераканаўчымі, што прамысловасць неўзабаве зразумела, што нават калі патрабуецца ўдвая больш транзістараў (NMOS і PMOS для кожнага затвора), гэта таго варта.
З хуткім развіццём паўправадніковых тэхналогій, апісаных законам Мура, кошт падваення шчыльнасці транзістараў стаў кіравальным і ў рэшце рэшт нязначным. Аднак, калі Bell Labs адважылася на гэтую рызыкоўную авантуру, тэхналогія вытворчасці КМОП у вялікіх маштабах не была правераная, а кошт быў адносна высокім.
Гэта не напалохала Bell Labs. Кампанія абапіралася на вопыт сваіх кампусаў у Холмдэле, Мюрэй-Хіле і Нейпервіле, штат Ілінойс, і сабрала «каманду мары» з інжынераў-паўправаднікоў. У каманду ўваходзілі Кондры, Стыў Кон, узыходзячая зорка ў распрацоўцы мікрасхем, Віктар Хуанг, яшчэ адзін распрацоўшчык мікрапрацэсараў, і дзясяткі супрацоўнікаў AT&T Bell Labs. Яны пачалі асвойваць новы CMOS-працэс у 1978 годзе і ствараць 32-бітны мікрапрацэсар з нуля.
Пачніце з дызайнерскай архітэктуры
Кондры быў былым членам IEEE, а пазней займаў пасаду галоўнага тэхнічнага дырэктара Intel. Каманда архітэктараў, якую ён узначальваў, была прысвечана стварэнню сістэмы, якая б натыўна падтрымлівала аперацыйную сістэму Unix і мову праграмавання C. У той час і Unix, і мова C былі яшчэ ў зачаткавым стане, але ім было наканавана дамінаваць. Каб пераадолець надзвычай каштоўны ў той час ліміт памяці ў кілабайты (КБ), яны ўвялі складаны набор інструкцый, які патрабаваў меншай колькасці крокаў выканання і мог выконваць задачы за адзін такт.
Інжынеры таксама распрацавалі чыпы, якія падтрымліваюць паралельную шыну VersaModule Eurocard (VME), што дазваляе размеркаваныя вылічэнні і дазваляе некалькім вузлам апрацоўваць дадзеныя паралельна. Чыпы, сумяшчальныя з VME, таксама дазваляюць выкарыстоўваць іх для кіравання ў рэжыме рэальнага часу.
Каманда напісала ўласную версію Unix і надала ёй магчымасці працы ў рэжыме рэальнага часу, каб забяспечыць сумяшчальнасць з прамысловай аўтаматызацыяй і падобнымі праграмамі. Інжынеры Bell Labs таксама вынайшлі логіку даміно, якая павялічыла хуткасць апрацоўкі за кошт скарачэння затрымак у складаных лагічных элементах.
Дадатковыя метады тэсціравання і праверкі былі распрацаваны і ўкаранёны з дапамогай модуля Bellmac-32, складанага праекта па праверцы і тэсціраванні некалькіх мікрасхем пад кіраўніцтвам Джэн-Сюня Хуанга, які дасягнуў нулявой або амаль нулявой колькасці дэфектаў пры вытворчасці складаных мікрасхем. Гэта было першае ў свеце выпрабаванне вельмі буйных інтэгральных схем (VLSI). Інжынеры Bell Labs распрацавалі сістэматычны план, неаднаразова правяралі працу сваіх калег і ў рэшце рэшт дасягнулі бесперабойнага супрацоўніцтва паміж некалькімі сямействамі мікрасхем, што прывяло да стварэння поўнай мікракамп'ютэрнай сістэмы.
Далей ідзе самая складаная частка: уласна вытворчасць чыпа.
«У той час тэхналогіі кампаноўкі, тэсціравання і высокапрадукцыйнай вытворчасці былі вельмі рэдкімі», — успамінае Кан, які пазней стаў прэзідэнтам Карэйскага інстытута перадавых навук і тэхналогій (KAIST) і членам IEEE. Ён адзначае, што адсутнасць інструментаў САПР для поўнай праверкі чыпа прымусіла каманду раздрукоўваць павялічаныя чарцяжы Calcomp. Гэтыя схемы паказваюць, як транзістары, правады і міжзлучэнні павінны быць размешчаны ўнутры чыпа, каб атрымаць патрэбны вынік. Каманда сабрала іх на падлозе з дапамогай скотчу, утварыўшы гіганцкі квадратны малюнак са бокам больш за 6 метраў. Кан і яго калегі намалявалі кожную схему каляровымі алоўкамі ўручную, шукаючы пашкоджаныя злучэнні і перакрываючыяся або няправільна апрацаваныя міжзлучэнні.
Пасля завяршэння фізічнага праектавання каманда сутыкнулася з яшчэ адной праблемай: вытворчасцю. Чыпы вырабляліся на заводзе Western Electric у Алентаўне, штат Пенсільванія, але Канг успамінае, што выхад (працэнт чыпаў на пласціне, якія адпавядалі стандартам прадукцыйнасці і якасці) быў вельмі нізкім.
Каб вырашыць гэтую праблему, Кан і яго калегі кожны дзень ездзілі на завод з Нью-Джэрсі, закасвалі рукавы і рабілі ўсё неабходнае, у тым ліку падмяталі падлогі і калібровалі выпрабавальнае абсталяванне, каб стварыць сяброўскія адносіны і пераканаць усіх, што самы складаны прадукт, які калі-небудзь спрабаваў вырабляць завод, сапраўды можна вырабіць тут.
«Працэс фарміравання каманды прайшоў гладка», — сказаў Канг. «Праз некалькі месяцаў Western Electric змагла вырабляць высакаякасныя чыпы ў колькасцях, якія перавышалі попыт».
Першая версія Bellmac-32 была выпушчана ў 1980 годзе, але яна не апраўдала чаканняў. Яго мэтавая частата складала ўсяго 2 МГц, а не 4 МГц. Інжынеры выявілі, што сучаснае выпрабавальнае абсталяванне Takeda Riken, якое яны выкарыстоўвалі ў той час, мела недахопы, з-за ўздзеяння ліній перадачы паміж зондам і выпрабавальнай галоўкай, што прыводзіла да недакладных вымярэнняў. Яны працавалі з камандай Takeda Riken, каб распрацаваць карэкцыйную табліцу для выпраўлення памылак вымярэнняў.
Чыпы Bellmac другога пакалення мелі тактавую частату перавышала 6,2 МГц, а часам дасягала 9 МГц. У той час гэта лічылася даволі хуткім. 16-бітны працэсар Intel 8088, які IBM выпусціла ў сваім першым ПК у 1981 годзе, меў тактавую частату ўсяго 4,77 МГц.
Чаму Bellmac-32 не'не стаць мэйнстрымам
Нягледзячы на шматабяцальнасць, тэхналогія Bellmac-32 не атрымала шырокага камерцыйнага распаўсюджвання. Паводле слоў Кондры, AT&T пачала прыглядацца да вытворцы абсталявання NCR у канцы 1980-х гадоў, а пазней звярнулася да набыццяў, што азначала, што кампанія вырашыла падтрымліваць розныя лінейкі мікрасхем. Да таго часу ўплыў Bellmac-32 пачаў расці.
«Да з'яўлення Bellmac-32 рынак дамінаваў на аснове NMOS-транзістараў», — сказаў Кондры. «Але CMOS-транзістары змянілі сітуацыю, бо аказаліся больш эфектыўным спосабам іх рэалізацыі ў вытворчасці».
З часам гэта ўсведамленне змяніла паўправадніковую прамысловасць. КМОП-тэхналогіі сталі асновай для сучасных мікрапрацэсараў, што стала энергіяй для лічбавай рэвалюцыі ў такіх прыладах, як настольныя кампутары і смартфоны.
Смелы эксперымент Bell Labs — выкарыстанне неправеранага вытворчага працэсу і ахопліванне цэлага пакалення архітэктуры мікрасхем — стаў важнай вяхой у гісторыі тэхналогій.
Як кажа прафесар Канг: «Мы былі на пярэднім краі магчымага. Мы не проста ішлі па існуючым шляху, мы пракладалі новы». Прафесар Хуанг, які пазней стаў намеснікам дырэктара Сінгапурскага інстытута мікраэлектронікі, а таксама з'яўляецца членам IEEE, дадае: «Гэта ўключала не толькі архітэктуру і дызайн мікрасхем, але і маштабную верыфікацыю мікрасхем — з выкарыстаннем САПР, але без сучасных інструментаў лічбавага мадэлявання ці нават макетных плат (стандартны спосаб праверкі схемы электроннай сістэмы з выкарыстаннем мікрасхем да таго, як кампаненты схемы будуць канчаткова злучаны разам)».
Кондры, Кан і Хуан з цеплынёй успамінаюць той час і выказваюць захапленне майстэрствам і адданасцю многіх супрацоўнікаў AT&T, чые намаганні зрабілі магчымым стварэнне сямейства мікрасхем Bellmac-32.
Час публікацыі: 19 мая 2025 г.