Η άφιξη αυτού του τσιπ άλλαξε την πορεία της ανάπτυξης των τσιπ!
Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, οι επεξεργαστές 8-bit ήταν ακόμα η πιο προηγμένη τεχνολογία εκείνη την εποχή, και οι διαδικασίες CMOS βρίσκονταν σε μειονεκτική θέση στον τομέα των ημιαγωγών. Οι μηχανικοί στα AT&T Bell Labs έκαναν ένα τολμηρό βήμα προς το μέλλον, συνδυάζοντας πρωτοποριακές διαδικασίες κατασκευής CMOS 3,5 μικρών με καινοτόμες αρχιτεκτονικές επεξεργαστών 32-bit, σε μια προσπάθεια να ξεπεράσουν τους ανταγωνιστές στην απόδοση των τσιπ, ξεπερνώντας την IBM και την Intel.
Αν και η εφεύρεσή τους, ο μικροεπεξεργαστής Bellmac-32, δεν κατάφερε να επιτύχει την εμπορική επιτυχία προηγούμενων προϊόντων όπως ο Intel 4004 (κυκλοφόρησε το 1971), η επιρροή του ήταν βαθιά. Σήμερα, τα τσιπ σε σχεδόν όλα τα smartphone, τους φορητούς υπολογιστές και τα tablet βασίζονται στις αρχές του συμπληρωματικού ημιαγωγού μετάλλου-οξειδίου (CMOS) που πρωτοστάτησε ο Bellmac-32.
Η δεκαετία του 1980 πλησίαζε και η AT&T προσπαθούσε να μεταμορφωθεί. Για δεκαετίες, ο γίγαντας των τηλεπικοινωνιών με το παρατσούκλι «Mother Bell» κυριαρχούσε στον κλάδο των φωνητικών επικοινωνιών στις Ηνωμένες Πολιτείες και η θυγατρική της, Western Electric, παρήγαγε σχεδόν όλα τα κοινά τηλέφωνα σε αμερικανικά σπίτια και γραφεία. Η ομοσπονδιακή κυβέρνηση των ΗΠΑ προέτρεψε για τη διάλυση των δραστηριοτήτων της AT&T για λόγους αντιμονοπωλιακής νομοθεσίας, αλλά η AT&T είδε μια ευκαιρία να εισέλθει στον τομέα των υπολογιστών.
Με τις εταιρείες υπολογιστών να έχουν ήδη εδραιωθεί στην αγορά, η AT&T δυσκολεύτηκε να την προλάβει. Η στρατηγική της ήταν να κάνει ένα άλμα και το Bellmac-32 ήταν το εφαλτήριό της.
Η οικογένεια τσιπ Bellmac-32 τιμήθηκε με το βραβείο IEEE Milestone Award. Οι τελετές αποκάλυψης θα πραγματοποιηθούν φέτος στην πανεπιστημιούπολη των Nokia Bell Labs στο Murray Hill του Νιου Τζέρσεϊ και στο Μουσείο Ιστορίας Υπολογιστών στο Mountain View της Καλιφόρνια.
ΜΟΝΑΔΙΚΟ ΤΣΙΠ
Αντί να ακολουθήσουν το βιομηχανικό πρότυπο των τσιπ 8-bit, τα στελέχη της AT&T προκάλεσαν τους μηχανικούς της Bell Labs να αναπτύξουν ένα επαναστατικό προϊόν: τον πρώτο εμπορικό μικροεπεξεργαστή ικανό να μεταφέρει 32 bit δεδομένων σε έναν μόνο κύκλο ρολογιού. Αυτό απαιτούσε όχι μόνο ένα νέο τσιπ αλλά και μια νέα αρχιτεκτονική - μια αρχιτεκτονική που θα μπορούσε να χειριστεί τηλεπικοινωνιακή μεταγωγή και να χρησιμεύσει ως η ραχοκοκαλιά των μελλοντικών υπολογιστικών συστημάτων.
«Δεν κατασκευάζουμε απλώς ένα πιο γρήγορο τσιπ», δήλωσε ο Michael Condry, επικεφαλής της ομάδας αρχιτεκτονικής στις εγκαταστάσεις της Bell Labs στο Holmdel του Νιου Τζέρσεϊ. «Προσπαθούμε να σχεδιάσουμε ένα τσιπ που μπορεί να υποστηρίξει τόσο φωνή όσο και υπολογισμούς».
Εκείνη την εποχή, η τεχνολογία CMOS θεωρούνταν μια πολλά υποσχόμενη αλλά επικίνδυνη εναλλακτική λύση σε σχέση με τα σχέδια NMOS και PMOS. Τα τσιπ NMOS βασίζονταν εξ ολοκλήρου σε τρανζίστορ τύπου N, τα οποία ήταν γρήγορα αλλά απαιτούσαν μεγάλη ενέργεια, ενώ τα τσιπ PMOS βασίζονταν στην κίνηση θετικά φορτισμένων οπών, η οποία ήταν πολύ αργή. Το CMOS χρησιμοποιούσε έναν υβριδικό σχεδιασμό που αύξανε την ταχύτητα ενώ παράλληλα εξοικονομούσε ενέργεια. Τα πλεονεκτήματα του CMOS ήταν τόσο συναρπαστικά που η βιομηχανία σύντομα συνειδητοποίησε ότι ακόμα κι αν απαιτούσε διπλάσια τρανζίστορ (NMOS και PMOS για κάθε πύλη), άξιζε τον κόπο.
Με την ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας ημιαγωγών που περιγράφεται από τον Νόμο του Moore, το κόστος διπλασιασμού της πυκνότητας των τρανζίστορ έγινε διαχειρίσιμο και τελικά αμελητέο. Ωστόσο, όταν τα Bell Labs ξεκίνησαν αυτό το υψηλού κινδύνου στοίχημα, η τεχνολογία κατασκευής CMOS μεγάλης κλίμακας δεν ήταν αποδεδειγμένη και το κόστος ήταν σχετικά υψηλό.
Αυτό δεν φόβισε την Bell Labs. Η εταιρεία βασίστηκε στην τεχνογνωσία των εγκαταστάσεών της στο Χόλμντελ, το Μάρεϊ Χιλ και το Νάπερβιλ του Ιλινόις και συγκέντρωσε μια «ομάδα ονείρων» μηχανικών ημιαγωγών. Η ομάδα περιλάμβανε τον Κόντρεϊ, τον Στιβ Κον, ένα ανερχόμενο αστέρι στο σχεδιασμό τσιπ, τον Βίκτορ Χουάνγκ, έναν άλλο σχεδιαστή μικροεπεξεργαστών, και δεκάδες υπαλλήλους της AT&T Bell Labs. Άρχισαν να τελειοποιούν μια νέα διαδικασία CMOS το 1978 και να κατασκευάζουν έναν μικροεπεξεργαστή 32-bit από την αρχή.
Ξεκινήστε με την αρχιτεκτονική σχεδιασμού
Ο Condrey ήταν πρώην μέλος του IEEE Fellow και αργότερα διετέλεσε Chief Technology Officer της Intel. Η ομάδα αρχιτεκτονικής που ηγήθηκε ήταν αφοσιωμένη στην κατασκευή ενός συστήματος που υποστήριζε εγγενώς το λειτουργικό σύστημα Unix και τη γλώσσα C. Εκείνη την εποχή, τόσο το Unix όσο και η γλώσσα C ήταν ακόμη στα σπάργανα, αλλά ήταν προορισμένα να κυριαρχήσουν. Προκειμένου να ξεπεράσουν το εξαιρετικά πολύτιμο όριο μνήμης των kilobytes (KB) εκείνη την εποχή, εισήγαγαν ένα πολύπλοκο σύνολο εντολών που απαιτούσε λιγότερα βήματα εκτέλεσης και μπορούσε να ολοκληρώσει εργασίες μέσα σε έναν κύκλο ρολογιού.
Οι μηχανικοί σχεδίασαν επίσης τσιπ που υποστηρίζουν τον παράλληλο δίαυλο VersaModule Eurocard (VME), ο οποίος επιτρέπει την κατανεμημένη υπολογιστική και επιτρέπει σε πολλαπλούς κόμβους να επεξεργάζονται δεδομένα παράλληλα. Τα τσιπ συμβατά με VME επιτρέπουν επίσης τη χρήση τους για έλεγχο σε πραγματικό χρόνο.
Η ομάδα έγραψε τη δική της έκδοση του Unix και της έδωσε δυνατότητες σε πραγματικό χρόνο για να διασφαλίσει τη συμβατότητα με τον βιομηχανικό αυτοματισμό και παρόμοιες εφαρμογές. Οι μηχανικοί των Bell Labs εφηύραν επίσης τη λογική ντόμινο, η οποία αύξησε την ταχύτητα επεξεργασίας μειώνοντας τις καθυστερήσεις σε πολύπλοκες λογικές πύλες.
Αναπτύχθηκαν και εισήχθησαν πρόσθετες τεχνικές δοκιμών και επαλήθευσης με τη μονάδα Bellmac-32, ένα σύνθετο έργο επαλήθευσης και δοκιμών πολλαπλών τσιπ με επικεφαλής τον Jen-Hsun Huang, το οποίο πέτυχε μηδενικά ή σχεδόν μηδενικά ελαττώματα στην κατασκευή σύνθετων τσιπ. Αυτή ήταν η πρώτη στον κόσμο δοκιμή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πολύ μεγάλης κλίμακας (VLSI). Οι μηχανικοί των Bell Labs ανέπτυξαν ένα συστηματικό σχέδιο, έλεγξαν επανειλημμένα την εργασία των συναδέλφων τους και τελικά πέτυχαν απρόσκοπτη συνεργασία σε πολλαπλές οικογένειες τσιπ, με αποκορύφωμα ένα πλήρες σύστημα μικροϋπολογιστών.
Στη συνέχεια έρχεται το πιο δύσκολο κομμάτι: η ίδια η κατασκευή του τσιπ.
«Εκείνη την εποχή, οι τεχνολογίες διάταξης, δοκιμών και κατασκευής υψηλής απόδοσης ήταν πολύ σπάνιες», θυμάται ο Kang, ο οποίος αργότερα έγινε πρόεδρος του Κορεατικού Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας (KAIST) και μέλος του IEEE. Σημειώνει ότι η έλλειψη εργαλείων CAD για πλήρη επαλήθευση τσιπ ανάγκασε την ομάδα να εκτυπώσει υπερμεγέθη σχέδια Calcomp. Αυτά τα σχηματικά δείχνουν πώς τα τρανζίστορ, τα καλώδια και οι διασυνδέσεις πρέπει να είναι τοποθετημένα μέσα σε ένα τσιπ για να δώσουν την επιθυμητή έξοδο. Η ομάδα τα συναρμολόγησε στο πάτωμα με ταινία, σχηματίζοντας ένα γιγάντιο τετράγωνο σχέδιο με πλευρά μεγαλύτερη από 6 μέτρα. Ο Kang και οι συνάδελφοί του σχεδίασαν κάθε κύκλωμα με χρωματιστά μολύβια, αναζητώντας σπασμένες συνδέσεις και επικαλυπτόμενες ή ακατάλληλα χειρισμένες διασυνδέσεις.
Μόλις ολοκληρώθηκε ο φυσικός σχεδιασμός, η ομάδα αντιμετώπισε μια άλλη πρόκληση: την κατασκευή. Τα τσιπ κατασκευάστηκαν στο εργοστάσιο της Western Electric στο Άλενταουν της Πενσυλβάνια, αλλά ο Kang θυμάται ότι ο ρυθμός απόδοσης (το ποσοστό των τσιπ στο πλακίδιο που πληρούσε τα πρότυπα απόδοσης και ποιότητας) ήταν πολύ χαμηλός.
Για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα, ο Kang και οι συνάδελφοί του πήγαιναν καθημερινά στο εργοστάσιο από το Νιου Τζέρσεϊ, σήκωναν τα μανίκια τους και έκαναν ό,τι ήταν απαραίτητο, όπως σκούπισμα δαπέδων και βαθμονόμηση εξοπλισμού δοκιμών, για να χτίσουν συναδελφικότητα και να πείσουν τους πάντες ότι το πιο πολύπλοκο προϊόν που είχε επιχειρήσει ποτέ να παράγει το εργοστάσιο μπορούσε όντως να κατασκευαστεί εκεί.
«Η διαδικασία δημιουργίας ομάδας κύλησε ομαλά», είπε ο Kang. «Μετά από μερικούς μήνες, η Western Electric μπόρεσε να παράγει τσιπ υψηλής ποιότητας σε ποσότητες που ξεπέρασαν τη ζήτηση».
Η πρώτη έκδοση του Bellmac-32 κυκλοφόρησε το 1980, αλλά δεν ανταποκρίθηκε στις προσδοκίες. Η συχνότητα-στόχος απόδοσης ήταν μόνο 2 MHz, όχι 4 MHz. Οι μηχανικοί ανακάλυψαν ότι ο υπερσύγχρονος εξοπλισμός δοκιμών Takeda Riken που χρησιμοποιούσαν εκείνη την εποχή ήταν ελαττωματικός, με τα φαινόμενα γραμμής μετάδοσης μεταξύ του αισθητήρα και της κεφαλής δοκιμής να προκαλούν ανακριβείς μετρήσεις. Συνεργάστηκαν με την ομάδα Takeda Riken για να αναπτύξουν έναν πίνακα διόρθωσης για τη διόρθωση των σφαλμάτων μέτρησης.
Τα τσιπ Bellmac δεύτερης γενιάς είχαν ταχύτητες ρολογιού που ξεπερνούσαν τα 6,2 MHz, μερικές φορές φτάνοντας τα 9 MHz. Αυτό θεωρούνταν αρκετά γρήγορο εκείνη την εποχή. Ο επεξεργαστής Intel 8088 16-bit που κυκλοφόρησε η IBM στον πρώτο της υπολογιστή το 1981 είχε ταχύτητα ρολογιού μόνο 4,77 MHz.
Γιατί το Bellmac-32 δεν...«να γίνει mainstream
Παρά την πολλά υποσχόμενη εμπειρία της, η τεχνολογία Bellmac-32 δεν έτυχε ευρείας εμπορικής υιοθέτησης. Σύμφωνα με τον Condrey, η AT&T άρχισε να εξετάζει την εταιρεία κατασκευής εξοπλισμού NCR στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και αργότερα στράφηκε σε εξαγορές, πράγμα που σήμαινε ότι η εταιρεία επέλεξε να υποστηρίξει διαφορετικές σειρές προϊόντων τσιπ. Μέχρι τότε, η επιρροή της Bellmac-32 είχε αρχίσει να αυξάνεται.
«Πριν από το Bellmac-32, το NMOS κυριαρχούσε στην αγορά», δήλωσε ο Condry. «Αλλά το CMOS άλλαξε το τοπίο επειδή αποδείχθηκε ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος για να εφαρμοστεί στο εργοστάσιο».
Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η συνειδητοποίηση αναμόρφωσε τη βιομηχανία ημιαγωγών. Η CMOS θα γινόταν η βάση για τους σύγχρονους μικροεπεξεργαστές, τροφοδοτώντας την ψηφιακή επανάσταση σε συσκευές όπως οι επιτραπέζιοι υπολογιστές και τα smartphones.
Το τολμηρό πείραμα της Bell Labs —χρησιμοποιώντας μια μη δοκιμασμένη διαδικασία κατασκευής και καλύπτοντας μια ολόκληρη γενιά αρχιτεκτονικής τσιπ— ήταν ένα ορόσημο στην ιστορία της τεχνολογίας.
Όπως το θέτει ο καθηγητής Kang: «Ήμασταν στην πρώτη γραμμή ό,τι ήταν δυνατό. Δεν ακολουθούσαμε απλώς μια υπάρχουσα πορεία, χαράσσαμε ένα νέο μονοπάτι». Ο καθηγητής Huang, ο οποίος αργότερα έγινε αναπληρωτής διευθυντής του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής της Σιγκαπούρης και είναι επίσης μέλος του IEEE, προσθέτει: «Αυτό περιελάμβανε όχι μόνο την αρχιτεκτονική και τον σχεδιασμό τσιπ, αλλά και την επαλήθευση τσιπ μεγάλης κλίμακας - χρησιμοποιώντας CAD αλλά χωρίς τα σημερινά εργαλεία ψηφιακής προσομοίωσης ή ακόμα και τις πλακέτες breadboard (ένας τυπικός τρόπος ελέγχου του σχεδιασμού κυκλώματος ενός ηλεκτρονικού συστήματος που χρησιμοποιεί τσιπ πριν τα εξαρτήματα του κυκλώματος συνδεθούν μόνιμα μεταξύ τους)».
Οι Κόντρυ, Κανγκ και Χουάνγκ θυμούνται με αγάπη εκείνη την εποχή και εκφράζουν τον θαυμασμό τους για την ικανότητα και την αφοσίωση των πολλών υπαλλήλων της AT&T, των οποίων οι προσπάθειες κατέστησαν δυνατή την οικογένεια τσιπ Bellmac-32.
Ώρα δημοσίευσης: 19 Μαΐου 2025