Ankomsten av detta chip förändrade chiputvecklingen!
I slutet av 1970-talet var 8-bitarsprocessorer fortfarande den mest avancerade tekniken vid den tiden, och CMOS-processer hade en nackdel inom halvledarområdet. Ingenjörer på AT&T Bell Labs tog ett djärvt steg in i framtiden och kombinerade banbrytande 3,5-mikron CMOS-tillverkningsprocesser med innovativa 32-bitars processorarkitekturer i ett försök att överträffa konkurrenterna i chipprestanda och därmed överträffa IBM och Intel.
Även om deras uppfinning, mikroprocessorn Bellmac-32, misslyckades med att uppnå den kommersiella framgång som tidigare produkter som Intel 4004 (släppt 1971), var dess inflytande djuptgående. Idag förlitar sig chippen i nästan alla smartphones, bärbara datorer och surfplattor på de komplementära metalloxidhalvledarprinciperna (CMOS) som Bellmac-32 banade väg för.
1980-talet närmade sig och AT&T försökte omvandla sig. I årtionden hade telekommunikationsjätten med smeknamnet "Mother Bell" dominerat röstkommunikationsbranschen i USA, och dess dotterbolag Western Electric producerade nästan alla vanliga telefoner i amerikanska hem och kontor. Den amerikanska federala regeringen uppmanade till en upplösning av AT&T:s verksamhet av antitrustskäl, men AT&T såg en möjlighet att gå in på datorområdet.
Med datorföretag som redan var väl etablerade på marknaden hade AT&T svårt att komma ikapp; deras strategi var att ta ett språngbräde, och Bellmac-32 blev deras språngbräda.
Bellmac-32-chipfamiljen har tilldelats ett IEEE Milestone Award. Avtäckningsceremonier kommer att hållas i år på Nokia Bell Labs campus i Murray Hill, New Jersey, och på Computer History Museum i Mountain View, Kalifornien.
UNIKT CHIP
I stället för att följa branschstandarden för 8-bitarschip utmanade AT&T:s chefer Bell Labs ingenjörer att utveckla en revolutionerande produkt: den första kommersiella mikroprocessorn som kunde överföra 32 bitar data under en enda klockcykel. Detta krävde inte bara ett nytt chip utan också en ny arkitektur – en som kunde hantera telekommunikationsväxling och fungera som ryggraden i framtida datorsystem.
"Vi bygger inte bara ett snabbare chip", säger Michael Condry, som leder arkitekturgruppen vid Bell Labs anläggning i Holmdel, New Jersey. "Vi försöker designa ett chip som kan stödja både röst och beräkning."
Vid den tiden sågs CMOS-tekniken som ett lovande men riskabelt alternativ till NMOS- och PMOS-konstruktioner. NMOS-chip förlitade sig helt på N-typtransistorer, som var snabba men strömslukande, medan PMOS-chip förlitade sig på rörelsen av positivt laddade hål, vilket var för långsamt. CMOS använde en hybriddesign som ökade hastigheten samtidigt som den sparade ström. Fördelarna med CMOS var så övertygande att industrin snart insåg att även om det krävdes dubbelt så många transistorer (NMOS och PMOS för varje gate), var det värt det.
Med den snabba utvecklingen av halvledarteknik, som beskrivs av Moores lag, blev kostnaden för att fördubbla transistortätheten hanterbar och så småningom försumbar. Men när Bell Labs inledde denna högrisksatsning var storskalig CMOS-tillverkningsteknik obeprövad och kostnaden relativt hög.
Detta skrämde inte Bell Labs. Företaget utnyttjade expertisen från sina campus i Holmdel, Murray Hill och Naperville, Illinois, och samlade ett "drömteam" av halvledaringenjörer. Teamet bestod av Condrey, Steve Conn, en stigande stjärna inom chipdesign, Victor Huang, en annan mikroprocessordesigner, och dussintals anställda från AT&T Bell Labs. De började bemästra en ny CMOS-process 1978 och bygga en 32-bitars mikroprocessor från grunden.
Börja med designarkitektur
Condrey var en tidigare IEEE Fellow och tjänstgjorde senare som Intels tekniska chef. Arkitekturteamet han ledde var engagerat i att bygga ett system som direkt stödde operativsystemet Unix och språket C. Vid den tiden var både Unix och C-språket fortfarande i sin linda, men dömda att dominera. För att bryta igenom den extremt värdefulla minnesgränsen på kilobyte (KB) vid den tiden introducerade de en komplex instruktionsuppsättning som krävde färre exekveringssteg och kunde slutföra uppgifter inom en klockcykel.
Ingenjörerna konstruerade också chip som stöder VersaModule Eurocard (VME) parallellbuss, vilket möjliggör distribuerad databehandling och gör att flera noder kan bearbeta data parallellt. VME-kompatibla chip gör det också möjligt att använda dem för realtidsstyrning.
Teamet skrev sin egen version av Unix och gav den realtidsfunktioner för att säkerställa kompatibilitet med industriell automation och liknande applikationer. Bell Labs ingenjörer uppfann också dominologik, vilket ökade bearbetningshastigheten genom att minska fördröjningar i komplexa logiska grindar.
Ytterligare test- och verifieringstekniker utvecklades och introducerades med Bellmac-32-modulen, ett komplext verifierings- och testprojekt för flera chip lett av Jen-Hsun Huang som uppnådde noll eller nästan noll defekter i komplex chiptillverkning. Detta var en förstagångsföreteelse i världen av mycket storskaliga integrerade kretstester (VLSI). Bell Labs ingenjörer utvecklade en systematisk plan, kontrollerade upprepade gånger sina kollegors arbete och uppnådde slutligen ett sömlöst samarbete mellan flera chipfamiljer, vilket kulminerade i ett komplett mikrodatorsystem.
Nästa steg är den mest utmanande delen: själva tillverkningen av chipet.
”Vid den tiden var layout-, test- och högpresterande tillverkningstekniker mycket sällsynta”, minns Kang, som senare blev ordförande för Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) och fellow i IEEE. Han noterar att bristen på CAD-verktyg för fullchipverifiering tvingade teamet att skriva ut överdimensionerade Calcomp-ritningar. Dessa scheman visar hur transistorer, ledningar och sammankopplingar bör arrangeras inuti ett chip för att ge önskad effekt. Teamet monterade dem på golvet med tejp och bildade en gigantisk fyrkantig ritning med en sida på mer än 6 meter. Kang och hans kollegor ritade varje krets för hand med färgpennor och letade efter trasiga anslutningar och överlappande eller felaktigt hanterade sammankopplingar.
När den fysiska designen var klar stod teamet inför en annan utmaning: tillverkning. Chipsen tillverkades vid Western Electrics fabrik i Allentown, Pennsylvania, men Kang minns att utbytesgraden (procenten chips på wafern som uppfyllde prestanda- och kvalitetsstandarder) var mycket låg.
För att åtgärda detta körde Kang och hans kollegor till fabriken från New Jersey varje dag, kavlade upp ärmarna och gjorde vad som krävdes, inklusive att sopa golv och kalibrera testutrustning, för att bygga kamratskap och övertyga alla om att den mest komplexa produkten som fabriken någonsin hade försökt producera faktiskt kunde tillverkas där.
”Teambuildingprocessen gick smidigt”, sa Kang. ”Efter några månader kunde Western Electric producera högkvalitativa chips i kvantiteter som översteg efterfrågan.”
Den första versionen av Bellmac-32 släpptes 1980, men den levde inte upp till förväntningarna. Dess målfrekvens var endast 2 MHz, inte 4 MHz. Ingenjörerna upptäckte att den toppmoderna Takeda Riken-testutrustningen som de använde vid den tiden var bristfällig, med överföringsledningseffekter mellan sonden och testhuvudet som orsakade felaktiga mätningar. De arbetade med Takeda Riken-teamet för att utveckla en korrigeringstabell för att korrigera mätfelen.
Andra generationens Bellmac-chip hade klockhastigheter på över 6,2 MHz, ibland så höga som 9 MHz. Detta ansågs vara ganska snabbt på den tiden. Den 16-bitars Intel 8088-processor som IBM släppte i sin första PC 1981 hade en klockhastighet på endast 4,77 MHz.
Varför Bellmac-32 inte'inte bli mainstream
Trots sitt löfte fick Bellmac-32-tekniken inte någon bred kommersiell spridning. Enligt Condrey började AT&T titta på utrustningstillverkaren NCR i slutet av 1980-talet och vände sig senare till förvärv, vilket innebar att företaget valde att stödja olika chipproduktlinjer. Vid det laget hade Bellmac-32:s inflytande börjat växa.
”Före Bellmac-32 dominerade NMOS marknaden”, sa Condry. ”Men CMOS förändrade landskapet eftersom det visade sig vara ett mer effektivt sätt att implementera det i fabriken.”
Med tiden omformade denna insikt halvledarindustrin. CMOS skulle bli grunden för moderna mikroprocessorer och driva den digitala revolutionen inom enheter som stationära datorer och smartphones.
Bell Labs djärva experiment – med en oprövad tillverkningsprocess och som omfattade en hel generation av chiparkitekturer – var en milstolpe i teknikens historia.
Som professor Kang uttrycker det: ”Vi låg i framkant av vad som var möjligt. Vi följde inte bara en befintlig väg, vi banade väg för nya saker.” Professor Huang, som senare blev biträdande direktör för Singapore Institute of Microelectronics och även är IEEE Fellow, tillägger: ”Detta inkluderade inte bara chiparkitektur och design, utan även storskalig chipverifiering – med hjälp av CAD men utan dagens digitala simuleringsverktyg eller ens breadboards (ett standardsätt att kontrollera kretsdesignen i ett elektroniskt system med hjälp av chip innan kretskomponenterna är permanent sammankopplade).”
Condry, Kang och Huang ser tillbaka på den tiden med värme och uttrycker beundran för skickligheten och engagemanget hos de många AT&T-anställda vars insatser gjorde Bellmac-32-chipfamiljen möjlig.
Publiceringstid: 19 maj 2025