Příchod tohoto čipu změnil směr vývoje čipů!
Koncem 70. let 20. století byly 8bitové procesory v té době stále nejpokročilejší technologií a procesy CMOS byly v oblasti polovodičů v nevýhodě. Inženýři v laboratořích AT&T Bell Labs učinili odvážný krok do budoucnosti a zkombinovali špičkové výrobní procesy 3,5mikronové CMOS s inovativními architekturami 32bitových procesorů ve snaze překonat konkurenci ve výkonu čipů a předčit tak IBM a Intel.
Ačkoli jejich vynález, mikroprocesor Bellmac-32, nedosáhl komerčního úspěchu dřívějších produktů, jako byl Intel 4004 (uvedený na trh v roce 1971), jeho vliv byl hluboký. Dnes se čipy v téměř všech chytrých telefonech, noteboocích a tabletech spoléhají na principy komplementárních polovodičů metal-oxid (CMOS), které poprvé objevil právě Bellmac-32.
Blížila se 80. léta a společnost AT&T se snažila transformovat. Po celá desetiletí dominoval telekomunikační gigant přezdívaný „Mother Bell“ v oblasti hlasové komunikace ve Spojených státech a jeho dceřiná společnost Western Electric vyráběla téměř všechny běžné telefony v amerických domácnostech a kancelářích. Americká federální vláda naléhala na rozdělení podnikání společnosti AT&T z antimonopolních důvodů, ale AT&T viděla příležitost vstoupit do počítačové oblasti.
Vzhledem k tomu, že počítačové společnosti již byly na trhu dobře zavedené, měla společnost AT&T problém dohnat zpoždění; její strategií bylo přeskočit konkurenci a Bellmac-32 byl jejím odrazovým můstkem.
Rodina čipů Bellmac-32 byla oceněna cenou IEEE Milestone Award. Slavnostní odhalení se letos bude konat v areálu Nokia Bell Labs v Murray Hill v New Jersey a v Muzeu počítačové historie v Mountain View v Kalifornii.
UNIKÁTNÍ ČIP
Vedoucí pracovníci společnosti AT&T vyzvali inženýry z Bell Labs, aby místo následování průmyslového standardu 8bitových čipů vyvinuli revoluční produkt: první komerční mikroprocesor schopný přenášet 32 bitů dat v jednom hodinovém cyklu. To vyžadovalo nejen nový čip, ale také novou architekturu – takovou, která by zvládla telekomunikační přepínání a sloužila jako páteř budoucích výpočetních systémů.
„Nejde jen o to, abychom vybudovali rychlejší čip,“ řekl Michael Condry, který vede skupinu architektonických pracovníků v zařízení Bell Labs v Holmdelu v New Jersey. „Snažíme se navrhnout čip, který by podporoval jak hlas, tak i výpočetní techniku.“
V té době byla technologie CMOS vnímána jako slibná, ale riskantní alternativa k NMOS a PMOS tranzistorům. Čipy NMOS se spoléhaly výhradně na tranzistory typu N, které byly rychlé, ale energeticky náročné, zatímco čipy PMOS se spoléhaly na pohyb kladně nabitých děr, což bylo příliš pomalé. CMOS používal hybridní design, který zvyšoval rychlost a zároveň šetřil energii. Výhody CMOS byly tak přesvědčivé, že si průmysl brzy uvědomil, že i kdyby vyžadoval dvakrát tolik tranzistorů (NMOS a PMOS pro každou bránu), vyplatilo se to.
S rychlým rozvojem polovodičové technologie popsané Moorovým zákonem se náklady na zdvojnásobení hustoty tranzistorů staly zvládnutelnými a nakonec zanedbatelnými. Když se však Bell Labs pustily do tohoto vysoce rizikového hazardu, technologie velkovýroby CMOS nebyla ověřena a náklady byly relativně vysoké.
To však Bell Labs neodradilo. Společnost využila odborné znalosti svých kampusů v Holmdelu, Murray Hillu a Naperville v Illinois a sestavila „tým snů“ polovodičových inženýrů. Tým zahrnoval Condreyho, Steva Conna, vycházející hvězdu v oblasti návrhu čipů, Victora Huanga, dalšího návrháře mikroprocesorů, a desítky zaměstnanců z AT&T Bell Labs. V roce 1978 začali zvládat nový proces CMOS a od základu stavět 32bitový mikroprocesor.
Začněte s architekturou designu
Condrey byl bývalým členem IEEE a později působil jako technický ředitel společnosti Intel. Architektonický tým, který vedl, se zavázal k vybudování systému, který by nativně podporoval operační systém Unix a jazyk C. V té době byly Unix i jazyk C ještě v plenkách, ale byly předurčeny k dominanci. Aby prolomili tehdy extrémně cenný limit paměti kilobajtů (KB), zavedli komplexní instrukční sadu, která vyžadovala méně kroků provádění a dokázala dokončit úlohy v rámci jednoho hodinového cyklu.
Inženýři také navrhli čipy, které podporují paralelní sběrnici VersaModule Eurocard (VME), jež umožňuje distribuované výpočty a dovoluje více uzlům paralelně zpracovávat data. Čipy kompatibilní s VME také umožňují jejich použití pro řízení v reálném čase.
Tým napsal vlastní verzi Unixu a vybavil ji funkcemi pro práci v reálném čase, aby zajistil kompatibilitu s průmyslovou automatizací a podobnými aplikacemi. Inženýři z Bell Labs také vynalezli domino logiku, která zvýšila rychlost zpracování snížením zpoždění ve složitých logických hradlech.
Další testovací a ověřovací techniky byly vyvinuty a zavedeny s modulem Bellmac-32, komplexním projektem ověřování a testování více čipů vedeným Jen-Hsun Huangem, který dosáhl nulových nebo téměř nulových vad při výrobě složitých čipů. Jednalo se o první případ testování velmi rozsáhlých integrovaných obvodů (VLSI) ve světě. Inženýři společnosti Bell Labs vyvinuli systematický plán, opakovaně kontrolovali práci svých kolegů a nakonec dosáhli bezproblémové spolupráce napříč různými rodinami čipů, což vyvrcholilo kompletním mikropočítačovým systémem.
Dále přichází ta nejnáročnější část: samotná výroba čipu.
„V té době byly technologie pro návrh, testování a vysoce výtěžnou výrobu velmi vzácné,“ vzpomíná Kang, který se později stal prezidentem Korejského pokročilého institutu vědy a techniky (KAIST) a členem IEEE. Poznamenává, že nedostatek CAD nástrojů pro ověření celého čipu donutil tým tisknout nadrozměrné výkresy Calcompu. Tato schémata ukazují, jak by měly být tranzistory, vodiče a propojení uspořádány v čipu, aby se dosáhlo požadovaného výstupu. Tým je sestavil na podlaze pomocí pásky a vytvořil tak obrovský čtvercový výkres o straně více než 6 metrů. Kang a jeho kolegové ručně nakreslili každý obvod barevnými tužkami a hledali přerušená spojení a překrývající se nebo nesprávně manipulovaná propojení.
Jakmile byl fyzický návrh dokončen, tým čelil další výzvě: výrobě. Čipy byly vyráběny v závodě Western Electric v Allentownu v Pensylvánii, ale Kang vzpomíná, že výtěžnost (procento čipů na waferu, které splňovaly standardy výkonu a kvality) byla velmi nízká.
Aby se s tím Kang a jeho kolegové vypořádali, jezdili do továrny každý den z New Jersey, vyhrnuli si rukávy a dělali vše potřebné, včetně zametání podlah a kalibrace testovacích zařízení, aby vybudovali kamarádství a přesvědčili všechny, že nejsložitější produkt, jaký se kdy továrna pokusila vyrobit, se skutečně dá vyrobit právě zde.
„Proces budování týmu proběhl hladce,“ řekl Kang. „Po několika měsících byla společnost Western Electric schopna vyrábět vysoce kvalitní čipy v množství, které převyšovalo poptávku.“
První verze přístroje Bellmac-32 byla uvedena na trh v roce 1980, ale nesplnila očekávání. Jeho cílová frekvence byla pouze 2 MHz, nikoli 4 MHz. Inženýři zjistili, že nejmodernější testovací zařízení Takeda Riken, které v té době používali, mělo nedostatky, jelikož vliv přenosového vedení mezi sondou a testovací hlavou způsoboval nepřesná měření. Spolupracovali s týmem Takeda Riken na vývoji korekční tabulky pro opravu chyb měření.
Čipy Bellmac druhé generace měly taktovací frekvence přesahující 6,2 MHz, někdy až 9 MHz. V té době to bylo považováno za poměrně rychlé. 16bitový procesor Intel 8088, který IBM uvedla na trh ve svém prvním počítači v roce 1981, měl taktovací frekvenci pouze 4,77 MHz.
Proč Bellmac-32 ne'nestal se mainstreamem
Navzdory slibným výsledkům se technologie Bellmac-32 nedočkala širokého komerčního přijetí. Podle Condreyho se společnost AT&T začala zajímat o výrobce zařízení NCR koncem 80. let a později se obrátila k akvizicím, což znamenalo, že se společnost rozhodla podporovat různé produktové řady čipů. V té době začal vliv Bellmac-32 růst.
„Před Bellmac-32 dominovaly trhu NMOS tranzistory,“ řekl Condry. „Ale CMOS tranzistory změnily situaci, protože se ukázaly jako efektivnější způsob jejich implementace ve výrobě.“
Postupem času toto zjištění změnilo podobu polovodičového průmyslu. CMOS se stal základem moderních mikroprocesorů a poháněl digitální revoluci v zařízeních, jako jsou stolní počítače a chytré telefony.
Odvážný experiment společnosti Bell Labs – s využitím neověřeného výrobního procesu a zahrnující celou generaci architektury čipů – byl milníkem v historii technologií.
Jak říká profesor Kang: „Byli jsme v popředí toho, co bylo možné. Nešli jsme jen po existující cestě, ale razili jsme novou.“ Profesor Huang, který se později stal zástupcem ředitele Singapurského institutu mikroelektroniky a je také členem IEEE, dodává: „To zahrnovalo nejen architekturu a návrh čipů, ale také ověřování čipů ve velkém měřítku – za použití CAD, ale bez dnešních nástrojů pro digitální simulaci nebo dokonce nepájivých desek (standardní způsob kontroly návrhu obvodu elektronického systému pomocí čipů předtím, než jsou součástky obvodu trvale spojeny).“
Condry, Kang a Huang s láskou vzpomínají na tu dobu a vyjadřují obdiv k dovednostem a obětavosti mnoha zaměstnanců společnosti AT&T, jejichž úsilí umožnilo vznik rodiny čipů Bellmac-32.
Čas zveřejnění: 19. května 2025