Šīs mikroshēmas parādīšanās mainīja mikroshēmu attīstības gaitu!
Septiņdesmito gadu beigās 8 bitu procesori joprojām bija vismodernākā tehnoloģija, un CMOS procesi pusvadītāju jomā bija neizdevīgā situācijā. AT&T Bell Labs inženieri spēra drosmīgu soli nākotnē, apvienojot modernākos 3,5 mikronu CMOS ražošanas procesus ar inovatīvām 32 bitu procesoru arhitektūrām, cenšoties pārspēt konkurentus mikroshēmu veiktspējas ziņā, apsteidzot IBM un Intel.
Lai gan viņu izgudrojums, Bellmac-32 mikroprocesors, neguva tādus komerciālus panākumus kā agrākie produkti, piemēram, Intel 4004 (izlaists 1971. gadā), tā ietekme bija milzīga. Mūsdienās gandrīz visu viedtālruņu, klēpjdatoru un planšetdatoru mikroshēmas balstās uz komplementārajiem metāla oksīda pusvadītāju (CMOS) principiem, ko aizsāka Bellmac-32.
Tuvojās 20. gs. astoņdesmitie gadi, un AT&T centās sevi pārveidot. Gadu desmitiem telekomunikāciju gigants ar iesauku "Māte Zvans" dominēja balss sakaru biznesā Amerikas Savienotajās Valstīs, un tā meitasuzņēmums Western Electric ražoja gandrīz visus izplatītos telefonus amerikāņu mājās un birojos. ASV federālā valdība mudināja sadalīt AT&T biznesu, pamatojoties uz antimonopola apsvērumiem, taču AT&T saskatīja iespēju ienākt datoru jomā.
Tā kā datoru uzņēmumi jau bija labi nostiprinājušies tirgū, AT&T bija grūti panākt; tā stratēģija bija lēkt varžu virzienā, un Bellmac-32 bija tā atspēriena punkts.
Bellmac-32 mikroshēmu saime ir apbalvota ar IEEE Milestone balvu. Atklāšanas ceremonijas šogad notiks Nokia Bell Labs pilsētiņā Marehilā, Ņūdžersijā, un Datoru vēstures muzejā Mountain View, Kalifornijā.
UNIKĀLA ČIPA
Tā vietā, lai sekotu nozares standartam ar 8 bitu mikroshēmām, AT&T vadītāji izaicināja Bell Labs inženierus izstrādāt revolucionāru produktu: pirmo komerciālo mikroprocesoru, kas spēj pārsūtīt 32 bitus datu viena pulksteņa ciklā. Tas prasīja ne tikai jaunu mikroshēmu, bet arī jaunu arhitektūru — tādu, kas varētu apstrādāt telekomunikāciju komutāciju un kalpot par nākotnes skaitļošanas sistēmu mugurkaulu.
"Mēs ne tikai būvējam ātrāku mikroshēmu," sacīja Maikls Kondrijs, kurš vada arhitektūras grupu Bell Labs Holmdelas, Ņūdžersijas, ražotnē. "Mēs cenšamies izstrādāt mikroshēmu, kas var atbalstīt gan balss, gan skaitļošanas funkcijas."
Tobrīd CMOS tehnoloģija tika uzskatīta par daudzsološu, bet riskantu alternatīvu NMOS un PMOS konstrukcijām. NMOS mikroshēmas pilnībā balstījās uz N tipa tranzistoriem, kas bija ātri, bet patērēja daudz enerģijas, savukārt PMOS mikroshēmas balstījās uz pozitīvi lādētu caurumu kustību, kas bija pārāk lēna. CMOS izmantoja hibrīda dizainu, kas palielināja ātrumu, vienlaikus taupot enerģiju. CMOS priekšrocības bija tik pārliecinošas, ka nozare drīz vien saprata, ka pat ja tai būtu nepieciešams divreiz vairāk tranzistoru (NMOS un PMOS katriem vārtiem), tas ir tā vērts.
Līdz ar Mūra likuma aprakstītās pusvadītāju tehnoloģijas straujo attīstību tranzistoru blīvuma dubultošanas izmaksas kļuva viegli pārvaldāmas un galu galā niecīgas. Tomēr, kad Bell Labs uzsāka šo riskanto azartspēli, liela mēroga CMOS ražošanas tehnoloģija nebija pārbaudīta, un izmaksas bija salīdzinoši augstas.
Tas nebiedēja Bell Labs. Uzņēmums izmantoja savu filiāļu Holmdelā, Marehilā un Napervilā, Ilinoisā, pieredzi un izveidoja pusvadītāju inženieru "sapņu komandu". Komandā bija Kondrijs, Stīvs Kons, uzlecoša zvaigzne mikroshēmu dizainā, Viktors Huangs, vēl viens mikroprocesoru dizaineris, un desmitiem darbinieku no AT&T Bell Labs. Viņi sāka apgūt jaunu CMOS procesu 1978. gadā un no nulles veidot 32 bitu mikroprocesoru.
Sāciet ar dizaina arhitektūru
Kondrijs bija bijušais IEEE biedrs un vēlāk bija Intel tehnoloģiju direktors. Viņa vadītā arhitektūras komanda bija apņēmusies izveidot sistēmu, kas dabiski atbalstītu Unix operētājsistēmu un C valodu. Tobrīd gan Unix, gan C valoda vēl bija pašos pirmsākumos, taču bija lemts dominēt. Lai pārvarētu tolaik ārkārtīgi vērtīgo atmiņas ierobežojumu kilobaitos (KB), viņi ieviesa sarežģītu instrukciju kopu, kurai bija nepieciešams mazāk izpildes soļu un kas varēja izpildīt uzdevumus viena pulksteņa cikla laikā.
Inženieri arī izstrādāja mikroshēmas, kas atbalsta VersaModule Eurocard (VME) paralēlo kopni, kas nodrošina izkliedētu skaitļošanu un ļauj vairākiem mezgliem apstrādāt datus paralēli. Ar VME saderīgas mikroshēmas ļauj tās izmantot arī reāllaika vadībai.
Komanda uzrakstīja savu Unix versiju un piešķīra tai reāllaika iespējas, lai nodrošinātu saderību ar rūpniecisko automatizāciju un līdzīgām lietojumprogrammām. Bell Labs inženieri izgudroja arī domino loģiku, kas palielināja apstrādes ātrumu, samazinot kavēšanos sarežģītos loģiskajos vārtos.
Ar Bellmac-32 moduli, sarežģītu vairāku mikroshēmu verifikācijas un testēšanas projektu, ko vadīja Džens-Hsuns Huangs, tika izstrādātas un ieviestas papildu testēšanas un verifikācijas metodes, kas sarežģītu mikroshēmu ražošanā panāca nulles vai gandrīz nulles defektu līmeni. Šis bija pirmais ļoti liela mēroga integrēto shēmu (VLSI) tests pasaulē. Bell Labs inženieri izstrādāja sistemātisku plānu, atkārtoti pārbaudīja savu kolēģu darbu un galu galā panāca netraucētu sadarbību vairākās mikroshēmu saimēs, kulminējot ar pilnīgu mikrodatoru sistēmu.
Tālāk seko visizaicinošākā daļa: mikroshēmas faktiskā ražošana.
“Tolaik maketēšanas, testēšanas un augstas ražības ražošanas tehnoloģijas bija ļoti retas,” atceras Kangs, kurš vēlāk kļuva par Korejas Progresīvā zinātnes un tehnoloģiju institūta (KAIST) prezidentu un IEEE biedru. Viņš norāda, ka CAD rīku trūkums pilnīgai mikroshēmas verifikācijai piespieda komandu izdrukāt pārāk lielus Calcomp rasējumus. Šīs shēmas parāda, kā tranzistori, vadi un starpsavienojumi jāizvieto mikroshēmā, lai iegūtu vēlamo rezultātu. Komanda tos salika uz grīdas ar līmlenti, veidojot milzīgu kvadrātveida zīmējumu, kura mala bija vairāk nekā 6 metrus gara. Kangs un viņa kolēģi ar roku zīmēja katru shēmu ar krāsainiem zīmuļiem, meklējot bojātus savienojumus un pārklājošos vai nepareizi apstrādātus starpsavienojumus.
Kad fiziskais dizains bija pabeigts, komanda saskārās ar vēl vienu izaicinājumu: ražošanu. Mikroshēmas tika ražotas Western Electric rūpnīcā Alentaunā, Pensilvānijā, taču Kangs atceras, ka ražas līmenis (mikroshēmu procentuālā daļa uz vafeles, kas atbilda veiktspējas un kvalitātes standartiem) bija ļoti zems.
Lai risinātu šo problēmu, Kangs un viņa kolēģi katru dienu brauca uz rūpnīcu no Ņūdžersijas, atrotīja piedurknes un darīja visu nepieciešamo, tostarp slaucīja grīdas un kalibrēja testa iekārtas, lai veidotu draudzīgumu un pārliecinātu visus, ka vissarežģītāko produktu, ko rūpnīca jebkad bija mēģinājusi ražot, patiešām var izgatavot tur.
“Komandas veidošanas process noritēja gludi,” sacīja Kangs. “Pēc dažiem mēnešiem Western Electric spēja saražot augstas kvalitātes mikroshēmas apjomā, kas pārsniedza pieprasījumu.”
Pirmā Bellmac-32 versija tika izlaista 1980. gadā, taču tā neattaisnoja cerības. Tās mērķa frekvence bija tikai 2 MHz, nevis 4 MHz. Inženieri atklāja, ka modernākā Takeda Riken testa iekārta, ko viņi tolaik izmantoja, bija bojāta, un pārraides līnijas efekti starp zondi un testa galviņu izraisīja neprecīzus mērījumus. Viņi sadarbojās ar Takeda Riken komandu, lai izstrādātu korekcijas tabulu mērījumu kļūdu labošanai.
Otrās paaudzes Bellmac mikroshēmām bija pulksteņa frekvence, kas pārsniedza 6,2 MHz, dažreiz sasniedzot pat 9 MHz. Tolaik tas tika uzskatīts par diezgan ātru ātrumu. 16 bitu Intel 8088 procesoram, ko IBM izlaida savā pirmajā personālajā datorā 1981. gadā, pulksteņa frekvence bija tikai 4,77 MHz.
Kāpēc Bellmac-32 to nedarīja"t kļūt par galveno virzienu
Neskatoties uz solījumu, Bellmac-32 tehnoloģija neguva plašu komerciālu pieņemšanu. Pēc Kondreja teiktā, AT&T sāka apsvērt iekārtu ražotāja NCR iespējas 20. gs. astoņdesmito gadu beigās un vēlāk pievērsās iegādei, kas nozīmēja, ka uzņēmums izvēlējās atbalstīt dažādas mikroshēmu produktu līnijas. Līdz tam laikam Bellmac-32 ietekme bija sākusi pieaugt.
“Pirms Bellmac-32 tirgū dominēja NMOS,” sacīja Kondrijs. “Taču CMOS mainīja ainavu, jo izrādījās, ka tas ir efektīvāks veids, kā to ieviest rūpnīcā.”
Laika gaitā šī atziņa mainīja pusvadītāju nozari. CMOS kļuva par mūsdienu mikroprocesoru pamatu, veicinot digitālo revolūciju tādās ierīcēs kā galddatori un viedtālruņi.
Bell Labs drosmīgais eksperiments — izmantojot nepārbaudītu ražošanas procesu un aptverot veselu mikroshēmu arhitektūras paaudzi — bija pagrieziena punkts tehnoloģiju vēsturē.
Kā saka profesors Kangs: “Mēs bijām iespējamo lietu priekšgalā. Mēs ne tikai sekojām esošam ceļam, mēs bruģējām jaunu ceļu.” Profesors Huangs, kurš vēlāk kļuva par Singapūras Mikroelektronikas institūta direktora vietnieku un ir arī IEEE biedrs, piebilst: “Tas ietvēra ne tikai mikroshēmu arhitektūru un dizainu, bet arī liela mēroga mikroshēmu verifikāciju — izmantojot CAD, bet bez mūsdienu digitālās simulācijas rīkiem vai pat maketēšanas platēm (standarta veids, kā pārbaudīt elektroniskās sistēmas shēmas dizainu, izmantojot mikroshēmas, pirms shēmas komponenti tiek pastāvīgi savienoti kopā).”
Kondrijs, Kangs un Huangs ar prieku atskatās uz šo laiku un pauž apbrīnu par daudzu AT&T darbinieku prasmēm un centību, kuru pūliņi ļāva izveidot Bellmac-32 mikroshēmu saimi.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 19. maijs