Koma þessarar örgjörva breytti stefnu örgjörvaþróunar!
Seint á áttunda áratugnum voru 8-bita örgjörvar enn fullkomnasta tæknin á þeim tíma og CMOS-ferli voru í óhagstæðri stöðu á sviði hálfleiðara. Verkfræðingar hjá AT&T Bell Labs stigu djörf skref inn í framtíðina og sameinuðu nýjustu 3,5 míkróna CMOS framleiðsluferli við nýstárlegar 32-bita örgjörvaarkitektúr í því skyni að skara fram úr samkeppnisaðilum í örgjörvaafköstum og slá þannig IBM og Intel.
Þótt uppfinning þeirra, Bellmac-32 örgjörvinn, hafi ekki náð sömu viðskiptalegum árangri og fyrri vörur eins og Intel 4004 (kom út árið 1971), þá voru áhrif hans djúpstæð. Í dag byggja örgjörvinn í næstum öllum snjallsímum, fartölvum og spjaldtölvum á meginreglum um viðbótarmálmoxíð hálfleiðara (CMOS) sem Bellmac-32 var brautryðjandi í.
Áratugurinn var að renna upp og AT&T var að reyna að umbreyta sér. Í áratugi hafði fjarskiptarisinn, sem kallaður var „Móðir Bell“, ráðið ríkjum í talfjarskiptageiranum í Bandaríkjunum og dótturfyrirtæki þess, Western Electric, framleiddi nánast alla algengustu símana í bandarískum heimilum og skrifstofum. Bandaríska alríkisstjórnin hvatti til þess að starfsemi AT&T yrði lögð niður vegna samkeppnislaga, en AT&T sá tækifæri til að komast inn á tölvumarkaðinn.
Þar sem tölvufyrirtæki voru þegar vel rótgróin á markaðnum átti AT&T erfitt með að ná í kapphlaupið; stefna þeirra var að stökkva fram úr og Bellmac-32 var stökkpallurinn.
Bellmac-32 örgjörvafjölskyldan hefur verið heiðruð með IEEE Milestone Award. Afhjúpunarathöfnin fer fram í ár á háskólasvæði Nokia Bell Labs í Murray Hill í New Jersey og í Tölvusögusafninu í Mountain View í Kaliforníu.
EINSTAKUR FLÍS
Í stað þess að fylgja iðnaðarstaðlinum um 8-bita örgjörva, skoruðu stjórnendur AT&T á verkfræðinga Bell Labs að þróa byltingarkennda vöru: fyrsta viðskipta örgjörvann sem gæti flutt 32 bita af gögnum í einni klukkuhringrás. Þetta krafðist ekki aðeins nýrrar örgjörva heldur einnig nýrrar arkitektúrs - einnar sem gæti tekist á við fjarskiptaskipti og þjónað sem burðarás framtíðar tölvukerfa.
„Við erum ekki bara að smíða hraðari örgjörva,“ sagði Michael Condry, sem leiðir arkitektahópinn í verksmiðju Bell Labs í Holmdel í New Jersey. „Við erum að reyna að hanna örgjörva sem getur stutt bæði rödd og tölvuvinnslu.“
Á þeim tíma var CMOS-tækni talin efnilegur en áhættusamur valkostur við NMOS og PMOS hönnun. NMOS-flögur treystu eingöngu á N-gerð smára, sem voru hraðir en orkufrekir, en PMOS-flögur treystu á hreyfingu jákvætt hlaðinna gata, sem var of hæg. CMOS notaði blendingshönnun sem jók hraðann og sparaði orku. Kostir CMOS voru svo sannfærandi að iðnaðurinn áttaði sig fljótt á því að jafnvel þótt það þyrfti tvöfalt fleiri smára (NMOS og PMOS fyrir hvert hlið), þá var það þess virði.
Með hraðri þróun hálfleiðaratækni, eins og lýst er í lögmáli Moore, varð kostnaðurinn við að tvöfalda þéttleika smára viðráðanlegur og að lokum hverfandi. Þegar Bell Labs hóf þessa áhættusömu áhættu var framleiðslutækni fyrir stórfellda CMOS óprófuð og kostnaðurinn tiltölulega hár.
Þetta hræddi ekki Bell Labs. Fyrirtækið nýtti sérþekkingu háskólasvæða sinna í Holmdel, Murray Hill og Naperville í Illinois og setti saman „draumateymi“ hálfleiðaraverkfræðinga. Í teyminu voru Condrey, Steve Conn, rísandi stjarna í örgjörvahönnun, Victor Huang, annar örgjörvahönnuður, og tugir starfsmanna frá AT&T Bell Labs. Þeir hófu að ná tökum á nýju CMOS ferli árið 1978 og smíða 32-bita örgjörva frá grunni.
Byrjaðu á hönnunararkitektúr
Condrey var fyrrverandi IEEE félagi og starfaði síðar sem yfirmaður tæknimála hjá Intel. Arkitektúrteymið sem hann stýrði var staðráðið í að byggja upp kerfi sem studdi Unix stýrikerfið og C tungumálið innbyggt. Á þeim tíma voru bæði Unix og C tungumálið enn á frumstigi en áttu eftir að verða ráðandi. Til að brjóta niður afar dýrmætt minnismörk kílóbæta (KB) á þeim tíma kynntu þeir flókið skipanasett sem krafðist færri keyrsluskrefa og gat lokið verkefnum innan eins klukkuhrings.
Verkfræðingar hönnuðu einnig örgjörva sem styðja VersaModule Eurocard (VME) samsíða strætó, sem gerir kleift að nota dreifða útreikninga og leyfa mörgum hnútum að vinna úr gögnum samsíða. VME-samhæfðir örgjörvar gera einnig kleift að nota þá til rauntímastýringar.
Teymið skrifaði sína eigin útgáfu af Unix og gaf henni rauntímavirkni til að tryggja samhæfni við iðnaðarsjálfvirkni og svipuð forrit. Verkfræðingar Bell Labs fundu einnig upp domino-rökfræði, sem jók vinnsluhraða með því að draga úr töfum í flóknum rökhliðum.
Viðbótar prófunar- og sannprófunaraðferðir voru þróaðar og kynntar með Bellmac-32 einingunni, flóknu sannprófunar- og prófunarverkefni fyrir marga örgjörva undir forystu Jen-Hsun Huang sem náði núll eða nær engum göllum í flókinni örgjörvaframleiðslu. Þetta var fyrsta tilraunin í heiminum til að prófa mjög stórar samþættar hringrásir (VLSI). Verkfræðingar Bell Labs þróuðu kerfisbundna áætlun, könnuðu ítrekað vinnu samstarfsmanna sinna og náðu að lokum óaðfinnanlegu samstarfi milli margra örgjörvafjölskyldna, sem leiddi til fullkomins örtölvukerfis.
Næst kemur að erfiðasta hlutanum: raunverulegri framleiðslu flísarinnar.
„Á þeim tíma voru tækni til uppsetningar, prófana og framleiðslu með mikilli afköstum mjög af skornum skammti,“ rifjar Kang upp, sem síðar varð forseti Kóreuháskólans í vísindum og tækni (KAIST) og félagi í IEEE. Hann bendir á að skortur á CAD-tólum til að sannreyna alla örgjörva neyddi teymið til að prenta út of stórar Calcomp-teikningar. Þessar skýringarmyndir sýna hvernig smárar, vírar og tengingar ættu að vera raðað innan örgjörva til að fá þá afköst sem óskað var eftir. Teymið setti þau saman á gólfinu með límbandi og myndaði risastóra ferningsteikningu sem var meira en 6 metrar á hlið. Kang og samstarfsmenn hans teiknuðu hverja hringrás handvirkt með litblýöntum og leituðu að slitnum tengingum og skörun eða rangri meðhöndlun tenginga.
Þegar hönnunin var lokið stóð teymið frammi fyrir annarri áskorun: framleiðslu. Flögurnar voru framleiddar í verksmiðju Western Electric í Allentown í Pennsylvaníu, en Kang minnist þess að afköstin (hlutfall flögna á skífunni sem uppfylltu afköst og gæðastaðla) voru mjög lág.
Til að bregðast við þessu óku Kang og samstarfsmenn hans til verksmiðjunnar frá New Jersey á hverjum degi, brettu upp ermarnar og gerðu það sem þurfti, þar á meðal að sópa gólf og kvarða prófunarbúnað, til að byggja upp félagsanda og sannfæra alla um að þar væri í raun hægt að framleiða flóknustu vöruna sem verksmiðjan hafði nokkurn tíma reynt að framleiða.
„Liðsuppbyggingarferlið gekk vel,“ sagði Kang. „Eftir nokkra mánuði gat Western Electric framleitt hágæða örgjörva í magni sem fór fram úr eftirspurn.“
Fyrsta útgáfan af Bellmac-32 kom út árið 1980 en hún stóðst ekki væntingar. Markmiðstíðnin var aðeins 2 MHz, ekki 4 MHz. Verkfræðingarnir uppgötvuðu að fullkomnasta prófunarbúnaðurinn frá Takeda Riken sem þeir notuðu á þeim tíma var gallaður, þar sem áhrif á flutningslínur milli mælisins og prófunarhaussins ollu ónákvæmum mælingum. Þeir unnu með Takeda Riken teyminu að því að þróa leiðréttingartöflu til að leiðrétta mælingarvillurnar.
Önnur kynslóð Bellmac örgjörvanna hafði klukkuhraða yfir 6,2 MHz, stundum allt að 9 MHz. Þetta þótti nokkuð hratt á þeim tíma. 16-bita Intel 8088 örgjörvinn sem IBM gaf út í fyrstu tölvu sinni árið 1981 hafði klukkuhraða upp á aðeins 4,77 MHz.
Af hverju Bellmac-32 gerði það ekki'ekki verða aðalstraumur
Þrátt fyrir loforð sín náði Bellmac-32 tæknin ekki útbreiddri viðskiptavæðingu. Samkvæmt Condrey byrjaði AT&T að skoða búnaðarframleiðandann NCR seint á níunda áratugnum og sneri sér síðar að yfirtökum, sem þýddi að fyrirtækið valdi að styðja við mismunandi örgjörvaframleiðslulínur. Þá höfðu áhrif Bellmac-32 farið að aukast.
„Áður en Bellmac-32 kom til sögunnar, réðu NMOS ríkjum á markaðnum,“ sagði Condry. „En CMOS breytti landslaginu því það reyndist vera skilvirkari leið til að innleiða það í verksmiðjunni.“
Með tímanum breytti þessi uppgötvun hálfleiðaraiðnaðinn. CMOS varð grunnurinn að nútíma örgjörvum og knúði stafræna byltingu í tækjum eins og borðtölvum og snjallsímum.
Djörf tilraun Bell Labs – sem notaði óprófað framleiðsluferli og spannaði heila kynslóð örgjörvaarkitektúrs – var tímamótaáfangi í tæknisögunni.
Eins og prófessor Kang orðar það: „Við vorum í fararbroddi þess sem var mögulegt. Við vorum ekki bara að fylgja núverandi braut, heldur vorum við að ryðja nýja braut.“ Prófessor Huang, sem síðar varð aðstoðarforstjóri Singapore Institute of Microelectronics og er einnig IEEE-félagi, bætir við: „Þetta fól ekki aðeins í sér örgjörvaarkitektúr og hönnun, heldur einnig stórfellda örgjörvaprófun – með CAD en án stafrænna hermunartækja nútímans eða jafnvel brauðborða (staðlaða leið til að athuga rafrásahönnun rafeindakerfis með örgjörvum áður en rafrásaríhlutirnir eru varanlega tengdir saman).“
Condry, Kang og Huang líta til baka með hlýju og ánægju og lýsa yfir aðdáun á hæfni og hollustu þeirra fjölmörgu starfsmanna AT&T sem gerðu Bellmac-32 örgjörvafjölskylduna mögulega.
Birtingartími: 19. maí 2025