De komst van deze chip veranderde de koers van de chipontwikkeling!
Eind jaren zeventig waren 8-bits processoren nog steeds de meest geavanceerde technologie en hadden CMOS-processen een achterstand in de halfgeleiderindustrie. Ingenieurs van AT&T Bell Labs zetten een gedurfde stap naar de toekomst door geavanceerde 3,5-micron CMOS-productieprocessen te combineren met innovatieve 32-bits processorarchitecturen in een poging om concurrenten te overtreffen op het gebied van chipprestaties en IBM en Intel te overtreffen.
Hoewel hun uitvinding, de Bellmac-32 microprocessor, niet het commerciële succes van eerdere producten zoals de Intel 4004 (uitgebracht in 1971) wist te evenaren, was de invloed ervan enorm. Tegenwoordig vertrouwen de chips in bijna alle smartphones, laptops en tablets op de principes van complementaire metaaloxidehalfgeleiders (CMOS), die door de Bellmac-32 werden ontwikkeld.
De jaren 80 naderden en AT&T probeerde zichzelf te transformeren. Decennialang domineerde de telecommunicatiegigant met de bijnaam "Mother Bell" de spraakcommunicatie in de Verenigde Staten, en dochteronderneming Western Electric produceerde bijna alle gangbare telefoons in Amerikaanse huizen en kantoren. De Amerikaanse federale overheid drong aan op de opsplitsing van AT&T's activiteiten om antitrustredenen, maar AT&T zag een kans om de computersector te betreden.
Omdat computerbedrijven al een gevestigde naam op de markt waren, had AT&T moeite om bij te benen. Hun strategie was om een grote sprong voorwaarts te maken, en de Bellmac-32 was daarvoor de springplank.
De Bellmac-32-chipfamilie is onderscheiden met een IEEE Milestone Award. De onthullingsceremonies vinden dit jaar plaats op de campus van Nokia Bell Labs in Murray Hill, New Jersey, en in het Computer History Museum in Mountain View, Californië.
UNIEKE CHIP
In plaats van de industriestandaard van 8-bits chips te volgen, daagden AT&T-managers de ingenieurs van Bell Labs uit om een revolutionair product te ontwikkelen: de eerste commerciële microprocessor die 32 bits aan data in één klokcyclus kon overbrengen. Dit vereiste niet alleen een nieuwe chip, maar ook een nieuwe architectuur – een die telecommunicatieswitching aankon en als ruggengraat van toekomstige computersystemen kon dienen.
"We bouwen niet alleen een snellere chip", aldus Michael Condry, hoofd van de architectuurgroep bij Bell Labs in Holmdel, New Jersey. "We proberen een chip te ontwerpen die zowel spraak als rekenkracht ondersteunt."
Destijds werd CMOS-technologie gezien als een veelbelovend maar riskant alternatief voor NMOS- en PMOS-ontwerpen. NMOS-chips waren volledig afhankelijk van N-type transistoren, die snel maar energieverslindend waren, terwijl PMOS-chips afhankelijk waren van de beweging van positief geladen gaten, wat te langzaam was. CMOS maakte gebruik van een hybride ontwerp dat de snelheid verhoogde en tegelijkertijd energie bespaarde. De voordelen van CMOS waren zo overtuigend dat de industrie al snel besefte dat, zelfs als er twee keer zoveel transistoren nodig waren (NMOS en PMOS per poort), het de moeite waard was.
Met de snelle ontwikkeling van halfgeleidertechnologie, zoals beschreven door de Wet van Moore, werden de kosten voor het verdubbelen van de transistordichtheid beheersbaar en uiteindelijk verwaarloosbaar. Toen Bell Labs deze riskante gok waagde, was de technologie voor grootschalige CMOS-productie echter nog onbewezen en waren de kosten relatief hoog.
Bell Labs schrok zich hier niet voor af. Het bedrijf maakte gebruik van de expertise van zijn vestigingen in Holmdel, Murray Hill en Naperville, Illinois, en stelde een "dreamteam" van halfgeleideringenieurs samen. Het team bestond uit Condrey, Steve Conn, een rijzende ster in chipontwerp, Victor Huang, een andere microprocessorontwerper, en tientallen medewerkers van AT&T Bell Labs. In 1978 begonnen ze een nieuw CMOS-proces onder de knie te krijgen en bouwden ze een 32-bits microprocessor vanaf nul.
Begin met het ontwerpen van architectuur
Condrey was een voormalig IEEE Fellow en later Chief Technology Officer van Intel. Het architectuurteam dat hij leidde, was vastbesloten een systeem te bouwen dat zowel het Unix-besturingssysteem als de programmeertaal C native ondersteunde. Destijds stonden zowel Unix als C nog in de kinderschoenen, maar waren ze voorbestemd om te domineren. Om de destijds extreem waardevolle geheugenlimiet van kilobytes (KB) te doorbreken, introduceerden ze een complexe instructieset die minder uitvoeringsstappen vereiste en taken binnen één klokcyclus kon voltooien.
Ingenieurs hebben ook chips ontworpen die de parallelle bus VersaModule Eurocard (VME) ondersteunen, die gedistribueerd computergebruik mogelijk maakt en meerdere knooppunten in staat stelt gegevens parallel te verwerken. VME-compatibele chips maken het ook mogelijk om ze te gebruiken voor realtime besturing.
Het team schreef een eigen versie van Unix en voorzag deze van realtimefunctionaliteit om compatibiliteit met industriële automatisering en vergelijkbare toepassingen te garanderen. Ingenieurs van Bell Labs vonden ook dominologica uit, wat de verwerkingssnelheid verhoogde door vertragingen in complexe logische poorten te verminderen.
Aanvullende test- en verificatietechnieken werden ontwikkeld en geïntroduceerd met de Bellmac-32-module, een complex verificatie- en testproject voor meerdere chips onder leiding van Jen-Hsun Huang dat nul of bijna nul defecten in de productie van complexe chips bereikte. Dit was een primeur in de wereld van tests met zeer grootschalige geïntegreerde schakelingen (VLSI). Ingenieurs van Bell Labs ontwikkelden een systematisch plan, controleerden herhaaldelijk het werk van hun collega's en bereikten uiteindelijk een naadloze samenwerking tussen meerdere chipfamilies, resulterend in een compleet microcomputersysteem.
Nu volgt het meest uitdagende onderdeel: de daadwerkelijke productie van de chip.
"Destijds waren lay-out-, test- en high-yield manufacturing-technologieën zeer schaars", herinnert Kang zich, die later president werd van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) en fellow van het IEEE. Hij merkt op dat het gebrek aan CAD-tools voor volledige chipverificatie het team dwong om grote Calcomp-tekeningen af te drukken. Deze schema's laten zien hoe transistors, draden en interconnects in een chip moeten worden geplaatst om het gewenste resultaat te krijgen. Het team monteerde ze op de vloer met plakband, waardoor een gigantische vierkante tekening van meer dan 6 meter breed ontstond. Kang en zijn collega's tekenden elk circuit met kleurpotloden, op zoek naar gebroken verbindingen en overlappende of verkeerd verwerkte interconnects.
Nadat het fysieke ontwerp was voltooid, stond het team voor een nieuwe uitdaging: de productie. De chips werden geproduceerd in de Western Electric-fabriek in Allentown, Pennsylvania, maar Kang herinnert zich dat de opbrengst (het percentage chips op de wafer dat voldeed aan de prestatie- en kwaliteitsnormen) zeer laag was.
Om dit aan te pakken, reden Kang en zijn collega's elke dag vanuit New Jersey naar de fabriek, stroopten hun mouwen op en deden alles wat nodig was, zoals het vegen van vloeren en het kalibreren van testapparatuur. Ze wilden een hechte vriendschapsband creëren en iedereen ervan overtuigen dat het meest complexe product dat de fabriek ooit had geprobeerd te produceren, daar inderdaad kon worden gemaakt.
"Het teambuildingproces verliep soepel", zei Kang. "Na een paar maanden was Western Electric in staat om hoogwaardige chips te produceren in hoeveelheden die de vraag overtroffen."
De eerste versie van de Bellmac-32 werd uitgebracht in 1980, maar voldeed niet aan de verwachtingen. De beoogde prestatiefrequentie was slechts 2 MHz, niet 4 MHz. De ingenieurs ontdekten dat de geavanceerde Takeda Riken-testapparatuur die ze destijds gebruikten, gebreken vertoonde. De transmissielijneffecten tussen de sonde en de testkop zorgden voor onnauwkeurige metingen. Ze werkten samen met het Takeda Riken-team om een correctietabel te ontwikkelen om de meetfouten te corrigeren.
De Bellmac-chips van de tweede generatie hadden kloksnelheden van meer dan 6,2 MHz, soms zelfs tot 9 MHz. Dit werd destijds als vrij snel beschouwd. De 16-bits Intel 8088-processor die IBM in 1981 in zijn eerste pc introduceerde, had een kloksnelheid van slechts 4,77 MHz.
Waarom Bellmac-32 niet'niet mainstream worden
Ondanks de beloften werd de Bellmac-32-technologie niet breed commercieel geaccepteerd. Volgens Condrey begon AT&T eind jaren 80 apparatuurfabrikant NCR te onderzoeken en ging het later over tot overnames, wat betekende dat het bedrijf ervoor koos om verschillende chipproductlijnen te ondersteunen. Tegen die tijd begon de invloed van Bellmac-32 te groeien.
"Vóór Bellmac-32 domineerde NMOS de markt", aldus Condry. "Maar CMOS veranderde het landschap omdat het een efficiëntere manier bleek om het in de fab te implementeren."
Na verloop van tijd veranderde dit inzicht de halfgeleiderindustrie. CMOS zou de basis vormen voor moderne microprocessoren en de digitale revolutie in apparaten zoals desktopcomputers en smartphones aandrijven.
Het gedurfde experiment van Bell Labs, waarbij gebruik werd gemaakt van een niet-getest productieproces en dat een hele generatie chiparchitectuur besloeg, was een mijlpaal in de geschiedenis van de technologie.
Zoals professor Kang het verwoordt: "We liepen voorop in wat mogelijk was. We volgden niet zomaar een bestaand pad, we baanden een nieuwe weg." Professor Huang, die later adjunct-directeur werd van het Singapore Institute of Microelectronics en tevens IEEE Fellow is, voegt eraan toe: "Dit omvatte niet alleen chiparchitectuur en -ontwerp, maar ook grootschalige chipverificatie – met behulp van CAD, maar zonder de huidige digitale simulatietools of zelfs breadboards (een standaardmethode om het circuitontwerp van een elektronisch systeem met chips te controleren voordat de circuitcomponenten permanent met elkaar worden verbonden)."
Condry, Kang en Huang kijken met plezier terug op die tijd en uiten hun bewondering voor de vaardigheden en toewijding van de vele AT&T-medewerkers die met hun inzet de Bellmac-32-chipfamilie mogelijk hebben gemaakt.
Geplaatst op: 19 mei 2025