De komst van deze chip veranderde de koers van de chipontwikkeling!
Eind jaren zeventig waren 8-bits processoren nog steeds de meest geavanceerde technologie van die tijd, en CMOS-processen hadden een achterstand op de halfgeleidermarkt. Ingenieurs van AT&T Bell Labs namen een gedurfde stap richting 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 hetzelfde commerciële succes behaalde als eerdere producten zoals de Intel 4004 (uitgebracht in 1971), was de invloed ervan enorm. Tegenwoordig maken de chips in bijna alle smartphones, laptops en tablets gebruik van de CMOS-principes (complementary metal-oxide semiconductor) die door de Bellmac-32 zijn ontwikkeld.
De jaren tachtig naderden en AT&T probeerde zichzelf te transformeren. Decennialang had de telecommunicatiegigant, bijgenaamd "Mother Bell", de spraakcommunicatiemarkt in de Verenigde Staten gedomineerd, 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 vanwege antitrustovertredingen, maar AT&T zag een kans om de computermarkt te betreden.
Omdat computerbedrijven al stevig gevestigd waren op de markt, vond AT&T het moeilijk om de achterstand in te halen; hun strategie was om een sprong voorwaarts te maken, en de Bellmac-32 was daarvoor het ideale middel.
De Bellmac-32 chipfamilie is bekroond met een IEEE Milestone Award. De onthullingsceremonies vinden dit jaar plaats op de Nokia Bell Labs-campus 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 de leidinggevenden van AT&T 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 overdragen. Dit vereiste niet alleen een nieuwe chip, maar ook een nieuwe architectuur – een architectuur die telecommunicatieschakelingen aankon en als ruggengraat kon dienen voor toekomstige computersystemen.
"We bouwen niet zomaar 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 gebaseerd op N-type transistoren, die weliswaar snel waren, maar veel energie verbruikten, terwijl PMOS-chips afhankelijk waren van de beweging van positief geladen gaten, wat te traag was. CMOS gebruikte een hybride ontwerp dat de snelheid verhoogde en tegelijkertijd energie bespaarde. De voordelen van CMOS waren zo overtuigend dat de industrie al snel inzag dat het, zelfs als er twee keer zoveel transistoren nodig waren (NMOS en PMOS voor elke gate), 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 echter aan deze risicovolle gok begon, was de grootschalige CMOS-productietechnologie nog onbewezen en waren de kosten relatief hoog.
Dit schrikte Bell Labs niet af. Het bedrijf deed een beroep op 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, eveneens een microprocessorontwerper, en tientallen medewerkers van AT&T Bell Labs. In 1978 begonnen ze een nieuw CMOS-proces onder de knie te krijgen en een 32-bits microprocessor helemaal vanaf nul op te bouwen.
Begin met het ontwerpen van de architectuur.
Condrey was een voormalig IEEE Fellow en later Chief Technology Officer bij Intel. Het architectuurteam dat hij leidde, zette zich in voor de ontwikkeling van een systeem dat native ondersteuning bood voor het Unix-besturingssysteem en de programmeertaal C. Destijds stonden zowel Unix als C nog in de kinderschoenen, maar ze zouden de markt gaan domineren. Om de destijds zeer 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 VersaModule Eurocard (VME) parallelle bus ondersteunen. Deze bus maakt gedistribueerde computing mogelijk en zorgt ervoor dat meerdere knooppunten gegevens parallel kunnen verwerken. VME-compatibele chips kunnen bovendien worden gebruikt voor realtime besturing.
Het team schreef een eigen versie van Unix en voorzag deze van realtime-functionaliteit om compatibiliteit met industriële automatisering en soortgelijke toepassingen te garanderen. Ingenieurs van Bell Labs ontwikkelden ook dominologica, wat de verwerkingssnelheid verhoogde door vertragingen in complexe logische poorten te verminderen.
Met de Bellmac-32-module, een complex project voor verificatie en testen van meerdere chips onder leiding van Jen-Hsun Huang, werden aanvullende test- en verificatietechnieken ontwikkeld en geïntroduceerd. Dit project resulteerde in nul of bijna nul defecten bij de productie van complexe chips. Dit was een primeur in de wereld van het testen van 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 verschillende chipfamilies, wat resulteerde in een compleet microcomputersysteem.
Vervolgens komt het meest uitdagende deel: de daadwerkelijke productie van de chip.
"In die tijd waren technologieën voor lay-out, testen en productie met een hoge opbrengst zeer schaars", herinnert Kang zich, die later president werd van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) en fellow van de IEEE. Hij merkt op dat het gebrek aan CAD-tools voor volledige chipverificatie het team dwong om oversized Calcomp-tekeningen af te drukken. Deze schema's laten zien hoe transistors, draden en interconnecties binnen een chip moeten worden gerangschikt om de gewenste output te verkrijgen. Het team plakte ze op de vloer met tape aan elkaar, waardoor een gigantische vierkante tekening ontstond van meer dan 6 meter aan elke zijde. Kang en zijn collega's tekenden elk circuit met de hand in kleurpotloden, op zoek naar kapotte verbindingen en overlappende of onjuist aangebrachte interconnecties.
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 het opbrengstpercentage (het percentage chips op de wafer dat voldeed aan de prestatie- en kwaliteitsnormen) erg laag was.
Om dit aan te pakken, reden Kang en zijn collega's elke dag vanuit New Jersey naar de fabriek, staken de handen uit de mouwen en deden alles wat nodig was, inclusief het vegen van de vloeren en het kalibreren van testapparatuur, om de teamgeest te versterken en iedereen ervan te overtuigen dat het meest complexe product dat de fabriek ooit had geprobeerd te produceren, daar wel degelijk gemaakt kon worden.
"Het teamvormingsproces verliep vlot", aldus Kang. "Na een paar maanden was Western Electric in staat om chips van hoge kwaliteit te produceren in hoeveelheden die de vraag overtroffen."
De eerste versie van de Bellmac-32 werd in 1980 uitgebracht, maar voldeed niet aan de verwachtingen. De beoogde prestatiefrequentie was slechts 2 MHz, niet 4 MHz. De ingenieurs ontdekten dat de geavanceerde testapparatuur van Takeda Riken die ze destijds gebruikten, gebrekkig was. Transmissielijneffecten tussen de meetsonde en de testkop veroorzaakten onnauwkeurige metingen. Ze werkten samen met het team van Takeda Riken om een correctietabel te ontwikkelen waarmee de meetfouten konden worden gecorrigeerd.
De tweede generatie Bellmac-chips had kloksnelheden van meer dan 6,2 MHz, soms zelfs tot 9 MHz. Dat werd destijds als behoorlijk snel beschouwd. De 16-bits Intel 8088-processor die IBM in 1981 in zijn eerste pc uitbracht, had een kloksnelheid van slechts 4,77 MHz.
Waarom Bellmac-32 niet'om mainstream te worden
Ondanks de veelbelovende vooruitzichten werd de Bellmac-32-technologie niet op grote schaal commercieel toegepast. Volgens Condrey begon AT&T eind jaren tachtig te kijken naar apparatuurfabrikant NCR en ging later over tot overnames, wat betekende dat het bedrijf ervoor koos om verschillende chipproductlijnen te ondersteunen. Tegen die tijd was de invloed van Bellmac-32 al begonnen te groeien.
"Vóór Bellmac-32 domineerde NMOS de markt," zei Condry. "Maar CMOS veranderde het landschap, omdat het een efficiëntere manier bleek om het in de fabriek te implementeren."
Na verloop van tijd veranderde dit inzicht de halfgeleiderindustrie. CMOS zou de basis vormen voor moderne microprocessoren en de drijvende kracht achter de digitale revolutie in apparaten zoals desktopcomputers en smartphones.
Het gedurfde experiment van Bell Labs – waarbij een ongetest productieproces werd gebruikt en een hele generatie chiparchitectuur werd toegepast – 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 nieuw pad." Professor Huang, die later adjunct-directeur werd van het Singapore Institute of Microelectronics en tevens IEEE Fellow is, voegt daaraan toe: "Dit omvatte niet alleen chiparchitectuur en -ontwerp, maar ook grootschalige chipverificatie – met behulp van CAD, maar zonder de digitale simulatietools van vandaag 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 spreken hun bewondering uit voor de vaardigheid en toewijding van de vele AT&T-medewerkers die de Bellmac-32-chipfamilie mogelijk hebben gemaakt.
Geplaatst op: 19 mei 2025