A chegada deste chip cambiou o curso do desenvolvemento dos chips!
A finais da década de 1970, os procesadores de 8 bits aínda eran a tecnoloxía máis avanzada daquela época, e os procesos CMOS estaban en desvantaxe no campo dos semicondutores. Os enxeñeiros de AT&T Bell Labs deron un paso audaz cara ao futuro, combinando procesos de fabricación CMOS de 3,5 micras de vangarda con arquitecturas de procesador innovadoras de 32 bits nun esforzo por superar aos competidores no rendemento dos chips, superando a IBM e Intel.
Aínda que a súa invención, o microprocesador Bellmac-32, non conseguiu o éxito comercial de produtos anteriores como o Intel 4004 (lanzado en 1971), a súa influencia foi profunda. Hoxe en día, os chips de case todos os teléfonos intelixentes, portátiles e tabletas baséanse nos principios complementarios dos semicondutores de óxido metálico (CMOS) dos que foi pioneiro o Bellmac-32.
Achegábase a década de 1980 e AT&T estaba a tentar transformarse. Durante décadas, o xigante das telecomunicacións alcumado "Mother Bell" dominara o negocio das comunicacións de voz nos Estados Unidos e a súa filial Western Electric producía case todos os teléfonos habituais nos fogares e oficinas estadounidenses. O goberno federal dos Estados Unidos instou á disolución do negocio de AT&T por motivos antimonopolio, pero AT&T viu unha oportunidade para entrar no campo da informática.
Coas empresas informáticas xa ben establecidas no mercado, AT&T tivo dificultades para poñerse ao día; a súa estratexia era ir adiante, e o Bellmac-32 foi o seu trampolín.
A familia de chips Bellmac-32 foi galardoada cun premio IEEE Milestone Award. As cerimonias de presentación celebraranse este ano no campus de Nokia Bell Labs en Murray Hill, Nova Jersey, e no Museo de Historia da Computación en Mountain View, California.
CHIP ÚNICO
En lugar de seguir o estándar da industria dos chips de 8 bits, os executivos de AT&T desafiaron os enxeñeiros de Bell Labs a desenvolver un produto revolucionario: o primeiro microprocesador comercial capaz de transferir 32 bits de datos nun só ciclo de reloxo. Isto requiría non só un novo chip, senón tamén unha nova arquitectura, unha que puidese xestionar a conmutación de telecomunicacións e servir como a columna vertebral dos futuros sistemas informáticos.
«Non só estamos a construír un chip máis rápido», dixo Michael Condry, que dirixe o grupo de arquitectura nas instalacións de Bell Labs en Holmdel, Nova Jersey. «Estamos a tentar deseñar un chip que poida soportar tanto voz como computación».
Naquel momento, a tecnoloxía CMOS considerábase unha alternativa prometedora pero arriscada aos deseños NMOS e PMOS. Os chips NMOS dependían completamente de transistores de tipo N, que eran rápidos pero consumían moita enerxía, mentres que os chips PMOS dependían do movemento de buratos cargados positivamente, o cal era demasiado lento. O CMOS empregaba un deseño híbrido que aumentaba a velocidade e aforraba enerxía. As vantaxes do CMOS eran tan convincentes que a industria pronto se decatou de que, mesmo requirindo o dobre de transistores (NMOS e PMOS para cada porta), valía a pena.
Co rápido desenvolvemento da tecnoloxía dos semicondutores descrita pola Lei de Moore, o custo de duplicar a densidade dos transistores volveuse manexable e finalmente insignificante. Non obstante, cando Bell Labs se embarcou nesta aposta de alto risco, a tecnoloxía de fabricación de CMOS a grande escala non estaba probada e o custo era relativamente alto.
Isto non asustou a Bell Labs. A empresa recorreu á experiencia dos seus campus en Holmdel, Murray Hill e Naperville, Illinois, e reuniu un "equipo ideal" de enxeñeiros de semicondutores. O equipo incluía a Condrey, Steve Conn, unha estrela emerxente no deseño de chips, Victor Huang, outro deseñador de microprocesadores, e ducias de empregados de AT&T Bell Labs. Comezaron a dominar un novo proceso CMOS en 1978 e a construír un microprocesador de 32 bits desde cero.
Comeza coa arquitectura do deseño
Condrey foi membro do IEEE e posteriormente traballou como director de tecnoloxía de Intel. O equipo de arquitectura que dirixía estaba comprometido coa construción dun sistema que admitise de forma nativa o sistema operativo Unix e a linguaxe C. Naquel momento, tanto Unix como a linguaxe C aínda estaban na súa infancia, pero estaban destinados a dominar. Para superar o límite de memoria extremadamente valioso dos kilobytes (KB) da época, introduciron un conxunto de instrucións complexo que requiría menos pasos de execución e podía completar tarefas nun ciclo de reloxo.
Os enxeñeiros tamén deseñaron chips compatibles co bus paralelo VersaModule Eurocard (VME), que permite a computación distribuída e permite que varios nodos procesen datos en paralelo. Os chips compatibles con VME tamén permiten o seu uso para o control en tempo real.
O equipo escribiu a súa propia versión de Unix e deulle capacidades en tempo real para garantir a compatibilidade coa automatización industrial e aplicacións similares. Os enxeñeiros de Bell Labs tamén inventaron a lóxica dominó, que aumentou a velocidade de procesamento ao reducir os atrasos nas portas lóxicas complexas.
Desenvolvéronse e introducíronse técnicas adicionais de proba e verificación co módulo Bellmac-32, un complexo proxecto de verificación e proba de varios chips dirixido por Jen-Hsun Huang que conseguiu cero ou case cero defectos na fabricación de chips complexos. Esta foi a primeira vez no mundo das probas de circuítos integrados a moi grande escala (VLSI). Os enxeñeiros de Bell Labs desenvolveron un plan sistemático, comprobaron repetidamente o traballo dos seus colegas e, finalmente, lograron unha colaboración sen fisuras entre múltiples familias de chips, culminando nun sistema microinformático completo.
A continuación vén a parte máis complexa: a fabricación real do chip.
«Naquel momento, as tecnoloxías de deseño, probas e fabricación de alto rendemento eran moi escasas», lembra Kang, que máis tarde se converteu en presidente do Instituto Coreano Avanzado de Ciencia e Tecnoloxía (KAIST) e membro do IEEE. Sinala que a falta de ferramentas CAD para a verificación de chips completos obrigou ao equipo a imprimir debuxos Calcomp de gran tamaño. Estes esquemas mostran como se deben dispor os transistores, os cables e as interconexións dentro dun chip para dar a saída desexada. O equipo montounos no chan con cinta adhesiva, formando un debuxo cadrado xigante de máis de 6 metros de lado. Kang e os seus colegas debuxaron a man cada circuíto con lapis de cores, buscando conexións rotas e interconexións superpostas ou manexadas incorrectamente.
Unha vez completo o deseño físico, o equipo enfrontouse a outro reto: a fabricación. Os chips producíronse na planta de Western Electric en Allentown, Pensilvania, pero Kang lembra que a taxa de rendemento (a porcentaxe de chips na oblea que cumprían os estándares de rendemento e calidade) era moi baixa.
Para solucionar isto, Kang e os seus colegas conducían á planta desde Nova Jersey todos os días, arremangabanse e facían o necesario, incluíndo varrer os pisos e calibrar os equipos de proba, para crear camaradería e convencer a todos de que o produto máis complexo que a planta xamais intentara producir podía fabricarse alí.
«O proceso de creación do equipo transcorreu sen problemas», dixo Kang. «Despois duns meses, Western Electric puido producir chips de alta calidade en cantidades que superaron a demanda».
A primeira versión do Bellmac-32 lanzouse en 1980, pero non cumpriu as expectativas. A súa frecuencia obxectivo de rendemento era de só 2 MHz, non de 4 MHz. Os enxeñeiros descubriron que o equipo de probas de última xeración Takeda Riken que estaban a usar nese momento tiña defectos, e os efectos da liña de transmisión entre a sonda e o cabezal de proba provocaban medicións inexactas. Traballaron co equipo de Takeda Riken para desenvolver unha táboa de corrección para corrixir os erros de medición.
Os chips Bellmac de segunda xeración tiñan velocidades de reloxo superiores a 6,2 MHz, ás veces tan altas como 9 MHz. Isto considerábase bastante rápido naquel momento. O procesador Intel 8088 de 16 bits que IBM lanzou no seu primeiro PC en 1981 tiña unha velocidade de reloxo de só 4,77 MHz.
Por que non o fixo Bellmac-32'converterse na corrente principal
Malia a súa promesa, a tecnoloxía Bellmac-32 non conseguiu unha adopción comercial xeneralizada. Segundo Condrey, AT&T comezou a centrarse no fabricante de equipos NCR a finais da década de 1980 e posteriormente recorreu a adquisicións, o que significou que a empresa optou por dar soporte a diferentes liñas de produtos de chips. Para entón, a influencia de Bellmac-32 xa comezara a crecer.
«Antes do Bellmac-32, os NMOS dominaban o mercado», dixo Condry. «Pero os CMOS cambiaron o panorama porque demostrou ser unha forma máis eficiente de implementalos na fábrica».
Co tempo, esta constatación transformou a industria dos semicondutores. O CMOS converteríase na base dos microprocesadores modernos, impulsando a revolución dixital en dispositivos como os ordenadores de sobremesa e os teléfonos intelixentes.
O audaz experimento de Bell Labs, que empregaba un proceso de fabricación non probado e abarcaba toda unha xeración de arquitectura de chips, supuxo un fito na historia da tecnoloxía.
Como di o profesor Kang: «Estabamos na vangarda do que era posible. Non só estabamos a seguir un camiño xa existente, senón que estabamos a abrir un novo camiño». O profesor Huang, que máis tarde se converteu en subdirector do Instituto de Microelectrónica de Singapur e tamén é membro do IEEE, engade: «Isto incluía non só a arquitectura e o deseño de chips, senón tamén a verificación de chips a grande escala, mediante CAD pero sen as ferramentas de simulación dixital actuais ou mesmo as placas de proba (unha forma estándar de comprobar o deseño de circuítos dun sistema electrónico mediante chips antes de que os compoñentes do circuíto estean conectados permanentemente)».
Condry, Kang e Huang lembran aquela época con cariño e expresan admiración pola habilidade e dedicación dos moitos empregados de AT&T cuxos esforzos fixeron posible a familia de chips Bellmac-32.
Data de publicación: 19 de maio de 2025