Selle kiibi tulek muutis kiibi arengu kulgu!
1970. aastate lõpus olid 8-bitised protsessorid tolle aja kõige arenenum tehnoloogia ning CMOS-protsessid olid pooljuhtide valdkonnas ebasoodsas olukorras. AT&T Bell Labsi insenerid astusid julge sammu tulevikku, ühendades tipptasemel 3,5-mikronilised CMOS-tootmisprotsessid uuenduslike 32-bitiste protsessoriarhitektuuridega, püüdes konkurente kiipide jõudluses edestada, edestades IBM-i ja Inteli.
Kuigi nende leiutis, Bellmac-32 mikroprotsessor, ei saavutanud varasemate toodete, näiteks Intel 4004 (ilmus 1971. aastal), ärilist edu, oli selle mõju sügav. Tänapäeval tuginevad peaaegu kõigi nutitelefonide, sülearvutite ja tahvelarvutite kiibid Bellmac-32 poolt välja töötatud komplementaarsele metall-oksiid pooljuhtide (CMOS) põhimõtetele.
1980. aastad lähenesid ja AT&T püüdis end muuta. Aastakümneid oli telekommunikatsioonigigant hüüdnimega "Ema Kell" domineerinud Ameerika Ühendriikide kõnesideäris ning selle tütarettevõte Western Electric tootis peaaegu kõiki Ameerika kodudes ja kontorites levinud telefone. USA föderaalvalitsus nõudis AT&T äri laiali lammutamist monopolivastastel põhjustel, kuid AT&T nägi võimalust siseneda arvutivaldkonda.
Kuna arvutifirmad olid turul juba hästi kanda kinnitanud, oli AT&T-l raske järele jõuda; nende strateegia oli konnast konnani jõuda ja Bellmac-32 oli selle hüppelauaks.
Bellmac-32 kiibiperekonda on autasustatud IEEE verstapostiauhinnaga. Avamistseremooniad toimuvad sel aastal Nokia Bell Labsi ülikoolilinnakus Murray Hillis New Jerseys ja arvutiajaloo muuseumis Mountain View's Californias.
AINULAADNE KIIB
Selle asemel, et järgida 8-bitiste kiipide tööstusstandardit, esitasid AT&T juhid Bell Labsi inseneridele väljakutse töötada välja revolutsiooniline toode: esimene kommertslik mikroprotsessor, mis suudab ühe taktsükli jooksul edastada 32 bitti andmeid. See nõudis lisaks uuele kiibile ka uut arhitektuuri – sellist, mis suudaks hakkama saada telekommunikatsiooni kommuteerimisega ja olla tulevaste arvutisüsteemide selgrooks.
„Me ei ehita lihtsalt kiiremat kiipi,“ ütles Michael Condry, kes juhib Bell Labsi Holmdeli (New Jersey osariik) rajatise arhitektuurigruppi. „Me püüame kujundada kiipi, mis toetab nii häält kui ka arvutusvõimsust.“
Sel ajal peeti CMOS-tehnoloogiat paljulubavaks, kuid riskantseks alternatiiviks NMOS- ja PMOS-disainidele. NMOS-kiibid tuginesid täielikult N-tüüpi transistoridele, mis olid kiired, kuid energianõudlikud, samas kui PMOS-kiibid tuginesid positiivselt laetud aukude liikumisele, mis oli liiga aeglane. CMOS kasutas hübriiddisaini, mis suurendas kiirust, säästes samal ajal energiat. CMOS-i eelised olid nii veenvad, et tööstusharu mõistis peagi, et isegi kui see nõuab kaks korda rohkem transistore (NMOS ja PMOS iga värava jaoks), on see seda väärt.
Moore'i seadusega kirjeldatud pooljuhttehnoloogia kiire arenguga muutus transistori tiheduse kahekordistamise hind hallatavaks ja lõpuks tühiseks. Kui Bell Labs aga selle riskantse hasartmängu ette võttis, oli CMOS-i suuremahulise tootmistehnoloogia veel tõestamata ja hind suhteliselt kõrge.
See ei hirmutanud Bell Labsi. Ettevõte kasutas ära oma Holmdeli, Murray Hilli ja Naperville'i (Illinois) ülikoolilinnakute teadmisi ning pani kokku pooljuhtide inseneride "unistuste meeskonna". Meeskonda kuulusid Condrey, Steve Conn, tõusev täht kiipide disainis, Victor Huang, teine mikroprotsessorite disainer, ja kümneid AT&T Bell Labsi töötajaid. Nad hakkasid uut CMOS-protsessi õppima 1978. aastal ja ehitasid nullist 32-bitise mikroprotsessori.
Alusta disainiarhitektuurist
Condrey oli endine IEEE liige ja hiljem Inteli tehnoloogiadirektor. Tema juhitud arhitektuurimeeskond oli pühendunud süsteemi loomisele, mis toetaks natiivselt Unixi operatsioonisüsteemi ja C-keelt. Sel ajal olid nii Unix kui ka C-keel alles lapsekingades, kuid olid määratud domineerima. Et murda üle tolleaegsest äärmiselt väärtuslikust kilobaitide (KB) mälupiirist, võtsid nad kasutusele keeruka käskude komplekti, mis nõudis vähem täitmissamme ja suutis ülesandeid ühe kellatsükli jooksul täita.
Insenerid konstrueerisid ka kiibid, mis toetavad VersaModule Eurocardi (VME) paralleelsiini, mis võimaldab hajutatud andmetöötlust ja lubab mitmel sõlmel andmeid paralleelselt töödelda. VME-ühilduvad kiibid võimaldavad neid kasutada ka reaalajas juhtimiseks.
Meeskond kirjutas oma Unixi versiooni ja andis sellele reaalajas võimalused, et tagada ühilduvus tööstusautomaatika ja sarnaste rakendustega. Bell Labsi insenerid leiutasid ka doominoloogika, mis suurendas töötlemiskiirust, vähendades viivitusi keerukates loogikaväravates.
Bellmac-32 mooduliga töötati välja ja võeti kasutusele täiendavaid testimis- ja verifitseerimistehnikaid. See oli Jen-Hsun Huangi juhitud keerukas mitmekiibiline verifitseerimis- ja testimisprojekt, mille käigus saavutati keerukate kiipide tootmisel null või peaaegu null defekti. See oli maailmas esimene kord väga suuremahuliste integraallülituste (VLSI) testimise vallas. Bell Labsi insenerid töötasid välja süstemaatilise plaani, kontrollisid korduvalt oma kolleegide tööd ja saavutasid lõpuks sujuva koostöö mitme kiibiperekonna vahel, mille tulemuseks oli täielik mikroarvutisüsteem.
Järgmisena tuleb kõige keerulisem osa: kiibi tegelik tootmine.
„Sel ajal olid küljendus-, testimis- ja suure saagikusega tootmistehnoloogiad väga napid,“ meenutab Kang, kellest sai hiljem Korea Täiustatud Teaduse ja Tehnoloogia Instituudi (KAIST) president ja IEEE liige. Ta märgib, et täieliku kiibi kontrollimiseks vajalike CAD-tööriistade puudumine sundis meeskonda välja printima ülisuuri Calcompi jooniseid. Need skeemid näitavad, kuidas transistorid, juhtmed ja ühendused tuleks kiibis paigutada, et saada soovitud väljund. Meeskond pani need põrandale teibiga kokku, moodustades hiiglasliku ruudu, mille külg oli üle 6 meetri. Kang ja tema kolleegid joonistasid iga vooluringi käsitsi värvipliiatsitega, otsides katkiseid ühendusi ja kattuvaid või valesti käsitsetud ühendusi.
Kui füüsiline disain oli valmis, seisis meeskond silmitsi järgmise väljakutsega: tootmisega. Kiibid toodeti Western Electrici tehases Allentownis Pennsylvanias, kuid Kang meenutab, et saagikuse määr (kiipide protsent, mis vastasid jõudlus- ja kvaliteedistandarditele) oli väga madal.
Selle probleemi lahendamiseks sõitsid Kang ja tema kolleegid iga päev New Jerseyst tehasesse, käärisid käised üles ja tegid kõik vajaliku, sealhulgas pühkisid põrandaid ja kalibreerisid katseseadmeid, et luua seltsimeeskonda ja veenda kõiki, et kõige keerulisemat toodet, mida tehas eales toota oli püüdnud, saab tõepoolest seal valmistada.
„Meeskonna kokkupaneku protsess sujus ladusalt,“ ütles Kang. „Mõne kuu pärast suutis Western Electric toota kvaliteetseid kiipe kogustes, mis ületasid nõudlust.“
Bellmac-32 esimene versioon ilmus 1980. aastal, kuid see ei vastanud ootustele. Selle jõudluse sihtsagedus oli vaid 2 MHz, mitte 4 MHz. Insenerid avastasid, et tolleaegsed tipptasemel Takeda Rikeni katseseadmed olid vigased, kuna sondi ja katsepea vahelised ülekandeliini efektid põhjustasid ebatäpseid mõõtmisi. Nad töötasid koos Takeda Rikeni meeskonnaga välja parandustabeli mõõtmisvigade parandamiseks.
Teise põlvkonna Bellmaci kiipide taktsagedus ületas 6,2 MHz, mõnikord ulatudes kuni 9 MHz-ni. Seda peeti tol ajal üsna kiireks. 16-bitisel Intel 8088 protsessoril, mille IBM oma esimeses personaalarvutis 1981. aastal välja andis, oli taktsagedus vaid 4,77 MHz.
Miks Bellmac-32 seda ei teinud't muutuda peavooluks
Vaatamata oma lubadustele ei leidnud Bellmac-32 tehnoloogia laialdast ärilist kasutuselevõttu. Condrey sõnul hakkas AT&T 1980. aastate lõpus seadmetootja NCR poole vaatama ja hiljem otsustas ettevõte omandada, mis tähendas, et ettevõte otsustas toetada erinevaid kiibitoodete sarju. Selleks ajaks oli Bellmac-32 mõjuvõim hakanud kasvama.
„Enne Bellmac-32 domineeris turgu NMOS,“ ütles Condry. „Kuid CMOS muutis maastikku, sest see osutus tõhusamaks viisiks selle rakendamiseks tehases.“
Aja jooksul kujundas see arusaam pooljuhtide tööstust ümber. CMOS-ist sai tänapäevaste mikroprotsessorite alus, mis andis hoogu digitaalsele revolutsioonile sellistes seadmetes nagu lauaarvutid ja nutitelefonid.
Bell Labsi julge eksperiment – kasutades testimata tootmisprotsessi ja hõlmates terve põlvkonna kiibiarhitektuuri – oli tehnoloogia ajaloos verstapost.
Nagu professor Kang ütleb: „Me olime esirinnas kõiges, mis võimalik oli. Me ei järginud lihtsalt olemasolevat rada, vaid sillutasime uut rada.“ Professor Huang, kellest sai hiljem Singapuri Mikroelektroonika Instituudi asedirektor ja kes on ka IEEE liige, lisab: „See hõlmas lisaks kiibi arhitektuurile ja disainile ka laiaulatuslikku kiibi verifitseerimist – kasutades CAD-i, kuid ilma tänapäevaste digitaalsete simulatsioonitööriistade või isegi makettideta (standardne viis elektroonilise süsteemi vooluringi konstruktsiooni kontrollimiseks kiipide abil enne, kui vooluringi komponendid on jäädavalt ühendatud).“
Condry, Kang ja Huang meenutavad seda aega hellalt ning väljendavad imetlust paljude AT&T töötajate oskuste ja pühendumuse eest, kelle pingutused tegid Bellmac-32 kiibiperekonna loomise võimalikuks.
Postituse aeg: 19. mai 2025