Tämän sirun saapuminen muutti sirujen kehityksen suunnan!
1970-luvun lopulla 8-bittiset prosessorit olivat tuolloin vielä edistyneintä teknologiaa, ja CMOS-prosessit olivat puolijohdealalla epäedullisessa asemassa. AT&T Bell Labsin insinöörit ottivat rohkean askeleen tulevaisuuteen yhdistämällä huippuluokan 3,5 mikronin CMOS-valmistusprosessit innovatiivisiin 32-bittisiin prosessoriarkkitehtuureihin pyrkiessään päihittämään kilpailijansa sirujen suorituskyvyssä ja ohittamaan IBM:n ja Intelin.
Vaikka heidän keksintönsä, Bellmac-32-mikroprosessori, ei saavuttanut aikaisempien tuotteiden, kuten Intel 4004:n (julkaistu vuonna 1971), kaupallista menestystä, sen vaikutus oli syvällinen. Nykyään lähes kaikkien älypuhelimien, kannettavien tietokoneiden ja tablettien sirut perustuvat Bellmac-32:n uraauurtamaan CMOS-periaatteeseen (komplementaarinen metallioksidipuolijohde).
1980-luku lähestyi, ja AT&T yritti uudistaa itseään. Vuosikymmenten ajan "Äitikello" -lempinimellä tunnettu televiestintäjätti oli hallinnut Yhdysvaltojen puheviestintäalaa, ja sen tytäryhtiö Western Electric valmisti lähes kaikkia yleisiä puhelimia amerikkalaisissa kodeissa ja toimistoissa. Yhdysvaltain liittovaltio vaati AT&T:n liiketoiminnan jakamista kilpailulain nojalla, mutta AT&T näki tilaisuuden tulla tietotekniikka-alalle.
Koska tietokoneyritykset olivat jo vakiinnuttaneet asemansa markkinoilla, AT&T:n oli vaikea kuroa umpeen eroa; sen strategiana oli hypätä ohi, ja Bellmac-32 toimi sen ponnahduslautana.
Bellmac-32-siruperhe on saanut IEEE Milestone -palkinnon. Palkinnon julkistamistilaisuudet pidetään tänä vuonna Nokia Bell Labsin kampuksella Murray Hillissä, New Jerseyssä, ja Computer History Museumissa Mountain View'ssa, Kaliforniassa.
AINUTLAATUINEN SIRU
Sen sijaan, että AT&T:n johtajat olisivat noudattaneet alan standardia 8-bittisistä siruista, he haastoivat Bell Labsin insinöörit kehittämään vallankumouksellisen tuotteen: ensimmäisen kaupallisen mikroprosessorin, joka kykenee siirtämään 32 bittiä dataa yhdessä kellojaksossa. Tämä vaati paitsi uuden sirun myös uuden arkkitehtuurin – sellaisen, joka pystyisi käsittelemään tietoliikenteen kytkennän ja toimimaan tulevien tietokonejärjestelmien selkärankana.
"Emme rakenna vain nopeampaa sirua", sanoi Michael Condry, joka johtaa Bell Labsin Holmdelin, New Jerseyn, laitoksen arkkitehtuuriryhmää. "Yritämme suunnitella sirun, joka tukee sekä ääntä että laskentaa."
Tuolloin CMOS-teknologiaa pidettiin lupaavana, mutta riskialttiina vaihtoehtona NMOS- ja PMOS-malleille. NMOS-sirut perustuivat kokonaan N-tyypin transistoreihin, jotka olivat nopeita mutta paljon virtaa kuluttavia, kun taas PMOS-sirut perustuivat positiivisesti varautuneiden reikien liikkeeseen, mikä oli liian hidasta. CMOS käytti hybridirakennetta, joka lisäsi nopeutta ja säästi samalla virtaa. CMOSin edut olivat niin vakuuttavia, että teollisuus ymmärsi pian, että vaikka se vaatisi kaksi kertaa enemmän transistoreita (NMOS ja PMOS kutakin porttia kohden), se oli hintansa arvoista.
Mooren lain kuvaaman puolijohdeteknologian nopean kehityksen myötä transistoritiheyden kaksinkertaistamisen kustannukset tulivat hallittaviksi ja lopulta merkityksettömiksi. Kun Bell Labs ryhtyi tähän riskialttiiseen uhkapeliin, CMOS-piirien laajamittainen valmistustekniikka oli kuitenkin kokeilematonta ja kustannukset suhteellisen korkeat.
Tämä ei pelottanut Bell Labsia. Yritys hyödynsi Holmdelin, Murray Hillin ja Napervillen, Illinoisin, kampustensa asiantuntemusta ja kokosi puolijohdeinsinöörien "unelmatiimin". Tiimiin kuuluivat Condrey, nouseva tähti sirusuunnittelussa Steve Conn, toinen mikroprosessorisuunnittelija Victor Huang ja kymmeniä AT&T Bell Labsin työntekijöitä. He alkoivat hallita uutta CMOS-prosessia vuonna 1978 ja rakentaa 32-bittistä mikroprosessoria tyhjästä.
Aloita suunnitteluarkkitehtuurista
Condrey oli entinen IEEE-stipendiaatti ja toimi myöhemmin Intelin teknologiajohtajana. Hänen johtamansa arkkitehtuuritiimi oli sitoutunut rakentamaan järjestelmän, joka tukisi natiivisti Unix-käyttöjärjestelmää ja C-kieltä. Tuolloin sekä Unix että C-kieli olivat vielä lapsenkengissään, mutta niiden oli tarkoitus hallita. Murtaakseen tuolloin erittäin arvokkaan kilotavujen (KB) muistirajan he ottivat käyttöön monimutkaisen käskykannan, joka vaati vähemmän suoritusvaiheita ja kykeni suorittamaan tehtäviä yhden kellojakson aikana.
Insinöörit suunnittelivat myös siruja, jotka tukevat VersaModule Eurocard (VME) -rinnakkaisväylää, joka mahdollistaa hajautetun laskennan ja sallii useiden solmujen käsitellä dataa rinnakkain. VME-yhteensopivat sirut mahdollistavat myös niiden käytön reaaliaikaiseen ohjaukseen.
Tiimi kirjoitti oman Unix-versionsa ja antoi sille reaaliaikaiset ominaisuudet varmistaakseen yhteensopivuuden teollisuusautomaation ja vastaavien sovellusten kanssa. Bell Labsin insinöörit keksivät myös domino-logiikan, joka lisäsi prosessointinopeutta vähentämällä viiveitä monimutkaisissa logiikkaporteissa.
Bellmac-32-moduulin myötä kehitettiin ja otettiin käyttöön lisää testaus- ja varmennustekniikoita. Kyseessä oli Jen-Hsun Huangin johtama monimutkainen usean sirun varmennus- ja testausprojekti, jossa saavutettiin nolla tai lähes nolla virhettä monimutkaisten sirujen valmistuksessa. Tämä oli ensimmäinen laatuaan maailmassa erittäin laajamittaisten integroitujen piirien (VLSI) testaus. Bell Labsin insinöörit kehittivät systemaattisen suunnitelman, tarkistivat toistuvasti kollegoidensa työtä ja saavuttivat lopulta saumattoman yhteistyön useiden siruperheiden välillä, mikä huipentui täydelliseen mikrotietokonejärjestelmään.
Seuraavaksi tulee haastavin osa: sirun varsinainen valmistus.
”Siihen aikaan asettelu-, testaus- ja suuritehoiset valmistusteknologiat olivat hyvin niukkoja”, muistelee Kang, josta myöhemmin tuli Korea Advanced Institute of Science and Technologyn (KAIST) presidentti ja IEEE:n jäsen. Hän huomauttaa, että CAD-työkalujen puute koko sirun verifiointiin pakotti tiimin tulostamaan ylisuuria Calcomp-piirustuksia. Nämä kaaviot osoittavat, miten transistorit, johdot ja liitokset tulisi järjestää sirun sisällä halutun tulosteen saavuttamiseksi. Tiimi kokosi ne lattialle teipillä muodostaen jättimäisen neliön, jonka sivu oli yli kuusi metriä pitkä. Kang ja hänen kollegansa piirsivät jokaisen piirin käsin värikynillä etsien rikkoutuneita liitäntöjä ja päällekkäisiä tai väärin käsiteltyjä liitoksia.
Kun fyysinen suunnittelu oli valmis, tiimi kohtasi uuden haasteen: valmistuksen. Sirut valmistettiin Western Electricin tehtaalla Allentownissa, Pennsylvaniassa, mutta Kang muistelee, että saantoprosentti (suorituskyky- ja laatustandardit täyttävien sirujen prosenttiosuus kiekossa) oli erittäin alhainen.
Tämän ratkaisemiseksi Kang ja hänen kollegansa ajoivat tehtaalle New Jerseystä joka päivä, käärivät hihansa ja tekivät kaiken tarvittavan, mukaan lukien lattioiden lakaisemisen ja testilaitteiden kalibroinnin, rakentaakseen toveruutta ja vakuuttaakseen kaikki siitä, että tehtaan koskaan yrittämä monimutkaisin tuote voitaisiin todellakin valmistaa siellä.
”Tiiminrakennusprosessi sujui ongelmitta”, Kang sanoi. ”Muutaman kuukauden kuluttua Western Electric pystyi tuottamaan korkealaatuisia siruja määriä, jotka ylittivät kysynnän.”
Bellmac-32:n ensimmäinen versio julkaistiin vuonna 1980, mutta se ei vastannut odotuksia. Sen suorituskykytavoitetaajuus oli vain 2 MHz, ei 4 MHz. Insinöörit havaitsivat, että heidän tuolloin käyttämänsä huippuluokan Takeda Riken -testauslaitteisto oli viallinen, ja anturin ja testipään väliset siirtolinjan vaikutukset aiheuttivat epätarkkoja mittauksia. He työskentelivät Takeda Riken -tiimin kanssa kehittääkseen korjaustaulukon mittausvirheiden korjaamiseksi.
Toisen sukupolven Bellmac-sirujen kellotaajuudet ylittivät 6,2 MHz, joskus jopa 9 MHz. Tätä pidettiin tuolloin melko nopeana. IBM:n ensimmäisessä PC:ssä vuonna 1981 julkaiseman 16-bittisen Intel 8088 -prosessorin kellotaajuus oli vain 4,77 MHz.
Miksi Bellmac-32 ei't tule valtavirtaan
Lupauksistaan huolimatta Bellmac-32-teknologia ei saavuttanut laajaa kaupallista käyttöönottoa. Condreyn mukaan AT&T alkoi tarkastella laitevalmistaja NCR:ää 1980-luvun lopulla ja siirtyi myöhemmin yritysostoihin, mikä tarkoitti, että yhtiö päätti tukea eri sirutuotelinjoja. Siihen mennessä Bellmac-32:n vaikutusvalta oli alkanut kasvaa.
”Ennen Bellmac-32:ta NMOS hallitsi markkinoita”, Condry sanoi. ”Mutta CMOS muutti tilannetta, koska se osoittautui tehokkaammaksi tavaksi toteuttaa se tehtaalla.”
Ajan myötä tämä oivallus muokkasi puolijohdeteollisuutta. CMOSista tuli nykyaikaisten mikroprosessorien perusta, joka vauhditti digitaalista vallankumousta laitteissa, kuten pöytätietokoneissa ja älypuhelimissa.
Bell Labsin rohkea kokeilu – jossa käytettiin testaamatonta valmistusprosessia ja joka kattoi kokonaisen sukupolven siruarkkitehtuureja – oli virstanpylväs teknologian historiassa.
Kuten professori Kang asian ilmaisee: ”Olimme eturintamassa siinä, mikä oli mahdollista. Emme vain seuranneet olemassa olevaa polkua, vaan raivasimme uutta polkua.” Professori Huang, josta myöhemmin tuli Singaporen mikroelektroniikan instituutin varajohtaja ja joka on myös IEEE-stipendiaatti, lisää: ”Tämä sisälsi paitsi siruarkkitehtuurin ja -suunnittelun, myös laajamittaisen sirujen verifioinnin – käyttäen CAD-ohjelmia, mutta ilman nykyisiä digitaalisia simulointityökaluja tai edes koekytkentälevyjä (vakiotapa tarkistaa elektronisen järjestelmän piirisuunnittelu sirujen avulla ennen kuin piirikomponentit on kytketty pysyvästi yhteen).”
Condry, Kang ja Huang muistelevat tuota aikaa lämmöllä ja ilmaisevat ihailunsa niiden monien AT&T:n työntekijöiden taitoa ja omistautumista kohtaan, joiden ponnistelut mahdollistivat Bellmac-32-siruperheen.
Julkaisun aika: 19. toukokuuta 2025