В конце 1970-х, когда 8-битные процессоры были последним словом техники, а КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, базовая технология для построения большинства современных микросхем) — аутсайдером в полупроводниковых технологиях, инженеры из Bell Labs компании AT&T совершили смелый прыжок в будущее.
Они сделали рискованную ставку, чтобы опередить IBM, Intel и других конкурентов в производительности чипов, объединив передовое 3,5-микронное производство на основе КМОП с новаторской 32-битной архитектурой процессора. А чип Bellmac-32 от Bell Labs проложил путь для современных процессоров в смартфонах.
Хотя их творение — микропроцессор Bellmac-32 — так и не снискало коммерческой славы своих предшественников, как Intel 4004 (выпущенный в 1971 году), его влияние оказалось гораздо более долговечным.
Практически каждый чип в современных смартфонах, ноутбуках и планшетах основан на принципах комплементарного металл-оксид-полупроводника, которые впервые были применены в Bellmac-32.
Учитывая, что компьютерные компании уже прочно закрепились на рынке, AT&T не могла позволить себе играть в догонялки; её стратегия заключалась в том, чтобы совершить рывок вперёд, и Bellmac-32 стал для этого трамплином.
Серия чипов Bellmac-32 теперь удостоена награды IEEE Milestone (награда Института инженеров электротехники и электроники, отмечающая выдающиеся технические достижения мирового значения).
Читайте: Вычислительные Машины Чарльза Бэббиджа – Предтечи Компьютеров
Чип, непохожий на другие
Вместо того чтобы следовать отраслевому стандарту 8-битных чипов, руководство AT&T поставило перед инженерами Bell Labs революционную задачу: создать первый коммерчески жизнеспособный микропроцессор, способный обрабатывать 32 бита за один такт.
Это требовало не просто нового чипа, но и совершенно новой архитектуры, которая могла бы справляться с коммутацией в телекоммуникациях и служить основой для будущих компьютерных систем.
«Мы не просто создавали более быстрый чип, — говорит Майкл Кондри, возглавлявший команду архитекторов в отделении Bell Labs в Холмделе, штат Нью-Джерси. — Мы пытались спроектировать нечто, что могло бы перенести в будущее и голосовую связь, и вычисления».
В то время технология КМОП считалась многообещающей, но рискованной альтернативой использовавшимся тогда технологиям n-МОП и p-МОП. Чипы n-МОП, основанные только на транзисторах n-типа, были быстрыми, но энергозатратными. Чипы p-МОП, работа которых зависела от движения положительно заряженных «дырок», были слишком медленными.
КМОП, с её гибридной конструкцией, предлагала потенциал как скорости, так и энергосбережения. Преимущества были настолько убедительны, что индустрия вскоре осознала: необходимость в удвоенном количестве транзисторов (n-МОП и p-МОП для каждого логического элемента) стоила того.
По мере уменьшения размеров транзисторов в соответствии с быстрым развитием полупроводниковых технологий, описываемым законом Мура, стоимость удвоения плотности транзисторов вскоре стала приемлемой и в итоге незначительной.
Когда Bell Labs пошла на свой рискованный шаг, крупномасштабное производство КМОП ещё не было проверенным и казалось сравнительно дорогим.
Это не остановило Bell Labs. Привлекая экспертов из своих кампусов в Холмделе и Мюррей-Хилл, а также в Нейпервилле, штат Иллинойс, компания собрала команду из инженеров-полупроводников.
Проектирование архитектуры
Группа архитекторов сосредоточилась на создании системы, которая нативно поддерживала операционную систему Unix и язык программирования C.
Оба находились в зачаточном состоянии, но им было суждено доминировать. Чтобы справиться с ограничениями памяти той эпохи — килобайты были на вес золота — они ввели сложный набор инструкций, который требовал меньше шагов для выполнения и мог исполняться за один такт.
Инженеры также обеспечили поддержку чипом параллельной шины VersaModule Eurocard (VME – популярный в те годы стандарт шины для промышленных и встраиваемых систем), что позволяло создавать распределённые вычисления, где несколько узлов могли обрабатывать данные параллельно.
Поддержка VME также позволила использовать чип для управления в реальном времени.
Группа написала собственную версию Unix с возможностями реального времени, чтобы убедиться, что новая архитектура чипа совместима с промышленной автоматизацией и подобными приложениями.
Инженеры Bell Labs также изобрели домино-логику (схемотехнический приём, который ускорял обработку из-за уменьшения задержек в сложных логических элементах), что значительно увеличило скорость вычислений.
Были разработаны и внедрены дополнительные методы тестирования и верификации через модуль Bellmac-32 — сложный проект по проверке и тестированию многочипового набора, который позволил производить сложные чипы с нулевым или почти нулевым количеством ошибок.
Это был первый в своём роде подход в тестировании СБИС (сверхбольших интегральных схем). Систематический план инженеров Bell Labs по двойной и тройной проверке работы своих коллег в итоге обеспечил безупречную совместную работу всего семейства чипсетов как единой микрокомпьютерной системы.
Затем наступила самая сложная часть: непосредственное создание чипа.
Планы на полу и цветные карандаши
«Технологий для компоновки, тестирования и производства с высоким процентом выхода годных изделий просто не существовало», — вспоминает Канг, пожизненный член IEEE, который позже стал президентом Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) в Тэджоне, Южная Корея.
По словам Канга, из-за отсутствия инструментов САПР (систем автоматизированного проектирования) для верификации всего чипа, команда прибегла к распечатке огромных чертежей на плоттерах Calcomp.
Схемы показывали, как транзисторы, проводники и межсоединения должны быть расположены внутри чипа для получения желаемых результатов. Команда собирала их на полу с помощью клейкой ленты, создавая гигантскую квадратную карту размером более 6 м по стороне.
Канг и его коллеги отслеживали каждую цепь вручную цветными карандашами, выискивая разрывы, наложения или неправильные соединения.
Путь на производство
Как только физический дизайн был утверждён, команда столкнулась с ещё одним препятствием: производством.
Чипы изготавливались на заводе Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания, но Канг вспоминает, что процент выхода годных изделий (доля чипов на кремниевой пластине, соответствующих стандартам производительности и качества) был удручающе низким.
Чтобы решить эту проблему, Канг и его коллеги каждый день ездили из Нью-Джерси на завод и делали всё возможное, включая подметание полов и калибровку тестового оборудования, чтобы укрепить товарищеский дух и вселить уверенность в то, что самый сложный продукт, который когда-либо пытались произвести рабочие завода, действительно может быть изготовлен здесь.
«Мы не просто создавали более быстрый чип. Мы пытались спроектировать нечто, что могло бы перенести в будущее и голосовую связь, и вычисления» — Майкл Кондри, руководитель группы архитекторов Bellmac-32. «Через несколько месяцев Western Electric смогла произвести больше необходимого количества годных чипов».
Первая версия Bellmac-32, готовая к 1980 году, не оправдала ожиданий. Вместо целевого показателя производительности в 4 МГц она работала всего на 2 МГц.
Инженеры обнаружили, что используемое ими передовое тестовое оборудование Takeda Riken было неисправно: эффекты длинной линии между щупом и тестовой головкой приводили к неточным измерениям. Поэтому они совместно с командой Takeda Riken разработали поправочные таблицы, которые исправили ошибки измерений.
Второе поколение чипов Bellmac имело тактовую частоту, превышавшую 6,2 МГц, а иногда достигавшую 9 МГц. Это была головокружительная скорость для того времени. 16-битный процессор Intel 8088 в оригинальном ПК от IBM, выпущенном в 1981 году, работал на частоте 4,77 МГц.
Почему Bellmac-32 не стал массовым
Несмотря на свой технический потенциал, Bellmac-32 не нашёл широкого коммерческого применения.
По словам Кондри, разворот AT&T в сторону приобретения производителя оборудования NCR, к которому она начала присматриваться в конце 1980-х, означал, что компания решила поддержать другую линейку чипов. Но к тому времени наследие Bellmac-32 уже начало расти.
«До Bellmac-32 доминировала технология n-МОП, — говорит Кондри. — Но КМОП изменил рынок, потому что было доказано, что это более эффективная реализация на производстве».
Со временем это осознание изменило ландшафт полупроводниковой индустрии. КМОП стала основой для современных микропроцессоров, дав толчок цифровой революции в настольных компьютерах, смартфонах и многом другом.
Дерзость Bell Labs — взять непроверенный производственный процесс и перепрыгнуть через целое поколение архитектуры чипов — остаётся знаковым моментом в истории технологий и сегодня.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU
