L'arribada d'aquest xip va canviar el curs del desenvolupament dels xips!
A finals dels anys setanta, els processadors de 8 bits encara eren la tecnologia més avançada de l'època, i els processos CMOS estaven en desavantatge en el camp dels semiconductors. Els enginyers d'AT&T Bell Labs van fer un pas agosarat cap al futur, combinant processos de fabricació CMOS de 3,5 micres d'avantguarda amb arquitectures de processadors innovadores de 32 bits en un esforç per superar els competidors en rendiment de xips, superant IBM i Intel.
Tot i que la seva invenció, el microprocessador Bellmac-32, no va aconseguir l'èxit comercial de productes anteriors com l'Intel 4004 (llançat el 1971), la seva influència va ser profunda. Avui dia, els xips de gairebé tots els telèfons intel·ligents, ordinadors portàtils i tauletes es basen en els principis complementaris dels semiconductors d'òxid metàl·lic (CMOS) iniciats pel Bellmac-32.
S'acostaven els anys vuitanta i AT&T intentava transformar-se. Durant dècades, el gegant de les telecomunicacions anomenat "Mother Bell" havia dominat el negoci de les comunicacions de veu als Estats Units, i la seva filial Western Electric produïa gairebé tots els telèfons habituals a les llars i oficines americanes. El govern federal dels Estats Units va instar a la dissolució del negoci d'AT&T per motius antimonopoli, però AT&T va veure una oportunitat per entrar al camp de la informàtica.
Amb les empreses informàtiques ja ben establertes al mercat, AT&T va tenir dificultats per posar-se al dia; la seva estratègia era avançar, i el Bellmac-32 va ser el seu trampolí.
La família de xips Bellmac-32 ha estat guardonada amb un premi IEEE Milestone. Les cerimònies de presentació tindran lloc aquest any al campus de Nokia Bell Labs a Murray Hill, Nova Jersey, i al Museu d'Història de la Computació a Mountain View, Califòrnia.
XIP ÚNIC
En lloc de seguir l'estàndard industrial dels xips de 8 bits, els executius d'AT&T van desafiar els enginyers de Bell Labs a desenvolupar un producte revolucionari: el primer microprocessador comercial capaç de transferir 32 bits de dades en un sol cicle de rellotge. Això requeria no només un nou xip, sinó també una nova arquitectura, que pogués gestionar la commutació de telecomunicacions i servir com a columna vertebral dels futurs sistemes informàtics.
"No només estem construint un xip més ràpid", va dir Michael Condry, que dirigeix el grup d'arquitectura a les instal·lacions de Bell Labs a Holmdel, Nova Jersey. "Estem intentant dissenyar un xip que pugui admetre tant veu com computació".
En aquell moment, la tecnologia CMOS es considerava una alternativa prometedora però arriscada als dissenys NMOS i PMOS. Els xips NMOS es basaven completament en transistors de tipus N, que eren ràpids però consumien molta energia, mentre que els xips PMOS es basaven en el moviment de forats carregats positivament, que era massa lent. El CMOS utilitzava un disseny híbrid que augmentava la velocitat alhora que estalviava energia. Els avantatges del CMOS eren tan convincents que la indústria aviat es va adonar que, fins i tot si requeria el doble de transistors (NMOS i PMOS per a cada porta), valia la pena.
Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia dels semiconductors descrit per la llei de Moore, el cost de duplicar la densitat dels transistors es va tornar assumible i finalment insignificant. Tanmateix, quan Bell Labs es va embarcar en aquesta aposta d'alt risc, la tecnologia de fabricació de CMOS a gran escala no estava provada i el cost era relativament alt.
Això no va espantar Bell Labs. L'empresa va aprofitar l'experiència dels seus campus a Holmdel, Murray Hill i Naperville, Illinois, i va reunir un "equip de somni" d'enginyers de semiconductors. L'equip incloïa Condrey, Steve Conn, una estrella emergent en el disseny de xips, Victor Huang, un altre dissenyador de microprocessadors, i desenes d'empleats d'AT&T Bell Labs. Van començar a dominar un nou procés CMOS el 1978 i van construir un microprocessador de 32 bits des de zero.
Comença amb l'arquitectura del disseny
Condrey va ser membre de l'IEEE i més tard va exercir com a director de tecnologia d'Intel. L'equip d'arquitectura que liderava estava compromès a construir un sistema que admetés de forma nativa el sistema operatiu Unix i el llenguatge C. En aquell moment, tant Unix com el llenguatge C encara estaven en la seva infància, però estaven destinats a dominar. Per tal de superar el límit de memòria extremadament valuós dels kilobytes (KB) d'aquella època, van introduir un conjunt d'instruccions complex que requeria menys passos d'execució i podia completar tasques en un cicle de rellotge.
Els enginyers també van dissenyar xips compatibles amb el bus paral·lel VersaModule Eurocard (VME), que permet la computació distribuïda i permet que diversos nodes processin dades en paral·lel. Els xips compatibles amb VME també permeten que es puguin utilitzar per al control en temps real.
L'equip va escriure la seva pròpia versió d'Unix i li va donar capacitats en temps real per garantir la compatibilitat amb l'automatització industrial i aplicacions similars. Els enginyers de Bell Labs també van inventar la lògica dòmino, que va augmentar la velocitat de processament reduint els retards en portes lògiques complexes.
Es van desenvolupar i introduir tècniques addicionals de prova i verificació amb el mòdul Bellmac-32, un projecte complex de verificació i prova de diversos xips liderat per Jen-Hsun Huang que va aconseguir zero o gairebé zero defectes en la fabricació de xips complexos. Aquesta va ser la primera vegada en el món de les proves de circuits integrats a molt gran escala (VLSI). Els enginyers de Bell Labs van desenvolupar un pla sistemàtic, van comprovar repetidament el treball dels seus col·legues i, finalment, van aconseguir una col·laboració perfecta entre múltiples famílies de xips, culminant en un sistema microinformàtic complet.
A continuació ve la part més difícil: la fabricació real del xip.
«En aquell moment, les tecnologies de disseny, prova i fabricació d'alt rendiment eren molt escasses», recorda Kang, que més tard va esdevenir president del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) i membre de l'IEEE. Assenyala que la manca d'eines CAD per a la verificació completa del xip va obligar l'equip a imprimir dibuixos Calcomp de grans dimensions. Aquests esquemes mostren com s'han de disposar els transistors, els cables i les interconnexions dins d'un xip per donar la sortida desitjada. L'equip els va muntar a terra amb cinta adhesiva, formant un dibuix quadrat gegant de més de 6 metres de costat. Kang i els seus col·legues van dibuixar cada circuit a mà amb llapis de colors, buscant connexions trencades i interconnexions superposades o mal manejades.
Un cop finalitzat el disseny físic, l'equip es va enfrontar a un altre repte: la fabricació. Els xips es van produir a la planta de Western Electric a Allentown, Pennsilvània, però Kang recorda que la taxa de rendiment (el percentatge de xips a la làmina que complien els estàndards de rendiment i qualitat) era molt baixa.
Per solucionar això, Kang i els seus col·legues anaven cada dia a la planta des de Nova Jersey, es posaven mans a la mà i feien tot el que calia, com ara escombrar els terres i calibrar els equips de prova, per crear companyonia i convèncer tothom que el producte més complex que la planta havia intentat mai produir es podia fabricar allà.
«El procés de creació d'equip va anar bé», va dir Kang. «Després d'uns mesos, Western Electric va poder produir xips d'alta qualitat en quantitats que superaven la demanda».
La primera versió del Bellmac-32 es va llançar el 1980, però no va complir les expectatives. La seva freqüència objectiu de rendiment era només de 2 MHz, no de 4 MHz. Els enginyers van descobrir que l'equip de prova Takeda Riken d'última generació que utilitzaven en aquell moment era defectuós, amb efectes de línia de transmissió entre la sonda i el capçal de prova que provocaven mesures inexactes. Van treballar amb l'equip de Takeda Riken per desenvolupar una taula de correcció per corregir els errors de mesura.
Els xips Bellmac de segona generació tenien velocitats de rellotge superiors a 6,2 MHz, de vegades fins a 9 MHz. Això es considerava força ràpid en aquell moment. El processador Intel 8088 de 16 bits que IBM va llançar al seu primer PC el 1981 tenia una velocitat de rellotge de només 4,77 MHz.
Per què Bellmac-32 no ho va fer'convertir-se en mainstream
Malgrat la seva promesa, la tecnologia Bellmac-32 no va aconseguir una adopció comercial generalitzada. Segons Condrey, AT&T va començar a buscar el fabricant d'equips NCR a finals dels anys vuitanta i més tard va recórrer a adquisicions, cosa que va significar que l'empresa va optar per donar suport a diferents línies de productes de xips. Aleshores, la influència de Bellmac-32 havia començat a créixer.
«Abans del Bellmac-32, els NMOS dominaven el mercat», va dir Condry. «Però els CMOS van canviar el panorama perquè van demostrar ser una manera més eficient d'implementar-los a la fàbrica».
Amb el temps, aquesta constatació va remodelar la indústria dels semiconductors. El CMOS es convertiria en la base dels microprocessadors moderns, impulsant la revolució digital en dispositius com els ordinadors d'escriptori i els telèfons intel·ligents.
L'atrevit experiment de Bell Labs, que utilitzava un procés de fabricació no provat i abastava tota una generació d'arquitectura de xips, va ser una fita en la història de la tecnologia.
Com diu el professor Kang: «Érem a l'avantguarda del que era possible. No només seguíem un camí existent, sinó que obríem un nou camí». El professor Huang, que més tard es va convertir en subdirector de l'Institut de Microelectrònica de Singapur i també és membre de l'IEEE, afegeix: «Això incloïa no només l'arquitectura i el disseny de xips, sinó també la verificació de xips a gran escala, mitjançant CAD però sense les eines de simulació digital actuals o fins i tot les plaques de proves (una manera estàndard de comprovar el disseny de circuits d'un sistema electrònic mitjançant xips abans que els components del circuit estiguin connectats permanentment)».
Condry, Kang i Huang recorden aquella època amb afecte i expressen admiració per l'habilitat i la dedicació dels molts empleats d'AT&T, els esforços dels quals van fer possible la família de xips Bellmac-32.
Data de publicació: 19 de maig de 2025