رقاقة CMOS من Bell Labs غيرت تصميم المعالجات الدقيقة

في أواخر سبعينيات القرن العشرين ، وهو الوقت الذي كانت فيه المعالجات 8 بت على أحدث حالاتها وكانت CMOS هي المستضعف لتكنولوجيا أشباه الموصلات ، قام المهندسون في AT&T’s Bell Labs بقفزة جريئة في المستقبل. لقد جعلوا رهانًا عالية المخاطر على Outpace IBM و Intel والمنافسين الآخرون في أداء الرقائق من خلال الجمع بين تصنيع CMOS المتطورة 3.5 ميكرون مع بنية معالج 32 بت جديدة.

على الرغم من أن إبداعهم-المعالج الدقيق Bellmac-32-لم يحقق أبدًا الشهرة التجارية للأشكال السابقة مثل Intel’s 4004 (التي تم إصدارها في عام 1971) ، فقد أثبت تأثيرها أكثر دائمة. تقريبًا ، تعتمد كل شريحة في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية اليوم على مبادئ أشباه الموصلات المعدنية المكملة التي كان Bellmac-32 رائدة.

مع اقتراب الثمانينات من القرن الماضي ، كانت AT&T تتصارع مع التحول. لعقود من الزمان ، سيطرت شركة الاتصالات العملاقة على الاتصالات – “Ma Bell” – على الاتصالات الصوتية الأمريكية ، من خلال تصنيعها الفرعية لشركة Western Electric كل هاتف موجود تقريبًا في المنازل والمكاتب الأمريكية. كانت الحكومة الفيدرالية الأمريكية تضغط من أجل تجريد مكافحة الاحتكار ، ولكن تم منح AT&T فرصة للتوسع في الحوسبة.

مع شركات الحوسبة الراسخة بالفعل في السوق ، لم تتمكن AT&T من لعب اللحاق بالركب ؛ كانت استراتيجيتها هي القفز إلى الأمام ، وكانت Bellmac-32 نقطة انطلاق.

تم الآن تكريم سلسلة Chip Bellmac-32 مع معلم IEEE. من المقرر عقد مراسم التفاني هذا العام في حرم نوكيا بيل لابز في موراي هيل ، نيوجيرسي ، وفي متحف تاريخ الكمبيوتر في ماونتن فيو ، كاليفورنيا.

شريحة لا مثيل لها

بدلاً من محاكاة مستوى الصناعة للرقائق 8 بت ، تحدى المديرين التنفيذيون AT&T مهندسي Bell Labs الخاص بهم لتقديم شيء ثوري: أول معالج صغير قابل للحياة من الناحية التجارية قادر على نقل 32 بت في دورة ساعة واحدة. لن يتطلب الأمر مجرد شريحة جديدة ولكن أيضًا بنية جديدة تمامًا – واحدة يمكنها التعامل مع تبديل الاتصالات وتكون بمثابة العمود الفقري لأنظمة الحوسبة المستقبلية.

يقول مايكل كوندري ، الذي قاد فريق الهندسة المعمارية في منشأة Holmdel في Bell Labs في نيو جيرسي: “لم نكن فقط نبني رقاقة أسرع”. “كنا نحاول تصميم شيء يمكن أن يحمل كل من الصوت والحساب في المستقبل.”

كان لهذا التكوين للمعالج الدقيق BellMAC-32 وحدة إدارة ذاكرة متكاملة محسّنة لأنظمة التشغيل التي تشبه UNIX.مركز AT&T ومركز التاريخ

في ذلك الوقت ، كان يُنظر إلى تقنية CMOS على أنها واعدة – ولكنها محفوفة بالمخاطر – تعبئة تصاميم NMOS و PMOS ثم قيد الاستخدام. كانت رقائق NMOS ، التي اعتمدت فقط على الترانزستورات من النوع N ، سريعة ولكنها متعطشة للطاقة. كانت رقائق PMOS ، التي تعتمد على حركة الثقوب المشحونة بشكل إيجابي ، بطيئة للغاية. قدمت CMOS ، بتصميمها المختلط ، إمكانية توفير السرعة والطاقة. كانت الفوائد مقنعة لدرجة أن الصناعة سرعان ما رأت أن الحاجة إلى ضعف عدد الترانزستورات (NMOs و PMOs لكل بوابة) تستحق المقايضة.

مع تقلص أحجام الترانزستور مع التقدم السريع لتكنولوجيا أشباه الموصلات التي وصفها قانون مور ، سرعان ما أصبحت تكلفة مضاعفة كثافة الترانزستور قابلة للإدارة وأصبحت في النهاية ضئيلة. ولكن عندما أخذت Bell Labs مقامرة عالية المخاطر ، كان تصنيع CMOS على نطاق واسع لا يزال غير مثبت ويبدو أنه مكلف نسبيًا.

هذا لم يردع مختبرات الجرس. من خلال الاستفادة من الخبرة من حرمها في هولمديل وموراي هيل وكذلك في نابرفيل ، إلينوي ، جمعت الشركة فريق أحلام من مهندسي أشباه الموصلات. شمل الفريق كوندري. Sung-Mo “Steve” Kang ، نجم صاعد في تصميم الرقائق ؛ فيكتور هوانغ ، مصمم رقاقة معالج آخر ، وعشرات من موظفي AT&T Bell Labs. لقد انطلقوا في عام 1978 لإتقان عملية CMOs جديدة وإنشاء معالج صغير 32 بت من الصفر.

تصميم العمارة

ركزت مجموعة الهندسة المعمارية بقيادة Condry ، وهي زميل Life IEEE الذي سيصبح فيما بعد CTO’s CTO ، على بناء نظام من شأنه دعم نظام التشغيل UNIX ولغة البرمجة C. كلاهما كانا في مهدتهما ولكنه مقدر للهيمنة. للتعامل مع قيود ذاكرة العصر – كانت الكيلوبايتات ثمينة – قدمت مجموعة تعليمية معقدة تتطلب خطوات أقل لتنفيذها ويمكن تنفيذها في دورة ساعة واحدة.

قام المهندسون أيضًا ببناء الرقاقة لدعم ناقل Eurocard (VME) المتوازي في Versamodule ، مما يتيح الحوسبة الموزعة حتى تتمكن العديد من العقد من معالجة معالجة البيانات بالتوازي. مما سمح لجعل الشريحة الممكّنة أيضًا باستخدامها للتحكم في الوقت الفعلي.

كتبت المجموعة نسختها الخاصة من UNIX ، مع إمكانات في الوقت الفعلي لضمان أن تصميم الرقائق الجديد متوافق مع الأتمتة الصناعية والتطبيقات المماثلة. اخترع مهندسو Bell Labs أيضًا Domino Logic ، الذي زاد من سرعة المعالجة عن طريق تقليل التأخير في بوابات المنطق المعقدة.

تم تطوير تقنيات الاختبار والتحقق الإضافية وإدخالها عبر وحدة BellMAC-32 ، وهو مشروع التحقق من مجموعة التحقق واختبار مجموعات متعددة متطورة يقوده هوانغ يسمح لتصنيع الرقاقة المعقدة أن يكون له أخطاء صفر أو قريبة من الصفر. كان هذا هو الأول من نوعه في اختبار VLSI. جعلت الخطة المنهجية لمهندسي Bell Labs لتكوين عمل زملائهم في نهاية المطاف التصميم الكلي لعائلة مجموعة الشرائح المتعددة تعمل معًا بسلاسة كنظام كامل للأحواض الدقيقة.

ثم جاء الجزء الأصعب: في الواقع بناء الشريحة.

خرائط الأرضية وأقلام الرصاص الملونة

يتذكر كانغ ، وهو زميل لحياة IEEE الذي أصبح فيما بعد رئيسًا لمعهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) في دايجون ، كوريا الجنوبية: “إن تقنية التصميم والاختبار والتصنيع عالي العائد لم تكن موجودة”. مع عدم وجود أدوات CAD متاحة للتحقق الكامل من الرقاقة ، يقول كانغ ، لجأ الفريق إلى طباعة مؤامرات الكالومب الضخمة. أظهرت المخططات كيفية ترتيب الترانزستورات وخطوط الدوائر والتوصيلات البينية داخل الشريحة لتوفير المخرجات المطلوبة. قام الفريق بتجميعها على الأرض بشريط لاصق لإنشاء خريطة مربعة ضخمة أكثر من 6 أمتار على الجانب. تتبع كانغ وزملاؤه كل دائرة باليد بأقلام بلون ، والبحث عن فترات راحة أو تداخل أو ربطات متصلة.

الحصول عليها

بمجرد أن تم قفل التصميم المادي ، واجه الفريق عقبة أخرى: التصنيع. تم تصنيع الرقائق في منشأة كهربائية غربية في Allentown ، بنسلفانيا ، لكن كانغ يتذكر أن معدلات العائد (النسبة المئوية للرقائق على رقاقة السيليكون التي تلبي الأداء وجودة المعايير) كانت سيئة.

لمعالجة ذلك ، قاد كانغ وزملاؤه من ولاية نيو جيرسي إلى المصنع كل يوم ، ودحضوا أكمامهم ، وفعلوا كل ما يتطلبه الأمر ، بما في ذلك الأرضيات الكاسحة ومعايرة المعايير ، لبناء الصداقة الحميمة وغرس الثقة في أن المنتج الأكثر تعقيدًا الذي حاول العمال النباتين لإنتاجه بالفعل هناك.

“لم نكن مجرد بناء شريحة أسرع. كنا نحاول تصميم شيء يمكن أن يحمل كل من الصوت والحساب في المستقبل.” -مايكل كوندري ، فريق بيلماك -32 لعمارة العمارة

يقول كانغ: “إن بناء الفريق كان جيدًا”. “بعد عدة أشهر ، تمكنت Western Electric من إنتاج أكثر من العدد المطلوب من الرقائق الجيدة.”

الإصدار الأول من Bellmac-32 ، الذي كان جاهزًا بحلول عام 1980 ، لم يتقدم من التوقعات. بدلاً من الوصول إلى هدف أداء 4 ميجاهرتز ، ركض بسرعة 2 ميجا هرتز فقط. اكتشف المهندسون أن معدات اختبار Takeda Riken الحديثة التي كانوا يستخدمونها كانت معيبة ، مع وجود تأثيرات خط الإرسال بين المسبار ورئيس الاختبار مما يؤدي إلى قياسات غير دقيقة ، لذلك عملوا مع فريق Takeda Riken لتطوير جداول تصحيحات تصحيح أخطاء القياس.

كان للجيل الثاني من رقائق Bellmac سرعات الساعة التي تجاوزت 6.2 ميجاهرتز ، وأحيانًا يصل إلى 9. ركض معالج Intel 8008 16 بت داخل جهاز الكمبيوتر الأصلي لـ IBM الذي تم إصداره في عام 1981 إلى 4.77 ميجا هرتز.

لماذا لم يذهب Bellmac-32 إلى السائدة

على الرغم من وعدها الفني ، لم يجد Bellmac-32 استخدامًا تجاريًا واسعًا. وفقًا لـ Condry ، فإن محور AT&T نحو الحصول على مصنع المعدات NCR ، والذي بدأ يتطلع في أواخر الثمانينيات ، يعني أن الشركة اختارت دعم خط مختلف من الرقائق. ولكن بحلول ذلك الوقت ، كان إرث Bellmac-32 ينمو بالفعل.

يقول كوندري: “قبل Bellmac-32 ، كان NMOS مهيمنة”. “لكن CMOs غيرت السوق لأنه تبين أنه تطبيق أكثر فعالية في FAB.”

في الوقت المناسب ، أعاد هذا الإدراك تشكيل المشهد شبه الموصل. ستصبح CMOS الأساس للمعالجات الدقيقة الحديثة ، مما يشغل الثورة الرقمية في أجهزة الكمبيوتر المكتبية والهواتف الذكية والمزيد.

إن جرأة رهان Bell Labs – لاتخاذ عملية تصنيع غير مختبرة وقفز جيل كامل من بنية الرقاقة – تتدفق كحظة تاريخية في التاريخ التكنولوجي.

كما يقول كانغ: “كنا على حدود ما كان ممكنًا. لم نتبع المسار فقط – لقد صنعنا واحدة جديدة.” يضيف هوانغ ، وهو زميل لحياة IEEE الذي أصبح فيما بعد نائب مدير معهد الإلكترونيات الدقيقة ، سنغافورة: “لم يتضمن هذا فقط بنية الرقائق والتصميم ، ولكن أيضًا التحقق من الرقاقة على نطاق واسع-مع CAD ولكن بدون أدوات المحاكاة الرقمية اليوم أو حتى الأذواق [which is the standard method for checking whether a circuit design for an electronic system that uses chips works before making permanent connections by soldering the circuit elements together]”

تنظر Condry و Kang و Huang بإعجاب في تلك الفترة والتعبير عن إعجابهم بالعديد من موظفي AT&T الذين جعلت مهارتها وتفانيها سلسلة رقائق Bellmac-32.

يديره برنامج IEEE للتاريخ وبدعم من المانحين ، يعترف برنامج Milestone بالتطورات التقنية المتميزة في جميع أنحاء العالم. قام قسم IEEE North Jersey برعاية الترشيح.