ورود این تراشه، مسیر توسعه تراشه‌ها را تغییر داد!
در اواخر دهه ۱۹۷۰، پردازنده‌های ۸ بیتی هنوز پیشرفته‌ترین فناوری آن زمان بودند و فرآیندهای CMOS در زمینه نیمه‌هادی در وضعیت نامساعدی قرار داشتند. مهندسان AT&T Bell Labs گامی جسورانه به سوی آینده برداشتند و فرآیندهای تولید CMOS 3.5 میکرونی پیشرفته را با معماری‌های نوآورانه پردازنده ۳۲ بیتی ترکیب کردند تا در عملکرد تراشه از رقبا پیشی بگیرند و از IBM و Intel پیشی بگیرند.
اگرچه اختراع آنها، ریزپردازنده Bellmac-32، نتوانست به موفقیت تجاری محصولات قبلی مانند Intel 4004 (که در سال ۱۹۷۱ عرضه شد) دست یابد، اما تأثیر آن عمیق بود. امروزه، تراشه‌های تقریباً تمام تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و تبلت‌ها بر اساس اصول نیمه‌هادی اکسید فلزی مکمل (CMOS) که Bellmac-32 پیشگام آن بود، ساخته شده‌اند.
دهه ۱۹۸۰ نزدیک می‌شد و AT&T در تلاش بود تا خود را متحول کند. برای دهه‌ها، این غول مخابراتی با نام مستعار "مادر بل" بر تجارت ارتباطات صوتی در ایالات متحده تسلط داشت و شرکت تابعه آن، وسترن الکتریک، تقریباً تمام تلفن‌های رایج در خانه‌ها و دفاتر آمریکایی را تولید می‌کرد. دولت فدرال ایالات متحده به دلایل ضد انحصار، خواستار تجزیه تجارت AT&T شد، اما AT&T فرصتی را برای ورود به حوزه کامپیوتر دید.
با توجه به اینکه شرکت‌های کامپیوتری از قبل در بازار جا افتاده بودند، AT&T به سختی می‌توانست به آنها برسد؛ استراتژی آنها جهش بود و Bellmac-32 سکوی پرش آنها بود.
خانواده تراشه‌های Bellmac-32 مفتخر به دریافت جایزه IEEE Milestone شده‌اند. مراسم رونمایی امسال در محوطه آزمایشگاه‌های نوکیا بل در موری هیل، نیوجرسی و در موزه تاریخ کامپیوتر در مانتین ویو، کالیفرنیا برگزار خواهد شد.
تراشه منحصر به فرد
مدیران AT&T به جای پیروی از استاندارد صنعتی تراشه‌های ۸ بیتی، مهندسان آزمایشگاه‌های بل را به چالش کشیدند تا یک محصول انقلابی توسعه دهند: اولین ریزپردازنده تجاری که قادر به انتقال ۳۲ بیت داده در یک سیکل ساعت باشد. این امر نه تنها به یک تراشه جدید، بلکه به یک معماری جدید نیز نیاز داشت - معماری‌ای که بتواند سوئیچینگ مخابراتی را مدیریت کند و به عنوان ستون فقرات سیستم‌های محاسباتی آینده عمل کند.
مایکل کاندری، سرپرست گروه معماری در آزمایشگاه‌های بل در هولمدل، نیوجرسی، گفت: «ما فقط یک تراشه سریع‌تر نمی‌سازیم. ما در تلاشیم تراشه‌ای طراحی کنیم که بتواند هم از صدا و هم از محاسبات پشتیبانی کند.»
در آن زمان، فناوری CMOS به عنوان جایگزینی امیدوارکننده اما پرخطر برای طرح‌های NMOS و PMOS دیده می‌شد. تراشه‌های NMOS کاملاً به ترانزیستورهای نوع N متکی بودند که سریع اما پرمصرف بودند، در حالی که تراشه‌های PMOS به حرکت حفره‌های با بار مثبت متکی بودند که بسیار کند بود. CMOS از یک طراحی ترکیبی استفاده می‌کرد که سرعت را افزایش می‌داد و در عین حال در مصرف برق صرفه‌جویی می‌کرد. مزایای CMOS آنقدر جذاب بود که صنعت خیلی زود متوجه شد که حتی اگر به دو برابر ترانزیستور (NMOS و PMOS برای هر گیت) نیاز داشته باشد، ارزشش را دارد.
با توسعه سریع فناوری نیمه‌هادی‌ها که توسط قانون مور توصیف شده است، هزینه دو برابر کردن تراکم ترانزیستور قابل کنترل و در نهایت ناچیز شد. با این حال، هنگامی که آزمایشگاه‌های بل این قمار پرخطر را آغاز کردند، فناوری تولید CMOS در مقیاس بزرگ اثبات نشده بود و هزینه آن نسبتاً بالا بود.
این موضوع آزمایشگاه‌های بل را نترساند. این شرکت از تخصص پردیس‌های خود در هولمدل، موری هیل و ناپرویل، ایلینوی بهره برد و یک «تیم رویایی» از مهندسان نیمه‌هادی را گرد هم آورد. این تیم شامل کاندری، استیو کان، یک ستاره نوظهور در طراحی تراشه، ویکتور هوانگ، یکی دیگر از طراحان ریزپردازنده و ده‌ها کارمند از آزمایشگاه‌های بل AT&T بود. آنها در سال ۱۹۷۸ شروع به تسلط بر یک فرآیند CMOS جدید و ساخت یک ریزپردازنده ۳۲ بیتی از ابتدا کردند.
با معماری طراحی شروع کنید
کاندری عضو سابق IEEE بود و بعدها به عنوان مدیر ارشد فناوری اینتل خدمت کرد. تیم معماری که او رهبری می‌کرد، متعهد به ساخت سیستمی بود که به صورت بومی از سیستم عامل یونیکس و زبان C پشتیبانی کند. در آن زمان، یونیکس و زبان C هنوز در مراحل ابتدایی خود بودند، اما قرار بود بر همه چیز مسلط شوند. برای عبور از محدودیت حافظه بسیار ارزشمند کیلوبایت (KB) در آن زمان، آنها یک مجموعه دستورالعمل پیچیده معرفی کردند که به مراحل اجرایی کمتری نیاز داشت و می‌توانست وظایف را در عرض یک سیکل ساعت انجام دهد.
مهندسان همچنین تراشه‌هایی را طراحی کرده‌اند که از گذرگاه موازی VersaModule Eurocard (VME) پشتیبانی می‌کنند، که محاسبات توزیع‌شده را امکان‌پذیر می‌کند و به چندین گره اجازه می‌دهد تا داده‌ها را به صورت موازی پردازش کنند. تراشه‌های سازگار با VME همچنین امکان استفاده از آنها را برای کنترل در زمان واقعی فراهم می‌کنند.
این تیم نسخه یونیکس مخصوص به خود را نوشت و به آن قابلیت‌های بلادرنگ (real-time) داد تا سازگاری با اتوماسیون صنعتی و کاربردهای مشابه را تضمین کند. مهندسان آزمایشگاه‌های بل همچنین منطق دومینو را اختراع کردند که با کاهش تأخیر در دروازه‌های منطقی پیچیده، سرعت پردازش را افزایش می‌داد.
تکنیک‌های تست و تأیید اضافی با ماژول Bellmac-32 توسعه داده و معرفی شدند، یک پروژه پیچیده تأیید و آزمایش چند تراشه‌ای به رهبری جن-هسون هوانگ که به صفر یا نزدیک به صفر نقص در تولید تراشه‌های پیچیده دست یافت. این اولین بار در دنیای آزمایش مدار مجتمع (VLSI) در مقیاس بسیار بزرگ بود. مهندسان آزمایشگاه‌های بل یک طرح سیستماتیک تدوین کردند، کار همکاران خود را بارها بررسی کردند و در نهایت به همکاری یکپارچه‌ای در بین خانواده‌های مختلف تراشه دست یافتند که در نهایت به یک سیستم میکروکامپیوتری کامل منجر شد.
چالش‌برانگیزترین بخش بعدی فرا می‌رسد: تولید واقعی تراشه.
کانگ، که بعدها رئیس موسسه پیشرفته علوم و فناوری کره (KAIST) و عضو IEEE شد، به یاد می‌آورد: «در آن زمان، فناوری‌های طرح‌بندی، آزمایش و تولید با بازده بالا بسیار کمیاب بودند.» او خاطرنشان می‌کند که فقدان ابزارهای CAD برای تأیید کامل تراشه، تیم را مجبور به چاپ نقشه‌های بزرگ Calcomp کرد. این طرح‌ها نشان می‌دهند که چگونه ترانزیستورها، سیم‌ها و اتصالات باید در یک تراشه چیده شوند تا خروجی مطلوب را ارائه دهند. تیم آنها را با نوار چسب روی زمین مونتاژ کرد و یک نقشه مربع غول‌پیکر به ضلع بیش از ۶ متر تشکیل داد. کانگ و همکارانش هر مدار را با مداد رنگی با دست کشیدند و به دنبال اتصالات شکسته و همپوشانی یا اتصالات نامناسب بودند.
پس از تکمیل طراحی فیزیکی، تیم با چالش دیگری روبرو شد: تولید. تراشه‌ها در کارخانه وسترن الکتریک در آلن‌تاون، پنسیلوانیا تولید شدند، اما کانگ به یاد می‌آورد که نرخ بازده (درصد تراشه‌هایی روی ویفر که مطابق با استانداردهای عملکرد و کیفیت بودند) بسیار پایین بود.
برای حل این مشکل، کانگ و همکارانش هر روز از نیوجرسی به کارخانه می‌رفتند، آستین‌هایشان را بالا می‌زدند و هر کاری که لازم بود، از جمله جارو کردن کف و کالیبره کردن تجهیزات آزمایش، انجام می‌دادند تا رفاقت ایجاد کنند و همه را متقاعد کنند که پیچیده‌ترین محصولی که کارخانه تا به حال سعی در تولید آن داشته است، واقعاً می‌تواند در آنجا تولید شود.
کانگ گفت: «فرآیند تیم‌سازی به خوبی پیش رفت. پس از چند ماه، وسترن الکتریک توانست تراشه‌های باکیفیتی را در مقادیری فراتر از تقاضا تولید کند.»
اولین نسخه از Bellmac-32 در سال ۱۹۸۰ عرضه شد، اما نتوانست انتظارات را برآورده کند. فرکانس هدف عملکرد آن تنها ۲ مگاهرتز بود، نه ۴ مگاهرتز. مهندسان متوجه شدند که تجهیزات پیشرفته آزمایش Takeda Riken که در آن زمان استفاده می‌کردند، دارای نقص است و اثرات خط انتقال بین پروب و سر آزمایش باعث اندازه‌گیری‌های نادرست می‌شود. آنها با تیم Takeda Riken همکاری کردند تا یک جدول اصلاح برای اصلاح خطاهای اندازه‌گیری تهیه کنند.
تراشه‌های نسل دوم Bellmac سرعت کلاک بیش از ۶.۲ مگاهرتز داشتند، گاهی اوقات تا ۹ مگاهرتز. این سرعت در آن زمان بسیار سریع محسوب می‌شد. پردازنده ۱۶ بیتی Intel 8088 که IBM در اولین کامپیوتر شخصی خود در سال ۱۹۸۱ عرضه کرد، سرعت کلاک تنها ۴.۷۷ مگاهرتز داشت.
چرا بلمک-۳۲ این کار را نکرد؟'تبدیل به جریان اصلی می‌شوند
علیرغم وعده‌های داده شده، فناوری Bellmac-32 به طور گسترده مورد استقبال تجاری قرار نگرفت. به گفته‌ی کاندری، AT&T در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ شروع به بررسی شرکت سازنده‌ی تجهیزات NCR کرد و بعداً به خرید شرکت‌های دیگر روی آورد، به این معنی که این شرکت تصمیم گرفت از خطوط تولید تراشه‌های مختلف پشتیبانی کند. در آن زمان، نفوذ Bellmac-32 شروع به افزایش کرده بود.
کاندری گفت: «قبل از Bellmac-32، NMOS بازار را در دست داشت. اما CMOS چشم‌انداز را تغییر داد زیرا ثابت شد که روشی کارآمدتر برای پیاده‌سازی آن در کارخانه است.»
با گذشت زمان، این درک، صنعت نیمه‌هادی‌ها را تغییر شکل داد. CMOS به پایه و اساس ریزپردازنده‌های مدرن تبدیل شد و انقلاب دیجیتال را در دستگاه‌هایی مانند رایانه‌های رومیزی و تلفن‌های هوشمند به وجود آورد.
آزمایش جسورانه‌ی آزمایشگاه‌های بل - با استفاده از یک فرآیند تولید آزمایش‌نشده و در برگیرنده‌ی یک نسل کامل از معماری تراشه - نقطه‌ی عطفی در تاریخ فناوری بود.
همانطور که پروفسور کانگ می‌گوید: «ما در خط مقدم آنچه ممکن بود، قرار داشتیم. ما فقط یک مسیر موجود را دنبال نمی‌کردیم، بلکه در حال گشودن مسیری جدید بودیم.» پروفسور هوانگ، که بعدها معاون مدیر موسسه میکروالکترونیک سنگاپور و همچنین عضو IEEE شد، می‌افزاید: «این شامل نه تنها معماری و طراحی تراشه، بلکه تأیید تراشه در مقیاس بزرگ - با استفاده از CAD اما بدون ابزارهای شبیه‌سازی دیجیتال امروزی یا حتی بردبوردها (روشی استاندارد برای بررسی طراحی مدار یک سیستم الکترونیکی با استفاده از تراشه‌ها قبل از اتصال دائمی اجزای مدار به یکدیگر) نیز می‌شد.»
کاندری، کانگ و هوانگ با علاقه به آن دوران نگاه می‌کنند و مهارت و فداکاری بسیاری از کارمندان AT&T را که تلاش‌هایشان ساخت خانواده تراشه‌های Bellmac-32 را ممکن ساخت، تحسین می‌کنند.
زمان ارسال: ۱۹ مه ۲۰۲۵