Bell LabsのCMOSチップは、マイクロプロセッサの設計を変更しました

1970年代後半、8ビットプロセッサが最先端であり、CMOが半導体テクノロジーの弱者であった時代、AT＆Tのベルラボのエンジニアは未来に大胆に飛び込みました。彼らは、最先端の3.5-Micron CMOSの製造と新しい32ビットプロセッサアーキテクチャを組み合わせることにより、IBM、Intel、およびその他の競合他社をチップパフォーマンスの競合他社を上回るために、ハイステークスを賭けました。

Bellmac-32マイクロプロセッサである彼らの創造は、Intelの4004（1971年にリリース）などの以前の名声の商業的名声を決して達成していませんが、その影響ははるかに永続的であることが証明されています。現在、スマートフォン、ラップトップ、タブレットのほぼすべてのチップは、Bellmac-32が先駆した相補的な金属酸化物半導体の原理に依存しています。

1980年代が近づくと、AT＆Tは変容に取り組んでいました。何十年もの間、テレコムの巨人（「マ・ベル」と名付けられた）は、アメリカの音声コミュニケーションを支配し、西部の電気子会社は米国の家やオフィスで見つかったほぼすべての電話を製造していました。米国連邦政府は、反トラスト主導の売却を求めていましたが、AT＆Tはコンピューティングに拡大するための開口部を許可されました。

コンピューティング会社がすでに市場に定着しているため、AT＆Tは追いつく余裕がありませんでした。その戦略は前進することであり、Bellmac-32はその踏み台でした。

Bellmac-32チップシリーズは現在、IEEEマイルストーンで表彰されています。今年はニュージャージー州マレーヒルにあるノキアベルラボのキャンパスと、カリフォルニア州マウンテンビューのコンピューター歴史博物館で献身的な式典が開催される予定です。

他に類を見ないチップ

AT＆Tの幹部は、8ビットチップの業界標準をエミュレートするのではなく、ベルラボのエンジニアに革新的なものを提供するように挑戦しました。これは、1クロックサイクルで32ビットを移動できる最初の商業的に実行可能なマイクロプロセッサです。新しいチップだけでなく、まったく新しいアーキテクチャも必要です。これは、通信の切り替えを処理し、将来のコンピューティングシステムのバックボーンとして機能する可能性があります。

「私たちは、より速いチップを構築するだけではありませんでした」と、ニュージャージー州のBell Labs ‘Holmdel施設の建築チームを率いたMichael Condry氏は言います。 「私たちは、声と計算の両方を未来に伝えることができるものを設計しようとしていました。」

BellMAC-32マイクロプロセッサのこの構成には、UNIX様オペレーティングシステム用に最適化された統合メモリ管理ユニットがありました。AT＆Tアーカイブおよび歴史センター

当時、CMOSテクノロジーは、その後使用されているNMOSおよびPMOSデザインに代わる有望な、しかし危険な – 代替と見なされていました。 N型トランジスタのみに依存していたNMOSチップは、高速でしたが、パワーに飢えていました。陽性に充電された穴の動きに依存するPMOSチップは、遅すぎました。ハイブリッド設計を備えたCMOは、速度と省エネの両方の節約の可能性を提供しました。利点は非常に魅力的であったため、業界はすぐに見たことがあるので、トランジスタの数（各ゲートのNMOとPMO）の必要性がトレードオフの価値がありました。

ムーアの法律で記述された半導体技術の急速な進歩とともに、トランジスタのサイズが縮小すると、トランジスタ密度を2倍にするコストはすぐに管理しやすくなり、最終的には無視できました。しかし、Bell Labsがハイステークスギャンブルを獲得したとき、大規模なCMOSの製造はまだ証明されておらず、比較的コストがかかるように見えました。

それはベルラボを阻止しませんでした。ホルムデルとマレーヒル、イリノイ州ネーパービルのキャンパスから専門知識をタップすることにより、同社は半導体エンジニアの夢のチームを集めました。チームにはコンドリが含まれていました。チップデザインの新星であるソンモ「スティーブ」カン。別のマイクロプロセッサチップデザイナーであるVictor Huang、および数十人のAT＆T Bell Labsの従業員。彼らは1978年に新しいCMOSプロセスを習得し、32ビットマイクロプロセッサをゼロから作成するために出発しました。

アーキテクチャの設計

IEEEライフフェローであるCondryが率いるアーキテクチャグループは、後にIntelのCTOになり、UNIXオペレーティングシステムとCプログラミング言語をネイティブにサポートするシステムの構築に焦点を当てました。どちらも初期段階にありましたが、支配が運命づけられていました。時代の記憶の制限（キロバイトは貴重だった）に対処するために、実行するのに少ない手順を必要とし、単一のクロックサイクルで実行できる複雑な命令セットを導入しました。

エンジニアはまた、Versamodule Eurocard（VME）パラレルバスをサポートするためにチップを構築し、いくつかのノードがデータ処理を並行して処理できるように分散コンピューティングを可能にします。チップVME対応を作成することで、リアルタイム制御に使用することもできました。

このグループは、新しいチップ設計が産業自動化と同様のアプリケーションと互換性があることを確認するためのリアルタイム機能を備えた独自のバージョンをUNIXの作成しました。 Bell LabsのエンジニアもDomino Logicを発明し、複雑なロジックゲートの遅延を減らすことで処理速度を上昇させました。

追加のテストと検証手法が開発され、Bellmac-32モジュールは、Huangが率いる洗練されたマルチチップセット検証およびテストプロジェクトであり、複雑なチップ製造にゼロまたはほぼゼロのエラーを持つことができました。これは、VLSIテストの最初のものでした。 Bell Labsエンジニアの同僚の仕事をダブルチェックしてトリプルチェックするための体系的な計画は、最終的に複数のチップセットファミリの完全な設計を完全なマイクロコンピューターシステムとしてシームレスに連携させました。

その後、最も難しい部分が来ました：実際にチップを構築します。

床マップと色の鉛筆

「レイアウト、テスト、および高利回りの製造の技術はそこにはありませんでした」と、韓国の大jeonにある韓国先進科学技術研究所（KAIST）の会長になったIEEEライフフェローのKang氏は回想します。フルチップの検証に利用できるCADツールがないため、チームは特大のCalCompプロットを印刷することに頼ったとKang氏は言います。回路図は、目的の出力を提供するために、トランジスタ、回路線、および相互接続をチップ内に配置する方法を示しました。チームは床にそれらを接着テープで組み立てて、6メートル以上の巨大な正方形の地図を作成しました。カンと彼の同僚は、色付きの鉛筆ですべてのサーキットを手で追跡し、休憩、オーバーラップ、または誤った相互接続を探しました。

それを作る

物理的なデザインが閉じ込められると、チームは別の障害、つまり製造に直面しました。チップはペンシルベニア州アレンタウンにある西部の電気施設で製造されていましたが、カンは、収量率（パフォーマンスと品質基準を満たすシリコンウェーハのチップの割合）が陰気であることを思い出します。

それに対処するために、カンと彼の同僚は毎日ニュージャージーから植物に運転し、袖をまくり上げて、スイープの床やキャリブレーションされたテスト機器を含めて、植物労働者が生産しようとした最も複雑な製品が実際にそこに作られる可能性があるという自信を植え付けます。

「私たちは、より速いチップを構築するだけではありませんでした。声と計算の両方を未来に運ぶことができるものを設計しようとしていました。」 —Michael Condry、Bellmac-32 Architecture Team Lead

「チームビルディングはうまくいきました」とカンは言います。 「数ヶ月後、Western Electricは必要な数の優れたチップを超えて生産することができました。」

1980年までに準備が整ったBellmac-32の最初のバージョンは、期待に達しませんでした。 4メガヘルツのパフォーマンス目標を達成する代わりに、わずか2 MHzで実行されました。エンジニアは、使用していた最先端のタケダリケンテスト機器に欠陥があり、プローブとテストヘッドの間の伝送ライン効果が不正確な測定につながることを発見したため、測定エラーを修正する修正テーブルを開発するためにタケダリケンチームと協力しました。

Bellmacチップの第2世代は、6.2 MHzを超えるクロック速度を持ち、時には9に達しました。 1981年にリリースされたIBMの元のPC内の16ビットIntel 8088プロセッサは、4.77 MHzで実行されました。

Bellmac-32が主流にならなかった理由

技術的な約束にもかかわらず、Bellmac-32は広範囲の商業的使用を見つけませんでした。 Condryによると、1980年代後半に注目を集め始めた機器メーカーNCRの買収に対するAT＆Tのピボットは、同社が異なるチップのラインを支持することを選択したことを意味していました。しかし、それまでに、Bellmac-32の遺産はすでに成長していました。

「Bellmac-32の前、NMOは支配的でした」とCondry氏は言います。 「しかし、CMOはFABでより効果的な実装であることが示されたため、市場を変えました。」

やがて、その実現は半導体の景観を再形成しました。 CMOは、デスクトップ、スマートフォンなどでデジタル革命を促進するモダンなマイクロプロセッサの基盤となります。

ベルラボの大胆さは、テストされていない製造プロセスを取り、チップアーキテクチャの全世代を飛躍させるために、技術史の画期的な瞬間として構成されています。

カンが言ったように、「私たちは可能なことのフロンティアにいました。私たちはただ道をたどったのではなく、新しいものを作りました。」シンガポールのマイクロエレクトロニクス研究所の副ディレクターになったIEEEライフフェローのHuangは、次のように付け加えています。 [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]。」

Condry、Kang、およびHuangは、その期間を懐かしく振り返り、スキルと献身がBellmac-32チップシリーズを可能にした多くのAT＆T従業員に賞賛を表明します。

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