改变微处理器设计的32 Bits
正文:
为技术内行人士准备
主题
Aerospace AI Biomedical Climate Tech Computing Consumer Electronics Energy History of Technology Robotics Semiconductors Telecommunications Transportation
章节
Features News Opinion Careers DIY Engineering Resources
更多
Newsletters Special Reports Collections Explainers Top Programming Languages Robots Guide ↗ IEEE Job Site ↗
面向IEEE会员
Current Issue Magazine Archive The Institute The Institute Archive
改变微处理器设计的32 Bits
贝尔实验室的Bellmac-32为今天的智能手机芯片铺平了道路
Willie D. Jones 7小时 6分钟阅读
Willie Jones为IEEE Spectrum报道交通运输，并为The Institute报道技术史。
1982年，贝尔实验室Bellmac-32团队的成员站在新泽西州默里山的芯片巨型电路图旁。
Sung-Mo "Steve" Kang
在1970年代后期，当时8位processors是主流，CMOS是半导体技术中的弱势群体，AT&T的Bell Labs的工程师大胆地迈向了未来。他们下了一个高风险的赌注，通过将尖端的3.5微米CMOS制造工艺与新型32位处理器架构相结合，从而超越IBM、Intel和其他竞争对手的芯片性能。
虽然他们的创造——Bellmac-32 microprocessor——从未像早期的Intel’s 4004（1971年发布）那样获得商业上的成功，但其影响力已被证明更为持久。如今，smartphones、laptops和 tablets 中的几乎每个芯片都依赖于Bellmac-32率先提出的互补金属氧化物半导体原理。
随着1980年代的临近，AT&T面临着转型。 几十年来，这家电信巨头——昵称“Ma Bell”——一直主导着美国的语音通信，其Western Electric子公司几乎生产了美国所有家庭和办公室中的所有电话。美国联邦政府正在推动antitrust-driven divestiture，但AT&T被允许扩展到computing领域。
由于computing公司已经牢固地扎根于市场，AT&T无法负担起追赶的代价。 它的策略是向前飞跃，而Bellmac-32是它的跳板。
Bellmac-32芯片系列现在已被授予IEEE Milestone。 计划今年在NokiaBell Labs’ campus（位于新泽西州默里山）和Computer History Museum（位于加利福尼亚州山景城）举行献礼仪式。
与众不同的芯片
AT&T的高管没有效仿业界标准的8位芯片，而是向Bell Labs的工程师提出了一个革命性的目标：首个能够在一个时钟周期内移动32 bits的商业上可行的microprocessor。 这不仅需要一种新芯片，还需要一种全新的架构——一种可以处理电信交换并作为未来计算系统骨干的架构。
“我们不仅仅是在构建更快的芯片，”Michael Condry说，他领导了贝尔实验室新泽西州霍姆德尔设施的架构团队。“我们试图设计一种可以将语音和计算带入未来的东西。”
Bellmac-32 microprocessor的这种配置具有针对类Unixoperating systems优化的集成内存管理单元。AT&T档案和历史中心
当时，CMOS技术被认为是NMOS and PMOS设计的有前途但有风险的替代品。NMOS芯片仅依靠N型transistors，速度很快但耗电量大。PMOS芯片依赖于带正电荷的空穴的移动，速度太慢。CMOS凭借其混合设计，提供了速度和节能的潜力。 这些好处如此引人注目，以至于业界很快就意识到，晶体管数量增加一倍的需求（每个栅极的NMOS和PMOS）是值得的。
随着晶体管尺寸的缩小以及Moore’s Law描述的半导体技术的快速发展，晶体管密度加倍的成本很快变得可以承受，并最终变得可以忽略不计。但是，当贝尔实验室进行高风险赌博时，大规模CMOS制造仍未得到验证，并且看起来相对昂贵。
但这并没有阻止贝尔实验室。 通过利用其位于霍姆德尔和默里山以及伊利诺伊州内珀维尔的园区的专业知识，该公司组建了一支由半导体工程师组成的梦之队。 该团队包括Condry；Sung-Mo “Steve” Kang，chip design领域冉冉升起的新星； 另一位微处理器芯片设计师Victor Huang以及数十名AT&T贝尔实验室的员工。 他们于1978年开始掌握新的CMOS工艺并从头开始创建32位microprocessor。
设计架构
由Condry领导的架构小组（IEEE Life Fellow，后来成为Intel的CTO）专注于构建一个可以原生支持Unixoperating system和C programming language的系统。 两者都处于起步阶段，但注定要占据主导地位。 为了应对那个时代的内存限制（kilobytes非常宝贵），他们引入了一种复杂的指令集，该指令集需要更少的执行步骤，并且可以在单个时钟周期内执行。
工程师还构建了该芯片以支持VersaModule Eurocard (VME) parallel bus，从而实现distributed computing，因此多个节点可以并行处理数据。 使芯片支持VME还使其可用于实时控制。
该小组编写了自己的Unix版本，具有实时功能，以确保新的芯片设计与industrial automation和类似应用兼容。 贝尔实验室的工程师还发明了domino logic，该逻辑通过减少复杂logic gates中的延迟来提高处理速度。
通过Bellmac-32模块开发并引入了其他测试和验证技术，该模块是由Huang领导的复杂的multi-chipset验证和测试项目，该项目允许复杂的chip fabrication具有零或接近零的错误。 这是VLSI测试中的首例。 贝尔实验室工程师的系统计划是对同事的工作进行双重和三重检查，最终使多个芯片组系列的总设计作为一个完整的微型计算机系统无缝地协同工作。
然后是最困难的部分：实际构建芯片。
底图和彩色铅笔
“布局、测试和高良率制造的技术根本不存在，”Kang回忆说，他是一位IEEE Life Fellow，后来成为Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) 的校长，该机构位于South Korea大田。 Kang说，由于没有用于完整芯片验证的CAD工具，该团队不得不打印超大的Calcomp图。 该原理图显示了如何将晶体管、电路线和interconnects排列在芯片内部，以提供所需的输出。 该团队用胶带将它们组装在地板上，以创建一个超过6米长的大型方形地图。 Kang和他的同事用彩色铅笔手动追踪每个电路，寻找断裂、重叠或处理不当的互连。
制造
物理设计确定后，该团队面临另一个障碍：制造。 这些芯片是在位于宾夕法尼亚州阿伦敦的Western Electric工厂制造的，但Kang回忆说，良率（silicon wafer上符合性能和质量标准的芯片的百分比）非常糟糕。
为了解决这个问题，Kang和他的同事每天从新泽西州开车到工厂，卷起袖子，竭尽所能，包括打扫地板和校准测试设备，以建立友谊并灌输信心，让工厂工人尝试生产的最复杂的产品确实可以在那里制造。
“我们不仅仅是在构建更快的芯片。我们试图设计一种可以将语音和计算带入未来的东西。” —Michael Condry, Bellmac-32 架构团队负责人
“团队建设效果很好，”Kang说。 “几个月后，Western Electric能够生产出超过所需数量的优质芯片。”
Bellmac-32的第一个版本于1980年准备就绪，但未达到预期效果。 它没有达到4-megahertz的性能目标，而仅以2 MHz的速度运行。 工程师们发现，他们使用的最先进的Takeda Riken测试设备存在缺陷，探头和测试头之间的传输线效应导致测量不准确，因此他们与Takeda Riken团队合作开发了校正表，以纠正测量误差。
第二代Bellmac芯片的clock speeds超过6.2 MHz，有时达到9。 在当时，这是非常快的速度。 1981年发布的IBM原始PC中的16位Intel 8088 processor以4.77 MHz的速度运行。
为什么Bellmac-32没有成为主流
尽管Bellmac-32具有技术前景，但并未得到广泛的商业应用。 Condry认为，AT&T转向收购设备制造商NCR，该公司于1980年代后期开始关注该公司，这意味着该公司选择支持不同的芯片系列。 但到那时，Bellmac-32的遗产已经在增长。
“在Bellmac-32之前，NMOS占主导地位，”Condry说。 “但是CMOS改变了市场，因为它被证明是晶圆厂中更有效的实现方式。”
随着时间的流逝，这种认识重塑了半导体格局。 CMOS将成为现代microprocessors的基础，从而推动了台式机、智能手机等的数字革命。
贝尔实验室大胆的赌注——采用未经测试的制造工艺并超越整整一代芯片架构——是技术史上的一个里程碑时刻。
正如Kang所说：“我们正处于可能性的前沿。我们没有仅仅遵循这条路——我们创造了一条新路。” Huang是一位IEEE Life Fellow，后来成为Institute of Microelectronics, Singapore的副主任，他补充说：“这不仅包括芯片架构和设计，还包括大规模芯片验证——使用CAD但没有当今的数字仿真工具，甚至没有breadboarding [这是在通过soldering将电路元件连接在一起之前，检查使用芯片的电子系统的circuit design是否有效的标准方法]。”
Condry、Kang和Huang满怀深情地回顾了那段时期，并对许多AT&T员工的技能和奉献精神表示敬佩，他们使Bellmac-32芯片系列成为可能。
Milestone计划由IEEE History Center管理，并由捐助者支持，旨在表彰世界各地的杰出技术发展。IEEE North Jersey Section赞助了提名。