Šio lusto atsiradimas pakeitė lustų kūrimo eigą!
Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje 8 bitų procesoriai tuo metu vis dar buvo pažangiausia technologija, o CMOS procesai puslaidininkių srityje turėjo prastesnę padėtį. „AT&T Bell Labs“ inžinieriai žengė drąsų žingsnį į ateitį, derindami pažangiausius 3,5 mikrono CMOS gamybos procesus su novatoriška 32 bitų procesorių architektūra, siekdami pranokti konkurentus lustų našumu ir lenkti IBM bei „Intel“.
Nors jų išradimas, „Bellmac-32“ mikroprocesorius, nesulaukė tokios komercinės sėkmės kaip ankstesni produktai, tokie kaip „Intel 4004“ (išleistas 1971 m.), jo įtaka buvo didžiulė. Šiandien beveik visų išmaniųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių ir planšetinių kompiuterių lustai remiasi papildomais metalo oksido puslaidininkių (CMOS) principais, kuriuos pradėjo „Bellmac-32“.
Artėjo devintasis dešimtmetis, ir „AT&T“ bandė transformuotis. Dešimtmečius telekomunikacijų milžinė, pravarde „Motina varpas“, dominavo balso ryšio versle Jungtinėse Valstijose, o jos dukterinė įmonė „Western Electric“ gamino beveik visus įprastus telefonus Amerikos namuose ir biuruose. JAV federalinė vyriausybė ragino suskaidyti „AT&T“ verslą dėl antimonopolinių priežasčių, tačiau „AT&T“ pamatė galimybę įžengti į kompiuterių sritį.
Kadangi kompiuterių kompanijos jau buvo gerai įsitvirtinusios rinkoje, „AT&T“ buvo sunku pasivyti; jos strategija buvo peršokti pirmyn, o „Bellmac-32“ buvo jos tramplinas.
„Bellmac-32“ lustų šeima buvo apdovanota IEEE svarbiu apdovanojimu. Atidengimo ceremonijos šiais metais vyks „Nokia Bell Labs“ miestelyje Murray Hill mieste, Naujajame Džersyje, ir Kompiuterių istorijos muziejuje Mountain View mieste, Kalifornijoje.
UNIKALUS LUSTAS
Užuot sekę 8 bitų lustų pramonės standartu, „AT&T“ vadovai metė iššūkį „Bell Labs“ inžinieriams sukurti revoliucinį produktą: pirmąjį komercinį mikroprocesorių, galintį perduoti 32 bitus duomenų per vieną takto ciklą. Tam reikėjo ne tik naujo lusto, bet ir naujos architektūros – tokios, kuri galėtų tvarkyti telekomunikacijų komutavimą ir būti ateities kompiuterinių sistemų pagrindu.
„Mes ne tik kuriame greitesnį lustą“, – sakė Michaelas Condry, vadovaujantis „Bell Labs“ Holmdelio (Naujasis Džersis) gamyklos architektūros grupei. „Mes bandome sukurti lustą, kuris galėtų palaikyti ir balso, ir skaičiavimo funkcijas.“
Tuo metu CMOS technologija buvo laikoma perspektyvia, bet rizikinga NMOS ir PMOS konstrukcijų alternatyva. NMOS lustai visiškai rėmėsi N tipo tranzistoriais, kurie buvo greiti, bet daug energijos eikvojo, o PMOS lustai rėmėsi teigiamai įkrautų skylių judėjimu, kuris buvo per lėtas. CMOS naudojo hibridinę konstrukciją, kuri padidino greitį ir taupė energiją. CMOS privalumai buvo tokie įtikinami, kad pramonė netrukus suprato, jog net jei jai reikėtų dvigubai daugiau tranzistorių (NMOS ir PMOS kiekvieniems užtūrams), tai buvo verta.
Sparčiai vystantis puslaidininkių technologijai, kurią apibūdina Moore'o dėsnis, tranzistorių tankio padvigubinimo kaina tapo įveikiama ir galiausiai nereikšminga. Tačiau kai „Bell Labs“ ėmėsi šios didelės rizikos rizikos, didelio masto CMOS gamybos technologija nebuvo išbandyta, o kaina buvo gana didelė.
Tai neišgąsdino „Bell Labs“. Bendrovė pasinaudojo savo padalinių Holmdelyje, Murray Hille ir Napervilyje (Ilinojus) patirtimi ir subūrė puslaidininkių inžinierių „svajonių komandą“. Komandą sudarė Condrey, kylanti lustų dizaino žvaigždė Steve'as Connas, kitas mikroprocesorių dizaineris Victoras Huangas ir dešimtys darbuotojų iš „AT&T Bell Labs“. Jie pradėjo įvaldyti naują CMOS procesą 1978 m. ir nuo nulio konstruoti 32 bitų mikroprocesorių.
Pradėkite nuo dizaino architektūros
Condrey buvo buvęs IEEE narys, o vėliau ėjo „Intel“ vyriausiojo technologijų vadovo pareigas. Jo vadovaujama architektūros komanda buvo įsipareigojusi sukurti sistemą, kuri iš esmės palaikytų „Unix“ operacinę sistemą ir C kalbą. Tuo metu tiek „Unix“, tiek C kalba dar buvo žengimo pirmuosius žingsnius, tačiau buvo lemta dominuoti. Siekdami peržengti tuo metu itin vertingą kilobaitų (KB) atminties ribą, jie pristatė sudėtingą instrukcijų rinkinį, kuriam reikėjo mažiau vykdymo veiksmų ir kuris galėjo atlikti užduotis per vieną takto ciklą.
Inžinieriai taip pat sukūrė lustus, palaikančius „VersaModule Eurocard“ (VME) lygiagrečiąją magistralę, kuri įgalina paskirstytuosius skaičiavimus ir leidžia keliems mazgams lygiagrečiai apdoroti duomenis. Su VME suderinami lustai taip pat leidžia juos naudoti realiuoju laiku valdymui.
Komanda parašė savo „Unix“ versiją ir suteikė jai realaus laiko galimybes, kad užtikrintų suderinamumą su pramonine automatika ir panašiomis programomis. „Bell Labs“ inžinieriai taip pat išrado domino logiką, kuri padidino apdorojimo greitį, sumažindama sudėtingų loginių vartų vėlavimą.
Papildomi bandymų ir patikros metodai buvo sukurti ir įdiegti kartu su „Bellmac-32“ moduliu – sudėtingu daugialustų bandymų ir patikros projektu, kuriam vadovavo Jen-Hsun Huang. Projekto metu sudėtingų lustų gamyboje buvo pasiektas nulinis arba beveik nulinis defektų skaičius. Tai buvo pirmas kartas pasaulyje, kai buvo atliktas labai didelio masto integrinių grandynų (VLSI) bandymas. „Bell Labs“ inžinieriai parengė sistemingą planą, pakartotinai tikrino kolegų darbą ir galiausiai pasiekė sklandų bendradarbiavimą įvairiose lustų šeimose, o tai baigėsi visaverte mikrokompiuterių sistema.
Toliau ateina sudėtingiausia dalis: tikroji lusto gamyba.
„Tuo metu maketavimo, bandymų ir didelio našumo gamybos technologijos buvo labai retos“, – prisimena Kangas, vėliau tapęs Korėjos pažangiojo mokslo ir technologijų instituto (KAIST) prezidentu ir IEEE nariu. Jis pažymi, kad dėl CAD įrankių, skirtų viso lusto patikrai, trūkumo komanda buvo priversta spausdinti didelius „Calcomp“ brėžinius. Šiose schemose parodyta, kaip tranzistoriai, laidai ir jungtys turėtų būti išdėstyti luste, kad būtų gautas norimas išvestis. Komanda juos surinko ant grindų lipnia juosta, suformuodama milžinišką kvadratą, kurio kraštinė buvo daugiau nei 6 metrai. Kangas ir jo kolegos spalvotais pieštukais ranka nupiešė kiekvieną grandinę, ieškodami nutrūkusių jungčių ir persidengiančių ar netinkamai apdorotų jungčių.
Kai fizinis projektas buvo baigtas, komanda susidūrė su kitu iššūkiu: gamyba. Lustai buvo gaminami „Western Electric“ gamykloje Alentaune, Pensilvanijoje, tačiau Kangas prisimena, kad išeigos rodiklis (lustų, atitinkančių našumo ir kokybės standartus, procentas) buvo labai mažas.
Siekdamas išspręsti šią problemą, Kangas ir jo kolegos kasdien važiuodavo į gamyklą iš Naujojo Džersio, pasiraitojo rankoves ir darė viską, kas būtina, įskaitant grindų šlavimą ir bandymų įrangos kalibravimą, kad sukurtų draugišką atmosferą ir įtikintų visus, jog sudėtingiausias produktas, kokį tik gamykla bandė gaminti, iš tiesų gali būti pagamintas ten.
„Komandos formavimo procesas vyko sklandžiai“, – sakė Kangas. „Po kelių mėnesių „Western Electric“ sugebėjo pagaminti aukštos kokybės lustus kiekiais, kurie viršijo paklausą.“
Pirmoji „Bellmac-32“ versija buvo išleista 1980 m., tačiau ji nepateisino lūkesčių. Jo tikslinis našumo dažnis buvo tik 2 MHz, o ne 4 MHz. Inžinieriai atrado, kad tuo metu naudota moderni „Takeda Riken“ bandymų įranga buvo ydinga – perdavimo linijos efektai tarp zondo ir bandymo galvutės lėmė netikslius matavimus. Jie bendradarbiavo su „Takeda Riken“ komanda, kad sukurtų pataisų lentelę matavimo paklaidoms ištaisyti.
Antros kartos „Bellmac“ lustų taktinis dažnis viršijo 6,2 MHz, o kartais siekė net 9 MHz. Tuo metu tai buvo laikoma gana dideliu greičiu. 16 bitų „Intel 8088“ procesorius, kurį IBM išleido savo pirmajame asmeniniame kompiuteryje 1981 m., turėjo tik 4,77 MHz taktinį dažnį.
Kodėl „Bellmac-32“ to nepadarė„netapti pagrindine tendencija
Nepaisant daug žadančios sėkmės, „Bellmac-32“ technologija nebuvo plačiai pritaikyta komerciniais tikslais. Pasak Condrey, „AT&T“ pradėjo domėtis įrangos gamintoja NCR devintojo dešimtmečio pabaigoje, o vėliau ėmėsi įsigijimų, o tai reiškė, kad bendrovė pasirinko remti skirtingas lustų produktų linijas. Tuo metu „Bellmac-32“ įtaka jau buvo pradėjusi augti.
„Prieš „Bellmac-32“ rinką dominavo NMOS“, – teigė Condry. „Tačiau CMOS pakeitė situaciją, nes pasirodė esanti efektyvesnis būdas ją įdiegti gamykloje.“
Laikui bėgant, šis suvokimas pakeitė puslaidininkių pramonę. CMOS tapo šiuolaikinių mikroprocesorių pagrindu, skatinusiu skaitmeninę revoliuciją tokiuose įrenginiuose kaip staliniai kompiuteriai ir išmanieji telefonai.
Drąsus „Bell Labs“ eksperimentas – naudojant neišbandytą gamybos procesą ir apimantį visą lustų architektūros kartą – buvo svarbus žingsnis technologijų istorijoje.
Kaip teigia profesorius Kangas: „Mes buvome visų įmanomų galimybių priešakyje. Mes ne tik sekėme esamu keliu, bet ir tiesėme naują taką.“ Profesorius Huangas, vėliau tapęs Singapūro mikroelektronikos instituto direktoriaus pavaduotoju ir IEEE bendradarbiu, priduria: „Tai apėmė ne tik lustų architektūrą ir projektavimą, bet ir didelio masto lustų patikrą – naudojant CAD, bet be šiandieninių skaitmeninių modeliavimo įrankių ar net maketų (standartinis būdas patikrinti elektroninės sistemos grandinės projektą naudojant lustus prieš tai, kai grandinės komponentai yra visam laikui sujungiami).“
Condry, Kang ir Huang su meile prisimena tą laiką ir reiškia susižavėjimą daugelio AT&T darbuotojų, kurių pastangos leido sukurti „Bellmac-32“ lustų šeimą, įgūdžiais ir atsidavimu.
Įrašo laikas: 2025 m. gegužės 19 d.