הגעתו של שבב זה שינתה את מהלך פיתוח השבבים!
בסוף שנות ה-70, מעבדי 8-bit עדיין היו הטכנולוגיה המתקדמת ביותר באותה תקופה, ותהליכי CMOS היו בעמדת נחיתות בתחום המוליכים למחצה. מהנדסים במעבדות AT&T Bell עשו צעד נועז אל העתיד, ושילבו תהליכי ייצור CMOS מתקדמים של 3.5 מיקרון עם ארכיטקטורות מעבדים חדשניות של 32-bit, במאמץ להתעלות על המתחרים בביצועי השבבים, ולעקוף את IBM ואינטל.
למרות שההמצאה שלהם, המיקרו-מעבד Bellmac-32, לא הצליחה להשיג את ההצלחה המסחרית של מוצרים קודמים כמו Intel 4004 (שיצא ב-1971), השפעתה הייתה עמוקה. כיום, השבבים כמעט בכל הסמארטפונים, המחשבים הניידים והטאבלטים מסתמכים על עקרונות המוליכים למחצה המשלימים של תחמוצת מתכת (CMOS) שפותחו על ידי Bellmac-32.
שנות ה-80 התקרבו, ו-AT&T ניסתה לשנות את עצמה. במשך עשרות שנים, ענקית התקשורת שכונתה "פעמון האם" שלטה בעסקי התקשורת הקולית בארצות הברית, וחברת הבת שלה, Western Electric, ייצרה כמעט את כל הטלפונים הנפוצים בבתים ובמשרדים אמריקאים. ממשלת ארה"ב הפדרלית דחקה בפירוק עסקיה של AT&T מטעמי הגבלים עסקיים, אך AT&T ראתה הזדמנות להיכנס לתחום המחשבים.
עם חברות מחשבים שכבר היו מבוססות היטב בשוק, AT&T התקשתה להדביק את הפער; האסטרטגיה שלה הייתה לקפוץ קדימה, וה-Bellmac-32 היה קרש הקפיצה שלה.
משפחת השבבים Bellmac-32 זכתה בפרס IEEE Milestone Award. טקסי החשיפה יתקיימו השנה בקמפוס מעבדות נוקיה בל במארי היל, ניו ג'רזי, ובמוזיאון להיסטוריה של המחשבים במאונטיין ויו, קליפורניה.
שבב ייחודי
במקום ללכת לפי הסטנדרט התעשייתי של שבבי 8-bit, מנהלי AT&T אתגרו את מהנדסי Bell Labs לפתח מוצר מהפכני: המיקרו-מעבד המסחרי הראשון המסוגל להעביר 32 סיביות של נתונים במחזור שעון יחיד. זה דרש לא רק שבב חדש אלא גם ארכיטקטורה חדשה - כזו שתוכל להתמודד עם מיתוג טלקומוניקציה ולשמש כעמוד השדרה של מערכות מחשוב עתידיות.
"אנחנו לא רק בונים שבב מהיר יותר", אמר מייקל קונדרי, שמוביל את קבוצת הארכיטקטורה במתקן הומלדל, ניו ג'רזי, של מעבדות בל. "אנחנו מנסים לתכנן שבב שיכול לתמוך גם בקול וגם במחשוב".
באותה תקופה, טכנולוגיית CMOS נתפסה כחלופה מבטיחה אך מסוכנת לתכנוני NMOS ו-PMOS. שבבי NMOS הסתמכו אך ורק על טרנזיסטורים מסוג N, שהיו מהירים אך צמאי אנרגיה, בעוד שבבי PMOS הסתמכו על תנועה של חורים טעונים חיובית, שהייתה איטית מדי. CMOS השתמש בתכנון היברידי שהגביר את המהירות תוך חיסכון באנרגיה. היתרונות של CMOS היו כה משכנעים עד שהתעשייה הבינה במהרה שגם אם היא דורשת פי שניים טרנזיסטורים (NMOS ו-PMOS לכל שער), זה היה שווה את זה.
עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית המוליכים למחצה, כפי שתוארה על ידי חוק מור, עלות הכפלת צפיפות הטרנזיסטורים הפכה לניתנת לניהול ובסופו של דבר זניחה. עם זאת, כאשר מעבדות בל יצאו להימור בעל סיכון גבוה זה, טכנולוגיית ייצור CMOS בקנה מידה גדול לא הוכחה והעלות הייתה גבוהה יחסית.
זה לא הפחיד את בל לאבס. החברה הסתמכה על המומחיות של הקמפוסים שלה בהולמדל, מארי היל ונאפרוויל, אילינוי, והרכיבה "נבחרת חלומות" של מהנדסי מוליכים למחצה. הצוות כלל את קונדרי, סטיב קון, כוכב עולה בתכנון שבבים, ויקטור הואנג, מעצב מיקרו-מעבדים נוסף, ועשרות עובדים מ-AT&T בל לאבס. הם החלו לשלוט בתהליך CMOS חדש בשנת 1978 ולבנות מיקרו-מעבד 32 סיביות מאפס.
התחל עם אדריכלות עיצוב
קונדרי היה עמית IEEE לשעבר ומאוחר יותר שימש כמנהל הטכנולוגיה הראשי של אינטל. צוות הארכיטקטורה בראשותו היה מחויב לבניית מערכת שתמכה באופן טבעי במערכת ההפעלה יוניקס ובשפת C. באותה תקופה, גם יוניקס וגם שפת C היו עדיין בחיתולין, אך נועדו לשלוט. על מנת לפרוץ את מגבלת הזיכרון היקרה ביותר של קילובייט (KB) באותה תקופה, הם הציגו מערך הוראות מורכב שדרש פחות שלבי ביצוע ויכול להשלים משימות במחזור שעון אחד.
מהנדסים תכננו גם שבבים התומכים באפיק המקביל VersaModule Eurocard (VME), המאפשר מחשוב מבוזר ומאפשר למספר צמתים לעבד נתונים במקביל. שבבים תואמי VME מאפשרים גם להשתמש בהם לבקרה בזמן אמת.
הצוות כתב גרסה משלו של יוניקס ונתן לה יכולות בזמן אמת כדי להבטיח תאימות עם אוטומציה תעשייתית ויישומים דומים. מהנדסי מעבדות בל המציאו גם לוגיקת דומינו, שהגדילה את מהירות העיבוד על ידי צמצום עיכובים בשערי לוגיקה מורכבים.
טכניקות בדיקה ואימות נוספות פותחו והוצגו עם מודול Bellmac-32, פרויקט מורכב לאימות ובדיקה של שבבים מרובים בראשות ג'ן-הסון הואנג, שהשיג אפס או כמעט אפס פגמים בייצור שבבים מורכבים. זו הייתה הפעם הראשונה בעולם של בדיקות מעגלים משולבים בקנה מידה גדול מאוד (VLSI). מהנדסי Bell Labs פיתחו תוכנית שיטתית, בדקו שוב ושוב את עבודתם של עמיתיהם, ובסופו של דבר השיגו שיתוף פעולה חלק בין משפחות שבבים מרובות, שהגיע לשיאו במערכת מיקרו-מחשבים שלמה.
לאחר מכן מגיע החלק המאתגר ביותר: ייצור השבב עצמו.
"באותה תקופה, טכנולוגיות של פריסה, בדיקה וייצור בעל תפוקה גבוהה היו נדירות מאוד", נזכר קאנג, שלימים הפך לנשיא המכון המתקדם למדע וטכנולוגיה של קוריאה (KAIST) ועמית ב-IEEE. הוא מציין כי היעדר כלי CAD לאימות שבב מלא אילץ את הצוות להדפיס שרטוטים גדולים במיוחד של Calcomp. סכמות אלו מראות כיצד יש לסדר טרנזיסטורים, חוטים וחיבורים בתוך שבב כדי לתת את הפלט הרצוי. הצוות הרכיב אותם על הרצפה בעזרת סרט דביק, ויצר שרטוט ריבועי ענק שאורכו יותר מ-6 מטרים כל צד. קאנג ועמיתיו ציירו ידנית כל מעגל בעפרונות צבעוניים, וחיפשו חיבורים שבורים וחיבורים חופפים או שטופלו בצורה לא נכונה.
לאחר השלמת התכנון הפיזי, הצוות עמד בפני אתגר נוסף: ייצור. השבבים יוצרו במפעל Western Electric באלנטאון, פנסילבניה, אך קאנג נזכר ששיעור התפוקה (אחוז השבבים על הוופל שעמדו בתקני הביצועים והאיכות) היה נמוך מאוד.
כדי לטפל בכך, קאנג ועמיתיו נסעו למפעל מניו ג'רזי מדי יום, הפשילו שרוולים ועשו כל מה שצריך, כולל טאטוא רצפות וכיול ציוד בדיקה, כדי לבנות חברות ולשכנע את כולם שהמוצר המורכב ביותר שניסה המפעל לייצר אי פעם אכן יכול להיות מיוצר שם.
"תהליך בניית הצוות עבר בצורה חלקה", אמר קאנג. "לאחר מספר חודשים, ווסטרן אלקטריק הצליחה לייצר שבבים באיכות גבוהה בכמויות שעלו על הביקוש."
הגרסה הראשונה של ה-Bellmac-32 שוחררה בשנת 1980, אך היא לא עמדה בציפיות. תדר היעד לביצועים שלה היה רק 2 מגה-הרץ, ולא 4 מגה-הרץ. המהנדסים גילו כי ציוד הבדיקה המתקדם של Takeda Riken בו השתמשו באותה תקופה היה פגום, כאשר השפעות של קווי תמסורת בין הגשושית לראש הבדיקה גרמו למדידות לא מדויקות. הם עבדו עם צוות Takeda Riken כדי לפתח טבלת תיקון לתיקון שגיאות המדידה.
לשבבי Bellmac מהדור השני היו מהירויות שעון של מעל 6.2 מגה-הרץ, ולפעמים אף עד 9 מגה-הרץ. קצב זה נחשב למהיר למדי באותה תקופה. מעבד Intel 8088 בעל 16 סיביות ש-IBM הוציאה במחשב האישי הראשון שלה בשנת 1981 היה בעל מהירות שעון של 4.77 מגה-הרץ בלבד.
למה Bellmac-32 לא'לא להפוך למיינסטרים
למרות ההבטחה שהבטיחה, טכנולוגיית Bellmac-32 לא זכתה לאימוץ מסחרי נרחב. לדברי קונדרי, AT&T החלה לבחון את יצרנית הציוד NCR בסוף שנות ה-80 ומאוחר יותר פנתה לרכישות, מה שאומר שהחברה בחרה לתמוך בקווי מוצרים שונים של שבבים. עד אז, השפעתה של Bellmac-32 החלה לגדול.
"לפני Bellmac-32, NMOS שלטה בשוק", אמר קונדרי. "אבל CMOS שינתה את הנוף משום שהיא הוכיחה את עצמה כדרך יעילה יותר ליישם אותה במפעל."
עם הזמן, הבנה זו עיצבה מחדש את תעשיית המוליכים למחצה. CMOS הפך לבסיס למיקרו-מעבדים מודרניים, והניע את המהפכה הדיגיטלית במכשירים כמו מחשבים שולחניים וסמארטפונים.
הניסוי הנועז של מעבדות בל - תוך שימוש בתהליך ייצור שלא נוסה והשתרע על פני דור שלם של ארכיטקטורת שבבים - היה אבן דרך בהיסטוריה של הטכנולוגיה.
כפי שמציין פרופסור קאנג: "היינו בחזית האפשריות. לא רק הלכנו בדרך קיימת, סללנו דרך חדשה." פרופסור הואנג, שלימים הפך לסגן מנהל המכון הסינגפורי למיקרואלקטרוניקה וגם עמית IEEE, מוסיף: "זה כלל לא רק ארכיטקטורת ותכנון שבבים, אלא גם אימות שבבים בקנה מידה גדול - באמצעות CAD אך ללא כלי הסימולציה הדיגיטליים של ימינו או אפילו לוחות ניסוי (דרך סטנדרטית לבדיקת תכנון המעגל של מערכת אלקטרונית המשתמשת בשבבים לפני שרכיבי המעגל מחוברים יחד באופן קבוע)."
קונדרי, קאנג והואנג מביטים לאחור על התקופה הזו בחיבה ומביעים הערכה למיומנותם ולמסירותם של עובדי AT&T הרבים, שמאמציהם אפשרו את משפחת השבבים Bellmac-32.
זמן פרסום: 19 במאי 2025