L'arrivo di questo chip ha cambiato il corso dello sviluppo dei chip!
Alla fine degli anni '70, i processori a 8 bit erano ancora la tecnologia più avanzata dell'epoca e i processi CMOS erano svantaggiati nel campo dei semiconduttori. Gli ingegneri dei Bell Labs di AT&T fecero un passo coraggioso verso il futuro, combinando processi di produzione CMOS all'avanguardia da 3,5 micron con innovative architetture di processori a 32 bit, nel tentativo di superare i concorrenti in termini di prestazioni dei chip, superando IBM e Intel.
Sebbene la loro invenzione, il microprocessore Bellmac-32, non abbia raggiunto il successo commerciale di prodotti precedenti come l'Intel 4004 (lanciato nel 1971), la sua influenza è stata profonda. Oggi, i chip di quasi tutti gli smartphone, laptop e tablet si basano sui principi dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS), introdotti per la prima volta dal Bellmac-32.
Gli anni '80 si avvicinavano e AT&T stava cercando di trasformarsi. Per decenni, il gigante delle telecomunicazioni soprannominato "Mother Bell" aveva dominato il settore delle comunicazioni vocali negli Stati Uniti, e la sua controllata Western Electric produceva quasi tutti i telefoni più comuni nelle case e negli uffici americani. Il governo federale degli Stati Uniti aveva sollecitato lo smembramento di AT&T per motivi antitrust, ma AT&T vide l'opportunità di entrare nel settore informatico.
Poiché le aziende informatiche erano già ben affermate sul mercato, AT&T ebbe difficoltà a recuperare terreno; la sua strategia era quella di fare un balzo in avanti e il Bellmac-32 fu il suo trampolino di lancio.
La famiglia di chip Bellmac-32 è stata insignita dell'IEEE Milestone Award. Le cerimonie di presentazione si terranno quest'anno presso il campus dei Nokia Bell Labs a Murray Hill, nel New Jersey, e presso il Computer History Museum di Mountain View, in California.
CHIP UNICO
Invece di seguire lo standard industriale dei chip a 8 bit, i dirigenti di AT&T sfidarono gli ingegneri dei Bell Labs a sviluppare un prodotto rivoluzionario: il primo microprocessore commerciale in grado di trasferire 32 bit di dati in un singolo ciclo di clock. Ciò richiedeva non solo un nuovo chip, ma anche una nuova architettura, in grado di gestire la commutazione delle telecomunicazioni e di fungere da spina dorsale dei futuri sistemi informatici.
"Non stiamo solo costruendo un chip più veloce", ha affermato Michael Condry, a capo del gruppo di architettura presso lo stabilimento Bell Labs di Holmdel, nel New Jersey. "Stiamo cercando di progettare un chip in grado di supportare sia la voce che il calcolo."
All'epoca, la tecnologia CMOS era considerata un'alternativa promettente ma rischiosa ai progetti NMOS e PMOS. I chip NMOS si basavano interamente su transistor di tipo N, veloci ma ad alto consumo energetico, mentre i chip PMOS si basavano sul movimento di lacune a carica positiva, troppo lento. Il CMOS utilizzava un design ibrido che aumentava la velocità risparmiando energia. I vantaggi del CMOS erano così convincenti che l'industria si rese presto conto che, anche se richiedeva il doppio dei transistor (NMOS e PMOS per ogni gate), ne valeva la pena.
Con il rapido sviluppo della tecnologia dei semiconduttori descritto dalla Legge di Moore, il costo del raddoppio della densità dei transistor divenne gestibile e alla fine trascurabile. Tuttavia, quando i Bell Labs intrapresero questa scommessa ad alto rischio, la tecnologia di produzione CMOS su larga scala non era ancora collaudata e il costo era relativamente elevato.
Questo non spaventò i Bell Labs. L'azienda si avvalse delle competenze dei suoi campus di Holmdel, Murray Hill e Naperville, in Illinois, e creò un "dream team" di ingegneri dei semiconduttori. Il team comprendeva Condrey, Steve Conn, una stella nascente nella progettazione di chip, Victor Huang, un altro progettista di microprocessori, e decine di dipendenti dei Bell Labs di AT&T. Iniziarono a padroneggiare un nuovo processo CMOS nel 1978 e costruirono da zero un microprocessore a 32 bit.
Inizia con l'architettura del design
Condrey era un ex IEEE Fellow e in seguito ha ricoperto il ruolo di Chief Technology Officer di Intel. Il team di architettura da lui guidato era impegnato a realizzare un sistema che supportasse nativamente il sistema operativo Unix e il linguaggio C. All'epoca, sia Unix che il linguaggio C erano ancora agli albori, ma erano destinati a dominare. Per superare il limite di memoria, estremamente prezioso, dei kilobyte (KB), introdussero un set di istruzioni complesso che richiedeva meno passaggi di esecuzione e poteva completare le attività in un solo ciclo di clock.
Gli ingegneri hanno anche progettato chip che supportano il bus parallelo VersaModule Eurocard (VME), che consente l'elaborazione distribuita e permette a più nodi di elaborare dati in parallelo. I chip compatibili con VME possono anche essere utilizzati per il controllo in tempo reale.
Il team scrisse una propria versione di Unix e le dotò di funzionalità in tempo reale per garantire la compatibilità con l'automazione industriale e applicazioni simili. Gli ingegneri dei Bell Labs inventarono anche la logica domino, che aumentò la velocità di elaborazione riducendo i ritardi nelle porte logiche complesse.
Ulteriori tecniche di test e verifica sono state sviluppate e introdotte con il modulo Bellmac-32, un complesso progetto di verifica e test multi-chip guidato da Jen-Hsun Huang che ha raggiunto zero o quasi zero difetti nella produzione di chip complessi. Si è trattato di una novità assoluta nel mondo dei test su circuiti integrati su larga scala (VLSI). Gli ingegneri dei Bell Labs hanno sviluppato un piano sistematico, hanno ripetutamente verificato il lavoro dei colleghi e, infine, hanno raggiunto una collaborazione fluida tra diverse famiglie di chip, culminando in un sistema di microcomputer completo.
Ora arriva la parte più impegnativa: la produzione vera e propria del chip.
"A quel tempo, le tecnologie di layout, test e produzione ad alto rendimento erano molto scarse", ricorda Kang, che in seguito divenne presidente del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) e membro dell'IEEE. Osserva che la mancanza di strumenti CAD per la verifica completa del chip costrinse il team a stampare disegni Calcomp di grandi dimensioni. Questi schemi mostrano come transistor, fili e interconnessioni dovrebbero essere disposti all'interno di un chip per fornire l'output desiderato. Il team li assemblò sul pavimento con del nastro adesivo, formando un gigantesco disegno quadrato di oltre 6 metri di lato. Kang e i suoi colleghi disegnarono a mano ogni circuito con matite colorate, cercando connessioni interrotte e interconnessioni sovrapposte o gestite in modo improprio.
Una volta completata la progettazione fisica, il team si è trovato ad affrontare un'altra sfida: la produzione. I chip sono stati prodotti nello stabilimento Western Electric di Allentown, in Pennsylvania, ma Kang ricorda che il tasso di rendimento (la percentuale di chip sul wafer che soddisfacevano gli standard di prestazioni e qualità) era molto basso.
Per risolvere questo problema, Kang e i suoi colleghi si recavano ogni giorno allo stabilimento dal New Jersey, si rimboccavano le maniche e facevano tutto il necessario, tra cui spazzare i pavimenti e calibrare le apparecchiature di prova, per creare cameratismo e convincere tutti che il prodotto più complesso che lo stabilimento avesse mai tentato di produrre poteva effettivamente essere realizzato lì.
"Il processo di team building è andato liscio", ha detto Kang. "Dopo pochi mesi, Western Electric è riuscita a produrre chip di alta qualità in quantità superiori alla domanda."
La prima versione del Bellmac-32 fu rilasciata nel 1980, ma non fu all'altezza delle aspettative. La sua frequenza target di prestazione era di soli 2 MHz, non di 4 MHz. Gli ingegneri scoprirono che l'attrezzatura di prova Takeda Riken all'avanguardia che utilizzavano all'epoca era difettosa, con effetti di linea di trasmissione tra la sonda e la testa di prova che causavano misurazioni imprecise. Collaborarono con il team Takeda Riken per sviluppare una tabella di correzione per correggere gli errori di misurazione.
I chip Bellmac di seconda generazione avevano velocità di clock superiori a 6,2 MHz, a volte fino a 9 MHz. All'epoca, questa velocità era considerata piuttosto elevata. Il processore Intel 8088 a 16 bit che IBM lanciò nel suo primo PC nel 1981 aveva una velocità di clock di soli 4,77 MHz.
Perché Bellmac-32 non'non diventare mainstream
Nonostante le sue promesse, la tecnologia Bellmac-32 non ottenne un'ampia diffusione commerciale. Secondo Condrey, AT&T iniziò a interessarsi al produttore di apparecchiature NCR alla fine degli anni '80 e in seguito si dedicò ad acquisizioni, il che portò l'azienda a scegliere di supportare diverse linee di prodotti chip. A quel punto, l'influenza di Bellmac-32 aveva iniziato a crescere.
"Prima di Bellmac-32, il mercato era dominato dalla tecnologia NMOS", ha affermato Condry. "Ma la tecnologia CMOS ha cambiato il panorama perché si è dimostrata un modo più efficiente per implementarla in fabbrica."
Nel tempo, questa consapevolezza ha rimodellato l'industria dei semiconduttori. Il CMOS sarebbe diventato la base dei moderni microprocessori, alimentando la rivoluzione digitale in dispositivi come computer desktop e smartphone.
L'audace esperimento dei Bell Labs, che utilizzò un processo di produzione non testato e coprì un'intera generazione di architetture di chip, rappresentò una pietra miliare nella storia della tecnologia.
Come afferma il Professor Kang: "Eravamo all'avanguardia di ciò che era possibile. Non stavamo semplicemente seguendo un percorso già esistente, ma ne stavamo tracciando uno nuovo". Il Professor Huang, che in seguito è diventato vicedirettore del Singapore Institute of Microelectronics ed è anche membro dell'IEEE, aggiunge: "Questo includeva non solo l'architettura e la progettazione dei chip, ma anche la verifica dei chip su larga scala, utilizzando il CAD ma senza gli attuali strumenti di simulazione digitale o persino le breadboard (un metodo standard per verificare la progettazione dei circuiti di un sistema elettronico utilizzando i chip prima che i componenti del circuito siano collegati tra loro in modo permanente)".
Condry, Kang e Huang ripensano con affetto a quel periodo ed esprimono ammirazione per la competenza e la dedizione dei numerosi dipendenti AT&T, i cui sforzi hanno reso possibile la famiglia di chip Bellmac-32.
Data di pubblicazione: 19 maggio 2025