L'arrivo di questo chip ha cambiato il corso dello sviluppo dei chip!
Alla fine degli anni '70, i processori a 8 bit rappresentavano ancora la tecnologia più avanzata del momento e i processi CMOS erano svantaggiati nel settore dei semiconduttori. Gli ingegneri degli AT&T Bell Labs fecero un passo audace verso il futuro, combinando processi di produzione CMOS all'avanguardia a 3,5 micron con innovative architetture di processori a 32 bit, nel tentativo di superare la concorrenza 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 (rilasciato nel 1971), la sua influenza è stata profonda. Oggi, i chip presenti in quasi tutti gli smartphone, laptop e tablet si basano sui principi della tecnologia CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), introdotta per la prima volta dal Bellmac-32.
Gli anni Ottanta 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 comuni nelle case e negli uffici americani. Il governo federale statunitense sollecitava lo smembramento delle attività di AT&T per motivi antitrust, ma AT&T intravide un'opportunità per entrare nel settore informatico.
Con le aziende informatiche già ben consolidate sul mercato, AT&T faticò a recuperare terreno; la sua strategia fu quella di superarle rapidamente, e il Bellmac-32 rappresentò il suo trampolino di lancio.
La famiglia di chip Bellmac-32 è stata insignita dell'IEEE Milestone Award. Le cerimonie di premiazione si terranno quest'anno presso il campus Nokia Bell Labs di Murray Hill, nel New Jersey, e presso il Computer History Museum di Mountain View, in California.
CHIP UNICO
Anziché 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 semplicemente costruendo un chip più veloce", ha affermato Michael Condry, responsabile del gruppo di architettura presso la sede di Bell Labs a Holmdel, nel New Jersey. "Stiamo cercando di progettare un chip in grado di supportare sia la voce che l'elaborazione dati."
All'epoca, la tecnologia CMOS era vista come un'alternativa promettente ma rischiosa ai design 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 caricate positivamente, un processo troppo lento. Il CMOS utilizzava un design ibrido che aumentava la velocità e al contempo riduceva il consumo energetico. I vantaggi del CMOS erano così evidenti che l'industria si rese presto conto che, anche se richiedeva il doppio dei transistor (NMOS e PMOS per ogni porta), 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 è diventato gestibile e infine trascurabile. Tuttavia, quando Bell Labs si è imbarcata in 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 la Bell Labs. L'azienda si avvalse delle competenze dei suoi campus di Holmdel, Murray Hill e Naperville, nell'Illinois, e mise insieme 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 della AT&T Bell Labs. Nel 1978 iniziarono a padroneggiare un nuovo processo CMOS e a costruire un microprocessore a 32 bit da zero.
Inizia con la progettazione architettonica
Condrey era un ex membro dell'IEEE Fellow e in seguito ricoprì il ruolo di Chief Technology Officer di Intel. Il team di architettura da lui guidato si impegnò a costruire 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, all'epoca estremamente prezioso, di kilobyte (KB), introdussero un set di istruzioni complesso che richiedeva un minor numero di passaggi di esecuzione e poteva completare le attività in un singolo ciclo di clock.
Gli ingegneri hanno inoltre progettato chip che supportano il bus parallelo VersaModule Eurocard (VME), il quale consente il calcolo distribuito e permette a più nodi di elaborare i dati in parallelo. I chip compatibili con VME consentono anche il loro utilizzo per il controllo in tempo reale.
Il team ha scritto una propria versione di Unix, dotandola di funzionalità in tempo reale per garantire la compatibilità con l'automazione industriale e applicazioni simili. Gli ingegneri dei Bell Labs hanno anche inventato la logica domino, che ha aumentato la velocità di elaborazione riducendo i ritardi nei complessi circuiti logici.
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 un livello di difetti pari a zero o quasi zero nella produzione di chip complessi. Si è trattato di una novità assoluta nel mondo del test di circuiti integrati a larghissima scala (VLSI). Gli ingegneri di Bell Labs hanno sviluppato un piano sistematico, verificato ripetutamente il lavoro dei colleghi e, infine, raggiunto una collaborazione senza soluzione di continuità tra diverse famiglie di chip, culminata nella realizzazione di un sistema microcomputer completo.
Ora arriva la parte più impegnativa: la produzione vera e propria del chip.
"All'epoca, le tecnologie di layout, test e produzione ad alto rendimento erano molto rare", ricorda Kang, che in seguito divenne presidente del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) e membro dell'IEEE. Sottolinea 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 ottenere l'output desiderato. Il team li assemblò sul pavimento con del nastro adesivo, formando un gigantesco disegno quadrato di oltre 6 metri per lato. Kang e i suoi colleghi disegnarono a mano ogni circuito con matite colorate, cercando connessioni interrotte e interconnessioni sovrapposte o gestite in modo errato.
Una volta completata la progettazione fisica, il team si trovò ad affrontare un'altra sfida: la produzione. I chip venivano prodotti nello stabilimento della Western Electric ad Allentown, in Pennsylvania, ma Kang ricorda che il tasso di resa (la percentuale di chip sul wafer che soddisfacevano gli standard di prestazioni e qualità) era molto basso.
Per ovviare a 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, compreso spazzare i pavimenti e calibrare le apparecchiature di collaudo, per costruire un clima di collaborazione e convincere tutti che il prodotto più complesso che lo stabilimento avesse mai tentato di realizzare poteva effettivamente essere prodotto lì.
"Il processo di formazione del team si è svolto senza intoppi", ha affermato Kang. "Dopo alcuni mesi, Western Electric è stata in grado di produrre chip di alta qualità in quantità superiori alla domanda."
La prima versione del Bellmac-32 fu rilasciata nel 1980, ma non riuscì a soddisfare le aspettative. La sua frequenza di funzionamento target era di soli 2 MHz, non 4 MHz. Gli ingegneri scoprirono che le sofisticate apparecchiature di test Takeda Riken che stavano utilizzando all'epoca presentavano dei difetti, con effetti di linea di trasmissione tra la sonda e la testa di test che causavano misurazioni imprecise. Collaborarono quindi con il team Takeda Riken per sviluppare una tabella di correzione al fine di correggere gli errori di misurazione.
I chip Bellmac di seconda generazione avevano frequenze di clock superiori a 6,2 MHz, a volte raggiungendo anche i 9 MHz. All'epoca, questo era considerato piuttosto elevato. Il processore Intel 8088 a 16 bit che IBM presentò nel suo primo PC nel 1981 aveva una frequenza di clock di soli 4,77 MHz.
Perché Bellmac-32 non'diventare mainstream
Nonostante le sue promettenti premesse, la tecnologia Bellmac-32 non ottenne un'ampia diffusione commerciale. Secondo Condrey, AT&T iniziò a valutare il produttore di apparecchiature NCR alla fine degli anni '80 e in seguito si orientò verso le acquisizioni, il che significava che l'azienda scelse di supportare diverse linee di prodotti a chip. A quel punto, l'influenza del Bellmac-32 aveva iniziato a crescere.
"Prima del Bellmac-32, il mercato era dominato dalla tecnologia NMOS", ha affermato Condry. "Ma il CMOS ha cambiato lo scenario, dimostrandosi un metodo più efficiente per la sua implementazione negli stabilimenti di produzione."
Nel corso del tempo, questa consapevolezza ha trasformato l'industria dei semiconduttori. La tecnologia CMOS sarebbe diventata la base dei moderni microprocessori, alimentando la rivoluzione digitale in dispositivi come computer desktop e smartphone.
L'audace esperimento dei Bell Labs, che utilizzava un processo di produzione non collaudato e abbracciava un'intera generazione di architetture di chip, ha rappresentato 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 esistente, stavamo aprendo una nuova strada". 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 su larga scala dei chip, utilizzando il CAD ma senza gli odierni strumenti di simulazione digitale o persino le breadboard (un metodo standard per verificare la progettazione del circuito di un sistema elettronico che utilizza chip prima che i componenti del circuito siano collegati in modo permanente)."
Condry, Kang e Huang ricordano con affetto quel periodo ed esprimono ammirazione per la competenza e la dedizione dei numerosi dipendenti di AT&T i cui sforzi hanno reso possibile la famiglia di chip Bellmac-32.
Data di pubblicazione: 19 maggio 2025