Bu çipin ortaya çıkışı, çip geliştirme sürecinin seyrini değiştirdi!
1970'lerin sonlarında, 8 bit işlemciler o zamanın en gelişmiş teknolojisiydi ve CMOS süreçleri yarı iletken alanında dezavantajlıydı. AT&T Bell Labs'taki mühendisler, çip performansında rakiplerini geride bırakmak ve IBM ile Intel'i geçmek amacıyla, en son teknoloji ürünü 3,5 mikron CMOS üretim süreçlerini yenilikçi 32 bit işlemci mimarileriyle birleştirerek geleceğe doğru cesur bir adım attılar.
Bellmac-32 mikroişlemcisinin icadı, Intel 4004 (1971'de piyasaya sürüldü) gibi önceki ürünlerin ticari başarısını yakalayamasa da, etkisi çok büyük oldu. Bugün, neredeyse tüm akıllı telefonlarda, dizüstü bilgisayarlarda ve tabletlerdeki çipler, Bellmac-32 tarafından öncülük edilen tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) prensiplerine dayanmaktadır.
1980'ler yaklaşıyordu ve AT&T kendini dönüştürmeye çalışıyordu. On yıllarca "Ana Bell" lakaplı telekomünikasyon devi, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki sesli iletişim işine hakim olmuş ve yan kuruluşu Western Electric, Amerikan evlerinde ve ofislerinde kullanılan neredeyse tüm yaygın telefonları üretmişti. ABD federal hükümeti, tekel karşıtı gerekçelerle AT&T'nin işinin bölünmesini savundu, ancak AT&T bilgisayar alanına girme fırsatı gördü.
Piyasada zaten köklü bir yer edinmiş bilgisayar şirketleri varken, AT&T'nin arayı kapatması zor oldu; stratejisi sıçrama yapmaktı ve Bellmac-32 bu sıçrama tahtası oldu.
Bellmac-32 çip ailesi, IEEE Kilometre Taşı Ödülü'ne layık görüldü. Bu yılki tanıtım törenleri, New Jersey, Murray Hill'deki Nokia Bell Labs kampüsünde ve Kaliforniya, Mountain View'deki Bilgisayar Tarihi Müzesi'nde düzenlenecek.
EŞSİZ ÇİP
AT&T yöneticileri, endüstri standardı olan 8 bitlik çipleri takip etmek yerine, Bell Labs mühendislerine devrim niteliğinde bir ürün geliştirmeleri için meydan okudu: tek bir saat döngüsünde 32 bit veri aktarabilen ilk ticari mikroişlemci. Bu, yalnızca yeni bir çip değil, aynı zamanda telekomünikasyon anahtarlamasını yönetebilecek ve gelecekteki bilgi işlem sistemlerinin omurgası olarak hizmet edebilecek yeni bir mimari gerektiriyordu.
Bell Labs'ın Holmdel, New Jersey tesisindeki mimari grubunun lideri Michael Condry, "Biz sadece daha hızlı bir çip üretmiyoruz," dedi. "Hem ses hem de işlem gücünü destekleyebilecek bir çip tasarlamaya çalışıyoruz."
O dönemde CMOS teknolojisi, NMOS ve PMOS tasarımlarına umut vadeden ancak riskli bir alternatif olarak görülüyordu. NMOS çipler tamamen hızlı ancak çok enerji tüketen N tipi transistörlere dayanırken, PMOS çipler ise çok yavaş olan pozitif yüklü deliklerin hareketine dayanıyordu. CMOS, hızı artırırken güç tasarrufu sağlayan hibrit bir tasarım kullanıyordu. CMOS'un avantajları o kadar etkileyiciydi ki, sektör kısa sürede bunun iki kat daha fazla transistör (her bir kapı için NMOS ve PMOS) gerektirse bile buna değeceğini fark etti.
Moore Yasası'nın tanımladığı yarı iletken teknolojisindeki hızlı gelişmelerle birlikte, transistör yoğunluğunu ikiye katlamanın maliyeti yönetilebilir ve sonunda ihmal edilebilir hale geldi. Ancak Bell Labs bu yüksek riskli kumarı başlattığında, büyük ölçekli CMOS üretim teknolojisi henüz kanıtlanmamıştı ve maliyet nispeten yüksekti.
Bu durum Bell Labs'ı korkutmadı. Şirket, Illinois'deki Holmdel, Murray Hill ve Naperville kampüslerinin uzmanlığından yararlanarak yarı iletken mühendislerinden oluşan bir "rüya takımı" kurdu. Bu takımda Condrey, çip tasarımında yükselen bir yıldız olan Steve Conn, bir diğer mikroişlemci tasarımcısı Victor Huang ve AT&T Bell Labs'tan düzinelerce çalışan yer alıyordu. 1978'de yeni bir CMOS sürecini öğrenmeye ve sıfırdan 32 bitlik bir mikroişlemci geliştirmeye başladılar.
Tasarım mimarisiyle başlayın.
Condrey, eski bir IEEE Üyesiydi ve daha sonra Intel'in Baş Teknoloji Sorumlusu olarak görev yaptı. Liderliğini yaptığı mimari ekip, Unix işletim sistemini ve C dilini doğal olarak destekleyen bir sistem oluşturmaya odaklanmıştı. O zamanlar hem Unix hem de C dili henüz başlangıç aşamasındaydı, ancak gelecekte hakimiyet kuracaklardı. O dönemde son derece değerli olan kilobayt (KB) bellek sınırını aşmak için, daha az yürütme adımı gerektiren ve görevleri tek bir saat döngüsü içinde tamamlayabilen karmaşık bir komut seti geliştirdiler.
Mühendisler ayrıca, dağıtık hesaplamayı mümkün kılan ve birden fazla düğümün verileri paralel olarak işlemesine olanak tanıyan VersaModule Eurocard (VME) paralel veri yolunu destekleyen çipler de tasarladılar. VME uyumlu çipler, gerçek zamanlı kontrol için de kullanılabilmelerini sağlar.
Ekip, Unix'in kendi versiyonunu yazdı ve endüstriyel otomasyon ve benzeri uygulamalarla uyumluluğu sağlamak için ona gerçek zamanlı yetenekler kazandırdı. Bell Labs mühendisleri ayrıca, karmaşık mantık kapılarındaki gecikmeleri azaltarak işlem hızını artıran domino mantığını da icat etti.
Jen-Hsun Huang liderliğindeki karmaşık çoklu çip doğrulama ve test projesi olan Bellmac-32 modülü ile ek test ve doğrulama teknikleri geliştirildi ve kullanıma sunuldu; bu proje, karmaşık çip üretiminde sıfır veya sıfıra yakın hata oranına ulaşılmasını sağladı. Bu, çok büyük ölçekli entegre devre (VLSI) testinde dünyada bir ilkti. Bell Labs mühendisleri sistematik bir plan geliştirdi, meslektaşlarının çalışmalarını defalarca kontrol etti ve nihayetinde birden fazla çip ailesi arasında sorunsuz bir iş birliği sağlayarak eksiksiz bir mikrobilgisayar sistemi ortaya koydu.
Sırada en zorlu kısım var: çipin gerçek üretimi.
"O zamanlar, devre tasarımı, test ve yüksek verimli üretim teknolojileri çok azdı," diye hatırlıyor daha sonra Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST) başkanı ve IEEE üyesi olan Kang. Tam çip doğrulaması için CAD araçlarının eksikliğinin, ekibi devasa Calcomp çizimleri yazdırmaya zorladığını belirtiyor. Bu şemalar, istenen çıktıyı elde etmek için transistörlerin, tellerin ve ara bağlantıların bir çip içinde nasıl düzenlenmesi gerektiğini gösteriyor. Ekip bunları yere bantla yapıştırarak, kenarı 6 metreden fazla olan dev bir kare çizim oluşturdu. Kang ve meslektaşları, kırık bağlantıları ve üst üste binen veya yanlış işlenmiş ara bağlantıları arayarak her devreyi renkli kalemlerle elle çizdiler.
Fiziksel tasarım tamamlandıktan sonra ekip başka bir zorlukla karşılaştı: üretim. Çipler, Allentown, Pennsylvania'daki Western Electric fabrikasında üretiliyordu, ancak Kang, verim oranının (yonga üzerindeki çiplerin performans ve kalite standartlarını karşılayan yüzdesi) çok düşük olduğunu hatırlıyor.
Bu sorunu çözmek için Kang ve meslektaşları her gün New Jersey'den fabrikaya gidip kolları sıvadılar ve yerleri süpürmek, test ekipmanlarını kalibre etmek de dahil olmak üzere gereken her şeyi yaparak, ekip ruhunu güçlendirdiler ve fabrikanın bugüne kadar üretmeye çalıştığı en karmaşık ürünün gerçekten de orada üretilebileceğine herkesi ikna ettiler.
Kang, "Ekip oluşturma süreci sorunsuz geçti," dedi. "Birkaç ay sonra Western Electric, talebi aşan miktarlarda yüksek kaliteli çipler üretebildi."
Bellmac-32'nin ilk versiyonu 1980'de piyasaya sürüldü, ancak beklentileri karşılayamadı. Performans hedef frekansı 4 MHz değil, sadece 2 MHz idi. Mühendisler, o dönemde kullandıkları son teknoloji ürünü Takeda Riken test ekipmanının kusurlu olduğunu, prob ile test başlığı arasındaki iletim hattı etkilerinin hatalı ölçümlere neden olduğunu keşfettiler. Ölçüm hatalarını düzeltmek için Takeda Riken ekibiyle birlikte bir düzeltme tablosu geliştirdiler.
İkinci nesil Bellmac çiplerinin saat hızları 6,2 MHz'i aşıyor, bazen 9 MHz'e kadar çıkıyordu. Bu, o zamanlar oldukça hızlı kabul ediliyordu. IBM'in 1981'de ilk PC'sinde kullandığı 16 bitlik Intel 8088 işlemcisinin saat hızı ise sadece 4,77 MHz idi.
Bellmac-32 neden...'ana akım haline gelmek
Bellmac-32 teknolojisi, vaatlerine rağmen yaygın ticari kullanım kazanmadı. Condrey'e göre, AT&T 1980'lerin sonlarında ekipman üreticisi NCR'ye bakmaya başladı ve daha sonra satın almalara yöneldi; bu da şirketin farklı çip ürün hatlarını desteklemeyi seçtiği anlamına geliyordu. O zamana kadar Bellmac-32'nin etkisi artmaya başlamıştı.
Condry, “Bellmac-32'den önce NMOS piyasaya hakimdi,” dedi. “Ancak CMOS, üretim tesisinde uygulanmasının daha verimli bir yolu olduğunu kanıtladığı için durumu değiştirdi.”
Zamanla bu farkındalık yarı iletken endüstrisini yeniden şekillendirdi. CMOS, masaüstü bilgisayarlar ve akıllı telefonlar gibi cihazlardaki dijital devrimi destekleyen modern mikroişlemcilerin temeli haline geldi.
Bell Labs'ın denenmemiş bir üretim sürecini kullanarak ve tüm bir çip mimarisi neslini kapsayan cesur deneyi, teknoloji tarihinde bir dönüm noktasıydı.
Profesör Kang'ın da belirttiği gibi: “Mümkün olanın en ön saflarındaydık. Sadece mevcut bir yolu takip etmiyorduk, yeni bir yol açıyorduk.” Daha sonra Singapur Mikroelektronik Enstitüsü'nün müdür yardımcısı olan ve aynı zamanda IEEE Üyesi olan Profesör Huang ise şunları ekliyor: “Bu, sadece çip mimarisi ve tasarımını değil, aynı zamanda büyük ölçekli çip doğrulamasını da içeriyordu – CAD kullanarak, ancak günümüzün dijital simülasyon araçları veya hatta devre tahtaları (devre bileşenleri kalıcı olarak birbirine bağlanmadan önce çipler kullanan bir elektronik sistemin devre tasarımını kontrol etmenin standart bir yolu) olmadan.”
Condry, Kang ve Huang o günleri sevgiyle anıyor ve Bellmac-32 çip ailesinin mümkün olmasını sağlayan birçok AT&T çalışanının beceri ve özverisine duydukları hayranlığı dile getiriyorlar.
Yayın tarihi: 19 Mayıs 2025