Die Einführung dieses Chips veränderte den Verlauf der Chipentwicklung!
In den späten 1970er Jahren waren 8-Bit-Prozessoren noch die fortschrittlichste Technologie, und CMOS-Prozesse waren im Halbleiterbereich im Nachteil. Ingenieure der AT&T Bell Labs wagten einen mutigen Schritt in die Zukunft und kombinierten modernste 3,5-Mikron-CMOS-Fertigungsverfahren mit innovativen 32-Bit-Prozessorarchitekturen, um die Chipleistung der Konkurrenz zu übertreffen und IBM und Intel zu überflügeln.
Obwohl ihre Erfindung, der Bellmac-32-Mikroprozessor, nicht den kommerziellen Erfolg früherer Produkte wie dem Intel 4004 (erschienen 1971) erreichte, war ihr Einfluss enorm. Heute basieren die Chips in fast allen Smartphones, Laptops und Tablets auf dem CMOS-Prinzip (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), das mit dem Bellmac-32 entwickelt wurde.
Die 1980er Jahre nahten, und AT&T versuchte, sich zu wandeln. Jahrzehntelang hatte der Telekommunikationsriese mit dem Spitznamen „Mother Bell“ das Sprachkommunikationsgeschäft in den USA dominiert, und seine Tochtergesellschaft Western Electric produzierte fast alle gängigen Telefone in amerikanischen Haushalten und Büros. Die US-Regierung drängte aus kartellrechtlichen Gründen auf die Zerschlagung des AT&T-Geschäfts, doch AT&T sah darin eine Chance, in die Computerbranche einzusteigen.
Da Computerunternehmen bereits gut auf dem Markt etabliert waren, fiel es AT&T schwer, aufzuholen. Die Strategie des Unternehmens bestand darin, die Konkurrenz zu überholen, und der Bellmac-32 war sein Sprungbrett.
Die Bellmac-32-Chipfamilie wurde mit einem IEEE Milestone Award ausgezeichnet. Die feierliche Enthüllung findet dieses Jahr auf dem Campus der Nokia Bell Labs in Murray Hill, New Jersey, und im Computer History Museum in Mountain View, Kalifornien, statt.
EINZIGARTIGER CHIP
Anstatt dem Industriestandard der 8-Bit-Chips zu folgen, forderten die Führungskräfte von AT&T die Ingenieure von Bell Labs auf, ein revolutionäres Produkt zu entwickeln: den ersten kommerziellen Mikroprozessor, der 32 Bit Daten in einem einzigen Taktzyklus übertragen konnte. Dies erforderte nicht nur einen neuen Chip, sondern auch eine neue Architektur – eine, die die Telekommunikationsvermittlung bewältigen und als Rückgrat zukünftiger Computersysteme dienen konnte.
„Wir bauen nicht einfach nur einen schnelleren Chip“, sagte Michael Condry, Leiter der Architekturgruppe im Bell Labs-Werk in Holmdel, New Jersey. „Wir versuchen, einen Chip zu entwickeln, der sowohl Sprach- als auch Rechenfunktionen unterstützt.“
Damals galt die CMOS-Technologie als vielversprechende, aber riskante Alternative zu NMOS- und PMOS-Designs. NMOS-Chips basierten ausschließlich auf N-Typ-Transistoren, die zwar schnell, aber stromhungrig waren, während PMOS-Chips auf der Bewegung positiv geladener Löcher basierten, was zu langsam war. CMOS verwendete ein Hybriddesign, das die Geschwindigkeit erhöhte und gleichzeitig Strom sparte. Die Vorteile von CMOS waren so überzeugend, dass die Industrie bald erkannte, dass sich die Investition lohnte, selbst wenn doppelt so viele Transistoren (NMOS und PMOS pro Gate) benötigt wurden.
Mit der rasanten Entwicklung der Halbleitertechnologie, die durch das Mooresche Gesetz beschrieben wird, wurden die Kosten für die Verdoppelung der Transistordichte überschaubar und schließlich vernachlässigbar. Als Bell Labs dieses riskante Wagnis einging, war die Technologie zur großtechnischen CMOS-Fertigung jedoch noch nicht erprobt und die Kosten relativ hoch.
Dies ließ Bell Labs nicht abschrecken. Das Unternehmen nutzte das Know-how seiner Standorte in Holmdel, Murray Hill und Naperville, Illinois, und stellte ein „Dream Team“ aus Halbleiteringenieuren zusammen. Zum Team gehörten Condrey, Steve Conn, ein aufstrebender Star im Chipdesign, Victor Huang, ein weiterer Mikroprozessorentwickler, und Dutzende Mitarbeiter von AT&T Bell Labs. 1978 begannen sie, ein neues CMOS-Verfahren zu meistern und einen 32-Bit-Mikroprozessor von Grund auf neu zu entwickeln.
Beginnen Sie mit der Designarchitektur
Condrey war ehemaliger IEEE Fellow und später Chief Technology Officer bei Intel. Das von ihm geleitete Architekturteam hatte sich zum Ziel gesetzt, ein System zu entwickeln, das das Unix-Betriebssystem und die Programmiersprache C nativ unterstützte. Sowohl Unix als auch C steckten damals noch in den Kinderschuhen, sollten sich aber durchsetzen. Um die damals extrem wertvolle Speichergrenze von Kilobyte (KB) zu durchbrechen, führten sie einen komplexen Befehlssatz ein, der weniger Ausführungsschritte benötigte und Aufgaben innerhalb eines Taktzyklus erledigen konnte.
Die Ingenieure entwickelten außerdem Chips, die den Parallelbus VersaModule Eurocard (VME) unterstützen. Dieser ermöglicht verteiltes Rechnen und die parallele Datenverarbeitung mehrerer Knoten. VME-kompatible Chips ermöglichen zudem den Einsatz in der Echtzeitsteuerung.
Das Team entwickelte eine eigene Unix-Version und stattete sie mit Echtzeitfunktionen aus, um die Kompatibilität mit der industriellen Automatisierung und ähnlichen Anwendungen sicherzustellen. Die Ingenieure von Bell Labs erfanden außerdem die Domino-Logik, die die Verarbeitungsgeschwindigkeit durch die Reduzierung von Verzögerungen in komplexen Logikgattern erhöhte.
Zusätzliche Test- und Verifizierungstechniken wurden entwickelt und mit dem Bellmac-32-Modul eingeführt, einem komplexen Multi-Chip-Verifizierungs- und Testprojekt unter der Leitung von Jen-Hsun Huang, das null oder nahezu null Fehler bei der Herstellung komplexer Chips erreichte. Dies war ein Novum im Bereich der Tests sehr großer integrierter Schaltkreise (VLSI). Die Ingenieure von Bell Labs entwickelten einen systematischen Plan, überprüften wiederholt die Arbeit ihrer Kollegen und erreichten schließlich eine nahtlose Zusammenarbeit über mehrere Chipfamilien hinweg, die in einem vollständigen Mikrocomputersystem gipfelte.
Als nächstes kommt der schwierigste Teil: die eigentliche Herstellung des Chips.
„Damals waren Layout-, Test- und Hochleistungsfertigungstechnologien sehr rar“, erinnert sich Kang, der später Präsident des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und Fellow des IEEE wurde. Er weist darauf hin, dass das Team aufgrund des Mangels an CAD-Tools zur vollständigen Chip-Verifizierung übergroße Calcomp-Zeichnungen ausdrucken musste. Diese Schemata zeigen, wie Transistoren, Drähte und Verbindungen innerhalb eines Chips angeordnet werden müssen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Das Team baute sie mit Klebeband auf dem Boden zu einem riesigen Quadrat mit einer Kantenlänge von über sechs Metern zusammen. Kang und seine Kollegen zeichneten jeden Schaltkreis von Hand mit Buntstiften und suchten nach unterbrochenen Verbindungen und überlappenden oder unsachgemäß gehandhabten Verbindungen.
Nachdem das physische Design fertiggestellt war, stand das Team vor einer weiteren Herausforderung: der Fertigung. Die Chips wurden im Werk von Western Electric in Allentown, Pennsylvania, produziert, doch Kang erinnert sich, dass die Ausbeute (der Prozentsatz an Chips auf dem Wafer, der den Leistungs- und Qualitätsstandards entsprach) sehr niedrig war.
Um dieses Problem zu lösen, fuhren Kang und seine Kollegen jeden Tag von New Jersey zum Werk, krempelten die Ärmel hoch und taten alles Notwendige, einschließlich des Kehrens der Böden und der Kalibrierung von Testgeräten, um Kameradschaft aufzubauen und alle davon zu überzeugen, dass das komplexeste Produkt, das das Werk jemals herzustellen versucht hatte, tatsächlich dort hergestellt werden konnte.
„Der Teambildungsprozess verlief reibungslos“, sagte Kang. „Nach wenigen Monaten war Western Electric in der Lage, hochwertige Chips in Mengen zu produzieren, die die Nachfrage übertrafen.“
Die erste Version des Bellmac-32 erschien 1980, erfüllte jedoch nicht die Erwartungen. Die Zielfrequenz lag lediglich bei 2 MHz, nicht bei 4 MHz. Die Ingenieure stellten fest, dass die damals verwendeten hochmodernen Testgeräte von Takeda Riken fehlerhaft waren. Übertragungsleitungseffekte zwischen Sonde und Prüfkopf führten zu ungenauen Messungen. Gemeinsam mit dem Team von Takeda Riken entwickelten sie eine Korrekturtabelle zur Korrektur der Messfehler.
Die Bellmac-Chips der zweiten Generation erreichten Taktraten von über 6,2 MHz, teilweise sogar bis zu 9 MHz. Das galt damals als recht schnell. Der 16-Bit-Prozessor Intel 8088, den IBM 1981 in seinem ersten PC einsetzte, hatte eine Taktfrequenz von nur 4,77 MHz.
Warum Bellmac-32 nicht'nicht zum Mainstream werden
Trotz ihrer Versprechungen konnte sich die Bellmac-32-Technologie nicht flächendeckend kommerziell durchsetzen. Laut Condrey begann AT&T Ende der 1980er Jahre, sich mit dem Gerätehersteller NCR auseinanderzusetzen und später Akquisitionen vorzunehmen, was bedeutete, dass das Unternehmen verschiedene Chip-Produktlinien unterstützen musste. Zu diesem Zeitpunkt hatte Bellmac-32 bereits an Einfluss gewonnen.
„Vor Bellmac-32 dominierte NMOS den Markt“, sagte Condry. „Aber CMOS veränderte die Landschaft, weil es sich als effizientere Möglichkeit zur Implementierung in der Fabrik erwies.“
Diese Erkenntnis veränderte mit der Zeit die Halbleiterindustrie. CMOS wurde zur Grundlage moderner Mikroprozessoren und trieb die digitale Revolution in Geräten wie Desktop-Computern und Smartphones voran.
Das kühne Experiment von Bell Labs – die Verwendung eines ungetesteten Herstellungsprozesses und die Umfassung einer ganzen Generation von Chiparchitekturen – war ein Meilenstein in der Geschichte der Technologie.
Professor Kang drückt es so aus: „Wir waren an der Spitze des Möglichen. Wir folgten nicht einfach einem bestehenden Weg, sondern beschritten neue Wege.“ Professor Huang, der später stellvertretender Direktor des Singapore Institute of Microelectronics wurde und IEEE Fellow ist, ergänzt: „Dazu gehörten nicht nur Chiparchitektur und -design, sondern auch die Chipverifizierung im großen Maßstab – mit CAD, aber ohne die heutigen digitalen Simulationstools oder Steckplatinen (eine Standardmethode zur Überprüfung des Schaltungsdesigns eines elektronischen Systems mit Chips, bevor die Schaltungskomponenten dauerhaft miteinander verbunden werden).“
Condry, Kang und Huang blicken gern auf diese Zeit zurück und bringen ihre Bewunderung für das Können und Engagement der vielen AT&T-Mitarbeiter zum Ausdruck, deren Einsatz die Bellmac-32-Chipfamilie ermöglicht hat.
Veröffentlichungszeit: 19. Mai 2025