Die Entwicklung dieses Chips veränderte den Verlauf der Chipentwicklung!
Ende der 1970er-Jahre galten 8-Bit-Prozessoren noch als technologisch fortschrittlichste Technologie, und CMOS-Prozesse waren im Halbleiterbereich im Nachteil. Die Ingenieure der AT&T Bell Labs wagten einen mutigen Schritt in die Zukunft: Sie kombinierten modernste 3,5-Mikron-CMOS-Fertigungsprozesse mit innovativen 32-Bit-Prozessorarchitekturen, um die Konkurrenz in puncto Chip-Leistung zu übertreffen und IBM und Intel zu überflügeln.
Obwohl ihr Mikroprozessor Bellmac-32 nicht den kommerziellen Erfolg früherer Produkte wie des Intel 4004 (veröffentlicht 1971) erreichte, war sein Einfluss dennoch tiefgreifend. Heute basieren die Chips in nahezu allen Smartphones, Laptops und Tablets auf den von Bellmac-32 entwickelten CMOS-Prinzipien (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).
Die 1980er-Jahre brachen an, und AT&T versuchte, sich neu zu erfinden. Jahrzehntelang hatte der Telekommunikationsriese, der den Spitznamen „Mother Bell“ trug, den Markt für Sprachkommunikation in den Vereinigten Staaten dominiert, und seine Tochtergesellschaft Western Electric produzierte fast alle gängigen Telefone für amerikanische Haushalte und Büros. Die US-Regierung drängte aus wettbewerbsrechtlichen Gründen auf die Zerschlagung von AT&T, doch AT&T sah darin eine Chance, in den Computermarkt einzusteigen.
Da Computerfirmen bereits gut auf dem Markt etabliert waren, fiel es AT&T schwer, aufzuholen; ihre Strategie bestand darin, einen Sprung nach vorn zu machen, und der Bellmac-32 war ihr Sprungbrett.
Die Bellmac-32-Chipfamilie wurde mit dem IEEE Milestone Award ausgezeichnet. Die feierlichen Präsentationen finden dieses Jahr auf dem Gelände der Nokia Bell Labs in Murray Hill, New Jersey, und im Computer History Museum in Mountain View, Kalifornien, statt.
EINZIGARTIGER CHIP
Anstatt dem Industriestandard von 8-Bit-Chips zu folgen, forderten die Führungskräfte von AT&T die Ingenieure der Bell Labs heraus, 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 Telekommunikationsvermittlung leisten und als Rückgrat zukünftiger Computersysteme dienen konnte.
„Wir bauen nicht einfach nur einen schnelleren Chip“, sagte Michael Condry, Leiter der Architekturgruppe bei Bell Labs in Holmdel, New Jersey. „Wir versuchen, einen Chip zu entwickeln, der sowohl Sprach- als auch Rechenleistung unterstützt.“
Damals galt die CMOS-Technologie als vielversprechende, aber riskante Alternative zu NMOS- und PMOS-Schaltungen. NMOS-Chips basierten ausschließlich auf N-Kanal-Transistoren, die zwar schnell, aber energieintensiv waren, während PMOS-Chips auf der Bewegung positiv geladener Löcher beruhten, was zu langsam war. CMOS nutzte ein Hybrid-Design, das die Geschwindigkeit erhöhte und gleichzeitig den Stromverbrauch senkte. Die Vorteile von CMOS waren so überzeugend, dass die Industrie bald erkannte, dass sich der Aufwand lohnte, selbst wenn doppelt so viele Transistoren (NMOS und PMOS pro Gatter) benötigt wurden.
Mit der rasanten Entwicklung der Halbleitertechnologie gemäß dem Mooreschen Gesetz wurden die Kosten für die Verdopplung der Transistordichte überschaubar und schließlich vernachlässigbar. Als die Bell Labs jedoch dieses riskante Unterfangen wagten, war die großflächige CMOS-Fertigungstechnologie noch unerprobt und die Kosten vergleichsweise hoch.
Das schreckte die Bell Labs nicht ab. Das Unternehmen nutzte die Expertise seiner Standorte in Holmdel, Murray Hill und Naperville, Illinois, und stellte ein „Dreamteam“ von Halbleiteringenieuren zusammen. Zu diesem Team gehörten Condrey, Steve Conn, ein aufstrebender Stern im Chipdesign, Victor Huang, ein weiterer Mikroprozessorentwickler, und Dutzende Mitarbeiter der AT&T Bell Labs. Sie begannen 1978, ein neues CMOS-Verfahren zu beherrschen und einen 32-Bit-Mikroprozessor von Grund auf zu entwickeln.
Beginnen Sie mit der Entwurfsarchitektur.
Condrey war ehemaliges IEEE Fellow und später Chief Technology Officer von 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. Damals steckten sowohl Unix als auch C noch in den Kinderschuhen, sollten aber eine führende Rolle einnehmen. Um die damals extrem wertvolle Speichergrenze von Kilobyte (KB) zu überwinden, führten sie einen komplexen Befehlssatz ein, der weniger Ausführungsschritte benötigte und Aufgaben innerhalb eines Taktzyklus abschließen konnte.
Die Ingenieure entwickelten außerdem Chips, die den VersaModule Eurocard (VME) Parallelbus unterstützen. Dieser ermöglicht verteiltes Rechnen und erlaubt es mehreren Knoten, Daten parallel zu verarbeiten. VME-kompatible Chips ermöglichen zudem deren Einsatz für die Echtzeitsteuerung.
Das Team entwickelte eine eigene Unix-Version und stattete sie mit Echtzeitfunktionen aus, um die Kompatibilität mit industrieller Automatisierung und ähnlichen Anwendungen zu gewährleisten. Die Ingenieure der Bell Labs erfanden außerdem die Domino-Logik, die die Verarbeitungsgeschwindigkeit durch die Reduzierung von Verzögerungen in komplexen Logikgattern erhöhte.
Mit dem Bellmac-32-Modul, einem komplexen Multi-Chip-Verifizierungs- und Testprojekt unter der Leitung von Jen-Hsun Huang, wurden zusätzliche Test- und Verifizierungstechniken entwickelt und eingeführt. Ziel war es, in der komplexen Chipfertigung nahezu null Fehler zu erzielen. Dies war eine Weltneuheit im Bereich der VLSI-Tests (Very Large Scale Integration). Die Ingenieure der 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 mündete.
Nun folgt der schwierigste Teil: die eigentliche Herstellung des Chips.
„Damals waren Layout-, Test- und Fertigungstechnologien für hohe Ausbeute sehr rar“, erinnert sich Kang, der später Präsident des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und IEEE Fellow wurde. Er merkt an, dass der Mangel an CAD-Werkzeugen für die vollständige Chipverifizierung das Team zwang, übergroße Calcomp-Zeichnungen auszudrucken. Diese Schaltpläne zeigen, wie Transistoren, Leitungen und Verbindungen innerhalb eines Chips angeordnet werden müssen, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Das Team klebte sie mit Klebeband auf dem Boden zusammen und schuf so eine riesige quadratische Zeichnung mit einer Seitenlänge von über sechs Metern. Kang und seine Kollegen zeichneten jeden Schaltkreis von Hand mit Buntstiften nach und suchten nach fehlerhaften Verbindungen sowie überlappenden oder falsch verlegten 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, hergestellt, doch Kang erinnert sich, dass die Ausbeute (der Prozentsatz der Chips auf dem Wafer, die die Leistungs- und Qualitätsstandards erfüllten) sehr gering war.
Um dem entgegenzuwirken, fuhren Kang und seine Kollegen jeden Tag von New Jersey zum Werk, krempelten die Ärmel hoch und taten alles Notwendige, einschließlich des Fegens von Böden und der Kalibrierung von Testgeräten, um Kameradschaft aufzubauen und alle davon zu überzeugen, dass das komplexeste Produkt, das das Werk je herzustellen versucht hatte, tatsächlich dort hergestellt werden konnte.
„Der Teambildungsprozess verlief reibungslos“, sagte Kang. „Nach wenigen Monaten war Western Electric in der Lage, qualitativ hochwertige Chips in Mengen zu produzieren, die die Nachfrage übertrafen.“
Die erste Version des Bellmac-32 erschien 1980, erfüllte aber die Erwartungen nicht. Die angestrebte Leistungsfrequenz lag lediglich bei 2 MHz statt der erwarteten 4 MHz. Die Ingenieure stellten fest, dass die damals hochmoderne Testausrüstung von Takeda Riken fehlerhaft war. Übertragungseffekte zwischen Sonde und Messkopf führten zu ungenauen Messwerten. Gemeinsam mit dem Team von Takeda Riken entwickelten sie eine Korrekturtabelle, um die Messfehler zu beheben.
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 hingegen nur eine Taktrate von 4,77 MHz.
Warum Bellmac-32 nicht'zum Mainstream werden
Trotz ihres Potenzials konnte sich die Bellmac-32-Technologie nicht flächendeckend durchsetzen. Laut Condrey wandte sich AT&T Ende der 1980er-Jahre dem Gerätehersteller NCR zu und setzte später auf Akquisitionen, wodurch das Unternehmen verschiedene Chip-Produktlinien unterstützte. Zu diesem Zeitpunkt hatte der Einfluss von Bellmac-32 bereits zugenommen.
„Vor Bellmac-32 dominierte NMOS den Markt“, sagte Condry. „Aber CMOS veränderte die Landschaft, weil es sich als effizientere Methode zur Implementierung in der Fertigung erwies.“
Diese Erkenntnis veränderte im Laufe der Zeit die Halbleiterindustrie grundlegend. CMOS wurde zur Basis für moderne Mikroprozessoren und trieb die digitale Revolution in Geräten wie Desktop-Computern und Smartphones voran.
Das kühne Experiment der Bell Labs – bei dem ein unerprobter Herstellungsprozess zum Einsatz kam und das sich über eine ganze Generation von Chiparchitekturen erstreckte – war ein Meilenstein in der Geschichte der Technologie.
Wie Professor Kang es ausdrückt: „Wir waren an der Spitze des Machbaren. Wir folgten nicht einfach einem bestehenden Weg, sondern beschritten völlig neue Pfade.“ Professor Huang, der später stellvertretender Direktor des Singapore Institute of Microelectronics wurde und ebenfalls IEEE Fellow ist, fügt hinzu: „Dies umfasste nicht nur Chiparchitektur und -design, sondern auch die großflächige Chipverifizierung – mithilfe von CAD, aber ohne die heutigen digitalen Simulationswerkzeuge oder gar Steckplatinen (eine Standardmethode zur Überprüfung des Schaltungsdesigns eines elektronischen Systems mit Chips, bevor die Schaltungskomponenten fest miteinander verbunden werden).“
Condry, Kang und Huang blicken gern auf diese Zeit zurück und bringen ihre Bewunderung für das Können und die Hingabe der vielen AT&T-Mitarbeiter zum Ausdruck, deren Bemühungen die Entwicklung der Bellmac-32-Chipfamilie ermöglichten.
Veröffentlichungsdatum: 19. Mai 2025