Sự ra đời của con chip này đã thay đổi tiến trình phát triển của chip!
Vào cuối những năm 1970, bộ xử lý 8 bit vẫn là công nghệ tiên tiến nhất vào thời điểm đó và quy trình CMOS bị bất lợi trong lĩnh vực bán dẫn. Các kỹ sư tại AT&T Bell Labs đã có bước tiến táo bạo vào tương lai, kết hợp quy trình sản xuất CMOS 3,5 micron tiên tiến với kiến trúc bộ xử lý 32 bit sáng tạo trong nỗ lực vượt trội hơn các đối thủ cạnh tranh về hiệu suất chip, vượt qua IBM và Intel.
Mặc dù phát minh của họ, bộ vi xử lý Bellmac-32, không đạt được thành công thương mại như các sản phẩm trước đó như Intel 4004 (ra mắt năm 1971), nhưng ảnh hưởng của nó là rất sâu sắc. Ngày nay, chip trong hầu hết các điện thoại thông minh, máy tính xách tay và máy tính bảng đều dựa trên các nguyên tắc bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) do Bellmac-32 tiên phong.
Những năm 1980 đang đến gần, và AT&T đang cố gắng chuyển mình. Trong nhiều thập kỷ, gã khổng lồ viễn thông có biệt danh là "Mother Bell" đã thống trị ngành kinh doanh truyền thông thoại tại Hoa Kỳ, và công ty con Western Electric của họ đã sản xuất hầu hết các loại điện thoại thông dụng trong các hộ gia đình và văn phòng tại Hoa Kỳ. Chính phủ liên bang Hoa Kỳ đã thúc giục việc chia tách hoạt động kinh doanh của AT&T vì lý do chống độc quyền, nhưng AT&T đã nhìn thấy cơ hội để tham gia vào lĩnh vực máy tính.
Với các công ty máy tính đã có chỗ đứng vững chắc trên thị trường, AT&T thấy khó có thể bắt kịp; chiến lược của công ty là nhảy vọt, và Bellmac-32 chính là bàn đạp của họ.
Dòng chip Bellmac-32 đã được vinh danh với Giải thưởng IEEE Milestone. Lễ ra mắt sẽ được tổ chức trong năm nay tại khuôn viên Nokia Bell Labs ở Murray Hill, New Jersey và tại Bảo tàng Lịch sử Máy tính ở Mountain View, California.
CHIP ĐỘC ĐÁO
Thay vì tuân theo tiêu chuẩn công nghiệp của chip 8 bit, các giám đốc điều hành AT&T đã thách thức các kỹ sư của Bell Labs phát triển một sản phẩm mang tính cách mạng: bộ vi xử lý thương mại đầu tiên có khả năng truyền 32 bit dữ liệu trong một chu kỳ xung nhịp. Điều này không chỉ đòi hỏi một con chip mới mà còn là một kiến trúc mới—một kiến trúc có thể xử lý chuyển mạch viễn thông và đóng vai trò là xương sống của các hệ thống máy tính trong tương lai.
"Chúng tôi không chỉ xây dựng một con chip nhanh hơn", Michael Condry, người đứng đầu nhóm kiến trúc tại cơ sở Holmdel, New Jersey của Bell Labs, cho biết. "Chúng tôi đang cố gắng thiết kế một con chip có thể hỗ trợ cả giọng nói và tính toán".
Vào thời điểm đó, công nghệ CMOS được coi là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn nhưng rủi ro cho các thiết kế NMOS và PMOS. Chip NMOS hoàn toàn dựa vào các bóng bán dẫn loại N, nhanh nhưng ngốn điện, trong khi chip PMOS dựa vào chuyển động của các lỗ tích điện dương, quá chậm. CMOS sử dụng thiết kế lai giúp tăng tốc độ trong khi tiết kiệm điện. Những ưu điểm của CMOS hấp dẫn đến mức ngành công nghiệp sớm nhận ra rằng ngay cả khi cần gấp đôi số bóng bán dẫn (NMOS và PMOS cho mỗi cổng), thì nó vẫn đáng giá.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn được mô tả bởi Định luật Moore, chi phí để nhân đôi mật độ bóng bán dẫn trở nên dễ quản lý và cuối cùng không đáng kể. Tuy nhiên, khi Bell Labs bắt tay vào canh bạc rủi ro cao này, công nghệ sản xuất CMOS quy mô lớn vẫn chưa được chứng minh và chi phí tương đối cao.
Điều này không làm Bell Labs sợ hãi. Công ty đã tận dụng chuyên môn của các cơ sở tại Holmdel, Murray Hill và Naperville, Illinois, và tập hợp một "đội ngũ trong mơ" gồm các kỹ sư bán dẫn. Nhóm này bao gồm Condrey, Steve Conn, một ngôi sao đang lên trong thiết kế chip, Victor Huang, một nhà thiết kế vi xử lý khác và hàng chục nhân viên từ AT&T Bell Labs. Họ bắt đầu làm chủ một quy trình CMOS mới vào năm 1978 và xây dựng một bộ vi xử lý 32 bit từ đầu.
Bắt đầu với kiến trúc thiết kế
Condrey là cựu thành viên của IEEE và sau đó giữ chức Giám đốc công nghệ của Intel. Nhóm kiến trúc mà ông lãnh đạo đã cam kết xây dựng một hệ thống hỗ trợ gốc cho hệ điều hành Unix và ngôn ngữ C. Vào thời điểm đó, cả Unix và ngôn ngữ C vẫn còn trong giai đoạn trứng nước, nhưng đã được định sẵn là sẽ thống trị. Để phá vỡ giới hạn bộ nhớ cực kỳ có giá trị là kilobyte (KB) vào thời điểm đó, họ đã giới thiệu một bộ lệnh phức tạp yêu cầu ít bước thực hiện hơn và có thể hoàn thành các tác vụ trong một chu kỳ xung nhịp.
Các kỹ sư cũng thiết kế chip hỗ trợ bus song song VersaModule Eurocard (VME), cho phép tính toán phân tán và cho phép nhiều nút xử lý dữ liệu song song. Các chip tương thích với VME cũng cho phép chúng được sử dụng để điều khiển thời gian thực.
Nhóm đã viết phiên bản Unix của riêng mình và cung cấp cho nó khả năng thời gian thực để đảm bảo khả năng tương thích với tự động hóa công nghiệp và các ứng dụng tương tự. Các kỹ sư của Bell Labs cũng phát minh ra logic domino, giúp tăng tốc độ xử lý bằng cách giảm độ trễ trong các cổng logic phức tạp.
Các kỹ thuật kiểm tra và xác minh bổ sung đã được phát triển và giới thiệu với mô-đun Bellmac-32, một dự án kiểm tra và xác minh đa chip phức tạp do Jen-Hsun Huang đứng đầu, đạt được mức lỗi bằng không hoặc gần bằng không trong quá trình sản xuất chip phức tạp. Đây là lần đầu tiên trên thế giới có thử nghiệm mạch tích hợp quy mô rất lớn (VLSI). Các kỹ sư của Bell Labs đã phát triển một kế hoạch có hệ thống, kiểm tra nhiều lần công việc của đồng nghiệp và cuối cùng đạt được sự hợp tác liền mạch giữa nhiều họ chip, tạo nên một hệ thống máy vi tính hoàn chỉnh.
Tiếp theo là phần khó khăn nhất: quá trình sản xuất chip thực tế.
“Vào thời điểm đó, công nghệ bố trí, thử nghiệm và sản xuất năng suất cao rất khan hiếm”, Kang, người sau này trở thành chủ tịch của Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) và là thành viên của IEEE, nhớ lại. Ông lưu ý rằng việc thiếu các công cụ CAD để xác minh toàn bộ chip đã buộc nhóm phải in ra các bản vẽ Calcomp quá khổ. Các sơ đồ này cho thấy cách sắp xếp các bóng bán dẫn, dây và kết nối bên trong một con chip để tạo ra đầu ra mong muốn. Nhóm đã lắp ráp chúng trên sàn bằng băng dính, tạo thành một hình vuông khổng lồ có cạnh dài hơn 6 mét. Kang và các đồng nghiệp của ông đã vẽ tay từng mạch bằng bút chì màu, tìm kiếm các kết nối bị hỏng và các kết nối chồng chéo hoặc xử lý không đúng cách.
Sau khi thiết kế vật lý hoàn tất, nhóm phải đối mặt với một thách thức khác: sản xuất. Các con chip được sản xuất tại nhà máy Western Electric ở Allentown, Pennsylvania, nhưng Kang nhớ lại rằng tỷ lệ năng suất (tỷ lệ phần trăm chip trên wafer đạt tiêu chuẩn về hiệu suất và chất lượng) rất thấp.
Để giải quyết vấn đề này, Kang và các đồng nghiệp của ông lái xe từ New Jersey đến nhà máy mỗi ngày, xắn tay áo lên và làm mọi việc cần thiết, bao gồm quét sàn và hiệu chuẩn thiết bị thử nghiệm, để xây dựng tình đồng chí và thuyết phục mọi người rằng sản phẩm phức tạp nhất mà nhà máy từng cố gắng sản xuất thực sự có thể được sản xuất tại đây.
“Quá trình xây dựng nhóm diễn ra suôn sẻ”, Kang cho biết. “Sau vài tháng, Western Electric đã có thể sản xuất chip chất lượng cao với số lượng vượt quá nhu cầu”.
Phiên bản đầu tiên của Bellmac-32 được phát hành vào năm 1980, nhưng nó không đáp ứng được kỳ vọng. Tần số mục tiêu hiệu suất của nó chỉ là 2 MHz, không phải 4 MHz. Các kỹ sư phát hiện ra rằng thiết bị thử nghiệm Takeda Riken hiện đại mà họ đang sử dụng vào thời điểm đó bị lỗi, với các hiệu ứng đường truyền giữa đầu dò và đầu thử nghiệm gây ra các phép đo không chính xác. Họ đã làm việc với nhóm Takeda Riken để phát triển một bảng hiệu chỉnh để sửa các lỗi đo lường.
Chip Bellmac thế hệ thứ hai có tốc độ xung nhịp vượt quá 6,2 MHz, đôi khi lên tới 9 MHz. Điều này được coi là khá nhanh vào thời điểm đó. Bộ xử lý Intel 8088 16 bit mà IBM phát hành trong PC đầu tiên của mình vào năm 1981 có tốc độ xung nhịp chỉ 4,77 MHz.
Tại sao Bellmac-32 không't trở thành xu hướng chính
Mặc dù có triển vọng, công nghệ Bellmac-32 không được áp dụng rộng rãi trong thương mại. Theo Condrey, AT&T bắt đầu để mắt đến nhà sản xuất thiết bị NCR vào cuối những năm 1980 và sau đó chuyển sang mua lại, điều này có nghĩa là công ty đã chọn hỗ trợ các dòng sản phẩm chip khác nhau. Đến lúc đó, ảnh hưởng của Bellmac-32 đã bắt đầu phát triển.
“Trước Bellmac-32, NMOS đã thống trị thị trường”, Condry cho biết. “Nhưng CMOS đã thay đổi bối cảnh vì nó chứng tỏ là cách hiệu quả hơn để triển khai nó trong nhà máy”.
Theo thời gian, nhận thức này đã định hình lại ngành công nghiệp bán dẫn. CMOS sẽ trở thành nền tảng cho các bộ vi xử lý hiện đại, thúc đẩy cuộc cách mạng kỹ thuật số trong các thiết bị như máy tính để bàn và điện thoại thông minh.
Thí nghiệm táo bạo của Bell Labs - sử dụng quy trình sản xuất chưa được kiểm tra và trải dài trên toàn bộ một thế hệ kiến trúc chip - là một cột mốc trong lịch sử công nghệ.
Như Giáo sư Kang đã nói: “Chúng tôi đã đi đầu trong những gì có thể. Chúng tôi không chỉ đi theo một con đường hiện có, chúng tôi đã mở ra một con đường mới”. Giáo sư Huang, người sau này trở thành phó giám đốc Viện Vi điện tử Singapore và cũng là thành viên của IEEE, nói thêm: “Điều này không chỉ bao gồm kiến trúc và thiết kế chip, mà còn bao gồm xác minh chip trên quy mô lớn – sử dụng CAD nhưng không có các công cụ mô phỏng kỹ thuật số ngày nay hoặc thậm chí là bảng mạch (một cách tiêu chuẩn để kiểm tra thiết kế mạch của một hệ thống điện tử bằng chip trước khi các thành phần mạch được kết nối cố định với nhau)”.
Condry, Kang và Huang nhớ lại thời điểm đó với niềm trìu mến và bày tỏ sự ngưỡng mộ đối với kỹ năng và sự tận tụy của nhiều nhân viên AT&T đã nỗ lực để tạo nên dòng chip Bellmac-32.
Thời gian đăng: 19-05-2025