Sự xuất hiện của con chip này đã thay đổi hoàn toàn hướng đi của ngành phát triển chip!
Vào cuối những năm 1970, bộ xử lý 8-bit vẫn là công nghệ tiên tiến nhất thời bấy giờ, và quy trình CMOS còn nhiều bất lợi trong lĩnh vực bán dẫn. Các kỹ sư tại AT&T Bell Labs đã mạnh dạn tiến vào tương lai, kết hợp quy trình sản xuất CMOS 3,5 micron tiên tiến với kiến trúc bộ xử lý 32-bit đột phá nhằm vượt trội hơn các đối thủ cạnh tranh về hiệu năng chip, vượt qua cả IBM và Intel.
Mặc dù phát minh của họ, bộ vi xử lý Bellmac-32, đã 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 rất sâu rộng. Ngày nay, các 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 tự chuyển mình. Trong nhiều thập kỷ, gã khổng lồ viễn thông có biệt danh "Mẹ Bell" đã thống trị lĩnh vực truyền thông thoại tại Hoa Kỳ, và công ty con Western Electric của nó sản xuất hầu hết các loại điện thoại thông dụng trong các gia đình và văn phòng ở Mỹ. Chính phủ liên bang Hoa Kỳ thúc giục việc chia tách hoạt động kinh doanh của AT&T vì lý do chống độc quyền, nhưng AT&T lại nhìn thấy cơ hội để thâm nhập vào lĩnh vực máy tính.
Với việc các công ty máy tính đã có chỗ đứng vững chắc trên thị trường, AT&T gặp khó khăn trong việc bắt kịp; chiến lược của họ là vượt lên dẫn trước, và Bellmac-32 chính là bàn đạp để thực hiện điều đó.
Dòng chip Bellmac-32 đã được vinh danh với Giải thưởng Thành tựu IEEE. 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 NHẤT
Thay vì tuân theo tiêu chuẩn công nghiệp về chip 8-bit, các giám đốc điều hành của 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 tải 32 bit dữ liệu trong một chu kỳ xung nhịp. Điều này không chỉ đòi hỏi một con chip mới mà còn cả một kiến trúc mới—một kiến trúc có thể xử lý việc chuyển mạch viễn thông và đóng vai trò là xương sống của các hệ thống máy tính trong tương lai.
"Chúng tôi không chỉ chế tạo 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 thoại và tính toán."
Vào thời điểm đó, công nghệ CMOS được xem là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn nhưng cũng tiềm ẩn rủi ro so với các thiết kế NMOS và PMOS. Chip NMOS hoàn toàn dựa vào các bóng bán dẫn loại N, vốn nhanh nhưng tiêu thụ nhiều điện năng, trong khi chip PMOS dựa vào sự chuyển động của các lỗ trống mang điện tích dương, vốn quá chậm. CMOS sử dụng thiết kế lai giúp tăng tốc độ đồng thời tiết kiệm điện năng. Những ưu điểm của CMOS thuyết phục đến mức ngành công nghiệp nhanh chóng nhận ra rằng ngay cả khi nó yêu cầu số lượng bóng bán dẫn gấp đôi (NMOS và PMOS cho mỗi cổng), thì điều đó vẫn đáng giá.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn được mô tả bởi Định luật Moore, chi phí để tăng gấp đôi mật độ bóng bán dẫn trở nên khả thi và cuối cùng là không đáng kể. Tuy nhiên, khi Bell Labs bắt đầu canh bạc đầy rủi ro 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 nao núng. Công ty đã tận dụng chuyên môn từ các cơ sở của mình ở Holmdel, Murray Hill và Naperville, Illinois, và tập hợp một "đội ngũ trong mơ" gồm các kỹ sư bán dẫn. Đội ngũ 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 quy trình CMOS mới vào năm 1978 và chế tạo một vi xử lý 32 bit từ đầu.
Hãy bắt đầu với thiết kế kiến trúc.
Condrey từng là thành viên của IEEE và sau này giữ chức Giám đốc Công nghệ của Intel. Nhóm kiến trúc do ông lãnh đạo cam kết xây dựng một hệ thống hỗ trợ nguyên bản hệ điều hành Unix và ngôn ngữ lập trình C. Vào thời điểm đó, cả Unix và ngôn ngữ C đều vẫn còn non trẻ, nhưng được dự đoán sẽ thống trị thị trường. Để vượt qua giới hạn bộ nhớ cực kỳ quý giá là kilobyte (KB) vào thời điểm đó, họ đã giới thiệu một tập lệnh phức tạp yêu cầu ít bước thực thi hơn và có thể hoàn thành các tác vụ trong một chu kỳ xung nhịp.
Các kỹ sư cũng thiết kế các 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 VME cũng cho phép chúng được sử dụng để điều khiển thời gian thực.
Nhóm nghiên cứu đã tự viết phiên bản Unix của riêng mình và trang bị cho nó khả năng xử lý thời gian thực để đảm bảo tính tương thích với tự động hóa công nghiệp và các ứng dụng tương tự. Các kỹ sư của Bell Labs cũng đã 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 cùng với mô-đun Bellmac-32, một dự án kiểm tra và xác minh đa chip phức tạp do Jen-Hsun Huang dẫn đầu, đạt được tỷ lệ lỗi bằng không hoặc gần bằng không trong quá trình sản xuất chip phức tạp. Đây là lần đầu tiên trên thế giới trong lĩnh vực kiểm tra mạch tích hợp quy mô rất lớn (VLSI). Các kỹ sư của Bell Labs đã xây dựng một kế hoạch có hệ thống, liên tục kiểm tra công việc của đồng nghiệp và cuối cùng đạt được sự hợp tác liền mạch giữa nhiều dòng chip, tạo nên một hệ thống vi máy tính hoàn chỉnh.
Tiếp theo là phần khó khăn nhất: quá trình sản xuất chip thực tế.
“Vào thời điểm đó, công nghệ thiết kế, kiểm tra và sản xuất năng suất cao rất khan hiếm,” ông Kang, người sau này trở thành hiệu trưởng 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 kiểm tra toàn bộ chip đã buộc nhóm phải in ra các bản vẽ Calcomp khổ lớn. Những sơ đồ này cho thấy cách bố trí các bóng bán dẫn, dây dẫn và các kết nối bên trong chip để cho ra kết quả mong muốn. Nhóm đã ghép chúng lại trên sàn nhà bằng băng dính, tạo thành một bản vẽ hình vuông khổng lồ có cạnh dài hơn 6 mét. Ông Kang và các đồng nghiệp đã vẽ tay từng mạch bằng bút chì màu, tìm kiếm các kết nối bị đứt và các kết nối chồng chéo hoặc được xử lý không đúng cách.
Sau khi hoàn thành thiết kế vật lý, nhóm phải đối mặt với một thách thức khác: sản xuất. Các chip được sản xuất tại nhà máy Western Electric ở Allentown, Pennsylvania, nhưng Kang nhớ lại rằng tỷ lệ sản phẩm đạt chất lượng (phần trăm số chip trên tấm wafer đáp ứng các tiêu chuẩn về hiệu năng và chất lượng) rất thấp.
Để giải quyết vấn đề này, Kang và các đồng nghiệp của ông đã lái xe từ New Jersey đến nhà máy mỗi ngày, xắn tay áo lên và làm bất cứ việc gì cần thiết, bao gồm cả việc quét sàn và hiệu chỉnh thiết bị thử nghiệm, để xây dựng tinh thần đồng đội và thuyết phục mọi người rằng sản phẩm phức tạp nhất mà nhà máy từng cố gắng sản xuất thực sự có thể được tạo ra ở đó.
“Quá trình xây dựng đội ngũ 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 ra mắt năm 1980, nhưng nó đã không đáp ứng được kỳ vọng. Tần số hoạt động mục tiêu của nó chỉ là 2 MHz, chứ 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 có sai sót, với hiệu ứng đường truyền giữa đầu dò và đầu đo gây ra các phép đo không chính xác. Họ đã hợp tác với nhóm Takeda Riken để phát triển một bảng hiệu chỉnh nhằm khắc phục các lỗi đo lường.
Các chip Bellmac thế hệ thứ hai có tốc độ xung nhịp vượt quá 6,2 MHz, đôi khi lên tới 9 MHz. Tốc độ này được coi là khá nhanh vào thời điểm đó. Bộ xử lý Intel 8088 16-bit mà IBM phát hành trong chiếc PC đầu tiên của mình năm 1981 chỉ có tốc độ xung nhịp 4,77 MHz.
Tại sao Bellmac-32 không'trở thành xu hướng chủ đạo
Mặc dù đầy hứa hẹn, công nghệ Bellmac-32 đã không được ứng dụng rộng rãi trong thương mại. Theo Condrey, AT&T bắt đầu xem xét nhà sản xuất thiết bị NCR vào cuối những năm 1980 và sau đó chuyển sang mua lại các công ty khác, điều này có nghĩa là công ty đã chọn hỗ trợ các dòng sản phẩm chip khác nhau. Đến lúc đó, tầm ảnh hưởng của Bellmac-32 đã bắt đầu tăng lên.
“Trước Bellmac-32, NMOS thống trị thị trường,” Condry nói. “Nhưng CMOS đã thay đổi cục diện vì nó chứng tỏ là một cách hiệu quả hơn để triển khai trong nhà máy sản xuất.”
Theo thời gian, nhận thức này đã định hình lại ngành công nghiệp bán dẫn. Công nghệ CMOS 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 chứng và trải dài suốt cả một thế hệ kiến trúc chip—là một cột mốc trong lịch sử công nghệ.
Như Giáo sư Kang đã nói: “Chúng tôi là những người tiên phong trong lĩnh vực này. Chúng tôi không chỉ đi theo con đường đã có sẵn, mà còn mở ra một hướng đi mới.” Giáo sư Huang, người sau này trở thành phó giám đốc Viện Vi điện tử Singapore và cũng là thành viên của IEEE, bổ sung: “Điều này không chỉ bao gồm kiến trúc và thiết kế chip, mà còn cả việc kiểm chứng chip quy mô lớn – sử dụng CAD nhưng không có các công cụ mô phỏng kỹ thuật số hiện đại hay thậm chí cả bảng mạch thử nghiệm (một cách tiêu chuẩn để kiểm tra thiết kế mạch của một hệ thống điện tử sử dụng chip trước khi các thành phần mạch được kết nối vĩnh viễn với nhau).”
Condry, Kang và Huang hồi tưởng về khoảng thời gian đó với nhiều kỷ niệm đẹp và bày tỏ sự ngưỡng mộ đối với kỹ năng và sự tận tâm của nhiều nhân viên AT&T, những người đã nỗ lực để tạo nên dòng chip Bellmac-32.
Thời gian đăng bài: 19 tháng 5 năm 2025