Txip honen etorrerak txipen garapenaren norabidea aldatu zuen!
1970eko hamarkadaren amaieran, 8 biteko prozesadoreak ziren oraindik teknologiarik aurreratuena garai hartan, eta CMOS prozesuak desabantailan zeuden erdieroaleen arloan. AT&T Bell Labs-eko ingeniariek etorkizunerako urrats ausart bat eman zuten, 3,5 mikrako CMOS fabrikazio prozesu aurreratuak 32 biteko prozesadore arkitektura berritzaileekin konbinatuz, txipen errendimenduan lehiakideak gainditzeko ahaleginean, IBM eta Intel gaindituz.
Haien asmakizunak, Bellmac-32 mikroprozesadoreak, ez zuen lortu aurreko produktuen arrakasta komertziala, hala nola Intel 4004 (1971n kaleratua), baina eragin handia izan zuen. Gaur egun, ia telefono, ordenagailu eramangarri eta tableta guztietako txipek Bellmac-32ak aitzindari izan zituen metal-oxido erdieroale osagarrien (CMOS) printzipioetan oinarritzen dira.
1980ko hamarkada hurbiltzen ari zen, eta AT&T bere burua eraldatzen saiatzen ari zen. Hamarkadetan zehar, "Ama Kanpaia" ezizenez ezagutzen zen telekomunikazio erraldoiak ahots-komunikazioen negozioa menderatu zuen Estatu Batuetan, eta bere filialak Western Electric-ek Amerikako etxe eta bulegoetako ia telefono arrunt guztiak ekoizten zituen. AEBetako gobernu federalak AT&T-ren negozioa banatzea eskatu zuen antitrust arrazoiengatik, baina AT&T-k ordenagailuen arloan sartzeko aukera ikusi zuen.
Ordenagailu enpresak merkatuan ondo finkatuta zeudenez, AT&Tk zailtasunak izan zituen harrapatzeko; bere estrategia aurrerapauso bat ematea zen, eta Bellmac-32 izan zen bere abiapuntua.
Bellmac-32 txiparen familiak IEEE Milestone saria jaso du. Aurkezpen ekitaldiak aurten egingo dira Nokia Bell Labs campusean, Murray Hill-en, New Jersey-n, eta Mountain View-eko (Kalifornia) Konputagailuen Historiaren Museoan.
TXIP BAKARRA
8 biteko txipen industria-estandarra jarraitu beharrean, AT&Tko zuzendariek Bell Labs-eko ingeniariei produktu iraultzaile bat garatzeko erronka bota zieten: erloju-ziklo bakarrean 32 bit datu transferitzeko gai zen lehen mikroprozesadore komertziala. Horrek ez zuen txip berri bat bakarrik behar, baita arkitektura berri bat ere, telekomunikazioen kommutazioa kudeatu eta etorkizuneko konputazio-sistemen bizkarrezurra izan zezakeena.
«Ez gara txipa azkarrago bat eraikitzen ari soilik», esan zuen Michael Condryk, Bell Labs-en Holmdel-eko (New Jersey) instalazioko arkitektura taldeko buruak. «Ahotsa eta konputazioa onartzen dituen txipa diseinatzen saiatzen ari gara».
Garai hartan, CMOS teknologia NMOS eta PMOS diseinuen alternatiba itxaropentsu baina arriskutsu gisa ikusten zen. NMOS txipek N motako transistoreetan oinarritzen ziren erabat, azkarrak baina potentzia-goseak zirenak, eta PMOS txipek, berriz, zulo positibo kargatuen mugimenduan oinarritzen ziren, eta hori motelegia zen. CMOSek diseinu hibrido bat erabiltzen zuen, abiadura handitzen zuena energia aurrezten zuen bitartean. CMOSen abantailak hain ziren sinesgarriak, ezen industriak laster konturatu baitzen transistore bikoitza behar bazuen ere (NMOS eta PMOS ate bakoitzerako), merezi zuela.
Moore-ren Legeak deskribatutako erdieroaleen teknologiaren garapen azkarrarekin, transistoreen dentsitatea bikoizteko kostua kudeagarria eta azkenean hutsala bihurtu zen. Hala ere, Bell Labsek arrisku handiko apustu honetan murgildu zirenean, CMOS fabrikazio teknologia eskala handikoa frogatu gabe zegoen eta kostua nahiko altua zen.
Honek ez zuen Bell Labs beldurtu. Konpainiak Holmdel, Murray Hill eta Naperville-ko (Illinois) campusetako esperientzia erabili zuen eta erdieroaleen ingeniarien "amets talde" bat osatu zuen. Taldean Condrey, Steve Conn, txiparen diseinuko izar gorakorra, Victor Huang, beste mikroprozesadore diseinatzaile bat, eta AT&T Bell Labs-eko dozenaka langile zeuden. 1978an CMOS prozesu berri bat menperatzen hasi ziren eta 32 biteko mikroprozesadore bat hutsetik eraiki zuten.
Diseinu arkitekturarekin hasi
Condrey IEEEko kide ohia izan zen eta geroago Inteleko Teknologia Zuzendari Nagusia izan zen. Berak zuzentzen zuen arkitektura taldea Unix sistema eragilea eta C hizkuntza modu natiboan onartzen zituen sistema bat eraikitzeko konpromisoa hartu zuen. Garai hartan, bai Unix bai C hizkuntza oraindik hastapenetan zeuden, baina nagusitzeko patua zuten. Garai hartako kilobyteen (KB) memoria muga oso baliotsua gainditzeko, exekuzio urrats gutxiago behar zituen eta erloju ziklo bakarrean zereginak burutzeko gai zen instrukzio multzo konplexu bat aurkeztu zuten.
Ingeniariek VersaModule Eurocard (VME) bus paraleloa onartzen duten txipak ere diseinatu zituzten, eta horrek konputazio banatua ahalbidetzen du eta hainbat nodok datuak paraleloan prozesatzea ahalbidetzen du. VMErekin bateragarriak diren txipek denbora errealeko kontrolerako ere erabil daitezke.
Taldeak Unix-en bere bertsioa idatzi zuen eta denbora errealeko gaitasunak eman zizkion industria-automatizazioarekin eta antzeko aplikazioekin bateragarritasuna bermatzeko. Bell Labs-eko ingeniariek domino logika ere asmatu zuten, eta horrek prozesatzeko abiadura handitu zuen logika-ate konplexuetan atzerapenak murriztuz.
Bellmac-32 moduluarekin proba eta egiaztapen teknika gehigarriak garatu eta sartu ziren, Jen-Hsun Huangek zuzendutako txip anitzeko egiaztapen eta proba proiektu konplexu batekin, txip konplexuen fabrikazioan zero edo ia zero akats lortu zituena. Hau lehen aldia izan zen eskala handiko zirkuitu integratuen (VLSI) proben munduan. Bell Labs-eko ingeniariek plan sistematiko bat garatu zuten, lankideen lana behin eta berriz egiaztatu zuten, eta azkenean hainbat txip familiatan lankidetza ezin hobea lortu zuten, mikroordenagailu sistema oso bat sortuz.
Ondoren dator zatirik zailena: txiparen benetako fabrikazioa.
«Garai hartan, diseinu, proba eta errendimendu handiko fabrikazio teknologiak oso urriak ziren», gogoratzen du Kangek, geroago Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) erakundeko presidente eta IEEEko kide bihurtu zenak. Adierazi duenez, txip osoko egiaztapenerako CAD tresnen faltak taldea tamaina handiko Calcomp marrazkiak inprimatzera behartu zuen. Eskema hauek erakusten dute nola antolatu behar diren transistoreak, kableak eta interkonexioak txip baten barruan, nahi den irteera emateko. Taldeak zinta itsasgarriarekin muntatu zituen lurrean, 6 metro baino gehiagoko aldea zuen marrazki karratu erraldoi bat osatuz. Kangek eta bere lankideek zirkuitu bakoitza eskuz marraztu zuten arkatz koloreztatuekin, konexio hautsiak eta gainjarritako edo gaizki maneiatutako interkonexioak bilatuz.
Diseinu fisikoa amaitutakoan, taldeak beste erronka bati aurre egin behar izan zion: fabrikazioari. Txip-ak Pennsylvaniako Allentowneko Western Electric lantegian ekoitzi ziren, baina Kangek gogoratzen du errendimendu-tasa (oblean errendimendu- eta kalitate-estandarrekin bat zetozen txipen ehunekoa) oso baxua zela.
Horri aurre egiteko, Kang eta bere lankideek egunero New Jerseytik lantegira joaten ziren autoz, mahukak bildu eta beharrezko guztia egiten zuten, zoruak garbitzea eta proba-ekipoak kalibratzea barne, adiskidetasuna sortzeko eta denak konbentzitzeko lantegiak inoiz ekoizten saiatu zen produkturik konplexuena bertan egin zitekeela.
«Taldea osatzeko prozesua ondo joan zen», esan zuen Kangek. «Hilabete batzuk igaro ondoren, Western Electricek kalitate handiko txipak ekoizteko gai izan zen eskaera baino kantitate handiagoan».
Bellmac-32aren lehen bertsioa 1980an kaleratu zen, baina ez zuen itxaropenen mailara iritsi. Bere errendimendu-helburuko maiztasuna 2 MHz baino ez zen, ez 4 MHz. Ingeniariek aurkitu zuten garai hartan erabiltzen ari ziren Takeda Riken proba-ekipo aurreratuak akastunak zituela, zundaren eta proba-buruaren arteko transmisio-lerro efektuek neurketa okerrak eragiten zituztela. Takeda Riken taldearekin lan egin zuten neurketa-erroreak zuzentzeko zuzenketa-taula bat garatzeko.
Bigarren belaunaldiko Bellmac txipek 6,2 MHz-tik gorako erloju-abiadura zuten, batzuetan 9 MHz-raino. Garai hartan, nahiko azkartzat jotzen zen hau. IBMk 1981ean bere lehen ordenagailuan kaleratu zuen 16 biteko Intel 8088 prozesadoreak 4,77 MHz-ko erloju-abiadura baino ez zuen.
Zergatik ez zuen Bellmac-32k'nagusi bihurtu
Bere itxaropen handia izan arren, Bellmac-32 teknologiak ez zuen merkataritza-adopzio zabala lortu. Condreyren arabera, AT&Tk NCR ekipamendu-fabrikatzailea aztertzen hasi zen 1980ko hamarkadaren amaieran eta geroago erosketak egitera jo zuen, eta horrek esan nahi zuen enpresak txip produktu-lerro desberdinak babestea erabaki zuela. Ordurako, Bellmac-32ren eragina hazten hasi zen.
«Bellmac-32 baino lehen, NMOSek merkatua menderatzen zuen», esan zuen Condryk. «Baina CMOSek paisaia aldatu zuen, fabrikan ezartzeko modu eraginkorragoa zela frogatu baitzen».
Denborarekin, kontzientziazio honek erdieroaleen industria birmoldatu zuen. CMOS mikroprozesadore modernoen oinarri bihurtuko zen, mahaigaineko ordenagailuak eta telefono adimendunak bezalako gailuetan iraultza digitala bultzatuz.
Bell Labs-en esperimentu ausarta —probatu gabeko fabrikazio-prozesu bat erabiliz eta txiparen arkitekturaren belaunaldi oso bat hartuz— mugarri bat izan zen teknologiaren historian.
Kang irakasleak dioen bezala: “Posible zenaren abangoardian geunden. Ez genuen bide bat jarraitzen bakarrik, bide berri bat urratzen ari ginen”. Huang irakasleak, geroago Singapurreko Mikroelektronika Institutuko zuzendariorde bihurtu zenak eta IEEE Fellow ere badenak, honakoa gaineratzen du: “Horrek ez zuen txiparen arkitektura eta diseinua bakarrik barne hartzen, baita txiparen egiaztapen eskala handikoa ere – CAD erabiliz, baina gaur egungo simulazio tresna digitalak edo baita protokoloak ere (sistema elektroniko baten zirkuituaren diseinua txipak erabiliz egiaztatzeko modu estandarra, zirkuituaren osagaiak behin betiko konektatu aurretik)”.
Condryk, Kangek eta Huangek garai hura gogoratzen dute maitasunez, eta miresmena adierazten dute Bellmac-32 txiparen familia posible egin zuten AT&Tko langile askoren trebetasun eta dedikazioarekiko.
Argitaratze data: 2025eko maiatzaren 19a