Il microprocessore Bellmac-32: l’innovazione che ha cambiato il mondo dei chip

Innovazioni nella progettazione dei microprocessori

Negli anni ’70, quando i processori a 8 bit erano all’avanguardia e la tecnologia CMOS era poco diffusa, gli ingegneri dei Bell Labs di AT&T presero una decisione coraggiosa. Scommisero su una nuova architettura di processore a 32 bit, combinando la tecnologia CMOS di ultima generazione con una fabbricazione innovativa a 3,5 micron.

Anche se il loro microprocessore Bellmac-32 non raggiunse mai la fama commerciale di altri predecessori, come l’Intel 4004, la sua influenza è stata duratura. Oggi, praticamente ogni chip in smartphone, laptop e tablet si basa sui principi del semiconduttore a ossido metallico complementare che il Bellmac-32 ha introdotto.

AT&T, che stava affrontando una trasformazione, non poteva permettersi di rimanere indietro. La strategia era quella di superare la concorrenza e il Bellmac-32 fu il trampolino di lancio.

Il microprocessore Bellmac-32 è stato recentemente insignito di un riconoscimento IEEE Milestone. Le cerimonie di inaugurazione si terranno quest’anno presso il campus dei Bell Labs di Nokia a Murray Hill, N.J., e presso il Computer History Museum a Mountain View, Calif.

Un chip unico nel suo genere

Gli esecutivi di AT&T sfidarono gli ingegneri dei Bell Labs a creare qualcosa di rivoluzionario: il primo microprocessore commercialmente valido in grado di spostare 32 bit in un ciclo di clock. Ciò richiese non solo un nuovo chip, ma anche un’architettura completamente innovativa, in grado di gestire lo switching delle telecomunicazioni e di servire da base per i futuri sistemi informatici.

La tecnologia CMOS, vista all’epoca come un’alternativa promettente ma rischiosa ai design NMOS e PMOS allora in uso, offriva il potenziale per velocità ed efficienza energetica. I benefici erano così convincenti che l’industria presto riconobbe che il bisogno di raddoppiare il numero di transistor (NMOS e PMOS per ogni gate) valeva lo scambio.

Quando i Bell Labs presero questa scommessa rischiosa, la fabbricazione su larga scala di CMOS era ancora sconosciuta e sembrava costosa.

Nonostante le sfide, i Bell Labs assemblarono un team di ingegneri di semiconduttori provenienti dai loro campus in diverse località. Il team si mise al lavoro nel 1978 per padroneggiare un nuovo processo CMOS e creare un microprocessore a 32 bit da zero.

Progettazione dell’architettura

Il gruppo di architettura guidato da Michael Condry si concentrò sulla creazione di un sistema che supportasse nativamente il sistema operativo Unix e il linguaggio di programmazione C. Per gestire le limitazioni di memoria dell’epoca, introdussero un set di istruzioni complesso che richiedeva meno passaggi e poteva essere eseguito in un singolo ciclo di clock.

Gli ingegneri progettarono il chip per supportare il bus parallelo VersaModule Eurocard (VME), consentendo il calcolo distribuito in parallelo. Questo permise anche l’uso del chip per il controllo in tempo reale.

Il gruppo scrisse la propria versione di Unix, con capacità in tempo reale per garantire la compatibilità con l’automazione industriale e applicazioni simili. Gli ingegneri dei Bell Labs inventarono anche la logica a domino, che aumentò la velocità di elaborazione riducendo i ritardi nei gate logici complessi.

Il team sviluppò e introdusse tecniche di test e verifica aggiuntive tramite il modulo Bellmac-32, un progetto sofisticato di verifica e test multi-chipset guidato da Huang. Questo fu il primo del suo genere nei test VLSI. Il piano sistematico degli ingegneri dei Bell Labs per controllare e verificare il lavoro dei colleghi alla fine rese possibile il design completo della famiglia di chipset multipli che funzionavano insieme senza errori.

La parte più difficile fu costruire effettivamente il chip.

Piani di layout e matite colorate

Senza strumenti CAD disponibili per la verifica completa del chip, il team ricorse a stampe oversize con schemi che mostravano come disporre i transistor, le linee di circuito e gli interconnettori all’interno del chip. Kang e i suoi colleghi tracciarono ogni circuito a mano con matite colorate, cercando interruzioni, sovrapposizioni o interconnettori mal gestiti.

Produzione

Una volta fissato il design fisico, il team affrontò un altro ostacolo: la produzione. I chip furono fabbricati in uno stabilimento di Western Electric ad Allentown, Pa., ma i tassi di resa erano bassi.

Per affrontare la situazione, Kang e i suoi colleghi si recavano ogni giorno dalla sede di New Jersey allo stabilimento, facendo di tutto, compreso pulire i pavimenti e calibrare l’attrezzatura di test, per costruire un’atmosfera di collaborazione e instillare fiducia nel fatto che il prodotto più complicato mai realizzato nello stabilimento potesse essere effettivamente prodotto lì.

La prima versione del Bellmac-32, pronta nel 1980, non raggiunse le aspettative. Invece di raggiungere una velocità di 4 megahertz, funzionava solo a 2 MHz. La seconda generazione dei chip Bellmac raggiunse velocità di clock superiori a 6,2 MHz, a volte arrivando a 9.

Perché il Bellmac-32 non è diventato mainstream

Nonostante le promesse tecniche, il Bellmac-32 non trovò un ampio utilizzo commerciale. Tuttavia, il suo impatto tecnologico era già in atto.

La scommessa dei Bell Labs di superare un’intera generazione di architettura di chip rimane un momento storico nella storia tecnologica.

Il programma Milestone, amministrato dal IEEE History Center e supportato dai donatori, riconosce sviluppi tecnici eccezionali in tutto il mondo.