一顆改變歷史進展的晶片

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來源：內容編譯自IEEE。

這顆晶片的面世，改變了晶片程序！

20世紀70年代末，8位處理器仍是當時最先進的技術，而CMOS工藝在半導體技術領域卻處於劣勢。AT &T貝爾實驗室的工程師們大膽地邁向了未來。他們豪賭一把，希望超越IBM、英特爾和透過將尖端的 3.5 微米CMOS製造技術與新穎的 32 位處理器架構相結合，在晶片效能上超越其他競爭對手。

儘管他們的發明——Bellmac -32微處理器——未能像英特爾 4004 （1971 年釋出）等早期產品那樣獲得商業成功，但它的影響力卻更為深遠。如今，幾乎所有智慧手機、筆記型電腦和平板電腦中的晶片都依賴於 Bellmac-32 開創的互補金氧半導體 (CMOS) 原理。

20世紀80年代即將到來，AT&T正努力轉型。幾十年來，這家綽號“Ma Bell”的電信巨頭一直主導著美國的語音通訊業務，其子公司西部電氣（Western Electric）幾乎生產了美國家庭和辦公室裡所有常見的電話。美國聯邦政府正敦促以反壟斷為由剝離AT&T的業務，但AT&T卻獲得了進軍計算機領域的機會。

由於計算機公司已經在市場上站穩了腳跟，AT&T 無力追趕；它的戰略是跨越式發展，而 Bellmac-32 就是它的跳板。

Bellmac-32晶片系列現已榮獲IEEE里程碑獎。揭幕儀式將於今年在新澤西州默裡山的諾基亞貝爾實驗室園區和加州山景城的計算機歷史博物館舉行。

獨一無二的晶片

AT&T 的高管們並沒有效仿業界標準的 8 位晶片，而是向貝爾實驗室的工程師們提出了挑戰，要求他們開發出一款革命性的產品：第一款能夠在一個時鐘週期內傳輸 32 位資料的商用微處理器。這不僅需要一款全新的晶片，還需要一種全新的架構——能夠處理電信交換，並作為未來計算系統的骨幹。

“我們不僅僅是在打造一款速度更快的晶片，”貝爾實驗室新澤西州霍姆德爾工廠架構團隊負責人邁克爾·康德瑞(Michael Condry) 表示，“我們試圖設計一款能夠同時承載語音和計算功能的晶片。”

當時，CMOS技術被視為當時使用的NMOS和PMOS設計的一種有前景但風險較高的替代方案。NMOS晶片完全依賴於N型電晶體，速度快但功耗高。而PMOS晶片依賴於帶正電的空穴運動，速度太慢。CMOS採用混合設計，既能提高速度，又能節省能源。CMOS的優勢如此引人注目，以至於業界很快意識到，即使需要雙倍數量的電晶體（每個柵極分別使用NMOS和PMOS），也是值得的。

隨著摩爾定律所描述的半導體技術飛速發展，電晶體尺寸不斷縮小，電晶體密度翻倍的成本很快就變得可控，最終可以忽略不計。然而，當貝爾實驗室進行這場高風險的賭博時，大規模CMOS製造技術仍未經驗證，而且成本看起來相對較高。

這並沒有嚇倒貝爾實驗室。該公司利用位於霍姆德爾、默裡山以及伊利諾伊州內珀維爾的園區的專業知識，組建了一支由半導體工程師組成的“夢之隊”。團隊成員包括康德瑞、晶片設計界冉冉升起的新星康成模（Steve Kang）、另一位微處理器晶片設計師維克多·黃（Victor Huang）以及數十名AT&T貝爾實驗室的員工。他們於1978年開始著手掌握一種新的CMOS工藝，並從零開始打造一款32位微處理器。

從設計架構開始

康德瑞（Condry）曾是IEEE終身院士，後來成為英特爾首席技術官。他領導的架構團隊致力於構建一個原生支援Unix 作業系統和C程式語言的系統。當時，Unix和C程式語言都處於起步階段，但註定會佔據主導地位。為了應對當時記憶體的限制——千位元組（KB）非常寶貴——他們引入了一套複雜的指令集，執行步驟更少，並且可以在一個時鐘週期內完成。

工程師們還設計了支援VersaModule Eurocard (VME)並行匯流排的晶片，從而實現分散式計算，使多個節點能夠並行處理資料。支援VME的晶片也使其能夠用於即時控制。

該團隊編寫了自己的Unix版本，並賦予其即時功能，以確保新晶片設計與工業自動化及類似應用相容。貝爾實驗室的工程師還發明瞭多米諾邏輯，透過減少複雜邏輯閘的延遲來提高處理速度。

透過 Bellmac-32 模組，開發並引入了額外的測試和驗證技術。Bellmac-32 模組是一個由黃仁勳領導的複雜多晶片組驗證和測試專案，它使複雜的晶片製造實現了零錯誤或接近零錯誤。這在VLSI測試領域尚屬首例。貝爾實驗室的工程師們制定了系統性計劃，對同事的工作進行反覆檢查，最終使多個晶片組系列的整體設計能夠無縫協作，形成一個完整的微型計算機系統。

接下來是最困難的部分：實際製造晶片。

“當時缺乏佈局、測試和高良率製造的技術”，Kang 回憶道。Kang 曾是 IEEE 終身院士，後來擔任韓國大田韓國科學技術院 ( KAIST ) 院長。Kang表示，由於沒有可用於全晶片驗證的CAD工具，團隊只好列印超大尺寸的Calcomp圖。原理圖顯示了電晶體、電路線和互連應如何在晶片內部排列以提供所需的輸出。團隊用膠帶將它們在地板上組裝起來，以建立一個邊長超過 6 米的巨大方形圖。Kang 和他的同事用彩色鉛筆手工描摹每個電路，尋找斷路、重疊或處理不當的互連。

物理設計敲定後，團隊又面臨另一個難題：製造。晶片在賓夕法尼亞州阿倫敦的西部電氣公司（Western Electric）的一家工廠生產，但Kang回憶說，良品率（矽片上符合效能和質量標準的晶片的百分比）非常低。

為了解決這個問題，Kang和他的同事每天從新澤西州開車來到工廠，捲起袖子，做一切需要做的事情，包括掃地和校準測試裝置，以建立同志情誼並讓大家相信，工廠工人們曾經嘗試生產的最複雜的產品確實可以在這裡生產。

“團隊建設進展順利，”Knag說道，“幾個月後，西部電氣就能夠生產出超出需求數量的優質晶片。”

Bellmac-32 的首版於 1980 年問世，但未能達到預期。它的效能目標頻率僅為 2 MHz，而非 4 MHz。工程師們發現，他們所使用的當時最先進的武田理研測試裝置存在缺陷，探頭和測試頭之間的傳輸線效應會導致測量不準確，因此他們與武田理研團隊合作，開發了用於糾正測量誤差的校正表。

第二代 Bellmac 晶片的時鐘速度超過了 6.2 MHz，有時甚至高達 9 MHz。這在當時可謂是飛快的速度。IBM於 1981 年釋出的初代 PC 中搭載的16 位英特爾8088 處理器的時鐘速度僅為 4.77 MHz。

Bellmac-32 為何未能成為主流

儘管Bellmac-32技術前景光明，但它並未獲得廣泛的商業應用。據康德瑞稱，AT&T在20世紀80年代末開始關注裝置製造商NCR，而後轉向收購，這意味著該公司選擇支援不同的晶片產品線。但那時，Bellmac-32的影響力已日漸擴大。

Condry 表示：“在 Bellmac-32 之前，NMOS 佔據主導地位。但 CMOS 改變了市場，因為它被證明在晶圓廠中是一種更有效的實現方式。”

隨著時間的推移，這一認識重塑了半導體行業的格局。CMOS將成為現代微處理器的基礎，推動桌上型電腦、智慧手機等裝置的數字革命。

貝爾實驗室大膽嘗試——採用未經測試的製造工藝並跨越整整一代晶片架構——是技術史上的一個里程碑。

正如Kang所說：“我們站在了可能性的前沿。我們不僅僅是追隨已有的道路，而是開闢了一條新路。” 曾任 IEEE 終身院士、後來擔任新加坡微電子研究所副所長的黃教授補充道：“這不僅包括晶片架構和設計，還包括大規模晶片驗證——使用 CAD，但沒有當今的數字模擬工具，甚至沒有面包板（麵包板是在將電路元件焊接在一起進行永久連線之前，檢查使用晶片的電子系統的電路設計是否有效的標準方法）。”

Condry、Kang 和 Huang 深情地回顧了那段時光，並對許多 AT&T 員工表達了欽佩，他們的技能和奉獻精神使得 Bellmac-32 晶片系列成為可能。

參考連結

https://spectrum.ieee.org/bellmac-32-ieee-milestone

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