การมาถึงของชิปตัวนี้ได้เปลี่ยนแปลงแนวทางการพัฒนาชิป!
ในช่วงปลายทศวรรษปี 1970 โปรเซสเซอร์ 8 บิตยังคงเป็นเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าที่สุดในขณะนั้น และกระบวนการ CMOS ก็เสียเปรียบในด้านเซมิคอนดักเตอร์ วิศวกรที่ AT&T Bell Labs ได้ก้าวไปข้างหน้าอย่างกล้าหาญด้วยการผสมผสานกระบวนการผลิต CMOS 3.5 ไมครอนที่ล้ำสมัยเข้ากับสถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์ 32 บิตที่สร้างสรรค์ เพื่อพยายามเอาชนะคู่แข่งในด้านประสิทธิภาพของชิป โดยแซงหน้า IBM และ Intel
แม้ว่าไมโครโปรเซสเซอร์ Bellmac-32 ซึ่งเป็นสิ่งประดิษฐ์ของพวกเขาจะไม่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์เหมือนกับผลิตภัณฑ์รุ่นก่อนๆ เช่น Intel 4004 (เปิดตัวในปี 1971) แต่อิทธิพลของไมโครโปรเซสเซอร์นั้นก็มีอิทธิพลอย่างมาก ปัจจุบัน ชิปในสมาร์ทโฟน แล็ปท็อป และแท็บเล็ตแทบทุกเครื่องล้วนอาศัยหลักการเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม (CMOS) ที่ริเริ่มโดย Bellmac-32
ทศวรรษที่ 1980 กำลังใกล้เข้ามา และ AT&T กำลังพยายามเปลี่ยนแปลงตัวเอง เป็นเวลาหลายทศวรรษที่ยักษ์ใหญ่ด้านโทรคมนาคมที่มีชื่อเล่นว่า "Mother Bell" ครองตลาดธุรกิจการสื่อสารด้วยเสียงในสหรัฐอเมริกา และบริษัทในเครืออย่าง Western Electric ก็ผลิตโทรศัพท์พื้นฐานเกือบทั้งหมดในบ้านและสำนักงานในอเมริกา รัฐบาลกลางของสหรัฐฯ เรียกร้องให้แยกธุรกิจของ AT&T ออกจากกันด้วยเหตุผลด้านกฎหมายต่อต้านการผูกขาด แต่ AT&T มองเห็นโอกาสในการเข้าสู่ตลาดคอมพิวเตอร์
ถึงแม้ว่าบริษัทคอมพิวเตอร์ของ AT&T จะมีฐานที่มั่นคงในตลาดแล้ว แต่พวกเขาก็พบว่ามันยากที่จะตามทัน กลยุทธ์ของบริษัทคือการก้าวกระโดด และ Bellmac-32 ถือเป็นจุดเริ่มต้น
ชิปตระกูล Bellmac-32 ได้รับรางวัล IEEE Milestone Award พิธีเปิดตัวจะจัดขึ้นในปีนี้ที่วิทยาเขต Nokia Bell Labs ในเมืองเมอร์เรย์ฮิลล์ รัฐนิวเจอร์ซี และที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์ในเมืองเมาน์เทนวิว รัฐแคลิฟอร์เนีย
ชิปที่เป็นเอกลักษณ์
แทนที่จะปฏิบัติตามมาตรฐานอุตสาหกรรมของชิป 8 บิต ผู้บริหารของ AT&T ท้าทายวิศวกรของ Bell Labs ให้พัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ปฏิวัติวงการ นั่นคือ ไมโครโปรเซสเซอร์เชิงพาณิชย์ตัวแรกที่สามารถถ่ายโอนข้อมูล 32 บิตในรอบสัญญาณนาฬิกาเดียว ซึ่งไม่เพียงแต่ต้องใช้ชิปใหม่เท่านั้น แต่ยังต้องมีสถาปัตยกรรมใหม่ด้วย ซึ่งสามารถรองรับการสลับระบบโทรคมนาคมและทำหน้าที่เป็นกระดูกสันหลังของระบบคอมพิวเตอร์ในอนาคต
Michael Condry หัวหน้ากลุ่มสถาปัตยกรรมของ Bell Labs ที่ Holmdel รัฐนิวเจอร์ซี กล่าวว่า “เราไม่ได้แค่สร้างชิปที่เร็วขึ้นเท่านั้น เรากำลังพยายามออกแบบชิปที่สามารถรองรับทั้งเสียงและการประมวลผล”
ในเวลานั้น เทคโนโลยี CMOS ถือเป็นทางเลือกที่น่าสนใจแต่มีความเสี่ยงสำหรับการออกแบบ NMOS และ PMOS ชิป NMOS พึ่งพาทรานซิสเตอร์ชนิด N เพียงอย่างเดียว ซึ่งทำงานได้รวดเร็วแต่กินไฟมาก ในขณะที่ชิป PMOS พึ่งพาการเคลื่อนที่ของรูที่มีประจุบวก ซึ่งช้าเกินไป CMOS ใช้การออกแบบแบบไฮบริดที่เพิ่มความเร็วในขณะที่ประหยัดพลังงาน ข้อดีของ CMOS นั้นน่าสนใจมากจนในไม่ช้าอุตสาหกรรมก็ตระหนักได้ว่าแม้ว่าจะต้องใช้ทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (NMOS และ PMOS สำหรับแต่ละเกต) แต่ก็คุ้มค่า
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่อธิบายโดยกฎของมัวร์ ต้นทุนของการเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์เป็นสองเท่าจึงเป็นเรื่องที่จัดการได้และในที่สุดก็กลายเป็นเรื่องเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม เมื่อ Bell Labs เริ่มเสี่ยงโชคด้วยความเสี่ยงสูงนี้ เทคโนโลยีการผลิต CMOS ขนาดใหญ่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์และต้นทุนก็ค่อนข้างสูง
เรื่องนี้ไม่ได้ทำให้ Bell Labs หวาดกลัว บริษัทได้นำความเชี่ยวชาญจากวิทยาเขตต่างๆ ในโฮล์มเดล เมอร์เรย์ฮิลล์ และเนเปอร์วิลล์ รัฐอิลลินอยส์ มาปรับใช้ และจัดตั้ง "ทีมในฝัน" ของวิศวกรด้านเซมิคอนดักเตอร์ ทีมงานประกอบด้วย Condrey, Steve Conn ดาวรุ่งพุ่งแรงด้านการออกแบบชิป, Victor Huang นักออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์อีกคนหนึ่ง และพนักงานหลายสิบคนจาก AT&T Bell Labs พวกเขาเริ่มเชี่ยวชาญกระบวนการ CMOS ใหม่ในปี 1978 และสร้างไมโครโปรเซสเซอร์ 32 บิตขึ้นมาใหม่ตั้งแต่ต้น
เริ่มต้นด้วยการออกแบบสถาปัตยกรรม
Condrey เคยเป็น IEEE Fellow และต่อมาดำรงตำแหน่ง Chief Technology Officer ของ Intel ทีมสถาปัตยกรรมที่เขานำนั้นมุ่งมั่นที่จะสร้างระบบที่รองรับระบบปฏิบัติการ Unix และภาษา C อย่างแท้จริง ในขณะนั้น ทั้ง Unix และภาษา C ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ถูกกำหนดให้ครองตลาด เพื่อที่จะฝ่าขีดจำกัดหน่วยความจำที่มีค่ามหาศาลซึ่งอยู่ที่กิโลไบต์ (KB) ในขณะนั้น พวกเขาจึงแนะนำชุดคำสั่งที่ซับซ้อนซึ่งต้องการขั้นตอนการดำเนินการน้อยลงและสามารถทำงานให้เสร็จสิ้นได้ภายในหนึ่งรอบสัญญาณนาฬิกา
วิศวกรยังได้ออกแบบชิปที่รองรับบัสขนาน VersaModule Eurocard (VME) ซึ่งทำให้สามารถประมวลผลแบบกระจายและอนุญาตให้โหนดหลายโหนดประมวลผลข้อมูลแบบขนานได้ ชิปที่เข้ากันได้กับ VME ยังช่วยให้สามารถใช้ชิปเหล่านี้สำหรับการควบคุมแบบเรียลไทม์ได้อีกด้วย
ทีมได้เขียน Unix เวอร์ชันของตนเองและมอบความสามารถแบบเรียลไทม์ให้กับมันเพื่อให้แน่ใจว่าเข้ากันได้กับระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมและแอปพลิเคชันที่คล้ายคลึงกัน วิศวกรของ Bell Labs ยังได้คิดค้นลอจิกโดมิโนซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลโดยลดความล่าช้าในเกตลอจิกที่ซับซ้อน
มีการพัฒนาและแนะนำเทคนิคการทดสอบและการยืนยันเพิ่มเติมด้วยโมดูล Bellmac-32 ซึ่งเป็นโครงการตรวจสอบและทดสอบชิปหลายตัวที่ซับซ้อนซึ่งนำโดย Jen-Hsun Huang ซึ่งสามารถบรรลุข้อบกพร่องเป็นศูนย์หรือเกือบศูนย์ในการผลิตชิปที่ซับซ้อนได้ ซึ่งถือเป็นครั้งแรกในโลกที่มีการทดสอบวงจรรวมขนาดใหญ่ (VLSI) วิศวกรของ Bell Labs ได้พัฒนาระบบที่เป็นระบบ ตรวจสอบงานของเพื่อนร่วมงานซ้ำแล้วซ้ำเล่า และในที่สุดก็สามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นระหว่างชิปหลายตระกูล ซึ่งสุดท้ายก็กลายเป็นระบบไมโครคอมพิวเตอร์ที่สมบูรณ์แบบ
ถัดไปคือส่วนที่ท้าทายที่สุด: การผลิตชิปจริง
“ในตอนนั้น เทคโนโลยีการออกแบบ การทดสอบ และการผลิตที่ให้ผลผลิตสูงนั้นหายากมาก” คัง ซึ่งต่อมาได้ดำรงตำแหน่งประธานของสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงแห่งเกาหลี (KAIST) และเป็นสมาชิกของ IEEE เล่า เขาตั้งข้อสังเกตว่าการขาดเครื่องมือ CAD สำหรับการตรวจสอบชิปเต็มรูปแบบทำให้ทีมงานต้องพิมพ์ภาพวาดขนาดใหญ่ของ Calcomp แผนผังเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าควรจัดเรียงทรานซิสเตอร์ สายไฟ และสายเชื่อมต่อภายในชิปอย่างไรเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ ทีมงานได้ประกอบชิ้นส่วนเหล่านี้บนพื้นด้วยเทป โดยสร้างเป็นภาพวาดสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดยักษ์ที่มีความยาวด้านละมากกว่า 6 เมตร คังและเพื่อนร่วมงานวาดวงจรแต่ละวงจรด้วยมือด้วยดินสอสี โดยมองหาการเชื่อมต่อที่ขาดและสายเชื่อมต่อที่ทับซ้อนกันหรือได้รับการจัดการไม่ถูกต้อง
เมื่อการออกแบบทางกายภาพเสร็จสมบูรณ์ ทีมงานก็ต้องเผชิญกับความท้าทายอีกประการหนึ่ง นั่นก็คือการผลิต ชิปเหล่านี้ผลิตขึ้นที่โรงงาน Western Electric ในเมืองอัลเลนทาวน์ รัฐเพนซิลเวเนีย แต่คังจำได้ว่าอัตราผลผลิต (เปอร์เซ็นต์ของชิปบนเวเฟอร์ที่ตรงตามมาตรฐานประสิทธิภาพและคุณภาพ) ต่ำมาก
เพื่อแก้ปัญหานี้ คังและเพื่อนร่วมงานของเขาขับรถจากนิวเจอร์ซีย์มาที่โรงงานทุกวัน ลุยงานทุกอย่างที่จำเป็น รวมถึงกวาดพื้นและปรับเทียบอุปกรณ์ทดสอบ เพื่อสร้างความสามัคคีและโน้มน้าวให้ทุกคนเชื่อว่าผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนที่สุดที่โรงงานเคยพยายามผลิตสามารถผลิตที่นั่นได้จริง
“กระบวนการสร้างทีมเป็นไปอย่างราบรื่น” คังกล่าว “หลังจากผ่านไปไม่กี่เดือน เวสเทิร์น อิเล็คทริคก็สามารถผลิตชิปคุณภาพสูงได้ในปริมาณที่เกินความต้องการ”
Bellmac-32 รุ่นแรกออกจำหน่ายในปี 1980 แต่ไม่สามารถตอบสนองความคาดหวังได้ โดยมีเป้าหมายความถี่ในการทำงานเพียง 2 MHz ไม่ใช่ 4 MHz วิศวกรพบว่าอุปกรณ์ทดสอบ Takeda Riken ที่ทันสมัยที่สุดที่พวกเขาใช้ในขณะนั้นมีข้อบกพร่อง โดยเอฟเฟกต์ของสายส่งระหว่างหัววัดและหัวทดสอบทำให้การวัดไม่แม่นยำ พวกเขาจึงร่วมมือกับทีมงาน Takeda Riken ในการพัฒนาตารางแก้ไขเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดในการวัด
ชิป Bellmac รุ่นที่ 2 มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาเกิน 6.2 MHz บางครั้งสูงถึง 9 MHz ซึ่งถือว่าเร็วมากในขณะนั้น โปรเซสเซอร์ Intel 8088 แบบ 16 บิตที่ IBM เปิดตัวในพีซีเครื่องแรกในปี 1981 มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาเพียง 4.77 MHz เท่านั้น
ทำไม Bellmac-32 ถึงไม่-กลายเป็นกระแสหลัก
แม้จะมีแนวโน้มที่ดี แต่เทคโนโลยี Bellmac-32 ก็ไม่ได้รับการยอมรับในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย ตามที่ Condrey กล่าว AT&T เริ่มพิจารณาผู้ผลิตอุปกรณ์ NCR ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 และต่อมาได้หันไปซื้อกิจการ ซึ่งหมายความว่าบริษัทเลือกที่จะสนับสนุนสายผลิตภัณฑ์ชิปที่แตกต่างกัน เมื่อถึงเวลานั้น อิทธิพลของ Bellmac-32 ก็เริ่มเติบโตขึ้น
Condry กล่าวว่า “ก่อนที่จะมี Bellmac-32 นั้น NMOS ครองตลาดอยู่ แต่ CMOS ได้เปลี่ยนภูมิทัศน์ไป เพราะพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการนำไปใช้ในโรงงาน”
เมื่อเวลาผ่านไป การรับรู้ดังกล่าวได้เปลี่ยนรูปโฉมอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ CMOS กลายมาเป็นพื้นฐานสำหรับไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ที่ขับเคลื่อนการปฏิวัติทางดิจิทัลในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและสมาร์ทโฟน
การทดลองอันกล้าหาญของ Bell Labs ซึ่งใช้กระบวนการผลิตที่ยังไม่ผ่านการทดสอบและครอบคลุมสถาปัตยกรรมชิปรุ่นทั้งหมด ถือเป็นก้าวสำคัญในประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยี
ศาสตราจารย์คังกล่าวว่า “เราอยู่แนวหน้าของสิ่งที่เป็นไปได้ เราไม่ได้แค่เดินตามเส้นทางที่มีอยู่แล้ว แต่เรากำลังบุกเบิกเส้นทางใหม่” ศาสตราจารย์หวง ซึ่งต่อมาได้เป็นรองผู้อำนวยการของสถาบันไมโครอิเล็กทรอนิกส์สิงคโปร์และเป็นสมาชิก IEEE Fellow กล่าวเสริมว่า “ซึ่งรวมถึงไม่เพียงแต่สถาปัตยกรรมและการออกแบบชิปเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการตรวจสอบชิปขนาดใหญ่ด้วย โดยใช้ CAD แต่ไม่มีเครื่องมือจำลองดิจิทัลหรือแม้แต่แผงทดลอง (วิธีมาตรฐานในการตรวจสอบการออกแบบวงจรของระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้ชิปก่อนที่ส่วนประกอบของวงจรจะเชื่อมต่อกันอย่างถาวร)”
Condry, Kang และ Huang มองย้อนกลับไปในช่วงเวลานั้นด้วยความรักและแสดงความชื่นชมต่อทักษะและความทุ่มเทของพนักงาน AT&T จำนวนมากที่ความพยายามของพวกเขาทำให้ตระกูลชิป Bellmac-32 เกิดขึ้นได้
เวลาโพสต์ : 19 พ.ค. 2568