การมาถึงของชิปตัวนี้ได้เปลี่ยนทิศทางการพัฒนาชิปไปอย่างสิ้นเชิง!
ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 โปรเซสเซอร์ 8 บิตยังคงเป็นเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยที่สุดในขณะนั้น และกระบวนการผลิต CMOS ก็เสียเปรียบในด้านเซมิคอนดักเตอร์ วิศวกรที่ AT&T Bell Labs ได้ก้าวไปอีกขั้นอย่างกล้าหาญ โดยผสมผสานกระบวนการผลิต CMOS 3.5 ไมครอนที่ล้ำสมัยเข้ากับสถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์ 32 บิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เพื่อให้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าคู่แข่ง และแซงหน้า IBM และ Intel ได้สำเร็จ
แม้ว่าไมโครโปรเซสเซอร์ Bellmac-32 ที่พวกเขาประดิษฐ์ขึ้นจะไม่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์เท่ากับผลิตภัณฑ์รุ่นก่อนหน้า เช่น Intel 4004 (ที่วางจำหน่ายในปี 1971) แต่ก็มีอิทธิพลอย่างมาก ปัจจุบัน ชิปในสมาร์ทโฟน แล็ปท็อป และแท็บเล็ตเกือบทั้งหมดใช้หลักการ CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) ซึ่งเป็นหลักการที่ Bellmac-32 เป็นผู้บุกเบิก
ทศวรรษ 1980 กำลังจะมาถึง และ AT&T กำลังพยายามเปลี่ยนแปลงตัวเอง เป็นเวลาหลายทศวรรษที่บริษัทโทรคมนาคมยักษ์ใหญ่ที่ได้รับฉายาว่า "แม่เบลล์" ครองตลาดธุรกิจการสื่อสารด้วยเสียงในสหรัฐอเมริกา และบริษัทในเครืออย่างเวสเทิร์นอิเล็กทริกผลิตโทรศัพท์แทบทุกเครื่องที่ใช้กันทั่วไปในบ้านและสำนักงานของชาวอเมริกัน รัฐบาลกลางสหรัฐฯ เรียกร้องให้แยกธุรกิจของ AT&T ออกเป็นส่วนๆ ด้วยเหตุผลด้านการผูกขาด แต่ AT&T มองเห็นโอกาสที่จะเข้าสู่ธุรกิจคอมพิวเตอร์
เนื่องจากบริษัทคอมพิวเตอร์หลายแห่งได้เข้ามาตั้งฐานในตลาดแล้ว AT&T จึงพบว่าเป็นการยากที่จะตามให้ทัน กลยุทธ์ของ AT&T คือการก้าวกระโดด และ Bellmac-32 ก็เป็นจุดเริ่มต้นของกลยุทธ์นี้
ชิปตระกูล Bellmac-32 ได้รับรางวัล IEEE Milestone Award โดยจะมีพิธีเปิดตัวอย่างเป็นทางการในปีนี้ ณ ศูนย์วิจัย Nokia Bell Labs ในเมืองเมอร์เรย์ฮิลล์ รัฐนิวเจอร์ซีย์ และที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์ในเมืองเมาน์เทนวิว รัฐแคลิฟอร์เนีย
ชิปพิเศษ
แทนที่จะใช้ชิป 8 บิตตามมาตรฐานอุตสาหกรรม ผู้บริหารของ AT&T ได้ท้าทายวิศวกรของ Bell Labs ให้พัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ปฏิวัติวงการ นั่นคือ ไมโครโปรเซสเซอร์เชิงพาณิชย์ตัวแรกที่สามารถถ่ายโอนข้อมูล 32 บิตในรอบสัญญาณนาฬิกาเดียว ซึ่งไม่เพียงแต่ต้องการชิปใหม่เท่านั้น แต่ยังต้องการสถาปัตยกรรมใหม่ด้วย—สถาปัตยกรรมที่สามารถรองรับการสลับสัญญาณโทรคมนาคมและทำหน้าที่เป็นแกนหลักของระบบคอมพิวเตอร์ในอนาคต
"เราไม่ได้แค่สร้างชิปที่เร็วขึ้นเท่านั้น" ไมเคิล คอนดรี หัวหน้ากลุ่มสถาปัตยกรรมของเบลล์แล็บส์ในโฮล์มเดล รัฐนิวเจอร์ซีย์ กล่าว "เรากำลังพยายามออกแบบชิปที่สามารถรองรับทั้งเสียงและการประมวลผลได้"
ในขณะนั้น เทคโนโลยี CMOS ถูกมองว่าเป็นทางเลือกที่น่าสนใจแต่มีความเสี่ยงสูงกว่าการออกแบบ NMOS และ PMOS ชิป NMOS อาศัยทรานซิสเตอร์ชนิด N เพียงอย่างเดียว ซึ่งเร็วแต่กินพลังงานมาก ในขณะที่ชิป PMOS อาศัยการเคลื่อนที่ของประจุบวก ซึ่งช้าเกินไป CMOS ใช้การออกแบบแบบไฮบริดที่เพิ่มความเร็วในขณะที่ประหยัดพลังงาน ข้อดีของ CMOS นั้นดึงดูดใจมากจนอุตสาหกรรมตระหนักในไม่ช้าว่า แม้จะต้องใช้ทรานซิสเตอร์มากกว่าเดิมถึงสองเท่า (NMOS และ PMOS สำหรับแต่ละเกต) ก็คุ้มค่า
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ตามที่อธิบายไว้ในกฎของมัวร์ ต้นทุนในการเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์เป็นสองเท่าจึงสามารถจัดการได้และในที่สุดก็แทบจะไม่มีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม เมื่อเบลล์แล็บส์เริ่มต้นการเดิมพันที่มีความเสี่ยงสูงนี้ เทคโนโลยีการผลิต CMOS ขนาดใหญ่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ และต้นทุนก็ค่อนข้างสูง
เรื่องนี้ไม่ได้ทำให้เบลล์แล็บส์หวาดกลัว บริษัทได้ดึงเอาความเชี่ยวชาญจากวิทยาเขตต่างๆ ในโฮล์มเดล เมอร์เรย์ฮิลล์ และเนเพอร์วิลล์ รัฐอิลลินอยส์ มาใช้ และรวบรวม "ทีมในฝัน" ของวิศวกรเซมิคอนดักเตอร์ ทีมนี้ประกอบด้วย คอนเดรย์ สตีฟ คอนน์ ดาวรุ่งด้านการออกแบบชิป วิคเตอร์ หวง นักออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์อีกคน และพนักงานอีกหลายสิบคนจากเอทีแอนด์ที เบลล์แล็บส์ พวกเขาเริ่มเชี่ยวชาญกระบวนการผลิต CMOS ใหม่ในปี 1978 และสร้างไมโครโปรเซสเซอร์ 32 บิตขึ้นมาใหม่ทั้งหมด
เริ่มต้นด้วยการออกแบบสถาปัตยกรรม
คอนเดรย์เป็นอดีตสมาชิก IEEE Fellow และต่อมาดำรงตำแหน่งประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายเทคโนโลยีของ Intel ทีมออกแบบที่เขานำมุ่งมั่นที่จะสร้างระบบที่รองรับระบบปฏิบัติการ Unix และภาษา C โดยตรง ในขณะนั้น ทั้ง Unix และภาษา C ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ก็มีศักยภาพที่จะก้าวขึ้นมาเป็นผู้นำ เพื่อที่จะเอาชนะข้อจำกัดด้านหน่วยความจำที่มีค่าอย่างยิ่งในขณะนั้น พวกเขาได้นำชุดคำสั่งที่ซับซ้อนมาใช้ ซึ่งต้องการขั้นตอนการประมวลผลน้อยลงและสามารถทำงานให้เสร็จภายในรอบสัญญาณนาฬิกาเดียว
วิศวกรยังได้ออกแบบชิปที่รองรับบัสแบบขนาน VersaModule Eurocard (VME) ซึ่งช่วยให้สามารถประมวลผลแบบกระจายและอนุญาตให้หลายโหนดประมวลผลข้อมูลพร้อมกันได้ ชิปที่เข้ากันได้กับ VME ยังช่วยให้สามารถใช้สำหรับการควบคุมแบบเรียลไทม์ได้อีกด้วย
ทีมงานได้เขียนระบบปฏิบัติการ Unix เวอร์ชันของตนเองและเพิ่มความสามารถในการทำงานแบบเรียลไทม์เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความเข้ากันได้กับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและแอปพลิเคชันที่คล้ายคลึงกัน วิศวกรของ Bell Labs ยังได้คิดค้นตรรกะแบบโดมิโน ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลโดยลดความล่าช้าในเกตตรรกะที่ซับซ้อน
มีการพัฒนาและนำเทคนิคการทดสอบและการตรวจสอบเพิ่มเติมมาใช้กับโมดูล Bellmac-32 ซึ่งเป็นโครงการตรวจสอบและทดสอบชิปหลายตัวที่ซับซ้อน นำโดย Jen-Hsun Huang ซึ่งประสบความสำเร็จในการลดข้อบกพร่องให้เป็นศูนย์หรือใกล้ศูนย์ในการผลิตชิปที่ซับซ้อน นี่เป็นครั้งแรกในโลกของการทดสอบวงจรรวมขนาดใหญ่มาก (VLSI) วิศวกรของ Bell Labs ได้พัฒนาระบบการทำงานอย่างเป็นระเบียบ ตรวจสอบงานของเพื่อนร่วมงานซ้ำแล้วซ้ำเล่า และในที่สุดก็ประสบความสำเร็จในการทำงานร่วมกันอย่างราบรื่นระหว่างตระกูลชิปต่างๆ จนกระทั่งได้ระบบไมโครคอมพิวเตอร์ที่สมบูรณ์
ขั้นตอนต่อไปคือส่วนที่ท้าทายที่สุด: กระบวนการผลิตชิปจริง
“ในเวลานั้น เทคโนโลยีการออกแบบ การทดสอบ และการผลิตที่มีประสิทธิภาพสูงนั้นหายากมาก” คัง ผู้ซึ่งต่อมาได้ดำรงตำแหน่งประธานสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงแห่งเกาหลี (KAIST) และเป็นสมาชิกของ IEEE เล่า เขาตั้งข้อสังเกตว่า การขาดแคลนเครื่องมือ CAD สำหรับการตรวจสอบชิปแบบเต็มรูปแบบ ทำให้ทีมต้องพิมพ์ภาพวาด Calcomp ขนาดใหญ่เกินจริงออกมา แผนผังเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าทรานซิสเตอร์ สายไฟ และการเชื่อมต่อควรจัดเรียงอย่างไรภายในชิปเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ ทีมงานประกอบแผนผังเหล่านี้บนพื้นด้วยเทปกาว ทำให้เกิดภาพวาดสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดใหญ่ที่มีด้านยาวกว่า 6 เมตร คังและเพื่อนร่วมงานวาดวงจรแต่ละวงจรด้วยมือโดยใช้ดินสอสี ตรวจสอบหาจุดเชื่อมต่อที่ขาด และจุดเชื่อมต่อที่ซ้อนทับกันหรือจัดการไม่ถูกต้อง
เมื่อการออกแบบทางกายภาพเสร็จสมบูรณ์ ทีมงานก็เผชิญกับความท้าทายอีกประการหนึ่ง นั่นคือ การผลิต ชิปถูกผลิตที่โรงงาน Western Electric ในเมืองอัลเลนทาวน์ รัฐเพนซิลเวเนีย แต่คังเล่าว่า อัตราผลผลิต (เปอร์เซ็นต์ของชิปบนแผ่นเวเฟอร์ที่ตรงตามมาตรฐานด้านประสิทธิภาพและคุณภาพ) นั้นต่ำมาก
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ คังและเพื่อนร่วมงานจึงขับรถจากนิวเจอร์ซีย์ไปยังโรงงานทุกวัน ลงมือลงแรงทำทุกอย่างที่จำเป็น รวมถึงการกวาดพื้นและการปรับเทียบอุปกรณ์ทดสอบ เพื่อสร้างความสามัคคีและโน้มน้าวทุกคนว่าผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนที่สุดที่โรงงานเคยพยายามผลิตนั้นสามารถผลิตได้ที่นี่จริงๆ
“กระบวนการสร้างทีมเป็นไปอย่างราบรื่น” คังกล่าว “หลังจากนั้นไม่กี่เดือน เวสเทิร์น อิเล็กทริกก็สามารถผลิตชิปคุณภาพสูงได้ในปริมาณที่เกินความต้องการ”
รุ่นแรกของเครื่อง Bellmac-32 เปิดตัวในปี 1980 แต่ไม่ประสบความสำเร็จตามที่คาดหวัง ความถี่เป้าหมายในการทำงานอยู่ที่เพียง 2 MHz ไม่ใช่ 4 MHz วิศวกรค้นพบว่าอุปกรณ์ทดสอบ Takeda Riken ที่ทันสมัยที่สุดที่พวกเขาใช้ในขณะนั้นมีข้อบกพร่อง โดยมีผลกระทบจากสายส่งสัญญาณระหว่างโพรบและหัวทดสอบทำให้การวัดไม่แม่นยำ พวกเขาจึงร่วมมือกับทีมงาน Takeda Riken ในการพัฒนาตารางแก้ไขข้อผิดพลาดในการวัด
ชิป Bellmac รุ่นที่สองมีความเร็วสัญญาณนาฬิกาเกิน 6.2 เมกะเฮิร์ตซ์ บางครั้งสูงถึง 9 เมกะเฮิร์ตซ์ ซึ่งถือว่าเร็วมากในเวลานั้น ในขณะที่โปรเซสเซอร์ Intel 8088 แบบ 16 บิตที่ IBM เปิดตัวในพีซีเครื่องแรกในปี 1981 มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาเพียง 4.77 เมกะเฮิร์ตซ์เท่านั้น
ทำไม Bellmac-32 ถึงไม่'กลายเป็นกระแสหลัก
แม้จะมีศักยภาพสูง แต่เทคโนโลยี Bellmac-32 ก็ไม่ได้รับการยอมรับในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย ตามที่คอนเดรย์กล่าวไว้ AT&T เริ่มพิจารณาบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ NCR ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 และต่อมาได้หันไปใช้วิธีการเข้าซื้อกิจการ ซึ่งหมายความว่าบริษัทเลือกที่จะสนับสนุนสายผลิตภัณฑ์ชิปที่แตกต่างกัน ในขณะนั้น อิทธิพลของ Bellmac-32 ก็เริ่มเติบโตขึ้น
“ก่อน Bellmac-32 เทคโนโลยี NMOS ครองตลาด” คอนดรีกล่าว “แต่ CMOS เปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์ เพราะพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการนำไปใช้ในโรงงานผลิตชิป”
เมื่อเวลาผ่านไป การค้นพบนี้ได้เปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไปอย่างสิ้นเชิง CMOS กลายเป็นพื้นฐานของไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ ซึ่งเป็นพลังขับเคลื่อนการปฏิวัติทางดิจิทัลในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะและสมาร์ทโฟน
การทดลองที่กล้าหาญของ Bell Labs ซึ่งใช้กระบวนการผลิตที่ไม่เคยมีการทดสอบมาก่อนและครอบคลุมสถาปัตยกรรมชิปทั้งเจเนอเรชั่น ถือเป็นก้าวสำคัญในประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยี
ศาสตราจารย์คังกล่าวว่า “เราเป็นผู้นำในสิ่งที่สามารถทำได้ เราไม่ได้แค่เดินตามเส้นทางที่มีอยู่แล้ว แต่เรากำลังบุกเบิกเส้นทางใหม่” ศาสตราจารย์หวง ซึ่งต่อมาได้ดำรงตำแหน่งรองผู้อำนวยการสถาบันไมโครอิเล็กทรอนิกส์แห่งสิงคโปร์ และเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ของ IEEE กล่าวเสริมว่า “สิ่งนี้ไม่เพียงแต่รวมถึงสถาปัตยกรรมและการออกแบบชิปเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการตรวจสอบชิปขนาดใหญ่ด้วย โดยใช้ CAD แต่ไม่มีเครื่องมือจำลองดิจิทัลในปัจจุบัน หรือแม้แต่แผงวงจรทดลอง (ซึ่งเป็นวิธีการมาตรฐานในการตรวจสอบการออกแบบวงจรของระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้ชิปก่อนที่จะเชื่อมต่อส่วนประกอบวงจรเข้าด้วยกันอย่างถาวร)”
คอนดรี คัง และหวง หวนรำลึกถึงช่วงเวลานั้นด้วยความรู้สึกที่ดี และแสดงความชื่นชมในทักษะและความทุ่มเทของพนักงาน AT&T จำนวนมาก ที่มีส่วนทำให้ชิปตระกูล Bellmac-32 เกิดขึ้นได้จริง
วันที่เผยแพร่: 19 พฤษภาคม 2568