一颗改变历史进展的芯片

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来源：内容编译自 IEEE 。

这颗芯片的面世，改变了芯片进程！

20世纪70年代末，8位处理器仍是当时最先进的技术，而CMOS工艺在半导体技术领域却处于劣势。AT &T贝尔实验室的工程师们大胆地迈向了未来。他们豪赌一把，希望超越IBM、英特尔和通过将尖端的 3.5 微米CMOS制造技术与新颖的 32 位处理器架构相结合，在芯片性能上超越其他竞争对手。

尽管他们的发明——Bellmac -32微处理器——未能像英特尔 4004 （1971 年发布）等早期产品那样获得商业成功，但它的影响力却更为深远。如今，几乎所有智能手机、笔记本电脑和平板电脑中的芯片都依赖于 Bellmac-32 开创的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 原理。

20世纪80年代即将到来，AT&T正努力转型。几十年来，这家绰号“Ma Bell”的电信巨头一直主导着美国的语音通信业务，其子公司西部电气（Western Electric）几乎生产了美国家庭和办公室里所有常见的电话。美国联邦政府正敦促以反垄断为由剥离AT&T的业务，但AT&T却获得了进军计算机领域的机会。

由于计算机公司已经在市场上站稳了脚跟，AT&T 无力追赶；它的战略是跨越式发展，而 Bellmac-32 就是它的跳板。

Bellmac-32芯片系列现已荣获IEEE里程碑奖。揭幕仪式将于今年在新泽西州默里山的诺基亚 贝尔实验室园区和加州山景城的计算机历史博物馆举行。

独一无二的芯片

AT&T 的高管们并没有效仿业界标准的 8 位芯片，而是向贝尔实验室的工程师们提出了挑战，要求他们开发出一款革命性的产品：第一款能够在一个时钟周期内传输 32 位数据的商用微处理器。这不仅需要一款全新的芯片，还需要一种全新的架构——能够处理电信交换，并作为未来计算系统的骨干。

“我们不仅仅是在打造一款速度更快的芯片，”贝尔实验室新泽西州霍姆德尔工厂架构团队负责人迈克尔·康德瑞(Michael Condry) 表示，“我们试图设计一款能够同时承载语音和计算功能的芯片。”

当时，CMOS技术被视为当时使用的NMOS和PMOS设计的一种有前景但风险较高的替代方案。NMOS芯片完全依赖于N型晶体管，速度快但功耗高。而PMOS芯片依赖于带正电的空穴运动，速度太慢。CMOS采用混合设计，既能提高速度，又能节省能源。CMOS的优势如此引人注目，以至于业界很快意识到，即使需要双倍数量的晶体管（每个栅极分别使用NMOS和PMOS），也是值得的。

随着摩尔定律所描述的半导体技术飞速发展，晶体管尺寸不断缩小，晶体管密度翻倍的成本很快就变得可控，最终可以忽略不计。然而，当贝尔实验室进行这场高风险的赌博时，大规模CMOS制造技术仍未经验证，而且成本看起来相对较高。

这并没有吓倒贝尔实验室。该公司利用位于霍姆德尔、默里山以及伊利诺伊州内珀维尔的园区的专业知识，组建了一支由半导体工程师组成的“梦之队”。团队成员包括康德瑞、芯片设计界冉冉升起的新星康成模（Steve Kang）、 另一位微处理器芯片设计师维克多·黄（Victor Huang）以及数十名AT&T贝尔实验室的员工。他们于1978年开始着手掌握一种新的CMOS工艺，并从零开始打造一款32位微处理器。

从设计架构开始

康德瑞（Condry）曾是IEEE终身院士，后来成为英特尔首席技术官。他领导的架构团队致力于构建一个原生支持Unix 操作系统和C编程语言的系统。当时，Unix和C编程语言都处于起步阶段，但注定会占据主导地位。为了应对当时内存的限制——千字节（KB）非常宝贵——他们引入了一套复杂的指令集，执行步骤更少，并且可以在一个时钟周期内完成。

工程师们还设计了支持VersaModule Eurocard (VME)并行总线的芯片，从而实现分布式计算，使多个节点能够并行处理数据。支持VME的芯片也使其能够用于实时控制。

该团队编写了自己的Unix版本，并赋予其实时功能，以确保新芯片设计与工业自动化及类似应用兼容。贝尔实验室的工程师还发明了多米诺逻辑，通过减少复杂逻辑门的延迟来提高处理速度。

通过 Bellmac-32 模块，开发并引入了额外的测试和验证技术。Bellmac-32 模块是一个由黄仁勋领导的复杂多芯片组验证和测试项目，它使复杂的芯片制造实现了零错误或接近零错误。这在VLSI测试领域尚属首例。贝尔实验室的工程师们制定了系统性计划，对同事的工作进行反复检查，最终使多个芯片组系列的整体设计能够无缝协作，形成一个完整的微型计算机系统。

接下来是最困难的部分：实际制造芯片。

“当时缺乏布局、测试和高良率制造的技术”，Kang 回忆道。Kang 曾是 IEEE 终身院士，后来担任韩国大田韩国科学技术院 ( KAIST ) 院长。Kang表示，由于没有可用于全芯片验证的CAD工具，团队只好打印超大尺寸的Calcomp图。原理图显示了晶体管、电路线和互连应如何在芯片内部排列以提供所需的输出。团队用胶带将它们在地板上组装起来，以创建一个边长超过 6 米的巨大方形图。Kang 和他的同事用彩色铅笔手工描摹每个电路，寻找断路、重叠或处理不当的互连。

物理设计敲定后，团队又面临另一个难题：制造。芯片在宾夕法尼亚州阿伦敦的西部电气公司（Western Electric）的一家工厂生产，但Kang回忆说，良品率（硅片上符合性能和质量标准的芯片的百分比）非常低。

为了解决这个问题，Kang和他的同事每天从新泽西州开车来到工厂，卷起袖子，做一切需要做的事情，包括扫地和校准测试设备，以建立同志情谊并让大家相信，工厂工人们曾经尝试生产的最复杂的产品确实可以在这里生产。

“团队建设进展顺利，”Knag说道，“几个月后，西部电气就能够生产出超出需求数量的优质芯片。”

Bellmac-32 的首版于 1980 年问世，但未能达到预期。它的性能目标频率仅为 2 MHz，而非 4 MHz。工程师们发现，他们所使用的当时最先进的武田理研测试设备存在缺陷，探头和测试头之间的传输线效应会导致测量不准确，因此他们与武田理研团队合作，开发了用于纠正测量误差的校正表。

第二代 Bellmac 芯片的时钟速度超过了 6.2 MHz，有时甚至高达 9 MHz。这在当时可谓是飞快的速度。IBM于 1981 年发布的初代 PC 中搭载的16 位英特尔8088 处理器的时钟速度仅为 4.77 MHz。

Bellmac-32 为何未能成为主流

尽管Bellmac-32技术前景光明，但它并未获得广泛的商业应用。据康德瑞称，AT&T在20世纪80年代末开始关注设备制造商NCR，而后转向收购，这意味着该公司选择支持不同的芯片产品线。但那时，Bellmac-32的影响力已日渐扩大。

Condry 表示：“在 Bellmac-32 之前，NMOS 占据主导地位。但 CMOS 改变了市场，因为它被证明在晶圆厂中是一种更有效的实现方式。”

随着时间的推移，这一认识重塑了半导体行业的格局。CMOS将成为现代微处理器的基础，推动台式机、智能手机等设备的数字革命。

贝尔实验室大胆尝试——采用未经测试的制造工艺并跨越整整一代芯片架构——是技术史上的一个里程碑。

正如Kang所说：“我们站在了可能性的前沿。我们不仅仅是追随已有的道路，而是开辟了一条新路。” 曾任 IEEE 终身院士、后来担任新加坡微电子研究所副所长的黄教授补充道：“这不仅包括芯片架构和设计，还包括大规模芯片验证——使用 CAD，但没有当今的数字仿真工具，甚至没有面包板（面包板是在将电路元件焊接在一起进行永久连接之前，检查使用芯片的电子系统的电路设计是否有效的标准方法）。”

Condry、Kang 和 Huang 深情地回顾了那段时光，并对许多 AT&T 员工表达了钦佩，他们的技能和奉献精神使得 Bellmac-32 芯片系列成为可能。

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

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