IEEE 里程碑：四十年前独一无二的芯片！

20 世纪 70 年代末，正值 8 位处理器引领技术潮流、CMOS 在半导体领域尚不被看好之际。美国电话电报公司（AT&T）贝尔实验室的工程师们大胆地向未来迈出了一步。他们押下重注豪赌未来，试图通过将前沿的3.5 微米 CMOS 制造工艺与全新的 32 位处理器架构相结合，在芯片性能上超越 IBM、英特尔等竞争对手。

尽管他们的成果——Bellmac-32 微处理器 —— 从未像英特尔 1971 年推出的 4004 芯片那样获得商业上的广泛声誉，但事实证明，它的影响力更为深远。如今，智能手机、笔记本电脑和平板电脑中的几乎每一块芯片，都依赖于 Bellmac-32 率先采用的互补金属氧化物半导体（CMOS）原理。

20 世纪 80 年代临近，AT&T 正经历着变革。几十年来，这家被昵称为 “贝尔大妈（Ma Bell）” 的电信巨头一直主导着美国的语音通信市场，其旗下的西部电气子公司几乎制造了美国家庭和办公室中使用的每一部电话。当时，美国联邦政府正推动反垄断分拆，但 AT&T 也获得了进军计算领域的机会。

由于计算领域的公司已经在市场上站稳了脚跟， AT&T 来不及追赶，其战略是实现跨越式发展，而 Bellmac-32 就是它的跳板。

Bellmac-32 芯片系列现已获得 IEEE 里程碑荣誉。今年， dedication 仪式计划在新泽西州默里山的诺基亚贝尔实验室园区和加利福尼亚州山景城的计算机历史博物馆举行。

独一无二的芯片

AT&T 的高管们要求贝尔实验室的工程师们不模仿 8 位芯片这一行业标准，而是交付具有革命性的产品：首款在商业上可行的、能够在一个时钟周期内处理 32 位数据的微处理器。这不仅需要一款新芯片，还需要一种全新的架构 —— 这种架构既要能处理电信交换任务，又能作为未来计算系统的支柱。

“我们不只是在制造更快的芯片，” 曾在新泽西州霍尔姆德尔的贝尔实验室设施中领导架构团队的迈克尔・康德里说，“我们试图设计一种能够将语音和计算带入未来的产品。”

贝尔实验室带内存管理单元的 32 位 DBO 图示。Bellmac-32 微处理器的这种配置集成了内存管理单元，针对类 Unix 操作系统进行了优化。AT&T 档案与历史中心

当时，CMOS 技术被视为一种有前景但充满风险的替代方案，可替代当时使用的 NMOS 和 PMOS 设计。仅依赖 N 型晶体管的 NMOS 芯片速度快，但功耗高。依赖正电荷空穴移动的 PMOS 芯片速度太慢。CMOS 采用混合设计，有望兼具速度和节能的优势。其优势如此吸引人，以至于行业很快认识到，晶体管数量翻倍（每个门电路都有 NMOS 和 PMOS）的代价是值得的。

随着摩尔定律所描述的半导体技术的迅速发展，晶体管尺寸不断缩小，晶体管密度翻倍的成本很快变得可控，最终变得微不足道。但在贝尔实验室进行这场高风险的赌博时，大规模 CMOS 制造仍未得到验证，而且看起来成本相对较高。

但这并没有阻止贝尔实验室。该公司利用其在霍尔姆德尔、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。团队成员包括康德里、芯片设计领域的后起之秀Steve Kang、另一位微处理器芯片设计师Victor黄,以及数十名 AT&T 贝尔实验室的员工。1978 年，他们开始着手掌握新的 CMOS 工艺，并从头开始打造 32 位微处理器。

架构设计

由 IEEE 终身会士康德里领导的架构团队（康德里后来成为英特尔的首席技术官）专注于构建一个能够原生支持 Unix 操作系统和 C 编程语言的系统。这两者当时都处于起步阶段，但注定会占据主导地位。为了应对那个时代的内存限制 —— 千字节内存都很宝贵 —— 他们引入了一套复杂指令集，该指令集执行所需的步骤更少，并且可以在单个时钟周期内执行。

工程师们还为芯片构建了支持 VersaModule Eurocard（VME）并行总线的功能，实现了分布式计算，使多个节点能够并行处理数据。使芯片支持 VME 还使其能够用于实时控制。

该团队编写了自己版本的 Unix，具有实时功能，以确保新的芯片设计能够与工业自动化等应用兼容。贝尔实验室的工程师们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。这是一个由黄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能够实现零误差或接近零误差。这在超大规模集成电路测试中是首创。贝尔实验室工程师们对同事的工作进行双重和三重检查的系统计划，最终使多个芯片组系列的整体设计能够作为一个完整的微计算机系统无缝协作。

接下来是最困难的部分：实际制造芯片。

布局图和彩色铅笔

“当时，用于布局、测试和高良率制造的技术还不存在，”IEEE 终身会士Steve Kang回忆道，他后来成为韩国大田韩国科学技术高级研究院（KAIST）的院长。Kang说，由于没有用于全芯片验证的计算机辅助设计（CAD）工具，团队不得不打印超大的 Calcomp 绘图。这些原理图展示了晶体管、电路线和互连线应如何排列在芯片内部，以提供所需的输出。团队用胶带将它们组装在地板上，制成了一张边长超过 6 米的巨大方形地图。Kang和他的同事们用彩色铅笔手工描绘每条电路，寻找断路、重叠或处理不当的互连线。

1982 年，贝尔实验室 Bellmac-32 团队的成员在新泽西州默里山校区的地板上贴着一个巨大的芯片电路原理图。

制造芯片

物理设计确定后，团队又面临另一个障碍：制造。这些芯片是在宾夕法尼亚州阿伦敦的西部电气工厂制造的，但Kang回忆说，良率（硅片上符合性能和质量标准的芯片百分比）低得可怜。

为了解决这个问题，Kang和他的同事们每天从新泽西州驱车前往工厂，卷起袖子，做任何需要做的事情，包括扫地和校准测试设备，以建立团队精神，并让工厂工人相信，他们有史以来尝试生产的最复杂的产品确实可以在那里制造出来。

“我们不只是在制造更快的芯片。我们试图设计一种能够将语音和计算带入未来的产品。”
—— 迈克尔・康德里，Bellmac-32 架构团队负责人

“团队建设效果很好，” Kang说，“几个月后，西部电气能够生产出超过所需数量的合格芯片。”

Bellmac-32 的第一个版本于 1980 年准备就绪，但未达到预期。它没有达到 4 MHz的性能目标，仅运行在 2 MHz。工程师们发现，他们使用的最先进的武田理研测试设备存在缺陷，探针和测试头之间的传输线效应导致测量不准确，因此他们与武田理研的团队合作开发了校正表，纠正了测量误差。

第二代 Bellmac 芯片的时钟速度超过 6.2 MHz，有时达到 9 MHz。这在当时是极快的速度。1981 年发布的 IBM 原装 PC 内部的 16 位英特尔 8088 处理器运行速度为 4.77 MHz。

为什么Bellmac-32 没有成为主流

尽管 Bellmac-32 在技术上有潜力，但它没有获得广泛的商业应用。据康德里说，AT&T 转向收购设备制造商 NCR（它在 20 世纪 80 年代末开始关注 NCR），这意味着该公司选择支持不同的芯片产品线。但到那时，Bellmac-32 的影响已经在不断扩大。

“在 Bellmac-32 之前，NMOS 占主导地位，” 康德里说，“但 CMOS 改变了市场，因为它在制造中被证明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、智能手机等领域的数字革命。

贝尔实验室大胆押注—— 采用未经测试的制造工艺，跨越整整一代芯片架构 —— 堪称科技史上的一个里程碑时刻。

正如Kang所说：“我们处于可能的前沿。我们不只是沿着路径走 —— 我们开辟了一条新路径。”IEEE 终身会士黄（后来成为新加坡微电子研究所副所长）补充说：“这不仅包括芯片架构和设计，还包括大规模芯片验证 —— 使用了 CAD，但没有今天的数字仿真工具，甚至没有面包板技术（这是一种标准方法，用于在通过焊接电路元件进行永久连接之前，检查使用芯片的电子系统的电路设计是否可行）。”

康德里、Kang和黄深情地回顾了那段时期，并对众多 AT&T 员工的技能和奉献精神表示钦佩，正是他们的努力使 Bellmac-32 芯片系列成为可能。

原文：

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

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