一颗改变历史进展的芯片

摘要：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

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。

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