¡La llegada de este chip cambió el curso del desarrollo de chips!
A finales de la década de 1970, los procesadores de 8 bits seguían siendo la tecnología más avanzada del momento, y los procesos CMOS se encontraban en desventaja en el campo de los semiconductores. Los ingenieros de AT&T Bell Labs dieron un paso audaz hacia el futuro, combinando procesos de fabricación de CMOS de 3,5 micras de vanguardia con innovadoras arquitecturas de procesadores de 32 bits para superar a la competencia en rendimiento de chips, superando a IBM e Intel.
Aunque su invención, el microprocesador Bellmac-32, no alcanzó el éxito comercial de productos anteriores como el Intel 4004 (lanzado en 1971), su influencia fue profunda. Hoy en día, los chips de casi todos los teléfonos inteligentes, portátiles y tabletas se basan en los principios de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS), desarrollados por el Bellmac-32.
Se acercaba la década de 1980 y AT&T intentaba transformarse. Durante décadas, el gigante de las telecomunicaciones, apodado "Mother Bell", había dominado el negocio de las comunicaciones de voz en Estados Unidos, y su filial Western Electric producía casi todos los teléfonos comunes en los hogares y oficinas estadounidenses. El gobierno federal estadounidense instó a la división de AT&T por motivos antimonopolio, pero AT&T vio una oportunidad para entrar en el sector informático.
Como las compañías de computadoras ya estaban bien establecidas en el mercado, a AT&T le resultó difícil ponerse al día; su estrategia era dar un salto, y el Bellmac-32 fue su trampolín.
La familia de chips Bellmac-32 ha sido galardonada con el Premio IEEE Milestone. Las ceremonias de presentación se celebrarán este año en el campus de Nokia Bell Labs en Murray Hill, Nueva Jersey, y en el Museo de Historia de la Computación en Mountain View, California.
CHIP ÚNICO
En lugar de seguir el estándar industrial de chips de 8 bits, los ejecutivos de AT&T retaron a los ingenieros de Bell Labs a desarrollar un producto revolucionario: el primer microprocesador comercial capaz de transferir 32 bits de datos en un solo ciclo de reloj. Esto requería no solo un nuevo chip, sino también una nueva arquitectura: una que pudiera gestionar la conmutación de telecomunicaciones y servir como la columna vertebral de los futuros sistemas informáticos.
"No solo estamos construyendo un chip más rápido", afirmó Michael Condry, quien dirige el grupo de arquitectura en las instalaciones de Bell Labs en Holmdel, Nueva Jersey. "Intentamos diseñar un chip que admita tanto voz como computación".
En aquel entonces, la tecnología CMOS se consideraba una alternativa prometedora, aunque arriesgada, a los diseños NMOS y PMOS. Los chips NMOS dependían completamente de transistores de tipo N, que eran rápidos pero consumían mucha energía, mientras que los chips PMOS dependían del movimiento de huecos con carga positiva, que era demasiado lento. El CMOS utilizaba un diseño híbrido que aumentaba la velocidad y ahorraba energía. Las ventajas del CMOS eran tan convincentes que la industria pronto se dio cuenta de que, incluso si requería el doble de transistores (NMOS y PMOS para cada puerta), merecía la pena.
Con el rápido desarrollo de la tecnología de semiconductores descrito por la Ley de Moore, el costo de duplicar la densidad de transistores se volvió manejable y, finalmente, insignificante. Sin embargo, cuando Bell Labs se embarcó en esta arriesgada apuesta, la tecnología de fabricación de CMOS a gran escala aún no estaba probada y el costo era relativamente alto.
Esto no intimidó a Bell Labs. La compañía aprovechó la experiencia de sus campus en Holmdel, Murray Hill y Naperville, Illinois, y formó un equipo de ensueño de ingenieros de semiconductores. El equipo incluía a Condrey, Steve Conn, una estrella emergente en el diseño de chips, Victor Huang, otro diseñador de microprocesadores, y docenas de empleados de AT&T Bell Labs. En 1978, comenzaron a dominar un nuevo proceso CMOS y a construir un microprocesador de 32 bits desde cero.
Empecemos con la arquitectura del diseño
Condrey fue miembro del IEEE y posteriormente se desempeñó como director de tecnología de Intel. El equipo de arquitectura que dirigió se comprometió a desarrollar un sistema compatible de forma nativa con el sistema operativo Unix y el lenguaje C. En aquel entonces, tanto Unix como el lenguaje C estaban en sus inicios, pero estaban destinados a dominar. Para superar el límite de memoria, extremadamente valioso en aquel entonces, de kilobytes (KB), introdujeron un complejo conjunto de instrucciones que requería menos pasos de ejecución y podía completar tareas en un solo ciclo de reloj.
Los ingenieros también diseñaron chips compatibles con el bus paralelo VersaModule Eurocard (VME), que facilita la computación distribuida y permite que múltiples nodos procesen datos en paralelo. Los chips compatibles con VME también permiten su uso para control en tiempo real.
El equipo desarrolló su propia versión de Unix y le proporcionó capacidades de tiempo real para garantizar la compatibilidad con la automatización industrial y aplicaciones similares. Los ingenieros de Bell Labs también inventaron la lógica dominó, que aumentó la velocidad de procesamiento al reducir los retrasos en las puertas lógicas complejas.
Se desarrollaron e introdujeron técnicas adicionales de prueba y verificación con el módulo Bellmac-32, un complejo proyecto de verificación y prueba multichip dirigido por Jen-Hsun Huang que logró cero o casi cero defectos en la fabricación de chips complejos. Esta fue una primicia en el mundo de las pruebas de circuitos integrados a muy gran escala (VLSI). Los ingenieros de Bell Labs desarrollaron un plan sistemático, revisaron repetidamente el trabajo de sus colegas y, finalmente, lograron una colaboración fluida entre múltiples familias de chips, lo que culminó en un sistema microinformático completo.
A continuación viene la parte más complicada: la fabricación propiamente dicha del chip.
“En aquella época, las tecnologías de diseño, prueba y fabricación de alto rendimiento eran muy escasas”, recuerda Kang, quien posteriormente se convirtió en presidente del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología Avanzada (KAIST) y miembro del IEEE. Señala que la falta de herramientas CAD para la verificación completa del chip obligó al equipo a imprimir planos Calcomp de gran tamaño. Estos esquemas muestran cómo deben organizarse los transistores, cables e interconexiones dentro de un chip para obtener el resultado deseado. El equipo los ensambló en el suelo con cinta adhesiva, formando un cuadrado gigante de más de 6 metros de lado. Kang y sus colegas dibujaron a mano cada circuito con lápices de colores, buscando conexiones rotas e interconexiones superpuestas o mal manipuladas.
Una vez completado el diseño físico, el equipo se enfrentó a otro reto: la fabricación. Los chips se produjeron en la planta de Western Electric en Allentown, Pensilvania, pero Kang recuerda que la tasa de rendimiento (el porcentaje de chips en la oblea que cumplían con los estándares de rendimiento y calidad) era muy baja.
Para solucionar esto, Kang y sus colegas conducían hasta la planta desde Nueva Jersey todos los días, se arremangaban y hacían todo lo necesario, incluso barrer pisos y calibrar equipos de prueba, para generar camaradería y convencer a todos de que el producto más complejo que la planta alguna vez había intentado producir realmente podía fabricarse allí.
“El proceso de formación de equipos transcurrió sin contratiempos”, dijo Kang. “Después de unos meses, Western Electric logró producir chips de alta calidad en cantidades que superaron la demanda”.
La primera versión del Bellmac-32 se lanzó en 1980, pero no cumplió con las expectativas. Su frecuencia objetivo de rendimiento era de tan solo 2 MHz, no de 4 MHz. Los ingenieros descubrieron que el equipo de prueba Takeda Riken de última generación que utilizaban en aquel momento presentaba fallas, ya que los efectos de la línea de transmisión entre la sonda y el cabezal de prueba causaban mediciones inexactas. Colaboraron con el equipo de Takeda Riken para desarrollar una tabla de corrección que corrigiera los errores de medición.
Los chips Bellmac de segunda generación tenían velocidades de reloj superiores a 6,2 MHz, a veces incluso de 9 MHz. Esto se consideraba bastante rápido en aquel entonces. El procesador Intel 8088 de 16 bits que IBM lanzó en su primera PC en 1981 tenía una velocidad de reloj de tan solo 4,77 MHz.
¿Por qué Bellmac-32 no?'No se convierta en algo común
A pesar de su potencial, la tecnología Bellmac-32 no se generalizó. Según Condrey, AT&T empezó a interesarse por el fabricante de equipos NCR a finales de la década de 1980 y posteriormente optó por adquisiciones, lo que significó que la compañía optó por impulsar diferentes líneas de chips. Para entonces, la influencia de Bellmac-32 había empezado a crecer.
“Antes de Bellmac-32, NMOS dominaba el mercado”, dijo Condry. “Pero CMOS cambió el panorama porque demostró ser una forma más eficiente de implementarlo en la fábrica”.
Con el tiempo, esta constatación transformó la industria de los semiconductores. El CMOS se convertiría en la base de los microprocesadores modernos, impulsando la revolución digital en dispositivos como ordenadores de escritorio y teléfonos inteligentes.
El audaz experimento de Bell Labs (que utilizó un proceso de fabricación no probado y abarcó una generación entera de arquitectura de chips) fue un hito en la historia de la tecnología.
Como lo expresa el profesor Kang: «Estábamos a la vanguardia de lo posible. No solo seguíamos un camino ya existente, sino que abríamos un nuevo camino». El profesor Huang, quien posteriormente se convirtió en subdirector del Instituto de Microelectrónica de Singapur y también es miembro del IEEE, añade: «Esto incluía no solo la arquitectura y el diseño de chips, sino también la verificación de chips a gran escala, mediante CAD, pero sin las herramientas de simulación digital actuales ni siquiera las placas de pruebas (una forma estándar de comprobar el diseño de circuitos de un sistema electrónico mediante chips antes de que los componentes del circuito se conecten permanentemente)».
Condry, Kang y Huang recuerdan esa época con cariño y expresan admiración por la habilidad y la dedicación de los numerosos empleados de AT&T cuyos esfuerzos hicieron posible la familia de chips Bellmac-32.
Hora de publicación: 19 de mayo de 2025