¡La llegada de este chip cambió el rumbo del desarrollo de los chips!
A finales de la década de 1970, los procesadores de 8 bits seguían siendo la tecnología más avanzada, 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 CMOS de vanguardia de 3,5 micras con innovadoras arquitecturas de procesadores de 32 bits en un esfuerzo por 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 la tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico), pioneros del Bellmac-32.
Se acercaban los años ochenta y AT&T intentaba transformarse. Durante décadas, el gigante de las telecomunicaciones, apodado "Mother Bell", había dominado el mercado de las comunicaciones de voz en Estados Unidos, y su filial Western Electric fabricaba prácticamente todos los teléfonos comunes en 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 incursionar en el sector informático.
Con las empresas informáticas ya bien establecidas en el mercado, a AT&T le resultó difícil ponerse al día; su estrategia fue dar un salto cualitativo, y el Bellmac-32 fue su trampolín.
La familia de chips Bellmac-32 ha sido galardonada con el premio IEEE Milestone Award. 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 de la industria de chips de 8 bits, los ejecutivos de AT&T desafiaron 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, capaz de gestionar la conmutación de telecomunicaciones y servir como base para los futuros sistemas informáticos.
"No solo estamos creando un chip más rápido", dijo Michael Condry, quien dirige el grupo de arquitectura en las instalaciones de Bell Labs en Holmdel, Nueva Jersey. "Estamos intentando diseñar un chip que pueda soportar tanto voz como procesamiento informático".
En aquel entonces, la tecnología CMOS se consideraba una alternativa prometedora pero 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, lo cual era demasiado lento. CMOS utilizaba un diseño híbrido que aumentaba la velocidad a la vez que ahorraba energía. Las ventajas de 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 lógica), valía 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 CMOS a gran escala no estaba probada y el costo era relativamente alto.
Esto no asustó a Bell Labs. La compañía aprovechó la experiencia de sus campus en Holmdel, Murray Hill y Naperville, Illinois, y reunió 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 decenas 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.
Comencemos con la arquitectura del diseño.
Condrey fue miembro del IEEE y posteriormente ocupó el cargo de director de tecnología de Intel. El equipo de arquitectura que dirigió se dedicó a construir un sistema que soportara de forma nativa 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 el mercado. Para superar la limitación de memoria de kilobytes (KB), extremadamente valiosa en aquel momento, introdujeron un conjunto de instrucciones complejo 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 permite la computación distribuida y que varios nodos procesen datos en paralelo. Los chips compatibles con VME también permiten su uso para el control en tiempo real.
El equipo desarrolló su propia versión de Unix y le dotó de capacidades en tiempo real para garantizar la compatibilidad con la automatización industrial y aplicaciones similares. Los ingenieros de Bell Labs también inventaron la lógica de dominó, que aumentó la velocidad de procesamiento al reducir los retrasos en las puertas lógicas complejas.
Se desarrollaron e implementaron técnicas adicionales de prueba y verificación con el módulo Bellmac-32, un complejo proyecto de verificación y prueba de múltiples chips liderado por Jen-Hsun Huang que logró cero o casi cero defectos en la fabricación de chips complejos. Esto representó un hito en el mundo de las pruebas de circuitos integrados a muy gran escala (VLSI). Los ingenieros de Bell Labs desarrollaron un plan sistemático, verificaron repetidamente el trabajo de sus colegas y, finalmente, lograron una colaboración fluida entre múltiples familias de chips, culminando en un sistema de microcomputadora completo.
A continuación llega la parte más difícil: la fabricación propiamente dicha del chip.
“En aquel entonces, las tecnologías de diseño, prueba y fabricación de alto rendimiento eran muy escasas”, recuerda Kang, quien más tarde se convirtió en presidente del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y miembro del IEEE. Señala que la falta de herramientas CAD para la verificación completa del chip obligó al equipo a imprimir dibujos de Calcomp de gran tamaño. Estos esquemas muestran cómo deben disponerse los transistores, los cables y las interconexiones dentro de un chip para obtener la salida deseada. El equipo los ensambló en el suelo con cinta adhesiva, formando un dibujo cuadrado gigante de más de 6 metros por lado. Kang y sus colegas dibujaron a mano cada circuito con lápices de colores, buscando conexiones rotas e interconexiones superpuestas o mal manejadas.
Una vez finalizado el diseño físico, el equipo se enfrentó a otro desafío: la fabricación. Los chips se producían en la planta de Western Electric en Allentown, Pensilvania, pero Kang recuerda que el índice de rendimiento (el porcentaje de chips en la oblea que cumplían con los estándares de rendimiento y calidad) era muy bajo.
Para solucionar esto, Kang y sus colegas conducían diariamente desde Nueva Jersey hasta la planta, se arremangaban y hacían lo que fuera necesario, incluyendo barrer los pisos y calibrar los equipos de prueba, para fomentar el compañerismo y convencer a todos de que el producto más complejo que la planta había intentado producir hasta entonces sí podía fabricarse allí.
“El proceso de formación del equipo transcurrió sin problemas”, dijo Kang. “Después de unos meses, Western Electric pudo 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 solo 2 MHz, no de 4 MHz. Los ingenieros descubrieron que el equipo de prueba Takeda Riken de última generación que utilizaban en ese momento tenía fallas, y 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 subsanara los errores de medición.
Los chips Bellmac de segunda generación tenían velocidades de reloj superiores a 6,2 MHz, llegando en ocasiones hasta los 9 MHz. Esto se consideraba bastante rápido para la época. El procesador Intel 8088 de 16 bits que IBM lanzó en su primer PC en 1981 tenía una velocidad de reloj de tan solo 4,77 MHz.
¿Por qué Bellmac-32 no?'para convertirse en algo común
A pesar de su potencial, la tecnología Bellmac-32 no logró una adopción comercial generalizada. Según Condrey, AT&T comenzó a considerar al fabricante de equipos NCR a finales de la década de 1980 y posteriormente optó por las adquisiciones, lo que significó que la compañía decidió respaldar diferentes líneas de productos de chips. Para entonces, la influencia de Bellmac-32 ya había comenzado a crecer.
“Antes de Bellmac-32, la tecnología NMOS dominaba el mercado”, dijo Condry. “Pero la tecnología CMOS cambió el panorama porque demostró ser una forma más eficiente de implementarla en la fábrica”.
Con el tiempo, esta constatación transformó la industria de los semiconductores. La tecnología CMOS se convertiría en la base de los microprocesadores modernos, impulsando la revolución digital en dispositivos como ordenadores de sobremesa y teléfonos inteligentes.
El audaz experimento de Bell Labs, que utilizó un proceso de fabricación no probado y abarcó toda una generación de arquitectura de chips, fue un hito en la historia de la tecnología.
Como afirma el profesor Kang: «Estábamos a la vanguardia de lo posible. No nos limitábamos a seguir un camino ya existente, sino que abríamos uno nuevo». El profesor Huang, quien más tarde 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, utilizando CAD pero sin las herramientas de simulación digital actuales ni siquiera las placas de prototipos (un método estándar para comprobar el diseño de circuitos de un sistema electrónico que utiliza chips antes de que los componentes del circuito se conecten permanentemente)».
Condry, Kang y Huang recuerdan con cariño aquella época y expresan su admiración por la habilidad y la dedicación de los numerosos empleados de AT&T cuyos esfuerzos hicieron posible la familia de chips Bellmac-32.
Fecha de publicación: 19 de mayo de 2025