لقد أدى وصول هذه الشريحة إلى تغيير مسار تطوير الشريحة!
في أواخر سبعينيات القرن الماضي، كانت معالجات 8 بت لا تزال تُمثل أحدث التقنيات في ذلك الوقت، وكانت عمليات CMOS في وضع غير مواتٍ في مجال أشباه الموصلات. اتخذ مهندسو مختبرات AT&T Bell Labs خطوةً جريئةً نحو المستقبل، بدمج عمليات تصنيع CMOS المتطورة بسمك 3.5 ميكرون مع هياكل معالجات 32 بت المبتكرة، في محاولةٍ للتفوق على المنافسين في أداء الرقائق، متجاوزين IBM وIntel.
على الرغم من أن اختراعهم، المعالج الدقيق Bellmac-32، لم يحقق النجاح التجاري الذي حققته المنتجات السابقة مثل Intel 4004 (الذي صدر عام 1971)، إلا أن تأثيره كان عميقًا. واليوم، تعتمد الرقاقات في جميع الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية تقريبًا على مبادئ أشباه الموصلات المعدنية المكملة (CMOS) التي ابتكرها Bellmac-32.
مع اقتراب ثمانينيات القرن العشرين، كانت شركة AT&T تسعى جاهدةً لتطوير نفسها. لعقود، هيمنت شركة الاتصالات العملاقة، الملقبة بـ"الجرس الأم"، على قطاع الاتصالات الصوتية في الولايات المتحدة، وكانت شركتها التابعة، ويسترن إلكتريك، تُنتج جميع الهواتف الشائعة تقريبًا في المنازل والمكاتب الأمريكية. حثّت الحكومة الفيدرالية الأمريكية على تفكيك أعمال AT&T لأسباب تتعلق بمكافحة الاحتكار، إلا أن AT&T رأت فرصة سانحة لدخول مجال الكمبيوتر.
وبما أن شركات الكمبيوتر كانت راسخة بالفعل في السوق، فقد وجدت شركة AT&T صعوبة في اللحاق بالركب؛ وكانت استراتيجيتها تتمثل في القفز إلى مستويات أعلى، وكان جهاز Bellmac-32 بمثابة نقطة انطلاقها.
حازت عائلة شرائح Bellmac-32 على جائزة IEEE Milestone Award. وستُقام مراسم الكشف عنها هذا العام في مقر مختبرات Nokia Bell في موراي هيل، نيوجيرسي، وفي متحف تاريخ الحاسوب في ماونتن فيو، كاليفورنيا.
شريحة فريدة من نوعها
بدلاً من اتباع معيار الصناعة المتمثل في رقائق 8 بت، تحدى المسؤولون التنفيذيون في شركة AT&T مهندسي مختبرات بيل لتطوير منتج ثوري: أول معالج دقيق تجاري قادر على نقل 32 بت من البيانات في دورة ساعة واحدة. لم يتطلب هذا رقاقة جديدة فحسب، بل تطلب أيضًا بنية جديدة - بنية قادرة على التعامل مع تحويل الاتصالات، وتكون بمثابة العمود الفقري لأنظمة الحوسبة المستقبلية.
قال مايكل كوندري، قائد فريق الهندسة المعمارية في مختبرات بيل في هولمديل، نيوجيرسي: "نحن لا نبني شريحة أسرع فحسب، بل نسعى أيضًا إلى تصميم شريحة تدعم الصوت والحوسبة معًا".
في ذلك الوقت، كانت تقنية CMOS تُعتبر بديلاً واعدًا، وإن كان محفوفًا بالمخاطر، لتصاميم NMOS وPMOS. اعتمدت شرائح NMOS كليًا على ترانزستورات من النوع N، وهي سريعة لكنها تستهلك طاقة كبيرة، بينما اعتمدت شرائح PMOS على حركة الثقوب المشحونة إيجابيًا، وهي حركة بطيئة جدًا. استخدمت CMOS تصميمًا هجينًا يزيد السرعة مع توفير الطاقة. كانت مزايا CMOS جلية لدرجة أن الصناعة سرعان ما أدركت أنه حتى لو تطلب الأمر ضعف عدد الترانزستورات (NMOS وPMOS لكل بوابة)، فإن الأمر يستحق العناء.
مع التطور السريع لتكنولوجيا أشباه الموصلات، كما وصفه قانون مور، أصبحت تكلفة مضاعفة كثافة الترانزستورات في متناول اليد، ثم أصبحت ضئيلة في نهاية المطاف. ومع ذلك، عندما أقدمت مختبرات بيل على هذه المغامرة عالية المخاطر، لم تكن تقنية تصنيع CMOS على نطاق واسع مثبتة، وكانت تكلفتها مرتفعة نسبيًا.
لم يُثر هذا قلق مختبرات بيل. استفادت الشركة من خبرات فروعها في هولمديل وموراي هيل ونابرفيل بولاية إلينوي، وشكلت "فريقًا مثاليًا" من مهندسي أشباه الموصلات. ضم الفريق كوندري، وستيف كون، وهو نجم صاعد في تصميم الرقائق، وفيكتور هوانغ، وهو مصمم معالجات دقيقة آخر، وعشرات الموظفين من مختبرات بيل التابعة لشركة AT&T. بدأوا بإتقان عملية CMOS جديدة عام ١٩٧٨، وبنوا معالجًا دقيقًا ٣٢ بت من الصفر.
ابدأ بالتصميم المعماري
كان كوندري زميلًا سابقًا في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، ثم شغل لاحقًا منصب الرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في شركة إنتل. كان فريق الهندسة المعمارية الذي قاده ملتزمًا ببناء نظام يدعم نظام التشغيل يونكس ولغة C بشكل أصلي. في ذلك الوقت، كان يونكس ولغة C لا يزالان في مراحلهما الأولى، ولكن كان من المتوقع أن يسيطرا على السوق. ولتجاوز حد الذاكرة البالغ كيلوبايت (KB)، وهو حدٌّ بالغ الأهمية آنذاك، قدّم الفريق مجموعة تعليمات معقدة تتطلب خطوات تنفيذ أقل، ويمكنها إكمال المهام في غضون دورة ساعة واحدة.
صمّم المهندسون أيضًا شرائح تدعم ناقل VersaModule Eurocard (VME) المتوازي، والذي يُمكّن الحوسبة الموزعة ويسمح لعقد متعددة بمعالجة البيانات بالتوازي. كما تُمكّن الشرائح المتوافقة مع VME من استخدامها للتحكم الفوري.
كتب الفريق نسخته الخاصة من يونكس، وزودها بإمكانيات التشغيل الفوري لضمان توافقها مع الأتمتة الصناعية والتطبيقات المماثلة. كما اخترع مهندسو مختبرات بيل منطق الدومينو، الذي زاد من سرعة المعالجة بتقليل التأخيرات في بوابات المنطق المعقدة.
طُوّرت تقنيات اختبار وتحقق إضافية، وطُرحت مع وحدة Bellmac-32، وهي مشروع مُعقّد للتحقق والاختبار متعدد الشرائح، بقيادة جين-هسون هوانغ، حقق خلوّاً تاماً من العيوب أو شبه تام في تصنيع الشرائح المعقدة. كان هذا سابقةً في عالم اختبار الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI). وضع مهندسو مختبرات بيل خطةً منهجية، وراجعوا عمل زملائهم بشكل متكرر، وحققوا في النهاية تعاوناً سلساً بين عائلات شرائح متعددة، مما أدى إلى نظام حاسوب دقيق متكامل.
ويأتي بعد ذلك الجزء الأكثر تحديًا: التصنيع الفعلي للشريحة.
يتذكر كانغ، الذي أصبح لاحقًا رئيسًا للمعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) وزميلًا في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE): "في ذلك الوقت، كانت تقنيات التصميم والاختبار والتصنيع عالي الإنتاجية نادرة للغاية". ويشير إلى أن نقص أدوات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) للتحقق الكامل من صحة الشريحة أجبر الفريق على طباعة رسومات Calcomp كبيرة الحجم. توضح هذه المخططات كيفية ترتيب الترانزستورات والأسلاك والوصلات داخل الشريحة للحصول على النتيجة المطلوبة. قام الفريق بتجميعها على الأرض باستخدام شريط لاصق، مشكلين رسمًا مربعًا عملاقًا يزيد طول ضلعه عن 6 أمتار. رسم كانغ وزملاؤه كل دائرة يدويًا بأقلام رصاص ملونة، باحثين عن الوصلات المكسورة والوصلات المتداخلة أو التي لم تُعالج بشكل صحيح.
بعد اكتمال التصميم المادي، واجه الفريق تحديًا آخر: التصنيع. أُنتجت الرقائق في مصنع ويسترن إلكتريك في ألينتاون، بنسلفانيا، لكن كانغ يتذكر أن معدل العائد (نسبة الرقائق على الرقاقة التي استوفت معايير الأداء والجودة) كان منخفضًا جدًا.
ولمعالجة هذه المشكلة، كان كانج وزملاؤه يذهبون إلى المصنع من نيوجيرسي كل يوم، ويشمرون عن سواعدهم ويفعلون كل ما هو ضروري، بما في ذلك كنس الأرضيات ومعايرة معدات الاختبار، لبناء روح الرفاقية وإقناع الجميع بأن المنتج الأكثر تعقيدًا الذي حاول المصنع إنتاجه على الإطلاق يمكن صنعه هناك بالفعل.
قال كانغ: "سارت عملية بناء الفريق بسلاسة. وبعد بضعة أشهر، تمكنت ويسترن إلكتريك من إنتاج رقائق عالية الجودة بكميات فاقت الطلب".
طُرح الإصدار الأول من جهاز Bellmac-32 عام ١٩٨٠، لكنه لم يرق إلى مستوى التوقعات. كان تردد الأداء المستهدف ٢ ميجاهرتز فقط، وليس ٤ ميجاهرتز. اكتشف المهندسون وجود خلل في معدات اختبار Takeda Riken المتطورة التي كانوا يستخدمونها آنذاك، حيث كانت تأثيرات خطوط النقل بين المسبار ورأس الاختبار تُسبب قياسات غير دقيقة. فعملوا مع فريق Takeda Riken على تطوير جدول تصحيح لتصحيح أخطاء القياس.
تجاوزت سرعات معالجات بيلماك من الجيل الثاني 6.2 ميجاهرتز، ووصلت أحيانًا إلى 9 ميجاهرتز. كان هذا يُعتبر سريعًا جدًا في ذلك الوقت. أما معالج إنتل 8088 ذو 16 بت، الذي أصدرته شركة آي بي إم في أول حاسوب لها عام 1981، فقد بلغت سرعته 4.77 ميجاهرتز فقط.
لماذا لم يتم إطلاق Bellmac-32؟'لا تصبح سائدة
على الرغم من واعدتها، لم تحظَ تقنية Bellmac-32 بانتشار تجاري واسع. ووفقًا لكوندري، بدأت شركة AT&T في البحث عن شركة تصنيع المعدات NCR في أواخر الثمانينيات، ثم اتجهت لاحقًا نحو عمليات الاستحواذ، مما يعني أن الشركة اختارت دعم خطوط إنتاج رقائق مختلفة. وبحلول ذلك الوقت، بدأ تأثير Bellmac-32 في التزايد.
قبل ظهور Bellmac-32، كانت تقنية NMOS تهيمن على السوق، كما قال كوندري. "لكن تقنية CMOS غيّرت المشهد لأنها أثبتت أنها طريقة أكثر فعالية لتطبيقها في المصنع."
بمرور الوقت، غيّر هذا الإدراك شكل صناعة أشباه الموصلات. وأصبحت تقنية CMOS أساس المعالجات الدقيقة الحديثة، مُحفّزةً الثورة الرقمية في أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية والهواتف الذكية.
كانت التجربة الجريئة التي أجرتها مختبرات بيل - باستخدام عملية تصنيع غير مختبرة وتمتد على جيل كامل من بنية الشريحة - بمثابة علامة فارقة في تاريخ التكنولوجيا.
كما يقول البروفيسور كانغ: "كنا في طليعة ما كان ممكنًا. لم نكن نتبع مسارًا قائمًا فحسب، بل كنا نشق طريقًا جديدًا". ويضيف البروفيسور هوانغ، الذي أصبح لاحقًا نائب مدير معهد سنغافورة للإلكترونيات الدقيقة، وهو أيضًا زميل في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: "لم يقتصر هذا على هندسة وتصميم الشريحة فحسب، بل شمل أيضًا التحقق من الشريحة على نطاق واسع - باستخدام التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) دون الحاجة إلى أدوات المحاكاة الرقمية الحالية أو حتى لوحات التجارب (وهي طريقة قياسية للتحقق من تصميم دوائر النظام الإلكتروني باستخدام الشرائح قبل توصيل مكونات الدائرة بشكل دائم)."
ويتذكر كوندري وكانج وهوانج تلك الفترة بكل حب ويعربون عن إعجابهم بمهارة وتفاني العديد من موظفي AT&T الذين ساهمت جهودهم في جعل عائلة شرائح Bellmac-32 ممكنة.
وقت النشر: ١٩ مايو ٢٠٢٥