لقد غيّر وصول هذه الشريحة مسار تطوير الرقائق الإلكترونية!
في أواخر سبعينيات القرن الماضي، كانت المعالجات ذات 8 بت لا تزال تُعتبر التقنية الأكثر تطوراً آنذاك، وكانت عمليات تصنيع CMOS تعاني من قصور في مجال أشباه الموصلات. اتخذ المهندسون في مختبرات AT&T Bell Labs خطوة جريئة نحو المستقبل، فجمعوا بين عمليات تصنيع CMOS المتطورة بدقة 3.5 ميكرون وهياكل المعالجات المبتكرة ذات 32 بت، في محاولة للتفوق على المنافسين في أداء الرقائق، متجاوزين بذلك شركتي IBM وIntel.
رغم أن اختراعهم، المعالج الدقيق Bellmac-32، لم يحقق النجاح التجاري الذي حققته منتجات سابقة مثل Intel 4004 (الذي صدر عام 1971)، إلا أن تأثيره كان بالغاً. واليوم، تعتمد الرقائق في جميع الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية تقريباً على مبادئ أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS) التي رُوِّج لها بواسطة Bellmac-32.
مع اقتراب ثمانينيات القرن العشرين، كانت شركة AT&T تسعى إلى تغيير مسارها. لعقود طويلة، هيمنت هذه الشركة العملاقة للاتصالات، الملقبة بـ"أم الجرس"، على سوق الاتصالات الصوتية في الولايات المتحدة، وكانت شركتها التابعة "ويسترن إلكتريك" تُنتج معظم الهواتف الشائعة في المنازل والمكاتب الأمريكية. حثت الحكومة الفيدرالية الأمريكية على تفكيك أعمال AT&T لأسباب تتعلق بمكافحة الاحتكار، لكن AT&T رأت في ذلك فرصة سانحة لدخول مجال الحوسبة.
مع وجود شركات الكمبيوتر الراسخة بالفعل في السوق، وجدت شركة AT&T صعوبة في اللحاق بالركب؛ وكانت استراتيجيتها هي القفز فوق المنافسين، وكان جهاز Bellmac-32 بمثابة نقطة انطلاقها.
حظيت عائلة رقائق Bellmac-32 بتكريم من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) بجائزة الإنجاز المتميز. وستُقام مراسم الكشف عنها هذا العام في حرم نوكيا بيل لابز في موراي هيل، نيو جيرسي، وفي متحف تاريخ الحاسوب في ماونتن فيو، كاليفورنيا.
شريحة فريدة
بدلاً من اتباع المعيار الصناعي المتمثل في رقائق 8 بت، كلف مسؤولو شركة AT&T مهندسي مختبرات بيل بتطوير منتج ثوري: أول معالج دقيق تجاري قادر على نقل 32 بت من البيانات في دورة ساعة واحدة. لم يتطلب هذا الأمر رقاقة جديدة فحسب، بل تطلب أيضاً بنية جديدة قادرة على التعامل مع تحويل الاتصالات السلكية واللاسلكية، لتكون بمثابة العمود الفقري لأنظمة الحوسبة المستقبلية.
"نحن لا نبني مجرد شريحة أسرع،" قال مايكل كوندري، الذي يرأس مجموعة الهندسة المعمارية في منشأة هولمديل التابعة لمختبرات بيل في نيوجيرسي. "نحن نحاول تصميم شريحة يمكنها دعم كل من الصوت والحوسبة."
في ذلك الوقت، كانت تقنية CMOS تُعتبر بديلاً واعداً ولكنه محفوف بالمخاطر لتصميمات NMOS وPMOS. اعتمدت رقائق NMOS كلياً على ترانزستورات من النوع N، والتي كانت سريعة ولكنها تستهلك الكثير من الطاقة، بينما اعتمدت رقائق PMOS على حركة الثقوب المشحونة إيجابياً، والتي كانت بطيئة للغاية. استخدمت تقنية CMOS تصميماً هجيناً زاد من السرعة مع توفير الطاقة. كانت مزايا CMOS مقنعة للغاية لدرجة أن الصناعة سرعان ما أدركت أنه حتى لو تطلب الأمر ضعف عدد الترانزستورات (NMOS وPMOS لكل بوابة)، فإن الأمر يستحق ذلك.
مع التطور السريع لتكنولوجيا أشباه الموصلات، كما هو موضح في قانون مور، أصبحت تكلفة مضاعفة كثافة الترانزستورات معقولة، بل تكاد تكون معدومة. إلا أنه عندما شرعت مختبرات بيل في هذه المغامرة المحفوفة بالمخاطر، كانت تقنية تصنيع CMOS على نطاق واسع غير مثبتة، وكانت التكلفة مرتفعة نسبيًا.
لم يُثنِ هذا شركة بيل لابز عن عزمها. فقد استعانت الشركة بخبرات فروعها في هولمديل وموراي هيل ونابيرفيل بولاية إلينوي، وشكّلت فريقًا متميزًا من مهندسي أشباه الموصلات. ضمّ الفريق كوندري، وستيف كون، النجم الصاعد في تصميم الرقائق، وفيكتور هوانغ، مصمم معالجات دقيقة آخر، وعشرات الموظفين من مختبرات بيل التابعة لشركة AT&T. وبدأوا في إتقان عملية CMOS الجديدة عام 1978، وبنوا معالجًا دقيقًا من 32 بت من الصفر.
ابدأ بتصميم الهندسة المعمارية
كان كوندري زميلًا سابقًا في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، وشغل لاحقًا منصب كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة إنتل. وقد التزم فريق هندسة الأنظمة الذي قاده ببناء نظام يدعم نظام التشغيل يونكس ولغة البرمجة سي بشكل أصلي. في ذلك الوقت، كان كل من يونكس ولغة سي لا يزالان في بداياتهما، لكنهما كانا مُهيئين للهيمنة. وللتغلب على محدودية الذاكرة القيّمة للغاية آنذاك، والتي كانت تُقاس بالكيلوبايت (KB)، قدّموا مجموعة تعليمات معقدة تتطلب خطوات تنفيذ أقل، ويمكنها إنجاز المهام في دورة ساعة واحدة.
قام المهندسون أيضاً بتصميم رقائق تدعم ناقل VersaModule Eurocard (VME) المتوازي، والذي يُمكّن الحوسبة الموزعة ويسمح لعدة عُقد بمعالجة البيانات بالتوازي. كما تُمكّن الرقائق المتوافقة مع VME من استخدامها للتحكم في الوقت الحقيقي.
قام الفريق بكتابة نسخته الخاصة من نظام يونكس، وزودها بإمكانيات المعالجة الآنية لضمان التوافق مع أنظمة الأتمتة الصناعية والتطبيقات المشابهة. كما ابتكر مهندسو مختبرات بيل منطق الدومينو، الذي زاد من سرعة المعالجة عن طريق تقليل التأخير في البوابات المنطقية المعقدة.
طُوِّرت تقنيات اختبار وتحقق إضافية وقُدِّمت مع وحدة Bellmac-32، وهو مشروع اختبار وتحقق معقد متعدد الرقائق بقيادة جين-هسون هوانغ، والذي حقق نسبة عيوب صفرية أو شبه صفرية في تصنيع الرقائق المعقدة. وكان هذا إنجازًا غير مسبوق في عالم اختبار الدوائر المتكاملة واسعة النطاق جدًا (VLSI). وضع مهندسو مختبرات بيل خطة منهجية، وراجعوا عمل زملائهم باستمرار، وحققوا في نهاية المطاف تعاونًا سلسًا بين عائلات رقائق متعددة، مما أدى إلى نظام حاسوب دقيق متكامل.
ثم يأتي 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 من الشريحة الكاملة أجبر الفريق على طباعة رسومات Calcomp ضخمة. توضح هذه المخططات كيفية ترتيب الترانزستورات والأسلاك والوصلات البينية داخل الشريحة للحصول على المخرجات المطلوبة. قام الفريق بتجميعها على الأرض باستخدام شريط لاصق، مُشكلين رسمًا مربعًا عملاقًا يزيد طول ضلعه عن 6 أمتار. قام كانغ وزملاؤه برسم كل دائرة يدويًا بأقلام رصاص ملونة، باحثين عن الوصلات المقطوعة والوصلات المتداخلة أو غير المُعالجة بشكل صحيح.
بعد اكتمال التصميم المادي، واجه الفريق تحديًا آخر: التصنيع. تم إنتاج الرقائق في مصنع ويسترن إلكتريك في ألينتاون، بنسلفانيا، لكن كانغ يتذكر أن معدل الإنتاجية (نسبة الرقائق على الرقاقة التي استوفت معايير الأداء والجودة) كان منخفضًا للغاية.
ولمعالجة هذا الأمر، كان كانغ وزملاؤه يقودون سياراتهم إلى المصنع من نيوجيرسي كل يوم، ويشمرون عن سواعدهم ويفعلون كل ما هو ضروري، بما في ذلك كنس الأرضيات ومعايرة معدات الاختبار، لبناء روح الفريق وإقناع الجميع بأن أكثر المنتجات تعقيدًا التي حاول المصنع إنتاجها على الإطلاق يمكن بالفعل صنعها هناك.
قال كانغ: "سارت عملية بناء الفريق بسلاسة. وبعد بضعة أشهر، تمكنت شركة ويسترن إلكتريك من إنتاج رقائق عالية الجودة بكميات فاقت الطلب".
صدرت النسخة الأولى من جهاز Bellmac-32 عام 1980، لكنها لم ترقَ إلى مستوى التوقعات. إذ كان ترددها المستهدف 2 ميجاهرتز فقط، وليس 4 ميجاهرتز. اكتشف المهندسون أن جهاز الاختبار المتطور من شركة تاكيدا ريكن، الذي كانوا يستخدمونه آنذاك، كان معيبًا، حيث تسببت تأثيرات خط النقل بين المجس ورأس الاختبار في قياسات غير دقيقة. فعملوا مع فريق تاكيدا ريكن على تطوير جدول تصحيح لمعالجة أخطاء القياس.
كانت رقائق Bellmac من الجيل الثاني تتميز بسرعات معالجة تتجاوز 6.2 ميجاهرتز، وتصل أحيانًا إلى 9 ميجاهرتز. وكان هذا يُعتبر سريعًا جدًا في ذلك الوقت. أما معالج Intel 8088 ذو 16 بت الذي أصدرته شركة IBM في أول حاسوب شخصي لها عام 1981، فكانت سرعة معالجته 4.77 ميجاهرتز فقط.
لماذا لم يقم بيلماك-32'لتصبح سائدة
على الرغم من إمكانياتها الواعدة، لم تحظَ تقنية Bellmac-32 بانتشار تجاري واسع. ووفقًا لكوندري، بدأت شركة AT&T بدراسة شركة NCR المُصنِّعة للمعدات في أواخر ثمانينيات القرن الماضي، ثم اتجهت لاحقًا إلى عمليات الاستحواذ، ما يعني أن الشركة اختارت دعم خطوط إنتاج رقائق مختلفة. وبحلول ذلك الوقت، كان تأثير Bellmac-32 قد بدأ بالتزايد.
قال كوندري: "قبل تقنية Bellmac-32، كانت تقنية NMOS تهيمن على السوق. لكن تقنية CMOS غيرت المشهد لأنها أثبتت أنها طريقة أكثر كفاءة لتنفيذها في المصنع."
بمرور الوقت، أعاد هذا الإدراك تشكيل صناعة أشباه الموصلات. وأصبحت تقنية CMOS أساسًا للمعالجات الدقيقة الحديثة، مما ساهم في إحداث ثورة رقمية في أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية والهواتف الذكية.
كانت تجربة مختبرات بيل الجريئة - باستخدام عملية تصنيع غير مختبرة وتغطية جيل كامل من بنية الرقائق - بمثابة علامة فارقة في تاريخ التكنولوجيا.
وكما يقول البروفيسور كانغ: "كنا في طليعة ما هو ممكن. لم نكن نسير على خطى موجودة 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 ذلك على هندسة وتصميم الرقائق فحسب، بل شمل أيضًا التحقق من الرقائق على نطاق واسع - باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) ولكن دون أدوات المحاكاة الرقمية الحالية أو حتى لوحات التجارب (وهي طريقة قياسية للتحقق من تصميم الدائرة لنظام إلكتروني باستخدام الرقائق قبل توصيل مكونات الدائرة بشكل دائم)".
ينظر كل من كوندري وكانغ وهوانغ إلى تلك الفترة بحنين ويعربون عن إعجابهم بمهارة وتفاني العديد من موظفي AT&T الذين جعلت جهودهم عائلة رقائق Bellmac-32 ممكنة.
تاريخ النشر: 19 مايو 2025