A chegada deste chip mudou o curso do desenvolvimento de chips!
No final da década de 1970, os processadores de 8 bits ainda eram a tecnologia mais avançada da época, e os processos CMOS estavam em desvantagem no setor de semicondutores. Engenheiros do AT&T Bell Labs deram um passo ousado rumo ao futuro, combinando processos de fabricação CMOS de 3,5 mícrons de ponta com arquiteturas inovadoras de processadores de 32 bits, em um esforço para superar os concorrentes em desempenho de chips, superando IBM e Intel.
Embora sua invenção, o microprocessador Bellmac-32, não tenha alcançado o sucesso comercial de produtos anteriores, como o Intel 4004 (lançado em 1971), sua influência foi profunda. Hoje, os chips de quase todos os smartphones, laptops e tablets baseiam-se nos princípios do semicondutor complementar de óxido metálico (CMOS), pioneiros do Bellmac-32.
A década de 1980 se aproximava e a AT&T tentava se transformar. Durante décadas, a gigante das telecomunicações, apelidada de "Mãe do Sino", dominou o setor de comunicações de voz nos Estados Unidos, e sua subsidiária Western Electric produzia quase todos os telefones comuns em residências e escritórios americanos. O governo federal dos EUA pressionou pela dissolução dos negócios da AT&T por questões antitruste, mas a AT&T viu uma oportunidade de entrar no setor de informática.
Com empresas de informática já bem estabelecidas no mercado, a AT&T achou difícil se recuperar; sua estratégia era dar um salto, e o Bellmac-32 foi seu trampolim.
A família de chips Bellmac-32 foi homenageada com o Prêmio Milestone do IEEE. As cerimônias de inauguração serão realizadas este ano no campus do Nokia Bell Labs em Murray Hill, Nova Jersey, e no Museu de História da Computação em Mountain View, Califórnia.
CHIP ÚNICO
Em vez de seguir o padrão da indústria de chips de 8 bits, os executivos da AT&T desafiaram os engenheiros da Bell Labs a desenvolver um produto revolucionário: o primeiro microprocessador comercial capaz de transferir 32 bits de dados em um único ciclo de clock. Isso exigia não apenas um novo chip, mas também uma nova arquitetura — uma que pudesse lidar com a comutação de telecomunicações e servir como a espinha dorsal dos futuros sistemas de computação.
"Não estamos apenas construindo um chip mais rápido", disse Michael Condry, que lidera o grupo de arquitetura da unidade da Bell Labs em Holmdel, Nova Jersey. "Estamos tentando projetar um chip que suporte voz e computação."
Na época, a tecnologia CMOS era vista como uma alternativa promissora, porém arriscada, aos projetos NMOS e PMOS. Os chips NMOS dependiam inteiramente de transistores tipo N, que eram rápidos, mas consumiam muita energia, enquanto os chips PMOS dependiam do movimento de lacunas carregadas positivamente, o que era muito lento. O CMOS utilizava um projeto híbrido que aumentava a velocidade e economizava energia. As vantagens do CMOS eram tão atraentes que a indústria logo percebeu que, mesmo que exigisse o dobro de transistores (NMOS e PMOS para cada porta), valia a pena.
Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de semicondutores descrito pela Lei de Moore, o custo de duplicar a densidade de transistores tornou-se administrável e, eventualmente, insignificante. No entanto, quando a Bell Labs embarcou nessa aposta de alto risco, a tecnologia de fabricação de CMOS em larga escala não estava comprovada e o custo era relativamente alto.
Isso não assustou a Bell Labs. A empresa aproveitou a expertise de seus campi em Holmdel, Murray Hill e Naperville, Illinois, e montou um "dream team" de engenheiros de semicondutores. A equipe incluía Condrey, Steve Conn, uma estrela em ascensão no design de chips, Victor Huang, outro projetista de microprocessadores, e dezenas de funcionários da Bell Labs da AT&T. Eles começaram a dominar um novo processo CMOS em 1978 e construíram um microprocessador de 32 bits do zero.
Comece com a arquitetura de design
Condrey foi membro do IEEE Fellow e, posteriormente, atuou como Diretor de Tecnologia da Intel. A equipe de arquitetura que ele liderava estava comprometida em construir um sistema que suportasse nativamente o sistema operacional Unix e a linguagem C. Na época, tanto o Unix quanto a linguagem C ainda estavam em fase inicial, mas estavam destinados a dominar. Para romper o limite de memória extremamente valioso de quilobytes (KB) da época, eles introduziram um conjunto de instruções complexo que exigia menos etapas de execução e podia concluir tarefas em um ciclo de clock.
Os engenheiros também projetaram chips compatíveis com o barramento paralelo VersaModule Eurocard (VME), que permite a computação distribuída e permite que vários nós processem dados em paralelo. Chips compatíveis com VME também permitem que sejam usados para controle em tempo real.
A equipe escreveu sua própria versão do Unix e a dotou de recursos em tempo real para garantir a compatibilidade com a automação industrial e aplicações similares. Os engenheiros da Bell Labs também inventaram a lógica dominó, que aumentou a velocidade de processamento ao reduzir atrasos em portas lógicas complexas.
Técnicas adicionais de teste e verificação foram desenvolvidas e introduzidas com o módulo Bellmac-32, um projeto complexo de verificação e teste de múltiplos chips, liderado por Jen-Hsun Huang, que alcançou zero ou quase zero defeitos na fabricação de chips complexos. Este foi o primeiro teste de circuitos integrados em larga escala (VLSI) no mundo. Os engenheiros da Bell Labs desenvolveram um plano sistemático, verificaram repetidamente o trabalho de seus colegas e, por fim, alcançaram uma colaboração perfeita entre várias famílias de chips, culminando em um sistema de microcomputador completo.
Em seguida vem a parte mais desafiadora: a fabricação real do chip.
“Na época, as tecnologias de layout, teste e fabricação de alto rendimento eram muito escassas”, lembra Kang, que mais tarde se tornou presidente do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia Avançada (KAIST) e membro do IEEE. Ele observa que a falta de ferramentas CAD para verificação completa do chip forçou a equipe a imprimir desenhos Calcomp superdimensionados. Esses esquemas mostram como transistores, fios e interconexões devem ser dispostos dentro de um chip para gerar a saída desejada. A equipe os montou no chão com fita adesiva, formando um desenho quadrado gigante com mais de 6 metros de lado. Kang e seus colegas desenharam cada circuito à mão com lápis de cor, procurando por conexões quebradas e interconexões sobrepostas ou mal manuseadas.
Após a conclusão do projeto físico, a equipe enfrentou outro desafio: a fabricação. Os chips foram produzidos na fábrica da Western Electric em Allentown, Pensilvânia, mas Kang lembra que a taxa de rendimento (a porcentagem de chips no wafer que atendia aos padrões de desempenho e qualidade) era muito baixa.
Para resolver isso, Kang e seus colegas iam de Nova Jersey até a fábrica todos os dias, arregaçavam as mangas e faziam o que fosse necessário, incluindo varrer o chão e calibrar equipamentos de teste, para criar camaradagem e convencer a todos de que o produto mais complexo que a fábrica já havia tentado produzir poderia de fato ser feito lá.
“O processo de formação da equipe ocorreu sem problemas”, disse Kang. “Após alguns meses, a Western Electric conseguiu produzir chips de alta qualidade em quantidades que superaram a demanda.”
A primeira versão do Bellmac-32 foi lançada em 1980, mas não correspondeu às expectativas. Sua frequência alvo de desempenho era de apenas 2 MHz, e não 4 MHz. Os engenheiros descobriram que o equipamento de teste de última geração da Takeda Riken que utilizavam na época apresentava falhas, com efeitos na linha de transmissão entre a sonda e o cabeçote de teste causando medições imprecisas. Eles trabalharam com a equipe da Takeda Riken para desenvolver uma tabela de correção para corrigir os erros de medição.
Os chips Bellmac de segunda geração tinham velocidades de clock superiores a 6,2 MHz, às vezes chegando a 9 MHz. Isso era considerado bastante rápido na época. O processador Intel 8088 de 16 bits que a IBM lançou em seu primeiro PC em 1981 tinha uma velocidade de clock de apenas 4,77 MHz.
Por que o Bellmac-32 não'não se torne popular
Apesar de promissora, a tecnologia Bellmac-32 não obteve ampla adoção comercial. Segundo Condrey, a AT&T começou a considerar a fabricante de equipamentos NCR no final da década de 1980 e, posteriormente, passou a realizar aquisições, o que levou a empresa a optar por oferecer suporte a diferentes linhas de chips. Nessa época, a influência da Bellmac-32 já havia começado a crescer.
“Antes do Bellmac-32, o NMOS dominava o mercado”, disse Condry. “Mas o CMOS mudou o cenário porque provou ser uma maneira mais eficiente de implementá-lo na fábrica.”
Com o tempo, essa percepção remodelou a indústria de semicondutores. O CMOS se tornaria a base dos microprocessadores modernos, impulsionando a revolução digital em dispositivos como computadores de mesa e smartphones.
O experimento ousado da Bell Labs — usando um processo de fabricação não testado e abrangendo uma geração inteira de arquitetura de chip — foi um marco na história da tecnologia.
Como afirma o Professor Kang: “Estávamos na vanguarda do que era possível. Não estávamos apenas seguindo um caminho já existente, estávamos abrindo um novo caminho.” O Professor Huang, que mais tarde se tornou vice-diretor do Instituto de Microeletrônica de Singapura e também é membro do IEEE, acrescenta: “Isso incluiu não apenas a arquitetura e o projeto de chips, mas também a verificação de chips em larga escala – usando CAD, mas sem as ferramentas de simulação digital atuais ou mesmo placas de ensaio (uma forma padrão de verificar o projeto do circuito de um sistema eletrônico usando chips antes que os componentes do circuito sejam permanentemente conectados).”
Condry, Kang e Huang relembram aquela época com carinho e expressam admiração pela habilidade e dedicação dos muitos funcionários da AT&T cujos esforços tornaram possível a família de chips Bellmac-32.
Data de publicação: 19 de maio de 2025