A chegada desse chip mudou o rumo do desenvolvimento de semicondutores!
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. Os engenheiros dos Laboratórios Bell da AT&T 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 a concorrência em desempenho de chips, ultrapassando a IBM e a 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 em quase todos os smartphones, laptops e tablets dependem dos princípios da tecnologia CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar), pioneira do Bellmac-32.
A década de 1980 se aproximava e a AT&T buscava se reinventar. Por décadas, a gigante das telecomunicações apelidada de "Mother Bell" dominou o mercado 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 divisão dos negócios da AT&T sob alegação de práticas anticoncorrenciais, mas a AT&T enxergou uma oportunidade para entrar no setor de informática.
Com as empresas de informática já bem estabelecidas no mercado, a AT&T teve dificuldades para alcançá-las; sua estratégia foi dar um salto, e o Bellmac-32 foi seu trampolim.
A família de chips Bellmac-32 foi homenageada com o prêmio IEEE Milestone Award. As cerimônias de apresentação serão realizadas este ano no campus da Nokia Bell Labs em Murray Hill, Nova Jersey, e no Museu da História da Computação em Mountain View, Califórnia.
CHIP EXCLUSIVO
Em vez de seguir o padrão da indústria de chips de 8 bits, os executivos da AT&T desafiaram os engenheiros dos Laboratórios Bell 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 nas instalações da Bell Labs em Holmdel, Nova Jersey. "Estamos tentando projetar um chip que possa suportar tanto voz quanto 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 do 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 convincentes que a indústria logo percebeu que, mesmo que exigisse o dobro de transistores (NMOS e PMOS para cada porta lógica), valeria a pena.
Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de semicondutores descrito pela Lei de Moore, o custo de dobrar a densidade de transistores tornou-se administrável e, eventualmente, insignificante. No entanto, quando os Laboratórios Bell embarcaram nessa aposta de alto risco, a tecnologia de fabricação CMOS em larga escala ainda não havia sido comprovada e o custo era relativamente alto.
Isso não assustou os Laboratórios Bell. A empresa recorreu à experiência de seus campi em Holmdel, Murray Hill e Naperville, Illinois, e montou um "time dos sonhos" 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 dos Laboratórios Bell da AT&T. Eles começaram a dominar um novo processo CMOS em 1978 e a construir um microprocessador de 32 bits do zero.
Comece com a arquitetura do projeto.
Condrey foi membro do IEEE e posteriormente atuou como Diretor de Tecnologia da Intel. A equipe de arquitetura que ele liderou 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 seus primórdios, mas destinados a dominar o mercado. Para superar a limitação de memória extremamente valiosa de kilobytes (KB) da época, eles introduziram um conjunto de instruções complexo que exigia menos etapas de execução e podia concluir tarefas em um único ciclo de clock.
Os engenheiros também projetaram chips que suportam o barramento paralelo VersaModule Eurocard (VME), que possibilita a computação distribuída e permite que vários nós processem dados em paralelo. Os chips compatíveis com VME também permitem seu uso para controle em tempo real.
A equipe desenvolveu sua própria versão do Unix e a equipou com recursos de tempo real para garantir a compatibilidade com a automação industrial e aplicações similares. Os engenheiros dos Laboratórios Bell também inventaram a lógica dominó, que aumentou a velocidade de processamento ao reduzir os atrasos em portas lógicas complexas.
Técnicas adicionais de teste e verificação foram desenvolvidas e introduzidas com o módulo Bellmac-32, um complexo projeto de verificação e teste de múltiplos chips liderado por Jen-Hsun Huang, que alcançou zero ou quase zero defeitos na fabricação de chips complexos. Isso representou um feito inédito no mundo dos testes de circuitos integrados de escala muito grande (VLSI). Os engenheiros dos Laboratórios Bell desenvolveram um plano sistemático, verificaram repetidamente o trabalho de seus colegas e, por fim, alcançaram uma colaboração perfeita entre diversas famílias de chips, culminando em um sistema completo de microcomputador.
Em seguida, vem a parte mais desafiadora: a fabricação propriamente dita do chip.
“Naquela época, as tecnologias de layout, teste e fabricação de alto rendimento eram muito escassas”, lembra Kang, que mais tarde se tornou presidente do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) e membro do IEEE. Ele observa que a falta de ferramentas CAD para verificação completa do chip obrigou a equipe a imprimir desenhos Calcomp em tamanho grande. Esses esquemas mostram como os transistores, fios e interconexões devem ser organizados dentro de um chip para produzir 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 posicionadas.
Assim que o projeto físico foi concluído, 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 atendiam aos padrões de desempenho e qualidade) era muito baixa.
Para resolver isso, Kang e seus colegas dirigiam diariamente de Nova Jersey até a fábrica, 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 fabricado ali.
“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 excederam 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 de linha de transmissão entre a sonda e a cabeça 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, chegando por vezes a 9 MHz. Isso era considerado bastante rápido na época. O processador Intel 8088 de 16 bits, lançado pela IBM em seu primeiro PC em 1981, tinha uma velocidade de clock de apenas 4,77 MHz.
Por que o Bellmac-32 não'não se tornar convencional
Apesar de promissora, a tecnologia Bellmac-32 não obteve ampla adoção comercial. Segundo Condrey, a AT&T começou a analisar a fabricante de equipamentos NCR no final da década de 1980 e, posteriormente, optou por aquisições, o que significou que a empresa escolheu dar suporte a diferentes linhas de produtos de chips. Nessa época, a influência do 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 se mostrou uma maneira mais eficiente de implementá-lo na fábrica.”
Com o tempo, essa constatação remodelou a indústria de semicondutores. A tecnologia CMOS se tornaria a base dos microprocessadores modernos, impulsionando a revolução digital em dispositivos como computadores de mesa e smartphones.
A ousada experiência dos Laboratórios Bell — que utilizou um processo de fabricação não testado e abrangeu toda uma geração de arquitetura de chips — 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 uma nova trilha.” O Professor Huang, que mais tarde se tornou vice-diretor do Instituto de Microeletrônica de Singapura e também é membro do IEEE, acrescenta: “Isso incluía não apenas arquitetura e projeto de chips, mas também verificação de chips em larga escala – usando CAD, mas sem as ferramentas de simulação digital atuais ou mesmo protoboards (uma maneira padrão de verificar o projeto de circuito de um sistema eletrônico usando chips antes que os componentes do circuito sejam conectados permanentemente).”
Condry, Kang e Huang recordam com carinho aquele período e expressam admiração pela habilidade e dedicação dos muitos funcionários da AT&T cujos esforços tornaram possível a família de chips Bellmac-32.
Data da publicação: 19 de maio de 2025