20 世紀 70 年代末，正值 8 位處理器引領技術潮流、CMOS 在半導體領域尚不被看好之際。美國電話電報公司（AT&T）貝爾實驗室的工程師們大膽地向未來邁出了一步。他們押下重注豪賭未來，試圖通過將前沿的3.5 微米 CMOS 制造工藝與全新的 32 位處理器架構相結合，在芯片性能上超越 IBM、英特爾等競爭對手。

盡管他們的成果——Bellmac-32 微處理器 —— 從未像英特爾 1971 年推出的 4004 芯片那樣獲得商業上的廣泛聲譽，但事實證明，它的影響力更為深遠。如今，智能手機、筆記本電腦和平板電腦中的幾乎每一塊芯片，都依賴于 Bellmac-32 率先采用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）原理。

20 世紀 80 年代臨近，AT&T 正經歷著變革。幾十年來，這家被昵稱為 “貝爾大媽（Ma Bell）” 的電信巨頭一直主導著美國的語音通信市場，其旗下的西部電氣子公司幾乎制造了美國家庭和辦公室中使用的每一部電話。當時，美國聯邦政府正推動反壟斷分拆，但 AT&T 也獲得了進軍計算領域的機會。

由于計算領域的公司已經在市場上站穩了腳跟， AT&T 來不及追趕，其戰略是實現跨越式發展，而 Bellmac-32 就是它的跳板。

Bellmac-32 芯片系列現已獲得 IEEE 里程碑榮譽。今年， dedication 儀式計劃在新澤西州默里山的諾基亞貝爾實驗室園區和加利福尼亞州山景城的計算機歷史博物館舉行。

獨一無二的芯片

AT&T 的高管們要求貝爾實驗室的工程師們不模仿 8 位芯片這一行業標準，而是交付具有革命性的產品：首款在商業上可行的、能夠在一個時鐘周期內處理 32 位數據的微處理器。這不僅需要一款新芯片，還需要一種全新的架構 —— 這種架構既要能處理電信交換任務，又能作為未來計算系統的支柱。

“我們不只是在制造更快的芯片，” 曾在新澤西州霍爾姆德爾的貝爾實驗室設施中領導架構團隊的邁克爾?康德里說，“我們試圖設計一種能夠將語音和計算帶入未來的產品。”

貝爾實驗室帶內存管理單元的 32 位 DBO 圖示。Bellmac-32 微處理器的這種配置集成了內存管理單元，針對類 Unix 操作系統進行了優化。AT&T 檔案與歷史中心

當時，CMOS 技術被視為一種有前景但充滿風險的替代方案，可替代當時使用的 NMOS 和 PMOS 設計。僅依賴 N 型晶體管的 NMOS 芯片速度快，但功耗高。依賴正電荷空穴移動的 PMOS 芯片速度太慢。CMOS 采用混合設計，有望兼具速度和節能的優勢。其優勢如此吸引人，以至于行業很快認識到，晶體管數量翻倍（每個門電路都有 NMOS 和 PMOS）的代價是值得的。

隨著摩爾定律所描述的半導體技術的迅速發展，晶體管尺寸不斷縮小，晶體管密度翻倍的成本很快變得可控，最終變得微不足道。但在貝爾實驗室進行這場高風險的賭博時，大規模 CMOS 制造仍未得到驗證，而且看起來成本相對較高。

但這并沒有阻止貝爾實驗室。該公司利用其在霍爾姆德爾、默里山以及伊利諾伊州內珀維爾的園區的專業知識，組建了一支由半導體工程師組成的夢之隊。團隊成員包括康德里、芯片設計領域的后起之秀Steve Kang、另一位微處理器芯片設計師Victor黃,以及數十名 AT&T 貝爾實驗室的員工。1978 年，他們開始著手掌握新的 CMOS 工藝，并從頭開始打造 32 位微處理器。

架構設計

由 IEEE 終身會士康德里領導的架構團隊（康德里后來成為英特爾的首席技術官）專注于構建一個能夠原生支持 Unix 操作系統和 C 編程語言的系統。這兩者當時都處于起步階段，但注定會占據主導地位。為了應對那個時代的內存限制 —— 千字節內存都很寶貴 —— 他們引入了一套復雜指令集，該指令集執行所需的步驟更少，并且可以在單個時鐘周期內執行。

工程師們還為芯片構建了支持 VersaModule Eurocard（VME）并行總線的功能，實現了分布式計算，使多個節點能夠并行處理數據。使芯片支持 VME 還使其能夠用于實時控制。

該團隊編寫了自己版本的 Unix，具有實時功能，以確保新的芯片設計能夠與工業自動化等應用兼容。貝爾實驗室的工程師們還發明了多米諾邏輯，通過減少復雜邏輯門的延遲來提高處理速度。

通過 Bellmac-32 模塊開發并引入了額外的測試和驗證技術。這是一個由黃領導的復雜多芯片組驗證和測試項目，它使復雜的芯片制造能夠實現零誤差或接近零誤差。這在超大規模集成電路測試中是首創。貝爾實驗室工程師們對同事的工作進行雙重和三重檢查的系統計劃，最終使多個芯片組系列的整體設計能夠作為一個完整的微計算機系統無縫協作。

接下來是最困難的部分：實際制造芯片。

布局圖和彩色鉛筆

“當時，用于布局、測試和高良率制造的技術還不存在，”IEEE 終身會士Steve Kang回憶道，他后來成為韓國大田韓國科學技術高級研究院（KAIST）的院長。Kang說，由于沒有用于全芯片驗證的計算機輔助設計（CAD）工具，團隊不得不打印超大的 Calcomp 繪圖。這些原理圖展示了晶體管、電路線和互連線應如何排列在芯片內部，以提供所需的輸出。團隊用膠帶將它們組裝在地板上，制成了一張邊長超過 6 米的巨大方形地圖。Kang和他的同事們用彩色鉛筆手工描繪每條電路，尋找斷路、重疊或處理不當的互連線。

1982 年，貝爾實驗室 Bellmac-32 團隊的成員在新澤西州默里山校區的地板上貼著一個巨大的芯片電路原理圖。

制造芯片

物理設計確定后，團隊又面臨另一個障礙：制造。這些芯片是在賓夕法尼亞州阿倫敦的西部電氣工廠制造的，但Kang回憶說，良率（硅片上符合性能和質量標準的芯片百分比）低得可憐。

為了解決這個問題，Kang和他的同事們每天從新澤西州驅車前往工廠，卷起袖子，做任何需要做的事情，包括掃地和校準測試設備，以建立團隊精神，并讓工廠工人相信，他們有史以來嘗試生產的最復雜的產品確實可以在那里制造出來。

“我們不只是在制造更快的芯片。我們試圖設計一種能夠將語音和計算帶入未來的產品。”
—— 邁克爾?康德里，Bellmac-32 架構團隊負責人

“團隊建設效果很好，” Kang說，“幾個月后，西部電氣能夠生產出超過所需數量的合格芯片。”

Bellmac-32 的第一個版本于 1980 年準備就緒，但未達到預期。它沒有達到 4 MHz的性能目標，僅運行在 2 MHz。工程師們發現，他們使用的最先進的武田理研測試設備存在缺陷，探針和測試頭之間的傳輸線效應導致測量不準確，因此他們與武田理研的團隊合作開發了校正表，糾正了測量誤差。

第二代 Bellmac 芯片的時鐘速度超過 6.2 MHz，有時達到 9 MHz。這在當時是極快的速度。1981 年發布的 IBM 原裝 PC 內部的 16 位英特爾 8088 處理器運行速度為 4.77 MHz。

為什么Bellmac-32 沒有成為主流

盡管 Bellmac-32 在技術上有潛力，但它沒有獲得廣泛的商業應用。據康德里說，AT&T 轉向收購設備制造商 NCR（它在 20 世紀 80 年代末開始關注 NCR），這意味著該公司選擇支持不同的芯片產品線。但到那時，Bellmac-32 的影響已經在不斷擴大。

“在 Bellmac-32 之前，NMOS 占主導地位，” 康德里說，“但 CMOS 改變了市場，因為它在制造中被證明是一種更有效的實現方式。”

隨著時間的推移，這一認識重塑了半導體格局。CMOS 將成為現代微處理器的基礎，推動臺式機、智能手機等領域的數字革命。

貝爾實驗室大膽押注—— 采用未經測試的制造工藝，跨越整整一代芯片架構 —— 堪稱科技史上的一個里程碑時刻。

正如Kang所說：“我們處于可能的前沿。我們不只是沿著路徑走 —— 我們開辟了一條新路徑。”IEEE 終身會士黃（后來成為新加坡微電子研究所副所長）補充說：“這不僅包括芯片架構和設計，還包括大規模芯片驗證 —— 使用了 CAD，但沒有今天的數字仿真工具，甚至沒有面包板技術（這是一種標準方法，用于在通過焊接電路元件進行永久連接之前，檢查使用芯片的電子系統的電路設計是否可行）。”

康德里、Kang和黃深情地回顧了那段時期，并對眾多 AT&T 員工的技能和奉獻精神表示欽佩，正是他們的努力使 Bellmac-32 芯片系列成為可能。

原文：

https://spectrum.ieee.org/bellmac-32-ieee-milestone

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