このチップの登場により、チップ開発の方向性が変わりました。
1970年代後半、当時は8ビットプロセッサが依然として最先端技術であり、CMOSプロセスは半導体分野において不利な状況にありました。AT&Tベル研究所のエンジニアたちは、最先端の3.5ミクロンCMOS製造プロセスと革新的な32ビットプロセッサアーキテクチャを組み合わせ、IBMやIntelといった競合他社を凌駕するチップ性能を実現すべく、大胆な未来への一歩を踏み出しました。
彼らの発明であるBellmac-32マイクロプロセッサは、Intel 4004（1971年発売）のような初期の製品ほど商業的に成功することはなかったものの、その影響力は計り知れないものでした。今日、ほぼすべてのスマートフォン、ノートパソコン、タブレットに搭載されているチップは、Bellmac-32によって開拓された相補型金属酸化膜半導体（CMOS）の原理に基づいています。
1980年代が近づき、AT&Tは変革を模索していました。「マザーベル」の愛称で知られるこの通信大手は、数十年にわたり米国の音声通信事業を独占し、子会社のウェスタン・エレクトリックはアメリカの家庭やオフィスで普及している電話機のほぼすべてを生産していました。米国連邦政府は反トラスト法を理由にAT&Tの事業分割を迫りましたが、AT&Tはコンピュータ分野への参入の機会を見出しました。
コンピュータ企業がすでに市場で確固たる地位を築いていたため、AT&T が追いつくのは困難でした。同社の戦略は飛躍することであり、Bellmac-32 はその跳躍台となりました。
Bellmac-32チップファミリーがIEEEマイルストーン賞を受賞しました。今年の発表式典は、ニュージャージー州マレーヒルにあるノキアベル研究所キャンパスと、カリフォルニア州マウンテンビューにあるコンピュータ歴史博物館で開催されます。
ユニークなチップ
AT&Tの幹部は、業界標準の8ビットチップに追随するのではなく、ベル研究所のエンジニアたちに革新的な製品の開発を依頼しました。それは、1クロックサイクルで32ビットのデータを転送できる初の商用マイクロプロセッサです。これには、新しいチップだけでなく、通信スイッチングに対応し、将来のコンピューティングシステムのバックボーンとなる新しいアーキテクチャも必要でした。
「私たちは単に高速チップを開発しているだけではありません」と、ベル研究所のニュージャージー州ホルムデル施設でアーキテクチャグループを率いるマイケル・コンドリー氏は述べた。「音声とコンピューティングの両方をサポートできるチップを設計しようとしているのです。」
当時、CMOS技術はNMOSやPMOS設計の有望な代替技術と見られていましたが、リスクも伴っていました。NMOSチップはN型トランジスタのみに依存しており、高速ではあるものの消費電力が大きく、一方PMOSチップは正電荷を帯びたホールの移動に依存しており、速度が遅すぎました。CMOSはハイブリッド設計を採用することで、速度を向上させながら消費電力を削減しました。CMOSの利点は非常に魅力的だったため、たとえゲートあたりNMOSとPMOSのトランジスタが2倍必要になったとしても、その価値は十分にあると業界はすぐに認識しました。
ムーアの法則に示された半導体技術の急速な発展により、トランジスタ密度を倍増させるコストは管理可能となり、最終的には無視できるほどになりました。しかし、ベル研究所がこのハイリスクな賭けに出た当時、大規模CMOS製造技術は未だ実証されておらず、コストは比較的高額でした。
ベル研究所はこれに動じなかった。イリノイ州ホルムデル、マレーヒル、ネーパービルの各キャンパスの専門知識を活用し、半導体エンジニアの「ドリームチーム」を結成した。チームには、コンドリー、チップ設計の新星スティーブ・コン、同じくマイクロプロセッサ設計者のビクター・フアン、そしてAT&Tベル研究所の数十人の従業員が含まれていた。彼らは1978年に新しいCMOSプロセスを習得し、32ビットマイクロプロセッサをゼロから構築し始めた。
設計アーキテクチャから始める
コンドリーは元IEEEフェローであり、後にインテルの最高技術責任者を務めました。彼が率いるアーキテクチャチームは、UnixオペレーティングシステムとC言語をネイティブにサポートするシステムの構築に注力していました。当時、UnixとC言語はまだ初期段階でしたが、後に主流となる運命にありました。当時非常に貴重だったキロバイト（KB）単位のメモリ制限を突破するため、彼らは実行ステップ数が少なく、1クロックサイクルでタスクを完了できる複雑な命令セットを導入しました。
エンジニアたちは、分散コンピューティングを可能にし、複数のノードによるデータの並列処理を可能にするVersaModule Eurocard（VME）パラレルバスをサポートするチップも設計しました。VME互換チップは、リアルタイム制御にも使用できます。
チームは独自のUnixバージョンを開発し、産業オートメーションなどのアプリケーションとの互換性を確保するためにリアルタイム機能を搭載しました。ベル研究所のエンジニアたちは、複雑な論理ゲートの遅延を削減することで処理速度を向上させるドミノロジックも発明しました。
ジェンスン・フアンが率いる複雑なマルチチップ検証・テストプロジェクトであるBellmac-32モジュールでは、追加のテストおよび検証手法が開発・導入され、複雑なチップ製造において欠陥ゼロ、あるいはほぼゼロを達成しました。これは、超大規模集積回路（VLSI）テストの世界初の快挙でした。ベル研究所のエンジニアたちは体系的な計画を策定し、同僚の作業を繰り返し検証することで、最終的に複数のチップファミリにわたるシームレスな連携を実現し、完全なマイクロコンピュータシステムを完成させました。
次は最も難しい部分、つまりチップの実際の製造です。
「当時は、レイアウト、テスト、そして高歩留まり製造技術が非常に不足していました」と、後に韓国科学技術院（KAIST）の学長となり、IEEEフェローとなったカン氏は回想する。彼は、チップ全体の検証のためのCADツールが不足していたため、チームは特大のCalcomp図面を印刷せざるを得なかったと指摘する。これらの回路図は、望ましい出力を得るために、チップ内でトランジスタ、配線、相互接続をどのように配置すべきかを示している。チームは床の上でテープを使ってそれらを組み立て、一辺が6メートルを超える巨大な正方形を描き上げた。カン氏と同僚たちは、色鉛筆で各回路を手描きし、断線や重なり合ったり不適切に処理された相互接続を探した。
物理設計が完了すると、チームは新たな課題、製造に直面しました。チップはペンシルベニア州アレンタウンにあるウェスタン・エレクトリック社の工場で製造されましたが、カン氏は歩留まり率（ウェーハ上のチップのうち、性能と品質基準を満たしたチップの割合）が非常に低かったと振り返ります。
この問題を解決するために、カン氏と彼の同僚たちは毎日ニュージャージー州から工場に車で通い、袖をまくって床の掃き掃除や試験装置の調整など必要なことは何でもして仲間意識を育み、工場がこれまで生産しようとした中で最も複雑な製品が実際にそこで生産可能であることを全員に納得させた。
「チーム構築は順調に進みました」とカン氏は述べた。「数か月後には、ウェスタン・エレクトリックは需要を上回る量の高品質チップを生産できるようになりました。」
Bellmac-32の最初のバージョンは1980年に発売されましたが、期待に応えることができませんでした。目標性能周波数は4MHzではなく、わずか2MHzでした。エンジニアたちは、当時使用していた最先端の武田理研製試験装置に欠陥があり、プローブとテストヘッド間の伝送線路効果によって測定精度が悪くなることを発見しました。彼らは武田理研のチームと協力し、測定誤差を補正するための補正テーブルを開発しました。
第2世代のBellmacチップのクロック速度は6.2MHzを超え、時には9MHzに達することもありました。これは当時としては非常に高速と考えられていました。IBMが1981年に最初のPCに搭載した16ビットIntel 8088プロセッサのクロック速度はわずか4.77MHzでした。
ベルマック32がなぜ'主流にならない
Bellmac-32技術は、その有望性にもかかわらず、商業的に広く採用されることはありませんでした。コンドリー氏によると、AT&Tは1980年代後半に機器メーカーのNCRに着目し始め、後に買収に踏み切りました。つまり、同社は異なるチップ製品ラインのサポートを選択するようになったのです。その頃には、Bellmac-32の影響力は拡大し始めていました。
「Bellmac-32以前は、NMOSが市場を独占していました」とコンドリー氏は述べた。「しかし、CMOSの登場により、製造現場でより効率的に実装できることが証明され、市場は大きく変わりました。」
時が経つにつれ、この認識は半導体業界を変革しました。CMOSは現代のマイクロプロセッサの基盤となり、デスクトップパソコンやスマートフォンなどのデバイスにおけるデジタル革命の原動力となりました。
ベル研究所の、未検証の製造プロセスを使用し、チップ アーキテクチャの世代全体にわたる大胆な実験は、テクノロジーの歴史における画期的な出来事でした。
カン教授はこう述べています。「私たちは可能性の最前線にいました。既存の道を単に辿るのではなく、新たな道を切り開いていたのです。」後にシンガポールマイクロエレクトロニクス研究所の副所長となり、IEEEフェローでもあるフアン教授は、「これにはチップのアーキテクチャと設計だけでなく、CADを用いた大規模なチップ検証も含まれていました。しかし、今日のデジタルシミュレーションツールやブレッドボード（回路部品が恒久的に接続される前に、チップを用いた電子システムの回路設計を検証する標準的な方法）は使用していませんでした。」と付け加えます。
Condry、Kang、Huang は当時を懐かしく振り返り、Bellmac-32 チップ ファミリの実現に尽力した多くの AT&T 従業員のスキルと献身に敬意を表します。
投稿日時: 2025年5月19日