Bellmac - 32：一颗改写芯片发展轨迹的关键芯片

在半导体行业的漫长发展历程中，有一颗芯片犹如一颗璀璨的明星，虽然它未曾在商业上取得如英特尔 4004 般耀眼的成功，但其影响力却深远而持久，它就是 Bellmac - 32 微处理器。

20 世纪 70 年代末，8 位处理器代表着当时最先进的技术水平，而 CMOS 工艺在半导体技术领域还处于相对劣势的地位。然而，AT & T 贝尔实验室的工程师们展现出了非凡的勇气和前瞻性，他们大胆地迈向未来，将宝押在了通过结合尖端的 3.5 微米 CMOS 制造技术与新颖的 32 位处理器架构上，期望在芯片性能上超越 IBM、英特尔等竞争对手。

尽管 Bellmac - 32 微处理器未能像英特尔 4004 等早期产品那样在商业上取得巨大成功，但它的影响力却极为深远。如今，几乎所有智能手机、笔记本电脑和平板电脑中的芯片都依赖于 Bellmac - 32 开创的互补金属氧化物半导体（CMOS）原理。

当时，AT & T 正处于转型的关键时期。几十年来，这家绰号 “Ma Bell” 的电信巨头一直主导着美国的语音通信业务，其子公司西部电气几乎生产了美国家庭和办公室里所有常见的电话。美国联邦政府以反垄断为由敦促剥离 AT & T 的业务，但这也为 AT & T 带来了进军计算机领域的机会。由于计算机公司已经在市场上站稳脚跟，AT & T 选择了跨越式发展战略，而 Bellmac - 32 就是其实现这一战略的重要跳板。

如今，Bellmac - 32 芯片系列荣获了 IEEE 里程碑奖，揭幕仪式将于今年在新泽西州默里山的诺基亚贝尔实验室园区和加州山景城的计算机历史博物馆举行。

AT & T 的高管们对贝尔实验室的工程师们提出了极具挑战性的要求，他们希望开发出一款革命性的产品 —— 第一款能够在一个时钟周期内传输 32 位数据的商用微处理器。这不仅需要全新的芯片，更需要全新的架构，以处理电信交换并作为未来计算系统的骨干。贝尔实验室新泽西州霍姆德尔工厂架构团队负责人迈克尔・康德瑞表示：“我们不仅仅是在打造一款速度更快的芯片，我们试图设计一款能够同时承载语音和计算功能的芯片。”

当时，CMOS 技术被视为 NMOS 和 PMOS 设计有前景但风险较高的替代方案。NMOS 芯片速度快但功耗高，PMOS 芯片速度太慢，而 CMOS 采用混合设计，既能提高速度又能节省能源。尽管需要双倍数量的晶体管，但随着半导体技术的飞速发展，晶体管尺寸不断缩小，成本逐渐可控。然而，在贝尔实验室进行这场高风险尝试时，大规模 CMOS 制造技术尚未得到验证，成本相对较高。

为了攻克这一难题，贝尔实验室利用多个园区的专业知识，组建了一支由半导体工程师组成的 “梦之队”。他们于 1978 年开始掌握新的 CMOS 工艺，并从零开始打造 32 位微处理器。

康德瑞领导的架构团队致力于构建一个原生支持 Unix 操作系统和 C 编程语言的系统。当时，Unix 和 C 编程语言都处于起步阶段，但注定会占据主导地位。为了应对内存限制，他们引入了一套复杂的指令集，执行步骤更少，并且可以在一个时钟周期内完成。工程师们还设计了支持 VersaModule Eurocard（VME）并行总线的芯片，实现分布式计算，使多个节点能够并行处理数据，同时也可用于实时控制。该团队编写了自己的 Unix 版本，并赋予其实时功能，以确保新芯片设计与工业自动化及类似应用兼容。此外，贝尔实验室的工程师还发明了多米诺逻辑，通过减少复杂逻辑门的延迟来提高处理速度。

在芯片制造过程中，团队面临着诸多困难。由于缺乏布局、测试和高良率制造的技术，没有可用于全芯片验证的 CAD 工具，团队只好打印超大尺寸的 Calcomp 图，用胶带在地板上组装起来，手工描摹每个电路，寻找断路、重叠或处理不当的互连。芯片在宾夕法尼亚州阿伦敦的西部电气公司工厂生产时，良品率非常低。为了解决这个问题，Kang 和他的同事每天从新泽西州开车到工厂，参与各种工作，包括扫地和校准测试设备，最终几个月后，西部电气能够生产出超出需求数量的优质芯片。

Bellmac - 32 的首版于 1980 年问世，但未能达到预期，性能目标频率仅为 2 MHz。工程师们发现测试设备存在缺陷，与武田理研团队合作开发了校正表。第二代 Bellmac 芯片的时钟速度超过了 6.2 MHz，有时甚至高达 9 MHz，远超当时 IBM 初代 PC 中搭载的 16 位英特尔 8088 处理器的 4.77 MHz。

尽管 Bellmac - 32 技术前景光明，但它并未获得广泛的商业应用。AT & T 在 20 世纪 80 年代末开始关注设备制造商 NCR，而后转向收购，选择支持不同的芯片产品线。但 Bellmac - 32 的影响力却在不断扩大，CMOS 技术改变了市场格局，成为现代微处理器的基础，推动了台式机、智能手机等设备的数字革命。

贝尔实验室大胆采用未经测试的制造工艺并跨越整整一代芯片架构的尝试，无疑是技术史上的一个重要里程碑。正如 Kang 所说：“我们站在了可能性的前沿。我们不仅仅是追随已有的道路，而是开辟了一条新路。”