L’arrivée de cette puce a changé le cours du développement des puces !
À la fin des années 1970, les processeurs 8 bits constituaient encore la technologie la plus avancée, et les procédés CMOS étaient désavantagés dans le domaine des semi-conducteurs. Les ingénieurs d'AT&T Bell Labs ont fait un pas audacieux vers l'avenir en combinant des procédés de fabrication CMOS de 3,5 microns de pointe avec des architectures de processeurs 32 bits innovantes afin de surpasser leurs concurrents en termes de performances des puces, surpassant ainsi IBM et Intel.
Bien que leur invention, le microprocesseur Bellmac-32, n'ait pas connu le succès commercial de produits antérieurs comme l'Intel 4004 (sorti en 1971), son influence fut profonde. Aujourd'hui, les puces de presque tous les smartphones, ordinateurs portables et tablettes reposent sur le principe des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS), mis au point par le Bellmac-32.
Les années 1980 approchaient et AT&T tentait de se transformer. Pendant des décennies, le géant des télécommunications, surnommé « Mother Bell », avait dominé le secteur des communications vocales aux États-Unis, et sa filiale Western Electric produisait la quasi-totalité des téléphones courants des foyers et des bureaux américains. Le gouvernement fédéral américain a préconisé le démantèlement d'AT&T pour des raisons antitrust, mais AT&T y a vu une opportunité de pénétrer le secteur informatique.
Les entreprises informatiques étant déjà bien établies sur le marché, AT&T a eu du mal à rattraper son retard ; sa stratégie était de faire un bond en avant, et le Bellmac-32 a été son tremplin.
La famille de puces Bellmac-32 a été récompensée par un prix IEEE Milestone. Les cérémonies de dévoilement auront lieu cette année sur le campus Nokia Bell Labs à Murray Hill, dans le New Jersey, et au Computer History Museum de Mountain View, en Californie.
PUCE UNIQUE
Plutôt que de suivre la norme industrielle des puces 8 bits, les dirigeants d'AT&T ont mis au défi les ingénieurs des Bell Labs de développer un produit révolutionnaire : le premier microprocesseur commercial capable de transférer 32 bits de données en un seul cycle d'horloge. Cela nécessitait non seulement une nouvelle puce, mais aussi une nouvelle architecture, capable de gérer la commutation des télécommunications et de servir de base aux futurs systèmes informatiques.
« Nous ne construisons pas seulement une puce plus rapide », a déclaré Michael Condry, responsable du groupe d'architecture du site Bell Labs de Holmdel, dans le New Jersey. « Nous essayons de concevoir une puce capable de prendre en charge à la fois la voix et le calcul. »
À l'époque, la technologie CMOS était considérée comme une alternative prometteuse, mais risquée, aux conceptions NMOS et PMOS. Les puces NMOS reposaient entièrement sur des transistors de type N, rapides mais gourmands en énergie, tandis que les puces PMOS reposaient sur le mouvement de trous chargés positivement, trop lent. Le CMOS utilisait une conception hybride qui augmentait la vitesse tout en économisant de l'énergie. Les avantages du CMOS étaient si convaincants que l'industrie a rapidement compris que, même s'il nécessitait deux fois plus de transistors (NMOS et PMOS pour chaque porte), le jeu en valait la chandelle.
Avec le développement rapide de la technologie des semi-conducteurs, décrit par la loi de Moore, le coût du doublement de la densité des transistors est devenu gérable, voire négligeable. Cependant, lorsque Bell Labs s'est lancé dans ce pari risqué, la technologie de fabrication CMOS à grande échelle n'était pas encore éprouvée et son coût était relativement élevé.
Cela n'a pas effrayé Bell Labs. L'entreprise s'est appuyée sur l'expertise de ses campus de Holmdel, Murray Hill et Naperville, dans l'Illinois, et a constitué une équipe de rêve d'ingénieurs en semi-conducteurs. Cette équipe comprenait Condrey, Steve Conn, une étoile montante de la conception de puces, Victor Huang, un autre concepteur de microprocesseurs, et des dizaines d'employés d'AT&T Bell Labs. Ils ont commencé à maîtriser un nouveau procédé CMOS en 1978 et à construire un microprocesseur 32 bits de toutes pièces.
Commencez par l'architecture de conception
Condrey était un ancien membre de l'IEEE et a ensuite occupé le poste de directeur technique d'Intel. L'équipe d'architecture qu'il dirigeait s'était engagée à construire un système prenant en charge nativement le système d'exploitation Unix et le langage C. À l'époque, Unix et le langage C en étaient encore à leurs balbutiements, mais étaient destinés à dominer. Afin de dépasser la limite de mémoire extrêmement précieuse de l'époque, fixée à des kilo-octets (Ko), ils ont introduit un jeu d'instructions complexe nécessitant moins d'étapes d'exécution et permettant d'exécuter des tâches en un seul cycle d'horloge.
Les ingénieurs ont également conçu des puces prenant en charge le bus parallèle VersaModule Eurocard (VME), qui permet le calcul distribué et le traitement parallèle des données par plusieurs nœuds. Les puces compatibles VME permettent également leur utilisation pour le contrôle en temps réel.
L'équipe a développé sa propre version d'Unix et l'a dotée de fonctionnalités temps réel pour assurer la compatibilité avec l'automatisation industrielle et les applications similaires. Les ingénieurs des Bell Labs ont également inventé la logique domino, qui a augmenté la vitesse de traitement en réduisant les délais dans les portes logiques complexes.
Des techniques de test et de vérification supplémentaires ont été développées et introduites avec le module Bellmac-32, un projet complexe de vérification et de test multi-puces dirigé par Jen-Hsun Huang, qui a permis d'atteindre un niveau de zéro défaut, voire de quasi-zéro, dans la fabrication de puces complexes. Il s'agissait d'une première mondiale dans le domaine des tests de circuits intégrés à très grande échelle (VLSI). Les ingénieurs des Bell Labs ont élaboré un plan systématique, vérifié à plusieurs reprises le travail de leurs collègues et ont finalement réussi à instaurer une collaboration transparente entre plusieurs familles de puces, aboutissant à un système de micro-ordinateur complet.
Vient ensuite la partie la plus difficile : la fabrication proprement dite de la puce.
« À l'époque, les technologies de conception, de test et de fabrication à haut rendement étaient très rares », se souvient Kang, qui devint plus tard président de l'Institut coréen des sciences et technologies avancées (KAIST) et membre de l'IEEE. Il note que l'absence d'outils de CAO pour la vérification complète des puces a contraint l'équipe à imprimer des schémas Calcomp surdimensionnés. Ces schémas montrent comment les transistors, les fils et les interconnexions doivent être disposés au sein d'une puce pour obtenir le résultat souhaité. L'équipe les a assemblés au sol avec du ruban adhésif, formant un carré géant de plus de 6 mètres de côté. Kang et ses collègues ont dessiné chaque circuit à la main aux crayons de couleur, en recherchant les connexions cassées et les interconnexions superposées ou mal manipulées.
Une fois la conception physique terminée, l'équipe a dû relever un autre défi : la fabrication. Les puces étaient produites à l'usine Western Electric d'Allentown, en Pennsylvanie, mais Kang se souvient que le taux de rendement (le pourcentage de puces sur la plaquette répondant aux normes de performance et de qualité) était très faible.
Pour résoudre ce problème, Kang et ses collègues se rendaient chaque jour à l’usine depuis le New Jersey, retroussaient leurs manches et faisaient tout ce qui était nécessaire, y compris balayer les sols et calibrer les équipements de test, pour créer un climat de camaraderie et convaincre tout le monde que le produit le plus complexe que l’usine ait jamais tenté de produire pouvait effectivement y être fabriqué.
« Le processus de consolidation d'équipe s'est déroulé sans problème », a déclaré Kang. « En quelques mois, Western Electric était en mesure de produire des puces de haute qualité en quantités supérieures à la demande. »
La première version du Bellmac-32 est sortie en 1980, mais elle n'a pas répondu aux attentes. Sa fréquence cible n'était que de 2 MHz, et non de 4 MHz. Les ingénieurs ont découvert que l'équipement de test de pointe Takeda Riken qu'ils utilisaient à l'époque présentait des défauts : les effets de ligne de transmission entre la sonde et la tête de test entraînaient des mesures inexactes. Ils ont collaboré avec l'équipe de Takeda Riken pour élaborer une table de correction permettant de corriger les erreurs de mesure.
Les puces Bellmac de deuxième génération affichaient des fréquences d'horloge supérieures à 6,2 MHz, parfois même jusqu'à 9 MHz. À l'époque, ce chiffre était considéré comme assez rapide. Le processeur Intel 8088 16 bits, commercialisé par IBM sur son premier PC en 1981, n'affichait qu'une fréquence de 4,77 MHz.
Pourquoi Bellmac-32 n'a pas'ne pas devenir courant
Malgré ses promesses, la technologie Bellmac-32 n'a pas connu une adoption commerciale généralisée. Selon Condrey, AT&T a commencé à s'intéresser à l'équipementier NCR à la fin des années 1980, puis s'est tourné vers les acquisitions, ce qui a conduit l'entreprise à choisir de soutenir différentes gammes de puces. À cette époque, l'influence de Bellmac-32 avait commencé à croître.
« Avant Bellmac-32, le NMOS dominait le marché », a déclaré Condry. « Mais le CMOS a changé la donne, car il s'est avéré plus efficace pour sa mise en œuvre en usine. »
Au fil du temps, cette prise de conscience a remodelé l'industrie des semi-conducteurs. Le CMOS allait devenir la base des microprocesseurs modernes, propulsant la révolution numérique dans des appareils tels que les ordinateurs de bureau et les smartphones.
L'expérience audacieuse des Bell Labs, utilisant un processus de fabrication non testé et couvrant toute une génération d'architecture de puces, a marqué une étape importante dans l'histoire de la technologie.
Comme le souligne le professeur Kang : « Nous étions à la pointe du possible. Nous ne suivions pas simplement une voie existante, nous en ouvrions une nouvelle. » Le professeur Huang, devenu plus tard directeur adjoint de l’Institut de microélectronique de Singapour et également membre de l’IEEE, ajoute : « Cela incluait non seulement l’architecture et la conception des puces, mais aussi la vérification à grande échelle des puces, grâce à la CAO, mais sans les outils de simulation numérique actuels ni même les maquettes (une méthode standard pour vérifier la conception d’un circuit électronique utilisant des puces avant que les composants ne soient connectés entre eux de manière permanente). »
Condry, Kang et Huang se souviennent avec tendresse de cette époque et expriment leur admiration pour les compétences et le dévouement des nombreux employés d'AT&T dont les efforts ont rendu possible la famille de puces Bellmac-32.
Date de publication : 19 mai 2025