L'arrivée de cette puce a changé le cours du développement des puces !
À la fin des années 1970, les processeurs 8 bits représentaient encore la technologie la plus avancée et les procédés CMOS étaient désavantagés dans le secteur des semi-conducteurs. Les ingénieurs des laboratoires Bell d'AT&T ont alors fait un pari audacieux en combinant des procédés de fabrication CMOS de pointe de 3,5 microns avec des architectures de processeurs 32 bits innovantes, dans le but de surpasser la concurrence en termes de performances des puces, et notamment IBM et Intel.
Bien que leur invention, le microprocesseur Bellmac-32, n'ait pas connu le même succès commercial que des produits antérieurs comme l'Intel 4004 (lancé en 1971), son influence fut considérable. Aujourd'hui, les puces de la quasi-totalité des smartphones, ordinateurs portables et tablettes reposent sur les principes de la technologie CMOS (semi-conducteur métal-oxyde complémentaire) dont le Bellmac-32 fut le pionnier.
À l'approche des années 1980, AT&T cherchait à se transformer. Pendant des décennies, ce géant des télécommunications, surnommé « Mother Bell », avait dominé le marché des communications vocales aux États-Unis, et sa filiale Western Electric produisait la quasi-totalité des téléphones portables utilisés dans les foyers et les bureaux américains. Le gouvernement fédéral américain a exigé le démantèlement d'AT&T pour des raisons de concurrence, mais AT&T y voyait une opportunité de se lancer dans l'informatique.
Face à des sociétés informatiques déjà bien implantées sur le marché, AT&T a eu du mal à rattraper son retard ; sa stratégie consistait à faire un bond en avant, et le Bellmac-32 en était le tremplin.
La famille de puces Bellmac-32 a reçu un prix IEEE Milestone Award. Les cérémonies de présentation auront lieu cette année sur le campus de Nokia Bell Labs à Murray Hill, dans le New Jersey, et au Computer History Museum à 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 nous contentons pas de concevoir une puce plus rapide », a déclaré Michael Condry, responsable du groupe d'architecture chez Bell Labs à Holmdel, dans le New Jersey. « Nous cherchons à concevoir une puce capable de gérer à la fois la voix et le calcul. »
À l'époque, la technologie CMOS était perçue comme une alternative prometteuse, mais risquée, aux technologies NMOS et PMOS. Les puces NMOS reposaient entièrement sur des transistors de type N, rapides mais énergivores, tandis que les puces PMOS s'appuyaient sur le mouvement des trous chargés positivement, trop lent. La technologie CMOS utilisait une conception hybride qui augmentait la vitesse tout en réduisant la consommation d'énergie. Les avantages de la CMOS étaient si convaincants que l'industrie a rapidement compris que, même si elle nécessitait deux fois plus de transistors (NMOS et PMOS par 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, puis négligeable. Cependant, lorsque les laboratoires Bell se sont lancés dans ce pari risqué, la technologie de fabrication CMOS à grande échelle n'avait pas encore fait ses preuves et son coût était relativement élevé.
Cela n'a pas effrayé les Bell Labs. L'entreprise a mis à profit l'expertise de ses campus de Holmdel, Murray Hill et Naperville (Illinois) et a réuni une équipe de rêve d'ingénieurs en semi-conducteurs. Cette équipe comprenait Condrey, Steve Conn, étoile montante de la conception de puces, Victor Huang, également concepteur de microprocesseurs, et des dizaines d'employés des Bell Labs d'AT&T. Ils ont commencé à maîtriser un nouveau procédé CMOS en 1978 et à concevoir un microprocesseur 32 bits de A à Z.
Commencez par l'architecture de conception
Condrey, ancien membre de l'IEEE, a ensuite occupé le poste de directeur technique d'Intel. L'équipe d'architectes qu'il dirigeait s'était engagée à concevoir un système prenant en charge nativement le système d'exploitation Unix et le langage C. À l'époque, Unix et le langage C étaient encore à leurs débuts, mais leur avenir s'annonçait prometteur. Afin de dépasser la limite de mémoire extrêmement précieuse de l'époque (en kilo-octets), ils ont introduit un jeu d'instructions complexe nécessitant moins d'étapes d'exécution et capable d'effectuer des tâches en un seul cycle d'horloge.
Les ingénieurs ont également conçu des puces compatibles avec le bus parallèle VersaModule Eurocard (VME), permettant le calcul distribué et le traitement simultané de données par plusieurs nœuds. Ces puces compatibles VME peuvent également être utilisées pour le contrôle en temps réel.
L'équipe a développé sa propre version d'Unix et l'a dotée de capacités temps réel afin d'assurer la compatibilité avec l'automatisation industrielle et les applications similaires. Les ingénieurs des Bell Labs ont également inventé la logique domino, qui a permis d'accroître 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 mises en œuvre avec le module Bellmac-32, un projet complexe de vérification et de test multi-puces dirigé par Jen-Hsun Huang. Ce projet a permis d'atteindre un taux de défauts nul ou quasi nul lors de 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, finalement, instauré une collaboration fluide entre plusieurs familles de puces, aboutissant à un système micro-informatique 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 par la suite président du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) et membre de l'IEEE. Il précise 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 agencés au sein d'une puce pour obtenir le résultat souhaité. L'équipe les a assemblés au sol à l'aide de ruban adhésif, formant un immense dessin carré de plus de 6 mètres de côté. Kang et ses collègues ont dessiné chaque circuit à la main, au crayon de couleur, à la recherche de connexions défectueuses et d'interconnexions superposées ou mal gérées.
Une fois la conception physique achevée, l'équipe a dû relever un autre défi : la fabrication. Les puces étaient produites dans 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 remédier à cela, Kang et ses collègues se rendaient chaque jour en voiture de New Jersey à l'usine, se retroussaient les manches et faisaient tout le nécessaire, y compris balayer les sols et calibrer les équipements de test, afin de créer un esprit de camaraderie et de convaincre tout le monde que le produit le plus complexe que l'usine ait jamais tenté de fabriquer pouvait effectivement y être produit.
« Le processus de constitution de l'équipe s'est déroulé sans accroc », a déclaré Kang. « Après 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, sortie en 1980, ne répondit pas aux attentes. Sa fréquence cible était de seulement 2 MHz, et non de 4 MHz. Les ingénieurs découvrirent que l'équipement de test Takeda Riken, pourtant à la pointe de la technologie, qu'ils utilisaient alors, présentait un défaut : les effets de ligne de transmission entre la sonde et la tête de test entraînaient des mesures inexactes. Ils collaborèrent avec l'équipe de Takeda Riken pour élaborer une table de correction afin de corriger ces erreurs de mesure.
Les puces Bellmac de deuxième génération atteignaient des fréquences d'horloge supérieures à 6,2 MHz, parfois même 9 MHz. C'était considéré comme très rapide à l'époque. Le processeur Intel 8088 16 bits qu'IBM a commercialisé dans son premier PC en 1981 avait une fréquence d'horloge de seulement 4,77 MHz.
Pourquoi Bellmac-32 n'a pas'devenir courant
Malgré son potentiel, la technologie Bellmac-32 n'a pas connu un succès commercial généralisé. Selon Condrey, AT&T a commencé à s'intéresser au fabricant d'équipements NCR à la fin des années 1980, puis s'est tournée vers des acquisitions, choisissant ainsi de se concentrer sur différentes gammes de puces. À cette époque, l'influence de Bellmac-32 commençait à se faire sentir.
« Avant le Bellmac-32, la technologie NMOS dominait le marché », a déclaré Condry. « Mais la technologie CMOS a bouleversé le paysage car elle s'est avérée être une méthode de fabrication plus efficace. »
Au fil du temps, cette prise de conscience a profondément transformé l'industrie des semi-conducteurs. La technologie CMOS allait devenir la base des microprocesseurs modernes, alimentant la révolution numérique dans des appareils tels que les ordinateurs de bureau et les smartphones.
L'expérience audacieuse des Bell Labs — utilisant un procédé de fabrication non éprouvé et couvrant toute une génération d'architecture de puces — a marqué une étape importante dans l'histoire de la technologie.
Comme l'explique le professeur Kang : « Nous étions à l'avant-garde du possible. Nous ne nous contentions pas de suivre une voie existante, nous en tracions une nouvelle. » Le professeur Huang, qui devint par la suite directeur adjoint de l'Institut de microélectronique de Singapour et est également membre de l'IEEE, ajoute : « Cela comprenait non seulement l'architecture et la conception des puces, mais aussi leur vérification à grande échelle – à l'aide de logiciels de CAO, mais sans les outils de simulation numérique actuels ni même les plaques d'essai (une méthode courante pour vérifier la conception d'un circuit électronique à l'aide de puces avant l'assemblage définitif des composants). »
Condry, Kang et Huang se souviennent avec émotion de cette époque et expriment leur admiration pour le savoir-faire 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