이 칩의 등장으로 칩 개발의 방향이 바뀌었습니다!
1970년대 후반, 8비트 프로세서는 당시 가장 진보된 기술이었고, CMOS 공정은 반도체 분야에서 불리한 위치에 있었습니다. AT&T 벨 연구소의 엔지니어들은 미래를 향한 과감한 발걸음을 내딛었습니다. 최첨단 3.5미크론 CMOS 제조 공정과 혁신적인 32비트 프로세서 아키텍처를 결합하여 칩 성능에서 경쟁사를 압도하고 IBM과 인텔을 앞지르기 위한 노력이었습니다.
그들이 발명한 벨맥-32 마이크로프로세서는 인텔 4004(1971년 출시)와 같은 초기 제품들의 상업적 성공을 거두지는 못했지만, 그 영향력은 지대했습니다. 오늘날 거의 모든 스마트폰, 노트북, 태블릿에 탑재되는 칩은 벨맥-32가 개척한 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 원리를 기반으로 합니다.
1980년대가 다가오자 AT&T는 스스로를 변화시키려 애쓰고 있었습니다. "마더 벨(Mother Bell)"이라는 별명을 가진 이 거대 통신 회사는 수십 년 동안 미국 음성 통신 시장을 장악해 왔고, 자회사인 웨스턴 일렉트릭(Western Electric)은 미국 가정과 사무실에서 사용하는 거의 모든 일반 전화기를 생산했습니다. 미국 연방 정부는 독점 금지법을 근거로 AT&T의 사업 분할을 촉구했지만, AT&T는 컴퓨터 분야에 진출할 기회를 포착했습니다.
컴퓨터 회사들이 이미 시장에 자리 잡은 상황에서 AT&T는 따라잡는 데 어려움을 겪었다. 이 회사의 전략은 앞서 나가는 것이었고, Bellmac-32가 그 발판이 되었다.
Bellmac-32 칩 제품군은 IEEE 마일스톤 어워드(IEEE Milestone Award)를 수상했습니다. 올해 공개 행사는 뉴저지주 머레이힐에 있는 노키아 벨 연구소 캠퍼스와 캘리포니아주 마운틴뷰에 있는 컴퓨터 역사 박물관에서 개최됩니다.
독특한 칩
AT&T 경영진은 업계 표준인 8비트 칩을 따르는 대신, 벨 연구소 엔지니어들에게 혁신적인 제품, 즉 단일 클럭 사이클에 32비트 데이터를 전송할 수 있는 최초의 상용 마이크로프로세서를 개발하도록 요구했습니다. 이를 위해서는 새로운 칩뿐만 아니라 통신 스위칭을 처리하고 미래 컴퓨팅 시스템의 중추 역할을 할 수 있는 새로운 아키텍처도 필요했습니다.
"우리는 단순히 더 빠른 칩을 만드는 것이 아닙니다."라고 뉴저지주 홀름델에 위치한 벨 연구소의 아키텍처 그룹을 이끄는 마이클 콘드리는 말했습니다. "우리는 음성과 컴퓨팅을 모두 지원하는 칩을 설계하고자 합니다."
당시 CMOS 기술은 NMOS와 PMOS 설계에 비해 유망하지만 위험한 대안으로 여겨졌습니다. NMOS 칩은 빠르지만 전력 소모가 큰 N형 트랜지스터에 전적으로 의존했고, PMOS 칩은 양전하를 띤 정공의 이동에 의존했는데, 이는 너무 느렸습니다. CMOS는 전력을 절약하면서 속도를 높이는 하이브리드 설계를 사용했습니다. CMOS의 장점은 매우 매력적이어서 업계는 곧 게이트당 두 배의 트랜지스터(NMOS와 PMOS)가 필요하더라도 그만한 가치가 있다는 것을 깨달았습니다.
무어의 법칙으로 설명되는 반도체 기술의 급속한 발전으로 트랜지스터 밀도를 두 배로 늘리는 데 드는 비용은 감당할 수 있는 수준이 되었고, 결국에는 무시할 수 있는 수준이 되었습니다. 그러나 벨 연구소가 이 고위험 도박에 착수했을 당시, 대규모 CMOS 제조 기술은 검증되지 않았고 비용도 상대적으로 높았습니다.
벨 연구소는 이에 굴하지 않았습니다. 벨 연구소는 일리노이주 홀름델, 머레이힐, 네이퍼빌에 있는 자사 캠퍼스의 전문 지식을 활용하여 반도체 엔지니어들로 구성된 "드림팀"을 구성했습니다. 이 팀에는 콘드리, 칩 설계계의 떠오르는 스타였던 스티브 콘, 또 다른 마이크로프로세서 설계자인 빅터 황, 그리고 AT&T 벨 연구소 출신 직원 수십 명이 포함되었습니다. 그들은 1978년부터 새로운 CMOS 공정을 숙달하고 32비트 마이크로프로세서를 처음부터 개발하기 시작했습니다.
디자인 아키텍처로 시작하세요
콘드리(Condrey)는 전 IEEE 펠로우였으며, 이후 인텔의 최고기술책임자(CTO)를 역임했습니다. 그가 이끈 아키텍처 팀은 유닉스 운영체제와 C 언어를 기본적으로 지원하는 시스템을 구축하는 데 전념했습니다. 당시 유닉스와 C 언어는 아직 초기 단계였지만, 결국 시장을 장악할 운명이었습니다. 당시 매우 중요했던 킬로바이트(KB)의 메모리 한계를 돌파하기 위해, 그들은 실행 단계가 적고 한 클럭 사이클 안에 작업을 완료할 수 있는 복잡한 명령어 세트를 도입했습니다.
엔지니어들은 또한 VersaModule Eurocard(VME) 병렬 버스를 지원하는 칩을 설계했습니다. 이 버스는 분산 컴퓨팅을 지원하고 여러 노드가 데이터를 병렬로 처리할 수 있도록 합니다. VME 호환 칩은 실시간 제어에도 사용할 수 있습니다.
이 팀은 자체 유닉스 버전을 개발하고 산업 자동화 및 유사 애플리케이션과의 호환성을 보장하기 위해 실시간 기능을 추가했습니다. 벨 연구소 엔지니어들은 또한 복잡한 논리 게이트의 지연 시간을 줄여 처리 속도를 높이는 도미노 로직을 개발했습니다.
추가적인 테스트 및 검증 기법이 개발되어 도입된 Bellmac-32 모듈은 젠슨 황(Jen-Hsun Huang)이 주도한 복잡한 다중 칩 검증 및 테스트 프로젝트로, 복잡한 칩 제조 과정에서 결함이 0% 또는 거의 0%에 가까운 수준을 달성했습니다. 이는 초대규모 집적회로(VLSI) 테스트 분야에서는 최초였습니다. 벨 연구소 엔지니어들은 체계적인 계획을 수립하고 동료들의 작업을 반복적으로 검토했으며, 궁극적으로 여러 칩 제품군에 걸쳐 원활한 협업을 달성하여 완전한 마이크로컴퓨터 시스템을 구축했습니다.
그 다음은 가장 어려운 부분, 즉 칩을 실제로 제조하는 단계입니다.
"당시에는 레이아웃, 테스트, 그리고 고수율 제조 기술이 매우 부족했습니다."라고 후에 한국과학기술원(KAIST) 총장이자 IEEE 펠로우가 된 강 교수는 회상합니다. 그는 전체 칩 검증을 위한 CAD 도구가 부족하여 연구팀이 대형 칼콤프(Calcomp) 도면을 인쇄해야 했다고 지적합니다. 이 회로도는 원하는 출력을 얻기 위해 칩 내부에 트랜지스터, 배선, 그리고 인터커넥트를 어떻게 배치해야 하는지 보여줍니다. 연구팀은 바닥에 테이프를 사용하여 이 도면들을 조립하여 한 변이 6미터가 넘는 거대한 정사각형 도면을 만들었습니다. 강 교수와 동료들은 색연필로 각 회로를 손으로 그리며 끊어진 연결 부위와 겹치거나 잘못 처리된 인터커넥트를 찾았습니다.
물리적 설계가 완료되자 팀은 또 다른 난관에 직면했습니다. 바로 제조였습니다. 칩은 펜실베이니아주 앨런타운에 있는 웨스턴 일렉트릭 공장에서 생산되었지만, 강 씨는 수율(웨이퍼에서 성능 및 품질 기준을 충족하는 칩의 비율)이 매우 낮았다고 회상합니다.
이 문제를 해결하기 위해 강과 그의 동료들은 매일 뉴저지에서 공장으로 차를 몰고 가서 소매를 걷어붙이고 바닥을 청소하고 시험 장비를 교정하는 등 필요한 모든 일을 했습니다. 이를 통해 동료의식을 형성하고 공장에서 지금까지 생산하려던 가장 복잡한 제품을 실제로 그곳에서 만들 수 있다는 것을 모두에게 확신시켰습니다.
"팀 구성 과정은 순조롭게 진행되었습니다."라고 강 씨는 말했다. "몇 달 후, 웨스턴 일렉트릭은 수요를 초과하는 수량으로 고품질 칩을 생산할 수 있었습니다."
Bellmac-32의 첫 번째 버전은 1980년에 출시되었지만 기대에 부응하지 못했습니다. 성능 목표 주파수는 4MHz가 아닌 2MHz에 불과했습니다. 엔지니어들은 당시 사용 중이던 최첨단 다케다 리켄(Takeda Riken) 시험 장비에 결함이 있음을 발견했는데, 프로브와 시험 헤드 사이의 전송선 효과로 인해 측정값이 부정확하게 나타났습니다. 엔지니어들은 다케다 리켄 팀과 협력하여 측정 오류를 수정하는 보정표를 개발했습니다.
2세대 벨맥 칩의 클럭 속도는 6.2MHz를 넘었고, 때로는 9MHz에 달하기도 했습니다. 당시로서는 상당히 빠른 속도로 여겨졌습니다. IBM이 1981년 첫 PC에 탑재했던 16비트 인텔 8088 프로세서의 클럭 속도는 4.77MHz에 불과했습니다.
Bellmac-32가 왜'주류가 되다
Bellmac-32 기술은 그 기대에도 불구하고 상업적으로 널리 채택되지는 못했습니다. 콘드리에 따르면, AT&T는 1980년대 후반부터 장비 제조업체 NCR을 검토하기 시작했고, 이후 인수를 추진하면서 다양한 칩 제품군을 지원하기로 결정했습니다. 그 무렵 Bellmac-32의 영향력은 커지기 시작했습니다.
콘드리는 "Bellmac-32 이전에는 NMOS가 시장을 장악했습니다."라고 말하며, "하지만 CMOS가 팹에서 NMOS를 구현하는 더 효율적인 방법임이 입증되면서 시장 판도가 바뀌었습니다."라고 덧붙였습니다.
시간이 흐르면서 이러한 인식은 반도체 산업의 판도를 뒤바꿔 놓았습니다. CMOS는 현대 마이크로프로세서의 기반이 되었고, 데스크톱 컴퓨터와 스마트폰 같은 기기의 디지털 혁명을 주도했습니다.
벨 연구소의 대담한 실험은 검증되지 않은 제조 공정을 사용하고 칩 아키텍처의 전체 세대를 아우르는 것으로, 기술 역사의 이정표였습니다.
강 교수의 말처럼 "우리는 가능한 일의 최전선에 있었습니다. 단순히 기존 방식을 따르는 것이 아니라 새로운 길을 개척했습니다." 나중에 싱가포르 마이크로일렉트로닉스 연구소 부소장이자 IEEE 펠로우이기도 한 황 교수는 "여기에는 칩 아키텍처 및 설계뿐만 아니라 CAD를 이용한 대규모 칩 검증도 포함되었습니다. 하지만 오늘날의 디지털 시뮬레이션 도구나 브레드보드(회로 구성 요소를 영구적으로 연결하기 전에 칩을 사용하여 전자 시스템의 회로 설계를 검사하는 표준 방식)는 사용되지 않았습니다."라고 덧붙였습니다.
콘드리, 강, 황은 그 시절을 정겨운 추억으로 회상하며 Bellmac-32 칩 제품군이 탄생할 수 있도록 노력한 수많은 AT&T 직원들의 기술과 헌신에 감탄을 표했다.
게시 시간: 2025년 5월 19일