이 칩의 등장으로 칩 개발의 흐름이 바뀌었습니다!
1970년대 후반, 8비트 프로세서가 여전히 가장 앞선 기술이었고, CMOS 공정은 반도체 분야에서 불리한 위치에 있었습니다. AT&T 벨 연구소의 엔지니어들은 경쟁사인 IBM과 인텔을 능가하는 칩 성능을 달성하기 위해 최첨단 3.5마이크론 CMOS 제조 공정과 혁신적인 32비트 프로세서 아키텍처를 결합하는 과감한 시도를 했습니다.
벨맥-32 마이크로프로세서는 1971년에 출시된 인텔 4004와 같은 초기 제품만큼 상업적으로 성공하지는 못했지만, 그 영향력은 지대했습니다. 오늘날 거의 모든 스마트폰, 노트북, 태블릿에 사용되는 칩은 벨맥-32가 개척한 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 원리를 기반으로 합니다.
1980년대가 다가오면서 AT&T는 변화를 모색하고 있었다. "마더 벨"이라는 별명으로 불리던 이 거대 통신 기업은 수십 년 동안 미국 음성 통신 사업을 장악해 왔으며, 자회사인 웨스턴 일렉트릭은 미국 가정과 사무실에서 사용되는 거의 모든 전화기를 생산했다. 미국 연방 정부는 반독점법을 이유로 AT&T의 사업 분할을 촉구했지만, AT&T는 컴퓨터 분야 진출의 기회를 포착했다.
이미 컴퓨터 회사들이 시장에 확고한 입지를 다진 상황에서 AT&T는 따라잡기가 어려웠습니다. AT&T의 전략은 도약하는 것이었고, 벨맥-32가 그 도약의 발판이 되었습니다.
벨맥-32 칩 제품군이 IEEE 마일스톤 어워드를 수상했습니다. 올해 수여식은 뉴저지주 머레이힐에 있는 노키아 벨 연구소 캠퍼스와 캘리포니아주 마운틴뷰에 있는 컴퓨터 역사 박물관에서 열릴 예정입니다.
독특한 칩
AT&T 경영진은 업계 표준인 8비트 칩을 따르는 대신, 벨 연구소 엔지니어들에게 혁신적인 제품, 즉 단일 클록 사이클에 32비트 데이터를 전송할 수 있는 최초의 상용 마이크로프로세서를 개발하도록 의뢰했습니다. 이를 위해서는 새로운 칩뿐만 아니라 통신 스위칭을 처리하고 미래 컴퓨팅 시스템의 핵심 기반이 될 수 있는 새로운 아키텍처가 필요했습니다.
"우리는 단순히 더 빠른 칩을 만드는 것이 아닙니다."라고 뉴저지주 홀름델에 있는 벨 연구소의 아키텍처 그룹을 이끄는 마이클 콘드리는 말했다. "음성 및 연산 기능을 모두 지원할 수 있는 칩을 설계하려고 노력하고 있습니다."
당시 CMOS 기술은 NMOS 및 PMOS 설계에 대한 유망하지만 위험한 대안으로 여겨졌습니다. NMOS 칩은 속도는 빠르지만 전력 소모가 많은 N형 트랜지스터에 전적으로 의존했고, PMOS 칩은 양전하를 띤 정공의 이동에 의존했는데, 이는 속도가 너무 느렸습니다. CMOS는 속도를 높이면서 전력을 절약하는 하이브리드 설계를 사용했습니다. CMOS의 장점은 매우 매력적이어서 업계는 게이트당 두 배의 트랜지스터(NMOS와 PMOS)가 필요하더라도 그만한 가치가 있다는 것을 곧 깨달았습니다.
무어의 법칙으로 설명되는 반도체 기술의 급속한 발전으로 트랜지스터 밀도를 두 배로 늘리는 데 드는 비용은 감당 가능한 수준이 되었고, 결국 무시할 수 있을 정도로 낮아졌습니다. 그러나 벨 연구소가 이러한 고위험 도전에 나섰을 당시에는 대규모 CMOS 제조 기술이 검증되지 않았고 비용 또한 상대적으로 높았습니다.
하지만 벨 연구소는 이에 굴하지 않았습니다. 홀름델, 머레이 힐, 그리고 일리노이주 네이퍼빌에 있는 캠퍼스의 전문가들을 활용하여 반도체 엔지니어들의 "드림팀"을 구성했습니다. 이 팀에는 콘드레이, 칩 설계 분야의 떠오르는 스타 스티브 콘, 또 다른 마이크로프로세서 설계자인 빅터 황, 그리고 AT&T 벨 연구소의 수십 명의 직원들이 포함되었습니다. 그들은 1978년에 새로운 CMOS 공정을 익히고 32비트 마이크로프로세서를 처음부터 개발하기 시작했습니다.
설계 건축부터 시작하세요
콘드레이는 IEEE 펠로우 출신으로, 이후 인텔의 최고기술책임자(CTO)를 역임했습니다. 그가 이끌었던 아키텍처 팀은 유닉스 운영 체제와 C 언어를 기본적으로 지원하는 시스템 구축에 전념했습니다. 당시 유닉스와 C 언어는 모두 초기 단계였지만, 장차 지배적인 위치를 차지하게 될 운명이었습니다. 당시 극히 제한적이었던 킬로바이트(KB) 단위의 메모리 용량을 극복하기 위해, 그들은 실행 단계를 줄이고 한 클록 사이클 내에 작업을 완료할 수 있는 복잡한 명령어 세트를 도입했습니다.
엔지니어들은 또한 분산 컴퓨팅을 가능하게 하고 여러 노드가 데이터를 병렬로 처리할 수 있도록 하는 VME(VersaModule Eurocard) 병렬 버스를 지원하는 칩을 설계했습니다. VME 호환 칩은 실시간 제어에도 사용할 수 있습니다.
이 팀은 자체적인 유닉스 버전을 개발하고 산업 자동화 및 유사 응용 분야와의 호환성을 보장하기 위해 실시간 기능을 추가했습니다. 벨 연구소 엔지니어들은 또한 복잡한 논리 게이트의 지연 시간을 줄여 처리 속도를 향상시키는 도미노 논리를 발명했습니다.
젠슨 황이 주도한 복잡한 멀티칩 검증 및 테스트 프로젝트인 벨맥-32 모듈을 통해 추가적인 테스트 및 검증 기술이 개발 및 도입되었으며, 이 프로젝트는 복잡한 칩 제조에서 결함률을 0% 또는 거의 0%로 낮추는 데 성공했습니다. 이는 초고밀도 집적회로(VLSI) 테스트 분야에서 세계 최초의 성과였습니다. 벨 연구소 엔지니어들은 체계적인 계획을 수립하고, 동료들의 작업을 반복적으로 검증했으며, 궁극적으로 여러 칩 제품군에 걸쳐 원활한 협업을 달성하여 완전한 마이크로컴퓨터 시스템을 구축했습니다.
다음으로 가장 어려운 부분인 칩의 실제 제조 과정이 남았습니다.
"당시에는 레이아웃, 테스트, 고수율 제조 기술이 매우 부족했습니다." 훗날 한국과학기술원(KAIST) 총장을 역임하고 IEEE 펠로우가 된 강 교수는 당시를 회상하며 이렇게 말했습니다. "칩 전체 검증을 위한 CAD 도구가 부족했기 때문에 연구팀은 대형 캘컴프(Calcomp) 도면을 출력해야 했습니다. 이 도면은 트랜지스터, 배선, 상호 연결부가 칩 내부에 어떻게 배치되어야 원하는 출력을 낼 수 있는지를 보여줍니다. 연구팀은 바닥에 테이프를 이용해 이 도면들을 조립하여 한 변의 길이가 6미터가 넘는 거대한 정사각형 도면을 만들었습니다. 강 교수와 그의 동료들은 색연필로 각 회로를 손으로 직접 그려보며 끊어진 연결이나 겹치거나 잘못 처리된 상호 연결부를 찾아냈습니다."
물리적 설계가 완료된 후, 팀은 또 다른 과제인 제조에 직면했습니다. 칩은 펜실베이니아주 앨런타운에 있는 웨스턴 일렉트릭 공장에서 생산되었지만, 강 교수는 수율(웨이퍼에서 성능 및 품질 기준을 충족하는 칩의 비율)이 매우 낮았다고 회상합니다.
이 문제를 해결하기 위해 강 씨와 그의 동료들은 매일 뉴저지에서 공장으로 차를 몰고 가서 소매를 걷어붙이고 바닥 청소와 시험 장비 교정 등 필요한 모든 일을 했습니다. 이는 동료애를 다지고 공장에서 생산하려고 시도했던 가장 복잡한 제품도 실제로 그곳에서 만들 수 있다는 것을 모두에게 확신시키기 위한 것이었습니다.
강씨는 “팀 구성 과정이 순조롭게 진행됐다”며 “몇 달 후 웨스턴 일렉트릭은 수요를 초과하는 양의 고품질 칩을 생산할 수 있게 됐다”고 말했다.
벨맥-32의 첫 번째 버전은 1980년에 출시되었지만 기대에 미치지 못했습니다. 성능 목표 주파수가 4MHz가 아닌 2MHz에 불과했기 때문입니다. 엔지니어들은 당시 사용하던 최첨단 다케다 리켄(Takeda Riken) 테스트 장비에 결함이 있음을 발견했습니다. 프로브와 테스트 헤드 사이의 전송선 효과로 인해 측정값이 부정확해진 것입니다. 그들은 다케다 리켄 팀과 협력하여 측정 오류를 수정하는 보정표를 개발했습니다.
2세대 벨맥 칩은 클럭 속도가 6.2MHz를 넘었고, 때로는 9MHz에 달하기도 했습니다. 이는 당시로서는 상당히 빠른 속도로 여겨졌습니다. IBM이 1981년에 출시한 첫 번째 PC에 탑재된 16비트 인텔 8088 프로세서의 클럭 속도는 겨우 4.77MHz였습니다.
Bellmac-32는 왜 그렇지 않았을까요?'주류가 되다
유망한 기술이었음에도 불구하고 벨맥-32 기술은 널리 상용화되지 못했습니다. 콘드레이에 따르면, AT&T는 1980년대 후반 장비 제조업체인 NCR에 관심을 보이기 시작했고, 이후 기업 인수를 통해 다양한 칩 제품 라인을 지원하기로 결정했습니다. 그 무렵 벨맥-32의 영향력이 점차 커지기 시작했습니다.
콘드리는 "벨맥-32 이전에는 NMOS가 시장을 장악했습니다."라고 말하며, "하지만 CMOS는 반도체 제조 공정에서 구현하는 데 더 효율적인 방식임이 입증되면서 판도를 바꿔놓았습니다."라고 덧붙였다.
시간이 흐르면서 이러한 깨달음은 반도체 산업을 재편했습니다. CMOS는 현대 마이크로프로세서의 기반이 되어 데스크톱 컴퓨터와 스마트폰 같은 기기의 디지털 혁명을 이끌게 되었습니다.
벨 연구소의 대담한 실험, 즉 검증되지 않은 제조 공정을 사용하고 칩 아키텍처의 전체 세대를 아우르는 실험은 기술 역사에 한 획을 그은 사건이었습니다.
강 교수는 이렇게 말합니다. "우리는 가능한 것의 최전선에 있었습니다. 기존의 길을 따라가는 것이 아니라 새로운 길을 개척하고 있었습니다." 이후 싱가포르 마이크로일렉트로닉스 연구소 부소장을 역임하고 IEEE 펠로우이기도 한 황 교수는 다음과 같이 덧붙입니다. "여기에는 칩 아키텍처 및 설계뿐만 아니라 대규모 칩 검증도 포함되었습니다. CAD를 사용했지만 오늘날의 디지털 시뮬레이션 도구나 브레드보드(회로 구성 요소를 영구적으로 연결하기 전에 칩을 사용하여 전자 시스템의 회로 설계를 확인하는 표준 방식)조차 없었습니다."
콘드리, 강, 황은 당시를 회상하며 벨맥-32 칩 제품군을 가능하게 한 AT&T 직원들의 뛰어난 기술과 헌신에 감탄을 표했습니다.
게시 시간: 2025년 5월 19일