Những con chip lừng danh (Phần 1)

Signetics NE555 Timer Đó là mùa hè năm 1970, trong văn phòng chen giữa 2 nhà hàng Trung Hoa ở thị trấn Sunnyvale, California (Mỹ), nhà thiết kế chip Hans Camenzind làm việc với vai trò tư vấn cho công ty bán dẫn Signetics. Tình hình kinh tế khó khăn. Camenzind có vợ và 4 con, kiếm chưa đến 15.000 USD/năm, nên rất muốn phát minh cái gì đó có thể hái ra tiền. Và Camenzind đã tạo ra chip 555 - một IC đơn giản có thể làm việc như bộ đếm thời gian. Đến nay, 555 là con chip được bán chạy nhất trong ngành bán dẫn analog, hiện diện trong các thiết bị nhà bếp, đồ chơi, phi thuyền không gian và nhiều thứ khác. Có thể nói 555 là một trong những con chip xuất sắc nhất của mọi thời đại. "555 gần như đã không được chấp thuận chế tạo", Camenzind nhớ lại. Ông giờ đã 75 tuổi, vẫn còn thiết kế chip, dù không ở gần nhà hàng Trung Hoa nào nữa! Ý tưởng về chip 555 nảy sinh khi Camenzind đang làm việc trên hệ thống vòng lặp khóa pha. Với một vài điều chỉnh, hệ thống này có thể làm việc như bộ định thời gian đơn giản: kích hoạt và nó sẽ chạy trong một khoảng thời gian nhất định. Lúc đó không có chip nào giống như thế. Thoạt đầu, phòng kỹ thuật của Signetics từ chối ý tưởng này vì công ty đang bán linh kiện mà khách hàng có thể dùng để tạo bộ định thời gian có tính năng tương tự như 555. Camenzind không nản, ông đến gặp Art Fury, giám đốc tiếp thị của Signetics. May là Fury thích nó. Camenzind bỏ ra gần 1 năm thử nghiệm các bản thiết kế, vẽ các sơ đồ mạch trên giấy và tạo bản phim, "tất cả đều làm bằng tay". Thiết kế cuối cùng có 23 transistor, 16 trở kháng và 2 diod. Chip 555 gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971. Năm 1975 Signectics sát nhập vào Philips Semiconductors, và sau đó NXP. Đã có hàng tỉ chip 555 được bán ra, đến nay chip này vẫn còn được dùng. Texas Instrument TMC0281 Speech Synthesizer Nếu không có TMC0281, E.T (sinh vật ngoài trái đất trong bộ phim nổi tiếng cùng tên) không thể "gọi về nhà”. TMC0281 là chip tổng hợp tiếng nói đầu tiên, đây chính là trái tim (hay cái miệng) của đồ chơi "học nói và đánh vần" (Speak & Spell) của Texas Instrument (TI). Trong bộ phim E.T, sinh vật ngoài trái đất dùng chip này để tạo thiết bị liên lạc liên hành tinh. Các biến thể của TMC0281 được dùng trong các máy chơi game của Atari và những chiếc ô-tô dòng K của Chrysler. Năm 2001, TI bán dòng chip tổng hợp tiếng nói cho Sensory, hãng này ngưng sản xuất vào cuối năm 2007. Nhưng nếu bạn cần thực hiện cuộc gọi cho khoảng cách rất xa, bạn có thể tìm thấy các con chip Speak & Spell trong tình trạng còn tốt trên eBay với giá khoảng 50USD. MOS Technology 6502 Microprocessor Ngưới chuyên gia có khuôn mặt mũm mĩm đặt con chip vào chiếc máy tính và khởi động khiến cả thế giới trở nên rộn ràng... Chuyên gia đó chính là Steve Wozniak, chiếc máy tính là Apple I, còn con chip là bộ vi xử lý 8-bit 6502 do MOS Technology phát triển. Con chip này đóng vai trò bộ não của những chiếc máy tính có ảnh hưởng mạnh về sau này như Apple II, Commodore PET và BBC Micro, không kể các hệ thống chơi game như Nintendo và Atari. Chuck Peddle, một thành viên tạo ra con chip này, nhớ lại lúc giới thiệu 6502 tại một cuộc triển lãm vào năm 1975: "Chúng tôi bỏ chip vào đầy 2 lọ thủy tinh, rồi tôi và vợ ngồi bán". Vậy là 6502 trở nên nổi tiếng. Lý do: 6502 không chỉ nhanh hơn chip của các hãng khác mà còn rẻ hơn, giá chỉ có 25USD trong khi 8080 của Intel và 6800 của Motorola giá gần 200USD. Theo Bill Mensch, người đã tạo ra 6502 cùng với Peddle, yếu tố đột phá ở chỗ "tập lệnh tối thiểu kết hợp với qui trình sản xuất tạo ra số lượng chip tốt gấp 10 lần so với đối thủ”. Có thể nói chính 6502 đã kéo giá của các bộ xử lý (BXL) xuống, mở màn cho cuộc cách mạng máy tính cá nhân. Một số hệ thống nhúng hiện nay vẫn còn dùng chip này. Thú vị hơn, 6502 là bộ não điện tử của Bender, con robot hư hỏng trong bộ phim truyền hình "Futurama" được trình chiếu 1999. Texas Instruments TMS32010 Digital Signal Processor TMS32010 không phải là chip xử lý tín hiệu số (DSP) đầu tiên, danh hiệu này thuộc về DSP-1 của Western Electric được đưa ra vào năm 1980, nhưng nó là DSP nhanh nhất. Nó có thể thực hiện phép tính nhân trong 200 nano giây, một kỳ tích! Hơn nữa, nó có thể thực thi các câu lệnh cả từ ROM trong chip và RAM ngoài chip, trong khi các con chip cạnh tranh chỉ có các chức năng DSP lập trình sẵn. "Điều này cho phép phát triển chương trình (cho TMS32010) linh hoạt, giống như các bộ vi xử lý và vi điều khiển", theo Wand Gass, thành viên của nhóm thiết kế DSP, hiện vẫn làm việc cho TI. Với giá 500USD cho mỗi con chip, năm đầu TI chỉ bán được 1000 chip. Sau đó số lượng bán ra tăng vọt, và chip này được dùng trong các modem, thiết bị y tế và hệ thống quân sự. TMS32010 là chip đầu tiên trong dòng sản phẩm DSP phong phú đã và đang đem lại lợi nhuận cho TI. Fairchild Semiconductor µA741 Op-Amp Các chip khuếch đại tín hiệu (op-amp) có thiết kế thuộc loại analog. Bạn luôn có thể gắn các con chip này với nhau và gắn với hầu như bất cứ thứ gì để thỏa mãn yêu cầu. Các nhà thiết kế dùng chúng để tạo các bộ tiền khuếch đại âm thanh và video, bộ bù điện áp, bộ lọc chính xác và nhiều hệ thống khác là thành phần của các thiết bị điện tử thông dụng. Năm 1963, Robert Widlar - kỹ sư 26 tuổi làm cho hãng Fairchild Semiconductor đã thiết kế IC op-amp nguyên khối đầu tiên, µA702. Nó được bán với giá 300USD. Widlar tiếp tục cải tiến thiết kế và µA709 có giá giảm xuống còn 70USD và đạt được thành công thương mại to lớn. Tiếp theo, Widlar đòi tăng lương. Không được đáp ứng, Widlar nghỉ việc. National Semiconductors chỉ chờ có thế và chiêu mộ ngay người mà sau đó giúp công ty này thao túng lĩnh vực thiết kế IC analog. Năm 1967, Widlar đã tạo ra op-amp tốt hơn cho National, LM101. Trong khi các nhà quản lý Fairchild bực bội về đối thủ từ trên trời rơi xuống thì tại phòng nghiên cứu của công ty, David Fullagar, một nhân viên mới, săm soi LM101. Fullagar phát hiện con chip này tuy xuất sắc nhưng có vài khiếm khuyết. Chip này phải gắn thêm tụ ngoài để tránh việc biến dạng tần số. Hơn nữa, do chất lượng chất bán dẫn không ổn định, ngõ vào của chip này quá nhạy với nhiễu. Fullagar lao vào thiết kế riêng của mình, xử lý những hạn chế của qui trình sản xuất bán dẫn hiện thời bằng cách gắn thêm 1 tụ 30-picofarad vào trong chip. Giải pháp cải thiện ngõ vào hết sức đơn giản – gắn thêm vài transistor. Mạch gắn thêm này làm cho việc khuếch đại ổn định hơn. Fullagar trình thiết kế của mình cho Gordon Moore, trưởng bộ phận nghiên cứu của Fairchild, và thiết kế đó được gửi đến bộ phận sản xuất của công ty. Con chip mới, µA741, trở thành chuẩn mực cho các bộ khuếch đại. Chip này và các biến thể chế tạo bởi các đối thủ của Fairchild đã được bán ra hàng trăm triệu đơn vị. Hiện nay, với số tiền 300USD – mức giá của µA702 ban đầu – bạn có thể mua được 1.000 con chip 741. Intersil ICL8038 Waveform Generator ICL8038 là bộ sinh sóng sin, vuông, tam giác, răng cưa và xung nhọn, hoạt động khá thất thường, bị chê bai vì khả năng hạn chế. Nhưng các kỹ sư sớm biết cách dùng chip này một cách hiệu quả, nhờ vậy 8038 bán chạy, lên đến hàng trăm triệu đơn vị và hiện diện trong vô số thiết bị – như các bộ tổng hợp âm thanh Moog danh tiếng và "hộp xanh" mà các tay ma mãnh vẫn dùng để qua mặt các công ty điện thoại vào những năm 1980. Intersil ngưng sản xuất 8038 vào năm 2002, nhưng chip này hiện vẫn được người ta tìm để tự chế tạo những thứ nhạc cụ điện tử. Western Digital WD1402A UART Gordon Bell làm việc tại Digital Equipment Corp. nổi tiếng vì đã đưa ra dòng PDP (Programmed Data Processor) của máy tính mini vào thập niên 1960. Nhưng ông còn phát minh một kỹ thuật ít được biết đến nhưng không kém phần quan trọng: thu/phát bất đối xứng đa năng, hay UART (Universal Asynchronous, Receiver/Transmitter). Bell cần một mạch kết nối máy đánh chữ với PDP, việc này yêu cầu chuyển tín hiệu song song thành tín hiệu tuần tự và ngược lại. Ông đưa ra giải pháp dùng 50 thành phần riêng rẽ. Western Digital, một công ty nhỏ sản xuất chip máy tính tay, đề nghị chế tạo thành 1 chip UART. Western Digital giới thiệu WD1402A năm 1971, các phiên bản khác sớm nối bước sau đó. Giờ đây UART được dùng rộng rãi trong các modem, thiết bị ngoại vi và nhiều thiết bị khác. Acorn Computers ARM1 Processor Vào đầu thập niên 1980, Acorn Computers là một công ty nhỏ với 1 sản phẩm lớn. Công ty này, trụ sở đặt tại Cambridge, Anh, đã bán hơn 1,5 triệu máy tính để bàn BBC Micro. Và giờ là lúc thiết kế một model mới, các kỹ sư Acorn quyết định chế tạo bộ vi xử lý 32-bit riêng. Họ đặt tên cho nó là Acorn RISC Machine, hay ARM. ARM nhỏ, tiêu thụ ít điện năng và dễ lập trình. Sophie Wilson, người đã thiết kế tập lệnh, vẫn còn nhớ khi họ lần đầu kiểm thử chip trên máy tính. "Chúng tôi gõ PRINT PI ở dấu nhắc lệnh, và nó cho đáp án đúng". Năm 1990, Acorn tách bộ phận ARM ra, và kiến trúc ARM phát triển trở thành bộ xử lý nhúng 32-bit hàng đầu. Hơn 10 tỉ chip ARM đã được dùng trong đủ loại thiết bị, bao gồm một trong số những thất bại bẽ mặt nhất của Apple - thiết bị cầm tay Newton, và một trong những thành công sáng chói nhất của hãng - iPhone. Kodak KAF-1300 Image Sensor Ra mắt năm 1991, máy ảnh số Kodak DCS 100 có giá 13.000 USDvà cần bộ lưu trữ dữ liệu ngoài nặng 5kg mà người dùng phải vác trên vai. Bộ phận điện tử của máy ảnh này – đặt trong thân máy Nikon F3 – có 1 mẩu kim loại ấn tượng: 1 con chip bằng móng tay có khả năng "bắt" ảnh ở độ phân giải 1.3 megapixel, đủ cho ảnh rửa khổ 10x15 cm. "Vào lúc đó, 1 megapixel là con số kỳ diệu", theo Eric Steven, trưởng nhóm thiết kế con chip này, hiện vẫn còn làm việc cho Kodak. Con chip này – thiết bị tích điện kép 2 pha thực – trở thành nền tảng cho các bộ cảm biến CCD (Charge Coupled Device) sau này, mở ra cuộc cách mạng ảnh số. IBM Deep Blue 2 Chess Chip Một bên là chất xám nặng 1,5 kg. Bên kia là 480 con chip chơi cờ. Cuối cùng con người đã chịu thua máy tính vào năm 1997 khi Deep Blue, máy tính chơi cờ của IBM, đánh bại vua cờ Garry Kasparov. Mỗi con chip của Deep Blue bao gồm 1,5 triệu transistor, có thể tính 100 triệu nước đi mỗi giây. Năng lực ghê gớm đó, kết hợp với các chức năng lượng giá thông minh, đã giúp Deep Blue đưa ra những đòn quyết định. Transmeta Crusoe Processor Sức mạnh tính toán đi cùng miếng tản nhiệt khổng lồ, thời gian dùng pin ngắn ngủi và ngốn điện khủng khiếp. Từ đó mục tiêu thiết kế của Transmeta là một BXL tiêu thụ điện ít, qua mặt những BXL của Intel và AMD. Theo thiết kế: phần mềm sẽ dịch các lệnh x86 trực tiếp thành lệnh máy riêng của Crusoe có mức độ song song cao hơn, giúp tiết kiệm thời gian và điện năng. Người ta đã thổi phồng chip này là thứ vĩ đại nhất kể từ khi có silicon, và lúc đó nó thực sự như vậy. Crusoe và BXL tiếp theo của nó, Efficeon "cho thấy việc dịch động nhị phân khả thi về mặt thương mại", theo David Ditzel, nhà đồng sáng lập Transmeta hiện làm việc cho Intel. Không may là con chip này xuất hiện quá sớm, nhiều năm trước khi các máy tính tiêu thụ ít điện năng cất cánh. Cuối cùng, khi Transmeta không đưa ra được những gì hãng hứa hẹn, Intel và AMD – thông qua chính sách bản quyền và luật pháp – đã dập tắt nó. Texas Instruments Digital Micromirror Device Vào ngày 18/6/1999, Larry Hornbeck đưa vợ đi xem bộ phim Star Wars: Episode 1 – The Phantom Menace tại một rạp chiếu phim ở Burbank, California (Mỹ). Không phải người kỹ sư này hâm mộ Jedi, mà nguyên nhân thực sự là vì chiếc máy chiếu. Nó dùng con chip ánh xạ số mà Hornbeck đã phát minh tại Texas Instruments. Chip này dùng hàng triệu kính hiển vi siêu nhỏ ghép với nhau để hướng tia sáng đi qua ống kính máy chiếu. Giờ đây các máy chiếu phim dùng công nghệ xử lý ánh sáng số này, hay DLP như TI đặt tên, được dùng trong hàng ngàn rạp chiếu phim trên khắp thế giới. Nó cũng được dùng trong TV chiếu hậu, máy chiếu văn phòng và máy chiếu tí hon trong ĐTDĐ. Intel 8088 Microprocessor Con chip nào đã đưa Intel vào danh sách Fortune 500? Theo Intel đó chính là 8088. Đây là CPU 16-bit mà IBM đã chọn cho dòng máy tính cá nhân (PC) đầu tiên và sau đó thống trị thị trường máy tính để bàn. Như là sự kỳ lạ của số phận, con chip này tạo nên cái gọi là kiến trúc x86 lại có tên không gắn với con số "86". 8088 cơ bản chỉ là 1 cải tiến nhỏ của 8086, CPU 16-bit đầu tiên của Intel. Hay như kỹ sư Stephen Morse của Intel từng thốt ra, 8088 là "phiên bản cắt xén của 8086". Đó là vì điểm mới quan trọng của con chip này không chính xác là một bước tiến về mặt công nghệ: 8088 xử lý dữ liệu theo các từ 16-bit, nhưng nó dùng bus dữ liệu ngoài 8-bit. Các nhà quản lý của Intel giữ bí mật dự án 8088 cho đến khi thiết kế 8086 gần hoàn tất. Chỉ sau khi chip 8086 có thể làm việc được đầu tiên lộ diện, Intel mới gửi tài liệu 8086 cho một đơn vị thiết kế ở Haifa, Israel, ở đó 2 kỹ sư, Rafi Retter và Dany Star, đã thay đổi chip này sang bus 8-bit. Sự điều chỉnh này là một trong những quyết định sáng suốt nhất của Intel. CPU 8088 có 29.000 transistor cần ít chip hỗ trợ hơn và dùng chip rẻ hơn so với 8086, "tương thích hoàn toàn với phần cứng 8-bit, trong khi có khả năng xử lý nhanh hơn và chuyển đổi trơn tru sang các BXL 16-bit", theo như Robert Noyce và Ted Hoff của Intel viết trong một tài liệu năm 1981. PC đầu tiên dùng 8088 là Model 5150 của IBM, đây là cỗ máy đơn sắc giá 3.000 USD. Giờ đây hầu hết PC trên thế giới được xây dựng trên các CPU hậu duệ của 8088. Thật không tệ cho một con chip cắt xén! Micronas Semiconductor MAS3507 MP3 Decoder Bạn có nhớ trước iPod có Diamond Rio PMP300? Ra mắt vào năm 1998, PMP300 nổi ngay lập tức, nhưng rồi sau đó "xì hơi". Mặc dù vậy có một điều đáng nể của thiết bị này là nó được trang bị chip giải mã MP3 MAS2507 – 1 bộ xử lý tín hiệu số dựa trên RISC (Reduce-Instruction-Set-Computing) với tập lệnh được tối ưu cho việc nén và giải nén âm thanh. Chip này, do Micronas phát triển, cho phép Rio dồn khoảng chục bài nhạc vào bộ nhớ flash của nó – quá ít đối với ngày nay nhưng vào lúc đó vừa đủ để cạnh tranh với máy chơi CD cầm tay. Rio và các hậu duệ của nó lót đường cho iPod để giờ đây bạn có thể mang theo mình hàng ngàn bài nhạc và phim trong túi. Mostek MK4096 4-Kilobit DRAM Mostek không phải là hãng đầu tiên đưa ra DRAM mà đó chính là Intel. Nhưng chip DRAM 4 kilobit của Mostek có một sáng tạo quan trọng - kỹ thuật "ghép địa chỉ”, do Bob Proebstring, đồng sáng lập Mostek, đưa ra. Về cơ bản, chip này sử dụng cùng số chân để truy cập các hàng và cột bộ nhớ bằng cách ghép các tín hiệu định địa chỉ. Kết quả là chip này không cần nhiều chân hơn khi mật độ bộ nhớ tăng và có thể chế tạo với chi phí thấp hơn. Chỉ có một vấn đề nhỏ về tính tương thích. 4096 dùng 16 chân, trong khi các bộ nhớ chế tạo bởi TI, Intel và Motorola có 22 chân. Sau đó là một trong những cuộc chiến ly kỳ nhất trong lịch sử DRAM. Mostek đánh cược tương lai của mình vào con chip này, các quan chức của hãng ra sức quảng bá đến khách hàng, đối tác, báo chí, thậm chí cả nhân viên của hãng. Fred K. Beckhusen, người mới vừa được thuê để kiểm tra các thiết bị 4096, nhớ lại Proebsting và giám đốc điều hành L.J. Sevin đã đến ca đêm của anh để thuyết trình vào lúc 2 giờ sáng. "Họ đoan chắc rằng trong 6 tháng tới không còn ai nghe hay quan tâm đến DRAM 22 chân". Họ đã đúng. 4096 và các hậu duệ của nó đã thống trị DRAM nhiều năm trời. Mời xem tiếp phần 2 trong số báo tháng sau. Phương Uyên Tham khảo: IEEE Spectrum | > >>|