moder
Администратор
Команда форума
Упрощенно говоря, существуют две больших категории транзисторов: исторически первые серийные – биполярные транзисторы (bipolar junction transistor, BJT) и исторически первые концептуально – полевые транзисторы (field-effect transistor, FET), причем логические элементы, собранные на них, в обоих случаях можно реализовать как в дискретном виде, так и в виде интегральных схем. Для биполярных транзисторов существовало две основных технологии изготовления: примитивная точечная (point-contact transistor), не имевшая практического применения, и технология транзисторов на pn-переходах (junction transistor). В свою очередь, переходные транзисторы насчитывали три основных технологических поколения (в зависимости от того, как формировался переход): транзисторы с выращенным переходом (grown-junction transistor, оригинальная работа Шокли, 1948 г.), транзисторы со сплавным переходом (alloy-junction transistor, RCA и General Electric, 1951 г., развитие получили в технологии MAT/MADT от Philco и PADT от Philips) и самые совершенные, транзисторы с переходом, полученным диффузией (diffused-base transistor от Bell Labs, 1954 г., более продвинутые mesa transistor от Texas Instruments, 1957 г., и, наконец, планарные транзисторы от Fairchild Semiconductor, 1959 г.).
В качестве экзотических вариантов существовали также транзисторы с поверхностным барьером (surface-barrier transistor, Philco, 1953 г.), именно на них были созданы компьютеры MIT Lincoln Laboratory TX0 и TX2, Philco Transac S-1000 и Philco 2000 Model 212, Ferranti-Canada DATAR, Burroughs AN/GSQ-33, Sperry Rand AN/USQ-17 и UNIVAC LARC!
Также были известны транзисторы с дрейфующим полем (drift-field transistor, German Postal Service Central Bureau of Telecommunications Technology, 1953 г.), они использовались в IBM 1620 (1959 г.) под названием Saturated Drift Transistor Resistor Logic (SDTRL).
Для производства микросхем подходили (в теории) три варианта переходных транзисторов – сплавные, меза и планарные.
На практике, конечно же, со сплавными ничего не вышло (остались только бумажные идеи Джеффри Даммера, Бернарда Оливера и Харвика Джонсона, 1953 г.), с меза-транзисторами получилась убогая гибридная TI 502 от Джека Килби, и более желающих экспериментировать не нашлось, а планарный процесс, наоборот, пошел отлично.
Первыми планарными микросхемами стали Fairchild Micrologic (те самые, что использовались в Apollo Guidance Computer и малоизвестных AC Spark Plug MAGIC и Martin MARTAC 420) и Texas Instruments SN51x (использовались в компьютерах NASA Interplanetary Monitoring Probe и ракетах Minuteman II), обе появились в 1961 году.
В целом Fairchild неплохо заработали на программе Apollo – для всех компьютеров суммарно NASA закупило более 200 000 микросхем по $20–30 каждая.
В результате как планарные биполярные транзисторы, так и микросхемы на них использовали для производства компьютеров все 1960-е годы (а микросхемы – и все 1970-е).
Например, великий CDC 6600 был собран в 1964 году на 400 000 кремниевых биполярных транзисторах Fairchild 2N709, изготовленных по наиболее совершенной эпитаксиальной планарной технологии и рассчитанных на сверхвысокую частоту в 10 МГц.
Краткая история логики
Как же организовывали логические ячейки в это время?
Для того, чтобы собрать компьютер, необходимы две вещи.
Во-первых, нужно так или иначе собрать саму логическую схему на ключах, которыми можно управлять.
Во-вторых (и это не менее важно!), нужно усилить сигнал одной ячейки настолько, чтобы она, в свою очередь, могла управлять переключением других, так собираются сложные арифметико-логические цепи.
В исторически первом типе логики – резисторно-транзисторной (resistor-transistor logic, RTL), в качестве усилителя использовался тот же самый единственный транзистор, что служил ключом, более никаких полупроводниковых элементов в схеме не было.
RTL-ячейка выглядит максимально примитивным с точки зрения электротехники образом, например, вот классическая реализация элемента NOR.
Таблица, показывающая как работает NOR-ячейка, и два возможных варианта ее реализации – самый примитивный, двухвходовый 2-NOR, и трехвходовый 3-NOR. Raytheon Apollo Guidance Computer был собран на 4 100 таких 3-NOR микросхем производства Fairchild Semiconductor. Вторая версия, уже для пилотируемых полетов, была усовершенствована до 2 800 микросхем, каждая из которых объединяла два 3-NOR.
AGC – самый известный в мире компьютер, собранный на RTL-логике. Справа – Маргарет Гамильтон (Margaret Hamilton), одна из разработчиц программного обеспечения миссии Apollo (https://wehackthemoon.com, https://www.theatlantic.com).
Естественно, с помощью RTL можно (и нужно!) реализовать и прочие конструкции, например, триггеры.
Первый транзисторный компьютер MIT TX0 был собран в 1956 году на дискретных транзисторах по схеме RTL.
В СССР RTL легла в основу первых осокинских микросхем, о которых мы уже писали – Р12-2 (102, 103, 116, 117) и ГИС «Тропа-1» (201).
RTL была дешевой и простой, но имела кучу недостатков: высокая мощность, что приводило к повышенному нагреву, нечеткий уровень сигналов, низкая скорость, низкая помехоустойчивость и главное – низкая нагрузочная способность выходов.
Большей скоростью обладал вариант RCTL (resistor-capacitor-transistor logic), но он был еще менее помехоустойчивым.
Несмотря на появление более продвинутых серий, RTL использовалась и выпускалась года до 1964.
Одной из самых популярных была серия Fairchild MWuL и чуть более быстрая uL. Эти две группы, дополняющие друг друга по характеристикам, насчитывали около 20 типов ИС и выпускались года три в больших количествах.
В СССР их осилили клонировать в районе 1966 года, а выпускали разные варианты чудовищно допотопной RTL до середины 1980-х, если не далее.
Разработка происходила по классике, со всем подобающим, как было принято в СССР испокон веков (источник):
Тип логики – это понятие, применяемое к схемотехнике логического элемента, а не конкретной его имплементации!
RTL можно реализовать как на дискретных элементах, так и в варианте микросхемы. На самом деле, можно даже заменить транзистор лампой и получить resistor-coupled vacuum tube logic – такую использовал первый прототип электронного компьютера в мире – машина Атанасова-Берри (Atanasoff-Berry Computer, 1927–1942 гг.). В варианте микросхем RTL можно встретить в самых первых чипах – Fairchild Micrologic, а варианте RCTL – в TI SN51x.
Знаменитая космическая серия RTLC TI SN51x. Сами микросхемы, их внутренне устройство и блок управления Minuteman II с компьютером Autonetics D-37D Missile Guidance System Computer на них (https://minutemanmissile.com/, http://ummr.altervista.org, https://www.petritzfoundation.org)
Нагрузочная способность критична для создания сложных схем – какой там получится компьютер, если наша транзисторная ячейка способна раскачать максимум 2–3 соседа, даже сумматор толковый не соберешь. Довольно быстро возникла идея – использовать транзистор в качестве усилителя сигнала, а логику реализовать на диодах.
Так появился куда более продвинутый вариант логики – диодно-транзисторный (diode–transistor logic, DTL). Бонусом DTL становится высокая нагрузочная способность, хотя скорость по-прежнему оставляет желать лучшего.
Именно DTL являлась основой 90 % машин второго поколения, например, IBM 1401 (чуть модифицированная фирменная версия complemented transistor diode logic – CTDL, упакованная в SMS-карты) и кучи других. Вариантов схемотехнической реализации DTL было едва ли меньше, чем самих машин.
Элементарная DTL NAND-ячейка и логический блок от БЭСМ-6 на извращенной модификации ECL для сравнения (https://1500py470.livejournal.com).
Естественно, можно обойтись и без транзисторов, тогда получится diode vacuum tube logic (чрезвычайно популярное решение в начале 1950-х, практически все машины, которые принято называть ламповыми, по факту имели логические цепи на диодах, а лампы ничего не вычисляли, просто усиливали сигнал, хрестоматийный пример – М1 Брука).
Еще одним экзотическим по нынешним меркам вариантом является чисто диодная логика (diode-resistor logic, DRL). Изобретенная тогда же, когда появились первые промышленные диоды, она широко использовалась в малых машинах начала 1950-х, например, калькуляторе IBM 608 и БЦВМ Autonetics D-17B от знаменитой ракеты Minuteman I.
До изобретения планарного процесса транзисторы считались неподходящими для критичных военных применений из-за потенциальной ненадежности, поэтому американцы использовали DRL в своих первых ракетах.
Советский ответ Minuteman I использовал ламповый компьютер, и ракета Р-7 (в том числе и из-за большей величины всех прочих компонентов) получилась чудовищно огромной по сравнению с американской: у янки примерно 29 тонн и 16,3х1,68 метра против невероятных 280 тонн и 34х10,3 метра. Даже монструозный LGM-25C Titan II имел размер 31,4х3,05 метра и массу 154 тонны, вообще, советские МБР всегда были куда больше американских, из-за отсталости технологий.
В результате, например, в качестве ответа компактной Ohio class SSBN пришлось разрабатывать хтоническую 941 «Акула» – в лодку, размером с «Огайо», советские ракеты бы просто не поместились.
Кроме компьютеров, DRL десятки лет использовалась во всевозможной заводской автоматике.
Классика DRL – ячейка AND-OR, одна плата от Autonetics D-17B и сам компьютер в сборе (https://minutemanmissile.com, http://www.bitsavers.org)
Транзисторная логика тоже нашла свое воплощение в ИС, начав с чипов Signetics SE100 1962 года.
Чуть позже DTL-версии микросхем были выпущены всеми основными игроками на рынке, включая Fairchild 930 Series, Westinghouse и Texas Instruments, разработавшую на низ БЦВМ D-37C Minuteman II Guidance Computer в том же 1962 году.
В Союзе DTL-микросхемы выпускались в огромных количествах: серии 104, 109, 121, 128, 146, 156, 205, 215, 217, 218, 221, 240 и 511.
Подготовка к производству DTL тоже не обошлась без советских приключений.
Вспоминает Юрий Замотайлов, с. н. с. кафедры ядерной физики ВГУ:
Может, по причине того, что советские установки годились только как реквизит фильмов про доктора Франкенштейна?
В итоге на диоды все забили и решили собирать сразу микросхемы (если удастся достать западные степперы).
Начали клонировать DTL.
Различные варианты стандартных карт (как правило, 1 карта = 1–2 элемента типа NAND или NOR) от транзисторнных машин 1960–1970 гг., представляют все варианты дискретной логики – DTL, TTL, ECL (фото предоставлено коллекционером http://ummr.altervista.org) /size]
Так в муках рождалась советская микроэлектроника.
На чем собирали «Эльбрус-1»
Наконец, царь-логика, ставшая золотым стандартом до эпохи микропроцессоров, это, конечно, транзисторно-транзисторная (transistor-transistor logic, TTL).
Как явствует из названия, транзисторы здесь используются для выполнения как логических операций, так и усиления сигнала. Реализация TTL требует заменить диоды многоэмиттерным (обычно 2–8 эмиттеров) транзистором.
TTL была изобретена в 1961 году Джеймсом Бьюи (James L. Buie) из компании TRW, который сходу осознал, что она как нельзя лучше подходит для интегральных схем, только появляющихся в те годы. Конечно, TTL можно реализовать и дискретно, но, в отличие от DTL, ее слава пришла вместе с возвышением ИС.
Уже в 1963 году Sylvania выпустила первый комплект микросхем Universal High-Level Logic family (SUHL, использовалась в ракете AIM-54 Phoenix для истребителя Grumman F-14 Tomcat), построенных по транзисторно-транзисторной схеме. Буквально сразу же за Sylvania фирма Transitron выпустила клон их семейства с названием HLTTL, но главное событие было впереди.
В 1964 году Texas Instruments выпускает серию SN5400 для военных, а в 1966 году – вариант SN7400 в пластиковом корпусе для гражданского применения (недолго выпускалась средняя между ними по живучести серия SN8400 для индустриального применения).
Нельзя сказать, что 54/74 обладала какими-то невероятными параметрами, но она была удачно подобрана по элементам и самое главное – имела невероятную рекламу.
Вообще, TI была своеобразным Intel 1960-х – главным законодателем мод на рынке ИС (в основном благодаря невероятно тормознутой политике их основного конкурента Fairchild и чудовищным патентным войнам, а не особому таланту разработчиков).
В результате буквально через пару лет серию 7400 лицензировали десятки фирм – Motorola, AMD, Harris, Fairchild, Intel, Intersil, Signetics, Mullard, Siemens, SGS-Thomson, Rifa, National Semiconductor, и спёр весь Соцблок – СССР, ГДР, Польша, Чехословакия, Венгрия, Румыния и даже КНР, и она стала таким же эталоном, как в 1980-е архитектура x86.
Единственной фирмой, которая не поддалась пропаганде TI, стала, конечно, IBM, корпорация-государство, которая все делала сама.
В результате до середины 1990-х они изготавливали абсолютно оригинальные TTL-чипы собственной, ни с чем не совместимой разработки, и применяли их в IBM System/38, IBM 4300 и IBM 3081.
Типовой MST-модуль (Monolithic Systems Technology) от IBM S/370 и его содержимое (https://habr.com)
Интересно и то, что 7400 серия фактически была не совсем честной TTL-логикой.
Начиная с продвинутой серии 74S (Schottky TTL) 1969 года и далее в 74LS (Low-power Schottky), 74AS (Advanced-Schottky), 74ALS (Advanced-Schottky Low-power) и 74F (Fast Schottky), вышедших в 1985 году, микросхемы вовсе не содержат многоэмиттерного транзистора – вместо него на входах стоят диоды Шоттки.
В результате технически это самая настоящая DTL(S), носящая название TTL, чисто чтобы не путать потребителя и не мешать бизнесу.
TTL и TTL(S) были лишены практически всех недостатков предыдущих семейств – они работали достаточно быстро, были недороги, надежны, мало грелись и имели высокую нагрузочную способность. Микросхемы TTL в зависимости от типа содержали от десятков до тысяч транзисторов и представляли собой элементы от самого примитивного логического вентиля до продвинутого BSP военного назначения.
Элементарная NAND-ячейка TTL-логики
Kenbak-1, предок всех ПК, использовал TTL для своего процессора в 1971 году.
Легендарный терминал Datapoint 2200 1970 года также работал на них (причем позже этот набор послужил прототипом архитектуры Intel 8080). Рабочие станции Xerox Alto 1973 года и Star 1981 года тоже имели процессоры, собранные из дискретных TTL-микросхем, правда, уже масштаба bit-slice процессора.
Практически все компьютеры до середины 1990-х годов в том или ином виде использовали TTL-чипы в некритичных для производительности моментах, как части разнообразных контроллеров шин, например.
Кроме того, до появления FPGA-матриц TTL-чипы активно применяли для прототипирования микропроцессоров (круче всех тут оказался как раз «Эльбрус» – перед тем как выпустить нормальную его версию, ИТМиВТ, по сути, прототипировал на TTL целую машину, которую даже впарил отдельно).
Первый ПК в мире, малыш Kenbak-1, созданный Джоном Блакенбакером (John V. Blankenbaker) в 1971 году. Было выпущено около 40 компьютеров. Сейчас уцелевшие экземпляры стоят около 500 000 долларов. Xerox Alto 1973 года – первая в мире рабочая станция с графической ОС, мышью, WYSIWYG-редакторами и ООП в качестве стандартного средства программирования. Фактически от современного ПК Alto не отличается вообще ничем, кроме производительности. Процессор собран на 4-х TI SN74181, образующих 16-битный BSP (https://t-lcarchive.org, https://3dnews.ru, https://habr.com)
Изначально TI выпустили классическую 74-ю серию и вариант повышенного быстродействия 74H с типовой задержкой всего 6 нс.
Нагрузочная способность равнялась 10 – отличный результат, позволяющий собирать довольно сложные схемы.
Корпус был самым простым – DIP14, в серию входило 8 самых простых (типа NAND) микросхем. Чуть позже номенклатура была расширена (как и типы корпусов, добавились на 16 и 24 вывода) и появился маломощный вариант – 74L, заторможённый до 30 нс на такт.
Первая серия с диодами Шоттки, 74S, вышла в 1971 году, ее скорость возросла почти до уровня советских ECL – 3 нс. В середине 1970-х появилась маломощная 74LS (при той же скорости, что обычная, 74-я мощность уменьшена в 5 раз).
В 1979 году Fairchild решает вставить свои 5 копеек и создает серию 74F по фирменной технологии Isoplanar-II (глубокое селективное окисление, обеспечивающее боковую изоляцию элементов вместо pn-переходов), которую они использовали для всего вообще.
Это позволило взять вожделенный барьер в 2 нс и при этом резко снизить мощность (кстати, для советских TTL-клонов все задержки смело можно множить на 2–3).
Texas Instruments провозились до 1982 года, когда, наконец, осилили серии 74ALS и 74AS практически тех же параметров. 74AS была даже чуть быстрее версии от Fairchild, но грелась в два раза больше и успеха не снискала, а вот 74ALS пользовалась огромной популярностью.
Наконец, лебединой песней TTL стала созданная фирмой Fairchild в 1989 году серия 74Fr, которая была в 1,5 раза быстрее 74F и грелась аналогично в 1,5 раза больше, поэтому была довольно быстро снята с производства.
74ALS же штамповали аж до 2019 года и использовали в куче мелкой автоматики и электроники. Существовала и версия SNJ54 – радиационно-стойкая для космического применения.
Золотая бессмертная классика – 16-битный процессор на TTL-рассыпухе TI SN74xx. Именно так выглядели процессоры 90 % машин в 1965–1975 гг. Конкретно эти платы представляют собой EAU (Extended Arithmetic Unit) модель 8413 (выпущена в 1974 г.) для миникомпьютеров Data General NOVA (примерный аналог по классу DEC PDP-11) и их же семейства Eclipse (S200, S230, C300, C330). Процессор (который сейчас бы назвали FPU) собран как BSP на чипах 74181. Он был совместим также с машинами General Electric Medical Systems, разработанными на основе Data General (http://ummr.altervista.org).
В Союзе к 1967–1968 годам TTL-чипов еще не было.
Именно поэтому в том числе и ЕС ЭВМ, и М10 Карцева, и 5Э53 Юдицкого разрабатывали под самое мощное, что было доступно – разнообразные ГИС. БЭСМ-6 и 5Э92б были вообще транзисторными, как и все гражданские машины. Даже прототип возимой ЭВМ 5Э65 (идеи которого позаимствовал Бурцев для 5Э21 позже), выпущенная в количестве трех штук, с 1969 по 1970 год тоже была транзисторной.
Однако, как мы помним, в 1967–1968 гг. было принято решение о разработке комплекса С-300, и в то же время ИТМиВТ заказывает клонирование серии TI 54/74.
Параллельно Минрадиопром перетягивает на себя все разработки, связанные с ПРО, и примерно в то же время у Бурцева рождается концепция «Эльбруса».
В результате принимается решение начать архитектурные изыскания в области сразу 2-х машин – для возимой ПВО (5Э26) и для стационарной ПРО («Эльбрус»). Параллельно планируется вести разработку долгожданных TTL-чипов, изучать возможности производства ECL-чипов и создавать два компьютера.
Как мы знаем, на практике все пошло не так, как задумано, и куда более примитивную 5Э26 закончили только через 8 лет разработки, а куда как боле навороченный «Эльбрус» выпустили серийно в TTL-версии только к середине 1980-х (а ECL-вариант к началу 1990-х), угробив на проект 20 лет.
На развитие советской TTL значительно повлиял и второй, после ИТМиВТ, серьезный игрок, возникший к 1969 году – НИЦЭВТ, разрабатывавший серию ЕС (а о его огромной роли в разработке советских ECL мы поговорим в следующей части).
Мало кто в курсе, но в золотые 1959–1960 годы не только русские ездили к американцам, но и американцы к нам!
В частности, в 1960 году на International conference on semiconductor physics в Прагу приезжал знаменитый инженер и изобретатель из Texas Instruments, директор по исследованиям приборов под руководством Гордона Тила, доктор Петриц (Richard L. Petritz), один из отцов SN51x.
Из Чехословакии он отправился в Москву, где осматривал советские лаборатории, делился своим опытом и обсуждал физику полупроводников.
Таким образом (с учетом Староса и Берга) практически вся советская микроэлектроника была основана при деятельном и довольно дружелюбном участии американцев.
К 1969 году была закончена разработка знаменитой серии 133 – клона SN5400 в планарном исполнении для военных (ОКР «Логика-2»).
С этого момента постепенно была скопирована вся линейка микросхем от TI:
Именно на этой серии и был создан «Эльбрус-1».
Как и многие в 1990-е, Бурцев внезапно узнал, что основатели Зеленограда Старос и Берг были американцами и, подобно Малашевичу, испытал такой шок, что не преминул вылить на покойных коллег неплохой ушат:
Особенно радует глаз пассаж про «такие приемники подарили и нам, но работали они не более недели. Не надо удивляться и возмущаться – примеры потемкинских деревень и нового платья короля можно встретить, к сожалению, и сегодня».
Эти самые приемники просто волшебные. Если мы хотим доказать ничтожество Староса – они отвратительны. Если мы хотим доказать величие советской сверхнауки – они восхитительны!
Из цитаты также забавно всесилие Калмыкова.
Хрущев подписал постановление об изготовлении УМ-1НХ, однако министру сам черт не брат, вызывает к себе Бурцева и говорит: не нравится мне Старос, завали-ка ты его. Бурцев – это не честный и принципиальный Лукин, которого за нежелание подставить Кисунько выперли из МРП, Бурцев все понимает и через это становится главным по программе ЭВМ для ПРО.
Ну и вообще вся суть отечественных министерств:
Машина изготовлена?
Да.
Все секретари обкомов за?
Да.
Хрущев за?
Да.
Все бумаги на выпуск подписаны?
Да.
Думаете, машину выпустили?
А шиш, Калмыков, как Баба-яга, против, ему лень возиться.
В этой истории радует одно, через 20 лет карма настигла и Бурцева, и точно так же всеми оплеванный за провал «Эльбруса» он был изгнан из ИТМиВТ, а позже Бабаян дожал его, ликвидировав и ВЦКП РАН и выгнав его на мороз второй раз, да еще и украв всю славу отца советского Burroughs.
Не будем забывать, что «Эльбрусом-1» применение советской TTL не исчерпывалось.
Второе ее важнейшее применение – это ЕС ЭВМ, конкретно – младшие и средние модели Ряда-1 и модифицированного Ряда-1.
О качестве их отлично высказался генеральный конструктор ЕС Пржиялковский:
По понятным причинам найти фото плат «Эльбрус-1» не представляется возможным. Примерно представление о микроэлектронике их уровня можно получить из этой картинки. Это космические часы с корабля «Союз», изготовленные в 1984 году на микросхемах 134ЛА8. Они попали в музей в Маунтин-Вью в Калифорнии и были там изучены Кеном Шириффом (Ken Shirriff). Часы, таймер и будильник содержат более 100 ИС, это немного шокирует. Микросхема реализует 4И-НЕ, далее показан распотрошенный чип, его логическая схема, снимок кристалла и участок, отвечающий за 1 транзистор.
Как мы и говорили – чудовищное воплощение советской TTL (особенно в гражданском варианте) было именно тем, что подкосило Ряд-1 и навсегда оставило у многих впечатление, что выпуск клона IBM был страшнейшей ошибкой.
Сами-то машины были отличными (IBM мусора не сделает, эту архитектуру со страшной силой копировал весь мир, от немцев до японцев), наши разработчики тоже в целом постарались неплохо.
А вот Зеленограду до качественного изготовления чипов, даже на целиком купленных западных линиях, всю его историю было как пешком до Луны. Именно из-за чудовищного качества первых микросхем 155-й серии большинство машин ЕС Ряд-1 вообще не работали или же постоянно и жестоко глючили.
Досадно то, что к концу 1980-х Ряд-1 составлял более 25 % всего объема ЕС ЭВМ, в результате как минимум 1/4 несчастных пользователей по всему Союзу была готова разбить эти чертовы машины кувалдой, в чем не была виновата ни фирма IBM, ни НИЦЭВТ.
Все претензии по справедливости нужно было отправлять в Зеленоград, к Малашевичу, чиновнику МЭП, прославившемуся своими мемуарами, в которых одна история удивительнее другой:
В 1972 году ЦРУ подготовило ряд отчетов о состоянии советской микроэлектроники и рассекретило их в 1999 году.
Вот один из них:
Вот что можно почерпнуть из этого интересного документа:
Сравнение часов «Союза» и «Шаттла»
При этом уровень военно-космической электроники с архитектурной точки зрения в СССР не отличался от американской, отставание было в уровне интеграции и технологиях.
Пишет Кен Ширрифф:
Для общего развития упомянем и историю полевых транзисторов (field-effect transistor, FET).
Как концепция, он появился даже раньше, в работах Лилиенфельда (Julius Edgar Lilienfeld) 1920-х годов и, собственно, его и пытались изготовить Бардин, Браттейн и Шокли, не безуспешно, получив в итоге биполярный транзистор.
Мучения с полевыми транзисторами продлились с 1945 (Heinrich Johann Welker, прототип JFET – junction FET) до 1953 года (патент George F. Dacey и Ian Munro Ross на промышленный, но дорогостоящий и ненадежный способ изготовления JFET).
Технология все равно была настолько сырой и неудачной, что к середине 1950-х большинство исследователей отказались вообще возиться с полевыми транзисторами, а те, что производились – изготавливались малыми тиражами для специальных применений (например, GE Technitron, тонкоплёночный полевой транзистор на сульфиде кадмия 1959 года от RCA, или работы 1960 года от Crystalonics).
Прорыв произошел только в 1959 году, когда американский инженер египетского происхождения Мохаммед Аталла (Mohamed M. Atalla) открыл пассивацию поверхности кремниевых пластин, сделавшую возможным массовое технологичное производство кремниевых ИС.
Вместе с еще одним американским иностранцем, корейцем Дионом Кангом (Dawon Kahng), Аталла разработал концепцию формирования металл-оксидных структур для производства FET – так родился новый тип транзистора, metal-oxide-semiconductor FET (MOSFET), представленный в двух вариантах: pMOS (МОП p-типа) и nMOS (МОП n-типа).
Изначально технология не заинтересовала двух серьезных игроков на рынке – лабораторию Bell и TI (те продолжали колупать неудачный JFET, даже выпустив в 1962 году планарную версию на pn-переходе), но оставшиеся: RCA, General Microelectronics, IBM и Fairchild, немедленно продолжили изыскания.
В том же 1962 году RCA изготовил первый прототип MOS-микросхемы на 16 транзисторах (Steve R. Hofstein и Fred P. Heiman), а год спустя инженеры Fairchild Чин-Тан Са (Chih-Tang Sah) и General Microelectronics Фрэнк Уонлес (Frank Marion Wanlass) разработали, наконец, совершенную технологию – комплиментарный металл-оксидный полупроводник, КМОП (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS), по праву занявший место в списке величайших изобретений в истории.
В 1964 году появились первые серийные MOS-транзисторы от RCA и Fairchild, и в том же году General Microelectronics выпустила первую серийную MOS-микросхему, а CMOS-чипы появились в 1968 году в компании Fairchild.
Первым коммерческим применением MOS-микросхем стал заказ NASA на ИС для программы Interplanetary Monitoring Platform, выполненный GM. CMOS стал первым типом логики, получившим исключительно интегральное воплощение, она имела массу преимуществ перед TTL: высочайшая масштабируемость и феноменальная плотность упаковки (позволившая без проблем разрабатывать микросхемы большой и сверхбольшой интеграции), дешевизна, невысокая потребляемая мощность и колоссальный потенциал для различных улучшений.
Дополнительным бонусом стало то, что CMOS требовала на несколько этапов меньше при фотолитографии, что не только снижало стоимость, но и упрощало оборудование и значительно уменьшало вероятность ошибок изготовления.
Единственной проблемой ранних CMOS-чипов стала скорость работы – низкая по сравнению с рассыпухой на TTL и тем более ECL.
В результате все 1970-е годы CMOS активно применялись там, где не требовались экстремальные скорости – в микросхемах ОЗУ и разнообразных микроконтроллерах.
В 1968 году вышла знаменитая серия логики RCA 4000, ставшая для CMOS тем же, чем SN54/74 для TTL. Тогда же RCA создала первую микросхему SRAM на 288 бит. В том же году выходцы из Fairchild инженеры Fairchild Нойс (Robert Norton Noyce), Мур (Gordon Earle Moore) и Гроув (Andrew Stephen Grove) основали Intel, а менеджер Джереми Сандерс (Walter Jeremiah Sanders III) основал AMD.
Изначально инвесторы смотрели на Сандерса косо, так как он был в первую очередь управленцем, а не изобретателем, как Нойс и Мур, однако, эта парочка поспособствовала и созданию AMD, вложив в компанию свои деньги.
Смысл был в том, чтобы начать зарабатывать на военных заказах – в тендерах должны были участвовать минимум две компании, так что Intel не видели вреда в том, чтобы вырастить себе конкурента. План в целом сработал, AMD прославилась множеством оригинальных разработок.
В русских источниках их часто, не разбираясь в теме, называют обычными копиркиными, однако клонировали они только 8080 и x86 (параллельно выпуская и кучу своих архитектур), а все прочее разрабатывали самостоятельно и весьма неплохо, в 1990–2000 гг. уже Intel пришлось догонять AMD.
В начале 1970-х годов CMOS не была самой распространенной технологией, использовалась pMOS, обладавшая тогда куда большим быстродействием, pMOS-чипами были почти все иконические американские микросхемы тех лет.
В 1969 году Intel запустили свою первую и последнюю TTLS-линейку (Intel 3101 SRAM на 64 бита; 3301 ROM; 3105 регистр; серия чипов 300x BSP-процессор), но дальше настало господство pMOS.
Intel 1101 (SRAM на 256 бит), знаменитые процессоры Intel 4004 и Intel 8008, National Semiconductor IMP-16, PACE и SC/MP, микроконтроллер TI TMS1000, Rockwell International PPS-4 и PPS-8 – все это pMOS-чипы.
К 1972 году технология nMOS тоже догнала свою родственницу, Intel 2102 (1 кбит SRAM) был изготовлен на ней. Поскольку подвижность электронов в канале n-типа примерно в три раза превышает подвижность дырок в канале p-типа, nMOS-логика позволяет увеличить скорость переключения.
По этой причине nMOS быстро начала вытеснять pMOS, и через 10 лет почти все западные микропроцессоры были уже nMOS-чипами. pMOS была дешевле и обеспечивала лучший уровень интеграции, а nMOS – быстрее.
И тут внезапно на рынок ворвались японцы.
Японский ренессанс потихоньку набирал обороты с конца оккупации, и к исходу 1960-х они были готовы побороться за рынок. Решено было начать с дешевой и простой электроники, часов, калькуляторов и т. п., а для них CMOS была идеальным вариантом, максимально дешевая и с минимальным энергопотреблением, а на скорость в часах было наплевать.
В 1969 году Toshiba разработала C2MOS (Clocked CMOS) – технологию с более низким энергопотреблением и более высокой скоростью работы, и применила ее в чипах для карманного калькулятора Elsi Mini LED компании Sharp, выпущенного в 1972 году.
В том же году Suwa Seikosha (сейчас Seiko Epson) начала разработку микросхемы CMOS для своих кварцевых часов Seiko 38SQW, вышедших в 1971 году. Идею переняли даже консервативные швейцарцы, в 1970 году под влиянием японцев Hamilton Watch Company впервые осквернила традиции швейцарского механического мастерства, выпустив электронные часы Hamilton Pulsar Wrist Computer.
Вообще, благодаря сверхмалому по сравнению с TTL энергопотреблению и высокой интеграции, все 1970-е CMOS активно продвигалась на рынке портативных устройств.
На Западе в это время все колупали MOS-технологию, только в 1975 году вышли первые CMOS-процессоры Intersil 6100 и RCA CDP 1801 (самое знаменитое использование – миссия к Юпитеру, Galileo, 1989 год, выбран из-за низкого энергопотребления).
CMOS изначально был в 10 раз тормознутее, например, Intel 5101 (1 кб SRAM, 1974, CMOS) имел время доступа 800 нс, а Intel 2147 (4 кб SRAM, 1976, технология depletion-load nMOS) уже 55–70 нс. Только в 1978 году.
Тосиаки Масухара (Toshiaki Masuhara) из Hitachi создал технологию twin-well Hi-CMOS, чип памяти на которой (HM6147, аналог Intel 2147) был таким же быстрым, но потреблял в 8 раз меньше энергии.
Техпроцессы конца 1970-х лежали в диапазоне 3 мкм, в 1983 году Intel представила 1,5 мкм (Intel 80386), а в 1985–1988 годах ирано-американский инженер Биджан Давари (Bijan Davari) из IBM разработал прототип 250 нм чипа, но серийные устройства были пока куда толще, хотя даже 1 мкм уже хватило для достижения скорости, наконец, превосходящей все прочие виды архитектур ИС.
С середины 1980-х доля CMOS стала расти экспоненциально, и к 2000 году 99,9 % всех выпускаемых в мире микросхем созданы по тем или иным вариантам CMOS-технологии.
Все, что вы хотели знать о CMOS, но боялись спросить. FinFET (fin field-effect transistor) – одна из самых совершенных реализаций CMOS. Два MOSFET на тестовой пластинке, взгляд через микроскоп. Наглядное различие между nMOS и pMOS. Классический вентиль NAND – его схема и физическое воплощение в кремнии (рисунки и фото https://en.wikipedia.org)
Fujitsu освоила 700 нм в 1987 году, затем Hitachi, Mitsubishi Electric, NEC и Toshiba в 1989 году выпустили 500 нм.
Японцы продолжали доминировать в разработке техпроцессов все ранние 1990-е, в 1993 году Sony создала 350 нм, а Hitachi и NEC – наконец, серийные 250 нм.
Американцы в этом плане отставали, например, версии Intel 80486 (выпускавшегося с 1989 по 2007) имели техпроцесс последовательно 1 000, 800 и 600 нм, Pentium 800–250 нм. Hitachi представила 160 нм процесс в 1995 году, в 1996 году Mitsubishi ответила 150 нм, а затем в битву ворвались корейцы, и в 1999 году Samsung Electronics выкатила 140 нм.
Только в 2000 году их, наконец, превзошли американские компании, когда Гуртедж Сингх Сандху (Gurtej Singh Sandhu) и Транг Доан (Trung T. Doan) из Micron Technology изобрели 90 нм техпроцесс. Pentium IV выпускался по техпроцессу 180–65 нм, азиаты не сдавались, в 2002 Toshiba и Sony разработали 65 нм, а затем в высшую лигу добавилась тайванская TSMC с 45 нм в 2004 году.
Разработки Сандху и Доана позволили Micron Technology достичь 30 нм, а с High-κ/metal gate FinFET началась эпоха менее 20 нм.
СССР, к сожалению, никакими прорывами в CMOS-логике похвастать уже не смог и ограничился копированием MOS-чипов 1970-х годов.
Отметим, что термин CMOS описывает не собственно логику работы схемы, а ее техпроцесс (и тем отличается от всех прочих, упомянутых здесь). При этом в рамках CMOS возможны самые разные решения, например, Pass transistor logic (PTL), на которой собирался знаменитый процессор Zilog Z80 (1976) и многие другие чипы.
Были и более экзотические варианты, например, Cascode voltage switch logic (CVSL), а в аналоговых чипах часто применяется Bipolar CMOS (BiCMOS). В 1976 году Texas Instruments выпустила микропроцессор SBP0400, основанный вообще на интегрально-инжекционной логике (integrated injection logic, I2L) – максимально извращенном варианте RTL.
В I2L используют особые «транзисторы» с объединенной базой и общим эмиттером, не способные в нормальном состоянии проводить ток и подключенные к электродам-инжекторам, фактически из этих инжекторов логика и собирается.
Благодаря такому I2L имеет отличный уровень интеграции, превосходящий уровень MOS 1970-х годов, но все портит ее тормознутость, разогнаться более чем до 50 МГц такая схема не сможет.
В итоге I2L-процессоры остались курьезом середины 1970-х, но в СССР успели на всякий случай содрать и их, как микропроцессорные наборы серий К582 и К584.
В конце 1970-х в моду вошла микропроцессорная реализация популярных архитектур мейнфреймов. TI создали TMS9900, DEC – LSI-11, а Data General – mN601 MicroNova.
Возник интересный вопрос – а что случится, если сторонняя компания разработает собственный процессор, полностью совместимый по системе команд?
Ранние патентные войны Intel и AMD привели к тому, что Верховный суд постановил, что сама система команд не может являться объектом патентования, будучи общедоступной по определению, защищена лишь ее конкретная реализация.
Опираясь на это, Fairchild (не решившись обижать реально сильных игроков типа IBM или DEC) взяла и выпустила клон Data General – процессор F9440 MICROFLAME по фирменной технологии I3L (Isoplanar Integrated Injection Logic, усовершенствованный вариант I2L), нагло рекламируя его как полноценную замену мейнфрейму DG Nova 2.
Сказать, что Data General была в ярости – это еще слишком мягко, но по закону они ничего не могли сделать. Чтобы обеспечить контроль над своими клиентами, DG хитро добавила в лицензионное соглашение раздел о том, что программа может работать только на оборудовании Data General, даже если она могла работать на Fairchild F9440 (или любом другом процессоре), и это уже стало бы нарушением копирайта.
В 1978 году Fairchild подала встречный иск, утверждая, что такая лицензия является антиконкурентной, и потребовала 10 миллионов долларов в качестве возмещения ущерба. Чтобы было еще веселее, они выпустили F9445, MICROFLAME II, совместимый с Nova 3, и в рекламе утверждали, что он в 10 раз быстрее.
Однако тут Fairchild сама себе подложила свинью, поскольку разработка настолько сложной топологии задержала все прочие производства и поставила компанию на грань банкротства, тем более что процессор еще и вышел с опозданием. Вдобавок DG заявила, что архитектуру Nova 3 невозможно было воспроизвести без промышленного шпионажа, и вкатила еще один иск.
В 1979 году Fairchild была поглощена нефтяной компанией Schlumberger Limited (Exxon в ответ купила Zilog в 1980 году). Производство F9445 наконец-то началось в первой половине 1981 году. В целом его архитектура похожа на предыдущий, а инструкции Nova 3 эмулируются микрокодом. Включение микрокода позволило использовать чип, не только чтобы подразнить Data General.
В 1980 году ВВС США опубликовали знаменитый стандарт MIL-STD-1750A на 16-разрядную архитектуру набора команд для всего, что летает: от истребителей до спутников. Он определяет только систему команд, но не ее физическое воплощение, в результате множество фирм подключилось к изготовлению разнообразных военных и космических процессоров, соответствующих этой ISA.
Так появились процессоры Signetics, Honeywell, Performance Semiconductor, Bendix, Fairchild, McDonnell Douglas и иных экзотических производителей.
Fairchild разработала для F9445 прошивку, реализующую MIL-STD-1750A, к 1985 году, и так родился F9450. Даже предыдущая версия вышла очень горячей, в новой же пришлось применить не имеющий аналогов корпус из оксида бериллия BeO, имеющего теплопроводность выше, чем у любого неметалла (исключая алмаз), да и выше, чем многие металлы. Процессор получился очень оригинальным и использовался в военных целях до середины 1990-х.
Судебное побоище между Data General и Fairchild продолжалось до 1986 года, в итоге истощенная компания предпочла не продолжать дело и даже выплатить Fairchild отступные в размере 52,5 миллиона долларов. Что забавно, к этому моменту оригинальные Nova 2 и Nova 3 уже не производились.
Судебные иски разорили обе компании, в 1987 году Schlumberger перепродал Fairchild корпорации National Semiconductor, а та прикрыла всю линейку F94xx.
Так закончилась последняя попытка использовать для микропроцессоров что-то, существенно отличное от CMOS.
Британская фирма Ferranti в 1971 году лицензировала у Fairchild чрезвычайно оригинальный процесс диффузной изоляции коллектора (collector-diffusion-isolation, CDI), который они разработали для TTL чипов, но забросили, переключившись на I3L и MOS. В начале 1970-х Министерство обороны Великобритании выдало им заказ на разработку военного микропроцессора на данной технологии.
К 1976 году был готов F100-L – отличный 8 МГц 16-битный процессор на примерно 1 500 вентилей, оригинальной системы команд. Он стал первым микропроцессором, созданным в Европе, и оспаривает честь быть первым 16-битным в мире у Texas Instruments TMS9900, вышедшем в том же году. Однако TI использовала nMOS процесс, в результате ее чип получилось утолкать только в громоздкий заказной корпус DIP64, а Ferranti без проблем влез в стандартный с 40 ножками.
Архитектура получилась очень удачной, хотя, увы, она стала не только первым оригинальным европейским чипом, но и последним (если не считать модификации F200-L 1984 года).
Некоторые из процессоров экзотических архитектур, упомянутые в статье. Фото из коллекции автора.
Конец Ferranti был анекдотичен и печален.
К середине 1980-х они зарабатывали отличные деньги на военных заказах в Европе и решили выйти на североамериканский рынок.
Для этого они приобрели компанию International Signal and Control, с 1970-х производящую военное оборудование по заказу Правительства США, в частности ракеты AGM-45 Shrike и RIM-7 Sea Sparrow.
У читателей, возможно, уже возник вопрос – а как это вообще так вышло, что янки продали британцам аж целого своего военного подрядчика?
Они бы еще Raytheon СССР продали!
Только вот подарочек оказался гнилым внутри.
На самом деле, несмотря на прекрасную отчетность, ISC практически ничего не производила и не разрабатывала, а по заказу АНБ и ЦРУ все 1970-е продавала в ЮАР (находящуюся официально под жесточайшими санкциями ООН за плохое отношение к неграм) новейшее американское оружие, средства РЭБ, связи и прочее.
В обмен на это ЮАР позволила церэушникам тайно построить станцию прослушки на мысе Доброй Надежды для слежения за советскими подводными лодками. Однако вышло так, что ЮАР решила поделиться американскими игрушками с Саддамом, и ЦРУ это сильно не понравилось.
Как бы так красиво свернуть весь бизнес и не спалиться, чтобы не отвечать на неприятные вопросы в ООН?
Выход нашли быстро – в 1988 сбагрили ISC британцам.
Те сначала очень обрадовались, а потом закопались поглубже и ахнули.
Оказалось, что никакого легального бизнеса, да и вообще производства, у ISC и в помине нет, все что есть – это бумаги о «произведенных» невероятных технологиях, нужные для отмывания оружейных денег.
Итогом стал невероятный скандал, тяжесть которого легла в основном на нового хозяина.
Основатель ISC Джеймс Гэрин (James Guerin) и 18 его партнеров, которых тащили в федеральную тюрьму на много-много лет, по дороге орали, что они не виноваты, и все было по согласию с АНБ и ЦРУ, но кто же поверит мошенникам?
В 1994 году Бобби Инмэн (Bobby Ray Inman), министр обороны при Клинтоне и член совета директоров ISC, тихонько ушел в отставку, и дело было окончательно замято.
Инмэн вообще был очень интересным человеком – при Рейгане был сначала директором АНБ, потом замдиректора ЦРУ, а параллельно – CEO в Microelectronics and Computer Technology Corporation, один из официальных попечителей Калтеха и член совета директоров Dell, AT&T, Massey Energy и той самой ISC.
В итоге немного заигравшиеся в шпионов американцы получили во время войны в заливе по башке своей же кассетной бомбой Mk 20 Rockeye II, которую по чертежам, переданным в ЮАР, для иракцев собрала чилийская Cardoen Industries, а Ferranti, опозоренная и разоренная, была в 1993 году поглощена Siemens-Plessley.
Советская CMOS связана на 90 % с микропроцессорами – клонами Intel, и к «Эльбрусу» не относится, поэтому мы ее опустим.
Автор: Алексей Ерёменко
В качестве экзотических вариантов существовали также транзисторы с поверхностным барьером (surface-barrier transistor, Philco, 1953 г.), именно на них были созданы компьютеры MIT Lincoln Laboratory TX0 и TX2, Philco Transac S-1000 и Philco 2000 Model 212, Ferranti-Canada DATAR, Burroughs AN/GSQ-33, Sperry Rand AN/USQ-17 и UNIVAC LARC!
Также были известны транзисторы с дрейфующим полем (drift-field transistor, German Postal Service Central Bureau of Telecommunications Technology, 1953 г.), они использовались в IBM 1620 (1959 г.) под названием Saturated Drift Transistor Resistor Logic (SDTRL).
Для производства микросхем подходили (в теории) три варианта переходных транзисторов – сплавные, меза и планарные.
На практике, конечно же, со сплавными ничего не вышло (остались только бумажные идеи Джеффри Даммера, Бернарда Оливера и Харвика Джонсона, 1953 г.), с меза-транзисторами получилась убогая гибридная TI 502 от Джека Килби, и более желающих экспериментировать не нашлось, а планарный процесс, наоборот, пошел отлично.
Первыми планарными микросхемами стали Fairchild Micrologic (те самые, что использовались в Apollo Guidance Computer и малоизвестных AC Spark Plug MAGIC и Martin MARTAC 420) и Texas Instruments SN51x (использовались в компьютерах NASA Interplanetary Monitoring Probe и ракетах Minuteman II), обе появились в 1961 году.
В целом Fairchild неплохо заработали на программе Apollo – для всех компьютеров суммарно NASA закупило более 200 000 микросхем по $20–30 каждая.
В результате как планарные биполярные транзисторы, так и микросхемы на них использовали для производства компьютеров все 1960-е годы (а микросхемы – и все 1970-е).
Например, великий CDC 6600 был собран в 1964 году на 400 000 кремниевых биполярных транзисторах Fairchild 2N709, изготовленных по наиболее совершенной эпитаксиальной планарной технологии и рассчитанных на сверхвысокую частоту в 10 МГц.
Краткая история логики
Как же организовывали логические ячейки в это время?
Для того, чтобы собрать компьютер, необходимы две вещи.
Во-первых, нужно так или иначе собрать саму логическую схему на ключах, которыми можно управлять.
Во-вторых (и это не менее важно!), нужно усилить сигнал одной ячейки настолько, чтобы она, в свою очередь, могла управлять переключением других, так собираются сложные арифметико-логические цепи.
В исторически первом типе логики – резисторно-транзисторной (resistor-transistor logic, RTL), в качестве усилителя использовался тот же самый единственный транзистор, что служил ключом, более никаких полупроводниковых элементов в схеме не было.
RTL-ячейка выглядит максимально примитивным с точки зрения электротехники образом, например, вот классическая реализация элемента NOR.
Таблица, показывающая как работает NOR-ячейка, и два возможных варианта ее реализации – самый примитивный, двухвходовый 2-NOR, и трехвходовый 3-NOR. Raytheon Apollo Guidance Computer был собран на 4 100 таких 3-NOR микросхем производства Fairchild Semiconductor. Вторая версия, уже для пилотируемых полетов, была усовершенствована до 2 800 микросхем, каждая из которых объединяла два 3-NOR.
AGC – самый известный в мире компьютер, собранный на RTL-логике. Справа – Маргарет Гамильтон (Margaret Hamilton), одна из разработчиц программного обеспечения миссии Apollo (https://wehackthemoon.com, https://www.theatlantic.com).
Естественно, с помощью RTL можно (и нужно!) реализовать и прочие конструкции, например, триггеры.
Первый транзисторный компьютер MIT TX0 был собран в 1956 году на дискретных транзисторах по схеме RTL.
В СССР RTL легла в основу первых осокинских микросхем, о которых мы уже писали – Р12-2 (102, 103, 116, 117) и ГИС «Тропа-1» (201).
RTL была дешевой и простой, но имела кучу недостатков: высокая мощность, что приводило к повышенному нагреву, нечеткий уровень сигналов, низкая скорость, низкая помехоустойчивость и главное – низкая нагрузочная способность выходов.
Большей скоростью обладал вариант RCTL (resistor-capacitor-transistor logic), но он был еще менее помехоустойчивым.
Несмотря на появление более продвинутых серий, RTL использовалась и выпускалась года до 1964.
Одной из самых популярных была серия Fairchild MWuL и чуть более быстрая uL. Эти две группы, дополняющие друг друга по характеристикам, насчитывали около 20 типов ИС и выпускались года три в больших количествах.
В СССР их осилили клонировать в районе 1966 года, а выпускали разные варианты чудовищно допотопной RTL до середины 1980-х, если не далее.
Разработка происходила по классике, со всем подобающим, как было принято в СССР испокон веков (источник):
Отметим крайне важный для дальнейших рассуждений момент.
Тип логики – это понятие, применяемое к схемотехнике логического элемента, а не конкретной его имплементации!
RTL можно реализовать как на дискретных элементах, так и в варианте микросхемы. На самом деле, можно даже заменить транзистор лампой и получить resistor-coupled vacuum tube logic – такую использовал первый прототип электронного компьютера в мире – машина Атанасова-Берри (Atanasoff-Berry Computer, 1927–1942 гг.). В варианте микросхем RTL можно встретить в самых первых чипах – Fairchild Micrologic, а варианте RCTL – в TI SN51x.
Знаменитая космическая серия RTLC TI SN51x. Сами микросхемы, их внутренне устройство и блок управления Minuteman II с компьютером Autonetics D-37D Missile Guidance System Computer на них (https://minutemanmissile.com/, http://ummr.altervista.org, https://www.petritzfoundation.org)
Нагрузочная способность критична для создания сложных схем – какой там получится компьютер, если наша транзисторная ячейка способна раскачать максимум 2–3 соседа, даже сумматор толковый не соберешь. Довольно быстро возникла идея – использовать транзистор в качестве усилителя сигнала, а логику реализовать на диодах.
Так появился куда более продвинутый вариант логики – диодно-транзисторный (diode–transistor logic, DTL). Бонусом DTL становится высокая нагрузочная способность, хотя скорость по-прежнему оставляет желать лучшего.
Именно DTL являлась основой 90 % машин второго поколения, например, IBM 1401 (чуть модифицированная фирменная версия complemented transistor diode logic – CTDL, упакованная в SMS-карты) и кучи других. Вариантов схемотехнической реализации DTL было едва ли меньше, чем самих машин.
Элементарная DTL NAND-ячейка и логический блок от БЭСМ-6 на извращенной модификации ECL для сравнения (https://1500py470.livejournal.com).
Естественно, можно обойтись и без транзисторов, тогда получится diode vacuum tube logic (чрезвычайно популярное решение в начале 1950-х, практически все машины, которые принято называть ламповыми, по факту имели логические цепи на диодах, а лампы ничего не вычисляли, просто усиливали сигнал, хрестоматийный пример – М1 Брука).
Еще одним экзотическим по нынешним меркам вариантом является чисто диодная логика (diode-resistor logic, DRL). Изобретенная тогда же, когда появились первые промышленные диоды, она широко использовалась в малых машинах начала 1950-х, например, калькуляторе IBM 608 и БЦВМ Autonetics D-17B от знаменитой ракеты Minuteman I.
До изобретения планарного процесса транзисторы считались неподходящими для критичных военных применений из-за потенциальной ненадежности, поэтому американцы использовали DRL в своих первых ракетах.
Советский ответ Minuteman I использовал ламповый компьютер, и ракета Р-7 (в том числе и из-за большей величины всех прочих компонентов) получилась чудовищно огромной по сравнению с американской: у янки примерно 29 тонн и 16,3х1,68 метра против невероятных 280 тонн и 34х10,3 метра. Даже монструозный LGM-25C Titan II имел размер 31,4х3,05 метра и массу 154 тонны, вообще, советские МБР всегда были куда больше американских, из-за отсталости технологий.
В результате, например, в качестве ответа компактной Ohio class SSBN пришлось разрабатывать хтоническую 941 «Акула» – в лодку, размером с «Огайо», советские ракеты бы просто не поместились.
Кроме компьютеров, DRL десятки лет использовалась во всевозможной заводской автоматике.
Классика DRL – ячейка AND-OR, одна плата от Autonetics D-17B и сам компьютер в сборе (https://minutemanmissile.com, http://www.bitsavers.org)
Транзисторная логика тоже нашла свое воплощение в ИС, начав с чипов Signetics SE100 1962 года.
Чуть позже DTL-версии микросхем были выпущены всеми основными игроками на рынке, включая Fairchild 930 Series, Westinghouse и Texas Instruments, разработавшую на низ БЦВМ D-37C Minuteman II Guidance Computer в том же 1962 году.
В Союзе DTL-микросхемы выпускались в огромных количествах: серии 104, 109, 121, 128, 146, 156, 205, 215, 217, 218, 221, 240 и 511.
Подготовка к производству DTL тоже не обошлась без советских приключений.
Вспоминает Юрий Замотайлов, с. н. с. кафедры ядерной физики ВГУ:
Интересно, почему же Зеленоград постоянно закупал на Западе оборудование?
Может, по причине того, что советские установки годились только как реквизит фильмов про доктора Франкенштейна?
В итоге на диоды все забили и решили собирать сразу микросхемы (если удастся достать западные степперы).
Начали клонировать DTL.
Различные варианты стандартных карт (как правило, 1 карта = 1–2 элемента типа NAND или NOR) от транзисторнных машин 1960–1970 гг., представляют все варианты дискретной логики – DTL, TTL, ECL (фото предоставлено коллекционером http://ummr.altervista.org) /size]
Так в муках рождалась советская микроэлектроника.
На чем собирали «Эльбрус-1»
Наконец, царь-логика, ставшая золотым стандартом до эпохи микропроцессоров, это, конечно, транзисторно-транзисторная (transistor-transistor logic, TTL).
Как явствует из названия, транзисторы здесь используются для выполнения как логических операций, так и усиления сигнала. Реализация TTL требует заменить диоды многоэмиттерным (обычно 2–8 эмиттеров) транзистором.
TTL была изобретена в 1961 году Джеймсом Бьюи (James L. Buie) из компании TRW, который сходу осознал, что она как нельзя лучше подходит для интегральных схем, только появляющихся в те годы. Конечно, TTL можно реализовать и дискретно, но, в отличие от DTL, ее слава пришла вместе с возвышением ИС.
Уже в 1963 году Sylvania выпустила первый комплект микросхем Universal High-Level Logic family (SUHL, использовалась в ракете AIM-54 Phoenix для истребителя Grumman F-14 Tomcat), построенных по транзисторно-транзисторной схеме. Буквально сразу же за Sylvania фирма Transitron выпустила клон их семейства с названием HLTTL, но главное событие было впереди.
В 1964 году Texas Instruments выпускает серию SN5400 для военных, а в 1966 году – вариант SN7400 в пластиковом корпусе для гражданского применения (недолго выпускалась средняя между ними по живучести серия SN8400 для индустриального применения).
Нельзя сказать, что 54/74 обладала какими-то невероятными параметрами, но она была удачно подобрана по элементам и самое главное – имела невероятную рекламу.
Вообще, TI была своеобразным Intel 1960-х – главным законодателем мод на рынке ИС (в основном благодаря невероятно тормознутой политике их основного конкурента Fairchild и чудовищным патентным войнам, а не особому таланту разработчиков).
В результате буквально через пару лет серию 7400 лицензировали десятки фирм – Motorola, AMD, Harris, Fairchild, Intel, Intersil, Signetics, Mullard, Siemens, SGS-Thomson, Rifa, National Semiconductor, и спёр весь Соцблок – СССР, ГДР, Польша, Чехословакия, Венгрия, Румыния и даже КНР, и она стала таким же эталоном, как в 1980-е архитектура x86.
Единственной фирмой, которая не поддалась пропаганде TI, стала, конечно, IBM, корпорация-государство, которая все делала сама.
В результате до середины 1990-х они изготавливали абсолютно оригинальные TTL-чипы собственной, ни с чем не совместимой разработки, и применяли их в IBM System/38, IBM 4300 и IBM 3081.
Типовой MST-модуль (Monolithic Systems Technology) от IBM S/370 и его содержимое (https://habr.com)
Интересно и то, что 7400 серия фактически была не совсем честной TTL-логикой.
Начиная с продвинутой серии 74S (Schottky TTL) 1969 года и далее в 74LS (Low-power Schottky), 74AS (Advanced-Schottky), 74ALS (Advanced-Schottky Low-power) и 74F (Fast Schottky), вышедших в 1985 году, микросхемы вовсе не содержат многоэмиттерного транзистора – вместо него на входах стоят диоды Шоттки.
В результате технически это самая настоящая DTL(S), носящая название TTL, чисто чтобы не путать потребителя и не мешать бизнесу.
TTL и TTL(S) были лишены практически всех недостатков предыдущих семейств – они работали достаточно быстро, были недороги, надежны, мало грелись и имели высокую нагрузочную способность. Микросхемы TTL в зависимости от типа содержали от десятков до тысяч транзисторов и представляли собой элементы от самого примитивного логического вентиля до продвинутого BSP военного назначения.
Элементарная NAND-ячейка TTL-логики
Kenbak-1, предок всех ПК, использовал TTL для своего процессора в 1971 году.
Легендарный терминал Datapoint 2200 1970 года также работал на них (причем позже этот набор послужил прототипом архитектуры Intel 8080). Рабочие станции Xerox Alto 1973 года и Star 1981 года тоже имели процессоры, собранные из дискретных TTL-микросхем, правда, уже масштаба bit-slice процессора.
Практически все компьютеры до середины 1990-х годов в том или ином виде использовали TTL-чипы в некритичных для производительности моментах, как части разнообразных контроллеров шин, например.
Кроме того, до появления FPGA-матриц TTL-чипы активно применяли для прототипирования микропроцессоров (круче всех тут оказался как раз «Эльбрус» – перед тем как выпустить нормальную его версию, ИТМиВТ, по сути, прототипировал на TTL целую машину, которую даже впарил отдельно).
Первый ПК в мире, малыш Kenbak-1, созданный Джоном Блакенбакером (John V. Blankenbaker) в 1971 году. Было выпущено около 40 компьютеров. Сейчас уцелевшие экземпляры стоят около 500 000 долларов. Xerox Alto 1973 года – первая в мире рабочая станция с графической ОС, мышью, WYSIWYG-редакторами и ООП в качестве стандартного средства программирования. Фактически от современного ПК Alto не отличается вообще ничем, кроме производительности. Процессор собран на 4-х TI SN74181, образующих 16-битный BSP (https://t-lcarchive.org, https://3dnews.ru, https://habr.com)
Изначально TI выпустили классическую 74-ю серию и вариант повышенного быстродействия 74H с типовой задержкой всего 6 нс.
Нагрузочная способность равнялась 10 – отличный результат, позволяющий собирать довольно сложные схемы.
Корпус был самым простым – DIP14, в серию входило 8 самых простых (типа NAND) микросхем. Чуть позже номенклатура была расширена (как и типы корпусов, добавились на 16 и 24 вывода) и появился маломощный вариант – 74L, заторможённый до 30 нс на такт.
Первая серия с диодами Шоттки, 74S, вышла в 1971 году, ее скорость возросла почти до уровня советских ECL – 3 нс. В середине 1970-х появилась маломощная 74LS (при той же скорости, что обычная, 74-я мощность уменьшена в 5 раз).
В 1979 году Fairchild решает вставить свои 5 копеек и создает серию 74F по фирменной технологии Isoplanar-II (глубокое селективное окисление, обеспечивающее боковую изоляцию элементов вместо pn-переходов), которую они использовали для всего вообще.
Это позволило взять вожделенный барьер в 2 нс и при этом резко снизить мощность (кстати, для советских TTL-клонов все задержки смело можно множить на 2–3).
Texas Instruments провозились до 1982 года, когда, наконец, осилили серии 74ALS и 74AS практически тех же параметров. 74AS была даже чуть быстрее версии от Fairchild, но грелась в два раза больше и успеха не снискала, а вот 74ALS пользовалась огромной популярностью.
Наконец, лебединой песней TTL стала созданная фирмой Fairchild в 1989 году серия 74Fr, которая была в 1,5 раза быстрее 74F и грелась аналогично в 1,5 раза больше, поэтому была довольно быстро снята с производства.
74ALS же штамповали аж до 2019 года и использовали в куче мелкой автоматики и электроники. Существовала и версия SNJ54 – радиационно-стойкая для космического применения.
Золотая бессмертная классика – 16-битный процессор на TTL-рассыпухе TI SN74xx. Именно так выглядели процессоры 90 % машин в 1965–1975 гг. Конкретно эти платы представляют собой EAU (Extended Arithmetic Unit) модель 8413 (выпущена в 1974 г.) для миникомпьютеров Data General NOVA (примерный аналог по классу DEC PDP-11) и их же семейства Eclipse (S200, S230, C300, C330). Процессор (который сейчас бы назвали FPU) собран как BSP на чипах 74181. Он был совместим также с машинами General Electric Medical Systems, разработанными на основе Data General (http://ummr.altervista.org).
В Союзе к 1967–1968 годам TTL-чипов еще не было.
Именно поэтому в том числе и ЕС ЭВМ, и М10 Карцева, и 5Э53 Юдицкого разрабатывали под самое мощное, что было доступно – разнообразные ГИС. БЭСМ-6 и 5Э92б были вообще транзисторными, как и все гражданские машины. Даже прототип возимой ЭВМ 5Э65 (идеи которого позаимствовал Бурцев для 5Э21 позже), выпущенная в количестве трех штук, с 1969 по 1970 год тоже была транзисторной.
Однако, как мы помним, в 1967–1968 гг. было принято решение о разработке комплекса С-300, и в то же время ИТМиВТ заказывает клонирование серии TI 54/74.
Параллельно Минрадиопром перетягивает на себя все разработки, связанные с ПРО, и примерно в то же время у Бурцева рождается концепция «Эльбруса».
В результате принимается решение начать архитектурные изыскания в области сразу 2-х машин – для возимой ПВО (5Э26) и для стационарной ПРО («Эльбрус»). Параллельно планируется вести разработку долгожданных TTL-чипов, изучать возможности производства ECL-чипов и создавать два компьютера.
Как мы знаем, на практике все пошло не так, как задумано, и куда более примитивную 5Э26 закончили только через 8 лет разработки, а куда как боле навороченный «Эльбрус» выпустили серийно в TTL-версии только к середине 1980-х (а ECL-вариант к началу 1990-х), угробив на проект 20 лет.
На развитие советской TTL значительно повлиял и второй, после ИТМиВТ, серьезный игрок, возникший к 1969 году – НИЦЭВТ, разрабатывавший серию ЕС (а о его огромной роли в разработке советских ECL мы поговорим в следующей части).
Мало кто в курсе, но в золотые 1959–1960 годы не только русские ездили к американцам, но и американцы к нам!
В частности, в 1960 году на International conference on semiconductor physics в Прагу приезжал знаменитый инженер и изобретатель из Texas Instruments, директор по исследованиям приборов под руководством Гордона Тила, доктор Петриц (Richard L. Petritz), один из отцов SN51x.
Из Чехословакии он отправился в Москву, где осматривал советские лаборатории, делился своим опытом и обсуждал физику полупроводников.
Таким образом (с учетом Староса и Берга) практически вся советская микроэлектроника была основана при деятельном и довольно дружелюбном участии американцев.
К 1969 году была закончена разработка знаменитой серии 133 – клона SN5400 в планарном исполнении для военных (ОКР «Логика-2»).
С этого момента постепенно была скопирована вся линейка микросхем от TI:
Именно на этой серии и был создан «Эльбрус-1».
Как и многие в 1990-е, Бурцев внезапно узнал, что основатели Зеленограда Старос и Берг были американцами и, подобно Малашевичу, испытал такой шок, что не преминул вылить на покойных коллег неплохой ушат:
Отношение к этому интервью емко выразил известный бывший разработчик и эксперт по советским чипам:
Не говоря уже, что с чудовищно криво корпусированной ECL, изготовленной мозолистыми руками честных советских людей, а не всякими пришельцами Старосами, 10 лет спустя столкнулся и Бурцев, наплакавшись вволю и задержав «Эльбрус-2» тем самым на несколько лет.
Особенно радует глаз пассаж про «такие приемники подарили и нам, но работали они не более недели. Не надо удивляться и возмущаться – примеры потемкинских деревень и нового платья короля можно встретить, к сожалению, и сегодня».
Эти самые приемники просто волшебные. Если мы хотим доказать ничтожество Староса – они отвратительны. Если мы хотим доказать величие советской сверхнауки – они восхитительны!
Чтобы спокойно удерживать в голове эти взаимоисключающие параграфы и не тронуться рассудком, нужно иметь развитый навык двоемыслия, как мы уже описывали, невероятно прокачанный у отечественных академиков еще с 1930-х годов.
Из цитаты также забавно всесилие Калмыкова.
Хрущев подписал постановление об изготовлении УМ-1НХ, однако министру сам черт не брат, вызывает к себе Бурцева и говорит: не нравится мне Старос, завали-ка ты его. Бурцев – это не честный и принципиальный Лукин, которого за нежелание подставить Кисунько выперли из МРП, Бурцев все понимает и через это становится главным по программе ЭВМ для ПРО.
Ну и вообще вся суть отечественных министерств:
Машина изготовлена?
Да.
Все секретари обкомов за?
Да.
Хрущев за?
Да.
Все бумаги на выпуск подписаны?
Да.
Думаете, машину выпустили?
А шиш, Калмыков, как Баба-яга, против, ему лень возиться.
В этой истории радует одно, через 20 лет карма настигла и Бурцева, и точно так же всеми оплеванный за провал «Эльбруса» он был изгнан из ИТМиВТ, а позже Бабаян дожал его, ликвидировав и ВЦКП РАН и выгнав его на мороз второй раз, да еще и украв всю славу отца советского Burroughs.
Не будем забывать, что «Эльбрусом-1» применение советской TTL не исчерпывалось.
Второе ее важнейшее применение – это ЕС ЭВМ, конкретно – младшие и средние модели Ряда-1 и модифицированного Ряда-1.
О качестве их отлично высказался генеральный конструктор ЕС Пржиялковский:
По понятным причинам найти фото плат «Эльбрус-1» не представляется возможным. Примерно представление о микроэлектронике их уровня можно получить из этой картинки. Это космические часы с корабля «Союз», изготовленные в 1984 году на микросхемах 134ЛА8. Они попали в музей в Маунтин-Вью в Калифорнии и были там изучены Кеном Шириффом (Ken Shirriff). Часы, таймер и будильник содержат более 100 ИС, это немного шокирует. Микросхема реализует 4И-НЕ, далее показан распотрошенный чип, его логическая схема, снимок кристалла и участок, отвечающий за 1 транзистор.
Как мы и говорили – чудовищное воплощение советской TTL (особенно в гражданском варианте) было именно тем, что подкосило Ряд-1 и навсегда оставило у многих впечатление, что выпуск клона IBM был страшнейшей ошибкой.
Сами-то машины были отличными (IBM мусора не сделает, эту архитектуру со страшной силой копировал весь мир, от немцев до японцев), наши разработчики тоже в целом постарались неплохо.
А вот Зеленограду до качественного изготовления чипов, даже на целиком купленных западных линиях, всю его историю было как пешком до Луны. Именно из-за чудовищного качества первых микросхем 155-й серии большинство машин ЕС Ряд-1 вообще не работали или же постоянно и жестоко глючили.
Досадно то, что к концу 1980-х Ряд-1 составлял более 25 % всего объема ЕС ЭВМ, в результате как минимум 1/4 несчастных пользователей по всему Союзу была готова разбить эти чертовы машины кувалдой, в чем не была виновата ни фирма IBM, ни НИЦЭВТ.
Все претензии по справедливости нужно было отправлять в Зеленоград, к Малашевичу, чиновнику МЭП, прославившемуся своими мемуарами, в которых одна история удивительнее другой:
Согласимся, результаты действительно были фантастические, вот только не в позитивном смысле.
В 1972 году ЦРУ подготовило ряд отчетов о состоянии советской микроэлектроники и рассекретило их в 1999 году.
Вот один из них:
В 1999 году ЦРУ рассекретило очередной доклад USSR seeks to build advanced Semiconductor Industry with embargoed western machinery.
Вот что можно почерпнуть из этого интересного документа:
Этот доклад интересно сочетается со словами Малашевича:
Сравнение часов «Союза» и «Шаттла»
При этом уровень военно-космической электроники с архитектурной точки зрения в СССР не отличался от американской, отставание было в уровне интеграции и технологиях.
Пишет Кен Ширрифф:
Пришествие CMOS
Для общего развития упомянем и историю полевых транзисторов (field-effect transistor, FET).
Как концепция, он появился даже раньше, в работах Лилиенфельда (Julius Edgar Lilienfeld) 1920-х годов и, собственно, его и пытались изготовить Бардин, Браттейн и Шокли, не безуспешно, получив в итоге биполярный транзистор.
Мучения с полевыми транзисторами продлились с 1945 (Heinrich Johann Welker, прототип JFET – junction FET) до 1953 года (патент George F. Dacey и Ian Munro Ross на промышленный, но дорогостоящий и ненадежный способ изготовления JFET).
Технология все равно была настолько сырой и неудачной, что к середине 1950-х большинство исследователей отказались вообще возиться с полевыми транзисторами, а те, что производились – изготавливались малыми тиражами для специальных применений (например, GE Technitron, тонкоплёночный полевой транзистор на сульфиде кадмия 1959 года от RCA, или работы 1960 года от Crystalonics).
Прорыв произошел только в 1959 году, когда американский инженер египетского происхождения Мохаммед Аталла (Mohamed M. Atalla) открыл пассивацию поверхности кремниевых пластин, сделавшую возможным массовое технологичное производство кремниевых ИС.
Вместе с еще одним американским иностранцем, корейцем Дионом Кангом (Dawon Kahng), Аталла разработал концепцию формирования металл-оксидных структур для производства FET – так родился новый тип транзистора, metal-oxide-semiconductor FET (MOSFET), представленный в двух вариантах: pMOS (МОП p-типа) и nMOS (МОП n-типа).
Изначально технология не заинтересовала двух серьезных игроков на рынке – лабораторию Bell и TI (те продолжали колупать неудачный JFET, даже выпустив в 1962 году планарную версию на pn-переходе), но оставшиеся: RCA, General Microelectronics, IBM и Fairchild, немедленно продолжили изыскания.
В том же 1962 году RCA изготовил первый прототип MOS-микросхемы на 16 транзисторах (Steve R. Hofstein и Fred P. Heiman), а год спустя инженеры Fairchild Чин-Тан Са (Chih-Tang Sah) и General Microelectronics Фрэнк Уонлес (Frank Marion Wanlass) разработали, наконец, совершенную технологию – комплиментарный металл-оксидный полупроводник, КМОП (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS), по праву занявший место в списке величайших изобретений в истории.
В 1964 году появились первые серийные MOS-транзисторы от RCA и Fairchild, и в том же году General Microelectronics выпустила первую серийную MOS-микросхему, а CMOS-чипы появились в 1968 году в компании Fairchild.
Первым коммерческим применением MOS-микросхем стал заказ NASA на ИС для программы Interplanetary Monitoring Platform, выполненный GM. CMOS стал первым типом логики, получившим исключительно интегральное воплощение, она имела массу преимуществ перед TTL: высочайшая масштабируемость и феноменальная плотность упаковки (позволившая без проблем разрабатывать микросхемы большой и сверхбольшой интеграции), дешевизна, невысокая потребляемая мощность и колоссальный потенциал для различных улучшений.
Дополнительным бонусом стало то, что CMOS требовала на несколько этапов меньше при фотолитографии, что не только снижало стоимость, но и упрощало оборудование и значительно уменьшало вероятность ошибок изготовления.
Единственной проблемой ранних CMOS-чипов стала скорость работы – низкая по сравнению с рассыпухой на TTL и тем более ECL.
В результате все 1970-е годы CMOS активно применялись там, где не требовались экстремальные скорости – в микросхемах ОЗУ и разнообразных микроконтроллерах.
В 1968 году вышла знаменитая серия логики RCA 4000, ставшая для CMOS тем же, чем SN54/74 для TTL. Тогда же RCA создала первую микросхему SRAM на 288 бит. В том же году выходцы из Fairchild инженеры Fairchild Нойс (Robert Norton Noyce), Мур (Gordon Earle Moore) и Гроув (Andrew Stephen Grove) основали Intel, а менеджер Джереми Сандерс (Walter Jeremiah Sanders III) основал AMD.
Изначально инвесторы смотрели на Сандерса косо, так как он был в первую очередь управленцем, а не изобретателем, как Нойс и Мур, однако, эта парочка поспособствовала и созданию AMD, вложив в компанию свои деньги.
Смысл был в том, чтобы начать зарабатывать на военных заказах – в тендерах должны были участвовать минимум две компании, так что Intel не видели вреда в том, чтобы вырастить себе конкурента. План в целом сработал, AMD прославилась множеством оригинальных разработок.
В русских источниках их часто, не разбираясь в теме, называют обычными копиркиными, однако клонировали они только 8080 и x86 (параллельно выпуская и кучу своих архитектур), а все прочее разрабатывали самостоятельно и весьма неплохо, в 1990–2000 гг. уже Intel пришлось догонять AMD.
В начале 1970-х годов CMOS не была самой распространенной технологией, использовалась pMOS, обладавшая тогда куда большим быстродействием, pMOS-чипами были почти все иконические американские микросхемы тех лет.
В 1969 году Intel запустили свою первую и последнюю TTLS-линейку (Intel 3101 SRAM на 64 бита; 3301 ROM; 3105 регистр; серия чипов 300x BSP-процессор), но дальше настало господство pMOS.
Intel 1101 (SRAM на 256 бит), знаменитые процессоры Intel 4004 и Intel 8008, National Semiconductor IMP-16, PACE и SC/MP, микроконтроллер TI TMS1000, Rockwell International PPS-4 и PPS-8 – все это pMOS-чипы.
К 1972 году технология nMOS тоже догнала свою родственницу, Intel 2102 (1 кбит SRAM) был изготовлен на ней. Поскольку подвижность электронов в канале n-типа примерно в три раза превышает подвижность дырок в канале p-типа, nMOS-логика позволяет увеличить скорость переключения.
По этой причине nMOS быстро начала вытеснять pMOS, и через 10 лет почти все западные микропроцессоры были уже nMOS-чипами. pMOS была дешевле и обеспечивала лучший уровень интеграции, а nMOS – быстрее.
И тут внезапно на рынок ворвались японцы.
Японский ренессанс потихоньку набирал обороты с конца оккупации, и к исходу 1960-х они были готовы побороться за рынок. Решено было начать с дешевой и простой электроники, часов, калькуляторов и т. п., а для них CMOS была идеальным вариантом, максимально дешевая и с минимальным энергопотреблением, а на скорость в часах было наплевать.
В 1969 году Toshiba разработала C2MOS (Clocked CMOS) – технологию с более низким энергопотреблением и более высокой скоростью работы, и применила ее в чипах для карманного калькулятора Elsi Mini LED компании Sharp, выпущенного в 1972 году.
В том же году Suwa Seikosha (сейчас Seiko Epson) начала разработку микросхемы CMOS для своих кварцевых часов Seiko 38SQW, вышедших в 1971 году. Идею переняли даже консервативные швейцарцы, в 1970 году под влиянием японцев Hamilton Watch Company впервые осквернила традиции швейцарского механического мастерства, выпустив электронные часы Hamilton Pulsar Wrist Computer.
Вообще, благодаря сверхмалому по сравнению с TTL энергопотреблению и высокой интеграции, все 1970-е CMOS активно продвигалась на рынке портативных устройств.
На Западе в это время все колупали MOS-технологию, только в 1975 году вышли первые CMOS-процессоры Intersil 6100 и RCA CDP 1801 (самое знаменитое использование – миссия к Юпитеру, Galileo, 1989 год, выбран из-за низкого энергопотребления).
CMOS изначально был в 10 раз тормознутее, например, Intel 5101 (1 кб SRAM, 1974, CMOS) имел время доступа 800 нс, а Intel 2147 (4 кб SRAM, 1976, технология depletion-load nMOS) уже 55–70 нс. Только в 1978 году.
Тосиаки Масухара (Toshiaki Masuhara) из Hitachi создал технологию twin-well Hi-CMOS, чип памяти на которой (HM6147, аналог Intel 2147) был таким же быстрым, но потреблял в 8 раз меньше энергии.
Техпроцессы конца 1970-х лежали в диапазоне 3 мкм, в 1983 году Intel представила 1,5 мкм (Intel 80386), а в 1985–1988 годах ирано-американский инженер Биджан Давари (Bijan Davari) из IBM разработал прототип 250 нм чипа, но серийные устройства были пока куда толще, хотя даже 1 мкм уже хватило для достижения скорости, наконец, превосходящей все прочие виды архитектур ИС.
С середины 1980-х доля CMOS стала расти экспоненциально, и к 2000 году 99,9 % всех выпускаемых в мире микросхем созданы по тем или иным вариантам CMOS-технологии.
Все, что вы хотели знать о CMOS, но боялись спросить. FinFET (fin field-effect transistor) – одна из самых совершенных реализаций CMOS. Два MOSFET на тестовой пластинке, взгляд через микроскоп. Наглядное различие между nMOS и pMOS. Классический вентиль NAND – его схема и физическое воплощение в кремнии (рисунки и фото https://en.wikipedia.org)
Fujitsu освоила 700 нм в 1987 году, затем Hitachi, Mitsubishi Electric, NEC и Toshiba в 1989 году выпустили 500 нм.
Японцы продолжали доминировать в разработке техпроцессов все ранние 1990-е, в 1993 году Sony создала 350 нм, а Hitachi и NEC – наконец, серийные 250 нм.
Американцы в этом плане отставали, например, версии Intel 80486 (выпускавшегося с 1989 по 2007) имели техпроцесс последовательно 1 000, 800 и 600 нм, Pentium 800–250 нм. Hitachi представила 160 нм процесс в 1995 году, в 1996 году Mitsubishi ответила 150 нм, а затем в битву ворвались корейцы, и в 1999 году Samsung Electronics выкатила 140 нм.
Только в 2000 году их, наконец, превзошли американские компании, когда Гуртедж Сингх Сандху (Gurtej Singh Sandhu) и Транг Доан (Trung T. Doan) из Micron Technology изобрели 90 нм техпроцесс. Pentium IV выпускался по техпроцессу 180–65 нм, азиаты не сдавались, в 2002 Toshiba и Sony разработали 65 нм, а затем в высшую лигу добавилась тайванская TSMC с 45 нм в 2004 году.
Разработки Сандху и Доана позволили Micron Technology достичь 30 нм, а с High-κ/metal gate FinFET началась эпоха менее 20 нм.
СССР, к сожалению, никакими прорывами в CMOS-логике похвастать уже не смог и ограничился копированием MOS-чипов 1970-х годов.
Отметим, что термин CMOS описывает не собственно логику работы схемы, а ее техпроцесс (и тем отличается от всех прочих, упомянутых здесь). При этом в рамках CMOS возможны самые разные решения, например, Pass transistor logic (PTL), на которой собирался знаменитый процессор Zilog Z80 (1976) и многие другие чипы.
Были и более экзотические варианты, например, Cascode voltage switch logic (CVSL), а в аналоговых чипах часто применяется Bipolar CMOS (BiCMOS). В 1976 году Texas Instruments выпустила микропроцессор SBP0400, основанный вообще на интегрально-инжекционной логике (integrated injection logic, I2L) – максимально извращенном варианте RTL.
В I2L используют особые «транзисторы» с объединенной базой и общим эмиттером, не способные в нормальном состоянии проводить ток и подключенные к электродам-инжекторам, фактически из этих инжекторов логика и собирается.
Благодаря такому I2L имеет отличный уровень интеграции, превосходящий уровень MOS 1970-х годов, но все портит ее тормознутость, разогнаться более чем до 50 МГц такая схема не сможет.
В итоге I2L-процессоры остались курьезом середины 1970-х, но в СССР успели на всякий случай содрать и их, как микропроцессорные наборы серий К582 и К584.
В конце 1970-х в моду вошла микропроцессорная реализация популярных архитектур мейнфреймов. TI создали TMS9900, DEC – LSI-11, а Data General – mN601 MicroNova.
Возник интересный вопрос – а что случится, если сторонняя компания разработает собственный процессор, полностью совместимый по системе команд?
Ранние патентные войны Intel и AMD привели к тому, что Верховный суд постановил, что сама система команд не может являться объектом патентования, будучи общедоступной по определению, защищена лишь ее конкретная реализация.
Опираясь на это, Fairchild (не решившись обижать реально сильных игроков типа IBM или DEC) взяла и выпустила клон Data General – процессор F9440 MICROFLAME по фирменной технологии I3L (Isoplanar Integrated Injection Logic, усовершенствованный вариант I2L), нагло рекламируя его как полноценную замену мейнфрейму DG Nova 2.
Сказать, что Data General была в ярости – это еще слишком мягко, но по закону они ничего не могли сделать. Чтобы обеспечить контроль над своими клиентами, DG хитро добавила в лицензионное соглашение раздел о том, что программа может работать только на оборудовании Data General, даже если она могла работать на Fairchild F9440 (или любом другом процессоре), и это уже стало бы нарушением копирайта.
В 1978 году Fairchild подала встречный иск, утверждая, что такая лицензия является антиконкурентной, и потребовала 10 миллионов долларов в качестве возмещения ущерба. Чтобы было еще веселее, они выпустили F9445, MICROFLAME II, совместимый с Nova 3, и в рекламе утверждали, что он в 10 раз быстрее.
Однако тут Fairchild сама себе подложила свинью, поскольку разработка настолько сложной топологии задержала все прочие производства и поставила компанию на грань банкротства, тем более что процессор еще и вышел с опозданием. Вдобавок DG заявила, что архитектуру Nova 3 невозможно было воспроизвести без промышленного шпионажа, и вкатила еще один иск.
В 1979 году Fairchild была поглощена нефтяной компанией Schlumberger Limited (Exxon в ответ купила Zilog в 1980 году). Производство F9445 наконец-то началось в первой половине 1981 году. В целом его архитектура похожа на предыдущий, а инструкции Nova 3 эмулируются микрокодом. Включение микрокода позволило использовать чип, не только чтобы подразнить Data General.
В 1980 году ВВС США опубликовали знаменитый стандарт MIL-STD-1750A на 16-разрядную архитектуру набора команд для всего, что летает: от истребителей до спутников. Он определяет только систему команд, но не ее физическое воплощение, в результате множество фирм подключилось к изготовлению разнообразных военных и космических процессоров, соответствующих этой ISA.
Так появились процессоры Signetics, Honeywell, Performance Semiconductor, Bendix, Fairchild, McDonnell Douglas и иных экзотических производителей.
Fairchild разработала для F9445 прошивку, реализующую MIL-STD-1750A, к 1985 году, и так родился F9450. Даже предыдущая версия вышла очень горячей, в новой же пришлось применить не имеющий аналогов корпус из оксида бериллия BeO, имеющего теплопроводность выше, чем у любого неметалла (исключая алмаз), да и выше, чем многие металлы. Процессор получился очень оригинальным и использовался в военных целях до середины 1990-х.
Судебное побоище между Data General и Fairchild продолжалось до 1986 года, в итоге истощенная компания предпочла не продолжать дело и даже выплатить Fairchild отступные в размере 52,5 миллиона долларов. Что забавно, к этому моменту оригинальные Nova 2 и Nova 3 уже не производились.
Судебные иски разорили обе компании, в 1987 году Schlumberger перепродал Fairchild корпорации National Semiconductor, а та прикрыла всю линейку F94xx.
Так закончилась последняя попытка использовать для микропроцессоров что-то, существенно отличное от CMOS.
Британская фирма Ferranti в 1971 году лицензировала у Fairchild чрезвычайно оригинальный процесс диффузной изоляции коллектора (collector-diffusion-isolation, CDI), который они разработали для TTL чипов, но забросили, переключившись на I3L и MOS. В начале 1970-х Министерство обороны Великобритании выдало им заказ на разработку военного микропроцессора на данной технологии.
К 1976 году был готов F100-L – отличный 8 МГц 16-битный процессор на примерно 1 500 вентилей, оригинальной системы команд. Он стал первым микропроцессором, созданным в Европе, и оспаривает честь быть первым 16-битным в мире у Texas Instruments TMS9900, вышедшем в том же году. Однако TI использовала nMOS процесс, в результате ее чип получилось утолкать только в громоздкий заказной корпус DIP64, а Ferranti без проблем влез в стандартный с 40 ножками.
Архитектура получилась очень удачной, хотя, увы, она стала не только первым оригинальным европейским чипом, но и последним (если не считать модификации F200-L 1984 года).
Некоторые из процессоров экзотических архитектур, упомянутые в статье. Фото из коллекции автора.
Конец Ferranti был анекдотичен и печален.
К середине 1980-х они зарабатывали отличные деньги на военных заказах в Европе и решили выйти на североамериканский рынок.
Для этого они приобрели компанию International Signal and Control, с 1970-х производящую военное оборудование по заказу Правительства США, в частности ракеты AGM-45 Shrike и RIM-7 Sea Sparrow.
У читателей, возможно, уже возник вопрос – а как это вообще так вышло, что янки продали британцам аж целого своего военного подрядчика?
Они бы еще Raytheon СССР продали!
Только вот подарочек оказался гнилым внутри.
На самом деле, несмотря на прекрасную отчетность, ISC практически ничего не производила и не разрабатывала, а по заказу АНБ и ЦРУ все 1970-е продавала в ЮАР (находящуюся официально под жесточайшими санкциями ООН за плохое отношение к неграм) новейшее американское оружие, средства РЭБ, связи и прочее.
В обмен на это ЮАР позволила церэушникам тайно построить станцию прослушки на мысе Доброй Надежды для слежения за советскими подводными лодками. Однако вышло так, что ЮАР решила поделиться американскими игрушками с Саддамом, и ЦРУ это сильно не понравилось.
Как бы так красиво свернуть весь бизнес и не спалиться, чтобы не отвечать на неприятные вопросы в ООН?
Выход нашли быстро – в 1988 сбагрили ISC британцам.
Те сначала очень обрадовались, а потом закопались поглубже и ахнули.
Оказалось, что никакого легального бизнеса, да и вообще производства, у ISC и в помине нет, все что есть – это бумаги о «произведенных» невероятных технологиях, нужные для отмывания оружейных денег.
Итогом стал невероятный скандал, тяжесть которого легла в основном на нового хозяина.
Основатель ISC Джеймс Гэрин (James Guerin) и 18 его партнеров, которых тащили в федеральную тюрьму на много-много лет, по дороге орали, что они не виноваты, и все было по согласию с АНБ и ЦРУ, но кто же поверит мошенникам?
В 1994 году Бобби Инмэн (Bobby Ray Inman), министр обороны при Клинтоне и член совета директоров ISC, тихонько ушел в отставку, и дело было окончательно замято.
Инмэн вообще был очень интересным человеком – при Рейгане был сначала директором АНБ, потом замдиректора ЦРУ, а параллельно – CEO в Microelectronics and Computer Technology Corporation, один из официальных попечителей Калтеха и член совета директоров Dell, AT&T, Massey Energy и той самой ISC.
В итоге немного заигравшиеся в шпионов американцы получили во время войны в заливе по башке своей же кассетной бомбой Mk 20 Rockeye II, которую по чертежам, переданным в ЮАР, для иракцев собрала чилийская Cardoen Industries, а Ferranti, опозоренная и разоренная, была в 1993 году поглощена Siemens-Plessley.
Советская CMOS связана на 90 % с микропроцессорами – клонами Intel, и к «Эльбрусу» не относится, поэтому мы ее опустим.
Автор: Алексей Ерёменко
Последнее редактирование: