Circuits intégrés logiques TTL et CMOS : les éléments constitutifs d'une révolution

May 03, 2023

Lorsque nous démarrons un nouveau projet électronique aujourd'hui, l'une des premières choses que nous avons tendance à faire est de choisir les circuits intégrés qui constituent le cœur de la conception. Cela peut aller d'un microcontrôleur et de divers circuits intégrés de contrôleur à une pincée de MOSFET, d'amplificateurs opérationnels et éventuellement de circuits intégrés logiques de la série 7400 ou 4000 pour lier les choses ensemble. Pourtant, il n'y a pas si longtemps que ce niveau d'intégration et de miniaturisation élevé était fermement dans le domaine de la science-fiction, même les modules NORBIT semblaient futuristes.

En commençant par la construction du premier transistor à contact ponctuel en 1947 et du transistor à jonction bipolaire (BJT) en 1948 aux Bell Labs, le monde de l'électronique allait bientôt voir le début de sa plus grande transformation à ce point. Pourtant, en raison des circonstances géopolitiques intéressantes du XXe siècle, cela a conduit à une situation fascinante de développement parallèle, de copie flagrante de conceptions et à l'une des histoires les plus fascinantes de l'histoire de la technologie des deux côtés du rideau de fer.

Après l'invention du transistor, il ne s'agissait bien sûr pas simplement de coller des transistors sur une puce en silicium pour créer des portes logiques, de les mettre dans un boîtier en plastique (ou en céramique) et de conquérir le monde de l'électronique numérique.

La première approche viable pour créer des portes logiques avec des transistors au début des années 1960 était la logique résistance-transistor (RTL), qui limitait le nombre de transistors nécessaires. À l'époque, les résistances étaient moins chères et les transistors étaient encore difficiles à fabriquer. Cette approche a été utilisée avec l'ordinateur de guidage Apollo, qui a été construit à l'aide de portes NOR discrètes basées sur RTL à 3 entrées.

La technologie de circuit logique à diode-transistor (DTL) concurrente avait les avantages d'utiliser moins d'énergie et de permettre beaucoup plus de fan-in (le nombre d'entrées prises en charge dans un circuit), ainsi que d'augmenter relativement facilement le fan-out (nombre de sorties) en utilisant des diodes et des transistors supplémentaires. Un inconvénient de DTL était que le délai de propagation à travers un circuit est relativement long en raison de la charge stockée dans la région de base des transistors.

Cela a conduit à un certain nombre de tentatives pour contrôler ce problème de saturation, y compris un condensateur supplémentaire, une pince Baker et le transistor Schottky. Le début des années 1960 a vu la sortie de puces logiques basées sur DTL, avec la série SE100 de Signetics, suivie de Fairchild avec la série 930 DTμL (micrologic). Après DTL, il y avait la logique transistor-transistor (TTL), qui est assez similaire à DTL, mais comme son nom l'indique, n'utilise que des transistors.

Les premières puces micrologiques TTL produites dans le commerce étaient la série Universal High-Logic Level (SUHL) de Sylvania et la série successeur SUHL II. Texas Instruments (TI) introduirait la série 5400 TTL pour les applications militaires en 1964, avec deux ans plus tard la série 7400 introduite pour les applications générales.

Un peu en parallèle, la logique couplée à l'émetteur (ECL) a également connu un succès continu dans les années 1980. Le principal avantage de l'ECL par rapport aux approches telles que RTL et DTL ainsi que TTL est que l'ECL est très rapide en raison de sa nature suivant l'émetteur, en utilisant un seul transistor à jonction bipolaire surexcité (BJT). La conception est telle qu'aucun des transistors utilisés n'est jamais en saturation, avec de petites variations de tension entre les niveaux haut et bas (0,8 V) qui permettent des temps de commutation relativement rapides.

Bien qu'ECL présente les inconvénients de nécessiter des alimentations électriques relativement compliquées à faible bruit et de tirer un courant constant, ses vitesses de commutation élevées en ont fait un choix évident dans les mainframes et autres applications où la vitesse était le facteur le plus important. Cela comprenait le super ordinateur Cray-1, ainsi qu'une gamme de mainframes IBM et VAX.

Cela contraste avec le développement du MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur), qui a vu ses principes de fonctionnement de base déjà proposés en 1926, mais a mis beaucoup plus de temps à être prêt pour la commercialisation que le BJT, même si les MOSFET offrent des avantages significatifs en termes de taille et d'échelle par rapport à ceux-ci. Pourtant, lorsque la technologie MOS est devenue prête pour la production de masse à la fin des années 1960, elle a provoqué une petite révolution qui a permis non seulement les puces logiques CMOS de la série 4000 encore courantes (introduites par RCA en 1968), mais aussi les microprocesseurs qui alimenteraient la maison. révolution informatique des années 1970.

Probablement une petite partie de l'histoire précédente n'est pas familière au lecteur moyen, mais là où les choses deviennent intéressantes, c'est avec le développement de ces technologies en Union soviétique et dans les pays alliés. Comme cette partie du monde entretenait des relations peu amicales avec les États-Unis et leurs alliés depuis les années 1940, elle a été largement exclue de la grande révolution des semi-conducteurs qui se déroulait principalement aux États-Unis.

Cela signifiait essentiellement que l'équipement de fabrication et le savoir-faire pour la fabrication de transistors et de MOSFET étaient sous embargo strict, les pays du premier monde étant interdits d'exporter de tels articles vers l'URSS et les territoires alliés. Lorsque nous examinons un document top secret de la CIA de 1976 (déclassifié en 1999) intitulé L'URSS cherche à construire une industrie avancée des semi-conducteurs avec des machines occidentales sous embargo, nous pouvons avoir une bonne idée de l'état des choses à ce moment-là.

Alors même que les États-Unis, l'Europe et le Japon développaient leurs industries respectives des semi-conducteurs, l'URSS accusait un sérieux retard. Bien que les dirigeants de l'URSS aient reconnu l'énorme avantage tactique que leur donnerait la technologie moderne des semi-conducteurs, ce n'était pas un inconvénient qu'ils surmonteraient facilement. Cela a conduit à un effort à grande échelle de la part de l'URSS pour importer illégalement des machines occidentales pour la fabrication de semi-conducteurs de pointe et copier toute technologie sur laquelle elle pouvait mettre la main.

Une partie du résultat de cela peut être trouvée dans les nombreux circuits intégrés logiques compatibles avec les circuits intégrés TTL de la série logique 7400. Alors que les fabricants européens suivraient le schéma de dénomination Pro Electron (par exemple FJH101 pour la porte NAND à 8 entrées 7403), les fabricants soviétiques et, dans une certaine mesure, du bloc de l'Est utilisaient le schéma de désignation IC soviétique. Cela a commencé avec la norme NP0.034.000 en 1968 qui a vu sa première mise à jour en 1973 avec GOST 18682—73.

Ce qui est remarquable avec les puces logiques IC produites pour le marché soviétique, c'est qu'elles utilisent un espacement des broches métrique (2,5 mm et 1,2 mm) plutôt qu'impérial (2,54 mm et 1,27 mm). Dans les pays du bloc de l'Est comme la Tchécoslovaquie, la Pologne et l'Allemagne de l'Est, divers schémas de désignation IC ont été utilisés, dont beaucoup correspondaient à l'équivalent occidental. En Allemagne de l'Est, par exemple, trois séries compatibles 7400 existaient - 6400, 7400 et 8400 - chacune ciblant un marché différent avec différentes plages de température et d'autres propriétés.

Encore plus déroutant, les puces logiques destinées à l'exportation seraient parfois marquées à l'aide de la désignation 7400 de style américain. L'utilisation de lettres cyrilliques au lieu de caractères latins peut également être très déroutante, en particulier lorsqu'un caractère cyrillique et latin se ressemble. La production continue de ces séries de circuits intégrés logiques après la dissolution de l'Union soviétique en 1991 dans des usines de semi-conducteurs qui peuvent ne pas proposer l'impression de caractères cyrilliques - forçant l'utilisation de caractères romanisés - a encore brouillé la dénomination ici.

Pour les personnes qui vivaient en URSS ou dans l'un de ses pays satellites, une grande partie de la révolution technologique des années 1960 aux années 1980 est passée largement inaperçue. En raison du manque de capacité de fabrication de semi-conducteurs en URSS, les circuits intégrés qui ont été produits se sont principalement retrouvés dans les équipements militaires et connexes, laissant des circuits intégrés moins nombreux et obsolètes pour le citoyen moyen, ce qui a également permis à la technologie des vannes de survivre en URSS pendant des décennies. grande partie de l'Occident.

Pourtant, avec la chute de l'Union soviétique, tout cela a changé. Les embargos contre l'URSS n'étant plus en place, les biens de consommation remplis de circuits intégrés occidentaux ont inondé les marchés d'Europe de l'Est et de Russie, provoquant la disparition rapide d'entreprises comme la tchécoslovaque Tesla, qui fabriquait à peu près tout l'électronique pour le marché local. .

Les contrats militaires et autres contrats à long terme ont assuré la survie du schéma de dénomination des CI soviétiques et des CI spéciaux à ce jour, mais les jours passionnants de l'espionnage contre l'espionnage de la guerre froide sont passés, laissant derrière eux une histoire étrangement divisée qui ne fera aucun doute. confondre beaucoup pour les décennies à venir.