TTL- und CMOS-Logik-ICs: Die Bausteine ​​einer Revolution

May 03, 2023

Wenn wir heute ein neues Elektronikprojekt starten, ist es eines unserer ersten Dinge, die integrierten Schaltkreise auszuwählen, die den Kern des Designs bilden. Dies kann alles sein, von einem Mikrocontroller und verschiedenen Controller-ICs bis hin zu einer Reihe von MOSFETs, Operationsverstärkern und möglicherweise einigen Logik-ICs der 7400er- oder 4000er-Serie, um die Dinge miteinander zu verbinden. Dennoch ist es noch nicht lange her, dass dieser Grad an hoher Integration und Miniaturisierung fest im Bereich der Science-Fiction verankert war und sogar NORBIT-Module futuristisch wirkten.

Beginnend mit der Konstruktion des ersten Punktkontakttransistors im Jahr 1947 und des Bipolar-Junction-Transistors (BJT) im Jahr 1948 in den Bell Labs erlebte die Elektronikwelt bald den Beginn ihrer bis dahin größten Transformation. Doch aufgrund der interessanten geopolitischen Umstände des 20. Jahrhunderts kam es auf beiden Seiten des Eisernen Vorhangs zu einer faszinierenden Situation paralleler Entwicklung, eklatanter Nachahmung von Entwürfen und einer der faszinierendsten Geschichten der Technologiegeschichte.

Nach der Erfindung des Transistors ging es natürlich nicht einfach darum, einfach einige Transistoren auf einen Siliziumchip zu legen, um Logikgatter zu erstellen, sie in ein Kunststoff- (oder Keramik-) Gehäuse zu stecken und die Welt der digitalen Elektronik zu erobern.

Der erste praktikable Ansatz zur Herstellung von Logikgattern mit Transistoren war in den frühen 1960er Jahren die Widerstands-Transistor-Logik (RTL), die die Anzahl der benötigten Transistoren begrenzte. Damals waren Widerstände billiger und Transistoren noch schwer herzustellen. Dieser Ansatz wurde mit dem Apollo Guidance Computer verwendet, der mit diskreten RTL-basierten NOR-Gattern mit drei Eingängen gebaut wurde.

Die konkurrierende Dioden-Transistor-Logik (DTL)-Schaltungstechnologie hatte den Vorteil, dass sie weniger Strom verbrauchte und deutlich mehr Fan-In (die Anzahl der unterstützten Eingänge zu einer Schaltung) sowie eine relativ einfache Erhöhung des Fan-Outs (Anzahl) ermöglichte Anzahl der Ausgänge) durch den Einsatz zusätzlicher Dioden und Transistoren. Ein Nachteil von DTL bestand darin, dass die Ausbreitungsverzögerung durch eine Schaltung aufgrund der im Basisbereich der Transistoren gespeicherten Ladung relativ lang ist.

Dies führte zu einer Reihe von Versuchen, dieses Sättigungsproblem in den Griff zu bekommen, einschließlich eines zusätzlichen Kondensators, einer Baker-Klemme und des Schottky-Transistors. In den frühen 1960er Jahren wurden DTL-basierte Logikchips mit der SE100-Serie von Signetics auf den Markt gebracht, gefolgt von Fairchild mit der DTμL-Serie (Micrologic) der 930er-Serie. Auf DTL folgte die Transistor-Transistor-Logik (TTL), die der DTL ziemlich ähnlich ist, aber wie der Name schon sagt, nur Transistoren verwendet.

Die ersten kommerziell hergestellten TTL-Mikrologikchips waren Sylvanias Universal High-Logic Level (SUHL) und die Nachfolgeserie SUHL II. Texas Instruments (TI) führte 1964 die 5400-TTL-Serie für militärische Anwendungen ein, zwei Jahre später wurde die 7400-Serie für allgemeine Anwendungen eingeführt.

Etwas parallel dazu erlebte auch die emittergekoppelte Logik (ECL) bis in die 1980er Jahre anhaltenden Erfolg. Der Hauptvorteil von ECL gegenüber Ansätzen wie RTL und DTL sowie TTL besteht darin, dass ECL aufgrund seiner emitterfolgenden Natur sehr schnell ist und einen einzelnen übersteuerten Bipolar-Junction-Transistor (BJT) verwendet. Das Design ist so ausgelegt, dass sich keiner der verwendeten Transistoren jemals in der Sättigung befindet, wobei kleine Spannungsschwankungen zwischen hohen und niedrigen Pegeln (0,8 V) relativ schnelle Schaltzeiten ermöglichen.

Obwohl ECL den Nachteil hat, relativ komplizierte Netzteile mit geringem Rauschen zu benötigen und einen konstanten Strom zu ziehen, war es aufgrund seiner hohen Schaltgeschwindigkeiten eine naheliegende Wahl für Großrechner und andere Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit der wichtigste Faktor ist. Dazu gehörten der Supercomputer Cray-1 sowie eine Reihe von IBM- und VAX-Großrechnern.

Dies steht im Gegensatz zur Entwicklung des MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), dessen grundlegende Funktionsprinzipien bereits 1926 vorgeschlagen wurden, dessen Marktreife jedoch viel länger dauerte als der BJT, obwohl MOSFETs dies bieten erhebliche Größen- und Skalierungsvorteile gegenüber diesen. Doch als die MOS-Technologie Ende der 1960er Jahre serienreif wurde, löste sie eine kleine Revolution aus, die nicht nur die immer noch verbreiteten CMOS-Logikchips der 4000er-Serie (1968 von RCA eingeführt) ermöglichte, sondern auch die Mikroprozessoren, die das Haus mit Strom versorgten Computerrevolution der 1970er Jahre.

Wahrscheinlich ist dem durchschnittlichen Leser nur wenig von der vorangegangenen Geschichte unbekannt, aber interessant wird es mit der Entwicklung dieser Technologien in der Sowjetunion und verbündeten Nationen. Da dieser Teil der Welt seit den 1940er Jahren wenig freundschaftliche Beziehungen zu den USA und ihren Verbündeten unterhielt, blieb er von der großen Halbleiterrevolution, die vor allem in den USA stattfand, weitgehend außen vor.

Im Wesentlichen bedeutete dies, dass die Produktionsausrüstung und das Know-how für die Herstellung von Transistoren und MOSFETs einem strengen Embargo unterliegen und es den Ländern der Ersten Welt verboten ist, solche Artikel in die UdSSR und verbündete Gebiete zu exportieren. Wenn wir uns ein streng geheimes CIA-Dokument aus dem Jahr 1976 ansehen (das 1999 freigegeben wurde) mit dem Titel „Die UdSSR versucht, mit einem Embargo westlicher Maschinen eine fortschrittliche Halbleiterindustrie aufzubauen“, können wir einen guten Eindruck davon bekommen, wie der Stand der Dinge zu diesem Zeitpunkt war.

Selbst als die USA, Europa und Japan ihre jeweiligen Halbleiterindustrien ausbauten, hinkte die UdSSR deutlich hinterher. Obwohl die Führung der UdSSR den enormen taktischen Vorteil erkannte, den ihnen die moderne Halbleitertechnologie verschaffen würde, war dies kein Nachteil, den sie leicht überwinden würde. Dies führte zu einer groß angelegten Anstrengung der UdSSR, westliche Maschinen zur Herstellung modernster Halbleiter illegal zu importieren und jede Technologie zu kopieren, die sie in die Hände bekam.

Ein Teil davon ist in den vielen Logik-ICs zu finden, die mit den TTL-ICs der 7400-Logik-Serie kompatibel sind. Während die europäischen Hersteller dem Namensschema von Pro Electron folgten (z. B. FJH101 für das NAND-Gatter 7403 mit 8 Eingängen), verwendeten die sowjetischen und teilweise auch Ostblockhersteller das sowjetische IC-Bezeichnungsschema. Dies begann mit dem NP0.034.000-Standard im Jahr 1968, der 1973 mit GOST 18682–73 erstmals aktualisiert wurde.

Bemerkenswert bei IC-Logikchips, die für den sowjetischen Markt hergestellt werden, ist, dass sie metrische Stiftabstände (2,5 mm und 1,2 mm) anstelle von imperialen Stiftabständen (2,54 mm und 1,27 mm) verwenden. In Ostblockländern wie der Tschechoslowakei, Polen und Ostdeutschland wurden verschiedene IC-Bezeichnungsschemata verwendet, von denen viele mit dem westlichen Äquivalent übereinstimmten. In Ostdeutschland gab es beispielsweise drei 7400-kompatible Serien – 6400, 7400 und 8400 –, die jeweils auf einen anderen Markt mit unterschiedlichen Temperaturbereichen und anderen Eigenschaften abzielten.

Noch verwirrender ist, dass für den Export bestimmte Logikchips manchmal mit der US-amerikanischen Bezeichnung 7400 gekennzeichnet sind. Auch die Verwendung kyrillischer Schrift anstelle lateinischer Zeichen kann sehr verwirrend sein, insbesondere wenn kyrillische und lateinische Zeichen ähnlich aussehen. Die fortgesetzte Produktion dieser Logik-IC-Serien nach der Auflösung der Sowjetunion im Jahr 1991 in Halbleiterfabriken, die möglicherweise nicht das Drucken kyrillischer Zeichen ermöglichen und die Verwendung romanisierter Zeichen erzwingen, hat die Benennung hier weiter durcheinander gebracht.

Für die Menschen, die in der UdSSR oder einem ihrer Satellitenstaaten lebten, blieb ein Großteil der technologischen Revolution der 1960er bis 1980er Jahre weitgehend unbemerkt. Aufgrund des Mangels an Halbleiterfertigungskapazitäten in der UdSSR fanden die produzierten ICs größtenteils ihren Weg in militärische Ausrüstung und ähnliches, so dass für den Durchschnittsbürger kleinere und veraltete ICs übrig blieben, was auch dazu führte, dass die Ventiltechnologie in der UdSSR noch Jahrzehnte überlebte großer Teil des Westens.

Doch mit dem Fall der Sowjetunion änderte sich alles. Nachdem die Embargos gegen die UdSSR nicht mehr in Kraft waren, überschwemmten mit westlichen ICs gefüllte Konsumgüter die Märkte in Osteuropa und Russland, was zum raschen Niedergang von Unternehmen wie dem tschechoslowakischen Tesla führte, das dort praktisch die gesamte Elektronik für den lokalen Markt hergestellt hatte .

Militärische und andere langfristige Verträge stellten sicher, dass sowohl das sowjetische IC-Namensschema als auch spezielle ICs bis heute bestehen bleiben, aber die aufregenden Tage des Spionage-gegen-Spion-Wettbewerbs des Kalten Krieges sind vorbei und haben eine merkwürdig gespaltene Geschichte hinterlassen, die zweifellos in Erinnerung bleiben wird wird viele noch Jahrzehnte lang verwirren.