TTL および CMOS ロジック IC: 革命の構成要素

May 03, 2023

今日、新しいエレクトロニクス プロジェクトを開始するとき、私たちが最初に行う傾向の 1 つは、設計の中核を構成する集積回路を選択することです。 これには、マイクロコントローラーやさまざまなコントローラー IC から、MOSFET、オペアンプ、および場合によっては 7400 または 4000 シリーズのロジック IC を組み合わせて接続するものまで、あらゆるものを使用できます。 しかし、このレベルの高集積化と小型化がしっかりと SF の領域に入ってからそれほど時間が経っておらず、NORBIT モジュールですら未来的であるように見えます。

1947 年に最初の点接触トランジスタが、1948 年にベル研究所でバイポーラ接合トランジスタ (BJT) が製造されたことから始まり、エレクトロニクスの世界は間もなく、その時点までの最大の変革の始まりを目にすることになります。 しかし、20 世紀の興味深い地政学的状況により、これは並行開発、設計の露骨なコピー、そして鉄のカーテンの両側でテクノロジー史上最も魅力的な物語の 1 つという興味深い状況をもたらしました。

トランジスタの発明後、もちろん、シリコン ダイ上にいくつかのトランジスタを叩きつけて論理ゲートを作成し、それをプラスチック (またはセラミック) パッケージに入れて、デジタル エレクトロニクスの世界を引き継ぐという単純な問題ではありませんでした。

1960 年代初期にトランジスタを使用して論理ゲートを作成するための最初の実行可能なアプローチは、必要なトランジスタの数を制限した抵抗トランジスタ ロジック (RTL) でした。 当時は抵抗器の方が安価で、トランジスタの製造はまだ困難でした。 このアプローチは、ディスクリート 3 入力 RTL ベースの NOR ゲートを使用して構築された Apollo ガイダンス コンピューターで使用されました。

競合するダイオード トランジスタ ロジック (DTL) 回路テクノロジには、消費電力が少なく、ファンイン (回路へのサポートされる入力数) を大幅に増やすことができ、さらにファンアウト (数) を比較的簡単に増やすことができるという利点がありました。追加のダイオードとトランジスタを使用することにより、出力の増加を可能にします。 DTL の欠点は、トランジスタのベース領域に電荷が蓄積されるため、回路内の伝播遅延が比較的長くなることでした。

このため、追加のコンデンサ、ベーカー クランプ、ショットキー トランジスタなど、この飽和の問題を制御するための多くの試みが行われました。 1960 年代初頭には、Signetics の SE100 シリーズで DTL ベースのロジック チップがリリースされ、続いて Fairchild の 930 シリーズ DTμL (マイクロロジック) シリーズがリリースされました。 DTL の次はトランジスタ-トランジスタ ロジック (TTL) でした。これは DTL によく似ていますが、その名前が示すように、トランジスタのみを使用します。

最初に商業的に生産された TTL マイクロロジック チップは、シルバニアのユニバーサル ハイロジック レベル (SUHL) とその後継の SUHL II シリーズでした。 テキサス・インスツルメンツ (TI) は 1964 年に軍事用途向けに 5400 TTL シリーズを発表し、その 2 年後に一般用途向けに 7400 シリーズを発表しました。

ある程度並行して、エミッタ結合ロジック (ECL) も 1980 年代まで継続的な成功を収めました。 RTL や DTL、TTL などのアプローチと比較した ECL の主な利点は、単一のオーバードライブされたバイポーラ接合トランジスタ (BJT) を使用するエミッタ追従特性により、ECL が非常に高速であることです。 この設計では、使用されるトランジスタがいずれも飽和状態にならず、高レベルと低レベル (0.8 V) の間の電圧振幅が小さいため、比較的高速なスイッチング時間が可能になります。

ECL には、低ノイズで比較的複雑な電源を必要とし、定電流を消費するという欠点がありますが、スイッチング速度が高いため、速度が最も重要な要素であるメインフレームやその他のアプリケーションでは当然の選択肢となりました。 これには、Cray-1 スーパー コンピューターのほか、さまざまな IBM および VAX メインフレームが含まれていました。

これは、基本的な動作原理が 1926 年にすでに提案されていた MOSFET (金属酸化物半導体電界効果トランジスタ) の開発とは対照的ですが、MOSFET は優れた機能を備えているにもかかわらず、商品化の準備が整うまでに BJT よりもはるかに長い時間がかかりました。これらに比べて、サイズとスケーリングに大きな利点があります。 しかし、1960 年代後半に MOS テクノロジーが大量生産の準備が整うと、まだ一般的な 4000 シリーズ CMOS ロジック チップ (1968 年に RCA によって導入) だけでなく、家庭に電力を供給するマイクロプロセッサも可能にする小さな革命を引き起こしました。 1970年代のコンピューター革命。

おそらくこれまでの歴史について、一般の読者には馴染みのないものはほとんどありませんが、興味深いのはソ連とその同盟国におけるこれらの技術の発展です。 世界のこの地域は1940年代以来、米国やその同盟国と友好的とは言えない関係にあったため、主に米国で起こっていた大きな半導体革命からほとんど取り残されていた。

これは本質的に、トランジスタやMOSFETを製造するための製造装置やノウハウが厳格な禁輸措置下に置かれ、第一世界諸国がそのような品目をソ連およびその同盟地域に輸出することを禁じられることを意味した。 1976年のCIAの極秘文書（1999年に機密解除）「ソ連は禁輸された西側機械で高度な半導体産業の構築を目指す」を見ると、当時の状況がどのようなものであったかについての良い印象を得ることができる。

米国、欧州、日本がそれぞれの半導体産業を強化していたにもかかわらず、ソ連は大きく遅れをとっていた。 ソ連指導部は、現代の半導体技術がもたらす大きな戦術的利点を認識していたが、これは容易に克服できる欠点ではなかった。 これは、最先端の半導体を製造するために西側の機械を違法に輸入し、入手可能なあらゆる技術をコピーするというソ連による大規模な取り組みにつながった。

この結果の一部は、7400 ロジック シリーズ TTL IC と互換性のある多くのロジック IC に見られます。 ヨーロッパのメーカーは Pro Electron 命名スキーム (たとえば、7403 8 入力 NAND ゲートの FJH101) に従う一方、ソビエトおよびある程度の東側諸国のメーカーはソビエトの IC 命名スキームを使用しました。 これは 1968 年の NP0.034.000 標準から始まり、1973 年に GOST 18682—73 で最初の更新が行われました。

ソビエト市場向けに製造された IC ロジック チップで注目に値するのは、インペリアル (2.54 mm および 1.27 mm) ではなくメートル単位のピン間隔 (2.5 mm および 1.2 mm) を使用していることです。 チェコスロバキア、ポーランド、東ドイツなどの東側諸国では、さまざまな IC 指定スキームが使用されており、その多くは西側の同等のものと一致しています。 たとえば、東ドイツには 3 つの 7400 互換シリーズ (6400、7400、および 8400) が存在し、それぞれが異なる温度範囲やその他の特性を持つ異なる市場をターゲットにしていました。

さらにややこしいのは、輸出向けに指定されたロジック チップには、米国式の 7400 という表記が使用される場合があることです。 ラテン文字の代わりにキリル文字を使用すると、特にキリル文字とラテン文字が似ている場合に非常に混乱を招く可能性があります。 1991年のソビエト連邦崩壊後も、キリル文字の印刷を提供していない可能性のある半導体工場でこれら一連のロジックICが継続的に生産されており、ローマ字の使用が強制されているため、ここでの命名はさらに混乱しています。

ソ連またはその衛星国に住んでいた人々にとって、1960 年代から 1980 年代にかけての技術革命の多くは、ほとんど注目されることなく過ぎ去っていました。 ソ連では半導体製造能力が不足していたため、生産されたICは主に軍需品や関連機器に使用され、一般の人々にはあまり普及していない時代遅れのICが残され、結果としてバルブ技術はソ連を超えて数十年にわたってソ連で生き残ることになった。西部の大部分。

しかし、ソビエト連邦の崩壊により、状況はすべて変わりました。 対ソ連の禁輸措置がなくなったことで、西側のICを搭載した消費財が東ヨーロッパやロシアの市場に氾濫し、現地市場向けにほぼすべての電子機器を製造していたチェコスロバキアのテスラのような企業が急速に消滅した。 。

軍事契約やその他の長期契約により、ソビエトの IC 命名体系と特別な IC の両方が今日まで存続することが保証されましたが、冷戦時代のスパイ対スパイの刺激的な日々は過ぎ去り、奇妙な分裂の歴史を残しました。今後数十年にわたって多くの人を混乱させるでしょう。