Une brève histoire du transistor MOS, partie 6 : Intel

May 08, 2023

Robert Noyce et Gordon Moore sont inextricablement liés aux trois plus importantes sociétés commerciales de semi-conducteurs de l'histoire des semi-conducteurs. William Shockley a d'abord réuni Noyce et Moore dans son laboratoire Shockley Semiconductor à Palo Alto, en Californie, pour développer des transistors au silicium. Bien que la société n'ait pas réussi à développer des produits à succès commercial, l'équipe que William Shockley a réunie a ensuite fondé Fairchild Semiconductor, peut-être la plus importante société de semi-conducteurs jamais créée, car elle a engendré tant d'autres sociétés de semi-conducteurs et a été un facteur majeur dans la création de la Silicon Valley.

En septembre 1957, huit employés de Shockley - Robert Noyce, Gordon Moore, Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last et Sheldon Roberts - en ont eu assez du style autocratique de Shockley, ont démissionné en masse et ont fondé Fairchild en tant que filiale de Fairchild Camera and Instrument, une société technologique de la côte Est avec des opérations de fabrication de photographies et d'avions. En peu de temps, Fairchild Semiconductor a développé le processus planaire, la base technologique et de fabrication de base de l'industrie des semi-conducteurs pendant plus d'un demi-siècle, et le circuit intégré, basé sur le processus planaire. Les transistors et les circuits intégrés de Fairchild ont occupé le devant de la scène sur le marché de l'électronique.

En 1968, Noyce et Moore ont vu que Fairchild s'effondrait. La société était devenue dominée par le style de gestion de la côte est, et il semblait que Fairchild engendrait des sociétés de semi-conducteurs concurrentes presque chaque semaine. Il y avait une grave fuite des cerveaux. En plus de cela, Noyce avait été ignoré au moment de nommer un PDG pour Fairchild, en faveur de C. Lester Hogan. Voyant un navire couler, Noyce et Moore quittent Fairchild en 1968 et fondent NM Electronics, qui devient rapidement Intel.

Noyce et Moore ont fondé Intel pour être une société de circuits intégrés de mémoire parce que Moore a déterminé que la mémoire à semi-conducteurs bénéficierait très probablement de la tendance de mise à l'échelle exponentielle qu'il avait décrite dans un article de 1965 publié dans le magazine "Electronics". Cette tendance est devenue universellement connue sous le nom de loi de Moore, qui n'est pas réellement une loi. C'est une prophétie auto-réalisatrice. Les sociétés de semi-conducteurs ont vite appris qu'elles suivaient la loi de Moore ou qu'elles mouraient.

En raison de la solide expérience de Fairchild dans les semi-conducteurs bipolaires et parce que son laboratoire de R&D Fairchild avait étudié en profondeur les circuits intégrés MOS, Moore est resté agnostique quant aux circuits intégrés bipolaires par rapport aux circuits intégrés MOS. Il était prêt à essayer de fabriquer des mémoires IC avec les deux types de technologies de processus.

Les premiers produits de mémoire d'Intel étaient la RAM bipolaire 6101 64 bits et la ROM bipolaire 3301 1 kbit. Ce n'étaient pas de gros appareils, mais ils ont prouvé qu'Intel avait construit une usine de semi-conducteurs en état de marche en 1969. Le suivant était le 1101, une SRAM PMOS 256 bits. Le 1101 s'est avéré trop lent et trop petit pour que les fabricants d'ordinateurs centraux l'utilisent comme mémoire principale dans leurs ordinateurs, il n'a donc pas eu de succès commercial, mais il a utilisé le processus de porte au silicium développé par Federico Faggin chez Fairchild, juste avant Noyce et Moore a quitté cette entreprise. Faggin travaillait toujours pour Fairchild à ce stade, mais lui et sa technologie silicon-gate deviendraient cruciaux dans l'avenir immédiat d'Intel.

Pendant ce temps, Intel avait besoin d'un gros vendeur, et son prochain circuit intégré de mémoire, la révolutionnaire DRAM 1-Kbit 1103, s'avérerait être un succès lors de son introduction en octobre 1970, et, après plusieurs itérations de la disposition des puces, cela a fonctionné. La DRAM 1103 et ses descendantes ont rapidement mis les fabricants de mémoires magnétiques à la faillite. Cependant, alors qu'Intel tentait de développer une activité de circuits intégrés de mémoire standard à haut volume, la société a commencé à conclure des contrats de circuits intégrés personnalisés pour générer des revenus tout en essayant de développer un produit de mémoire commercialement lucratif.

L'une des sociétés qui a approché Intel avec un contrat IC personnalisé était une société de calculatrices japonaise nommée Busicom, qui avait développé la conception d'une calculatrice de bureau programmable. Busicom avait déjà signé un accord avec Mostek pour développer une puce de calcul personnalisée pour une simple calculatrice à 4 coups qui serait finalement nommée Busicom Junior. Cette puce de calculatrice était la Mostek MK6010. Les puces de calcul à puce unique étaient l'apogée de la conception MOS LSI à la fin des années 1960, et de nombreux fournisseurs de puces les ont développées.

Cependant, Busicom prévoyait également de développer une calculatrice programmable hautes performances appelée 141-PF. Masatoshi Shima de Busicom a développé un chipset modulaire pour la calculatrice 141-PF. Sa conception proposait douze puces LSI différentes, dont un processeur à 3 puces, des ROM qui ajouteraient des fonctions optionnelles, une puce de contrôleur de clavier, une puce de contrôleur d'imprimante et une puce de contrôleur d'affichage. Au lieu du binaire, le chipset utilisait l'arithmétique décimale pour les calculs, qui était la base des calculatrices mécaniques de Busicom et d'autres.

Shima a présenté sa proposition de chipset à Intel en 1969. Chaque puce nécessiterait 3000 à 4000 transistors, avec 36 à 40 broches par boîtier. Marcian "Ted" Hoff d'Intel a évalué la proposition de Shima et a conclu qu'Intel ne pouvait pas développer ou fabriquer le chipset de la calculatrice tel que Shima l'avait conçu, pour trois raisons. Tout d'abord, le processus MOS à grille de silicium récemment développé par Intel était capable d'entasser environ 2000 transistors sur une puce, soit environ la moitié du nombre requis par la conception de Shima. Deuxièmement, Intel était une société de puces mémoire, de sorte que les seuls boîtiers de circuits intégrés dont elle disposait étaient des DIP céramiques étroits à 16 et 18 broches. Ces packages ne pouvaient pas s'adapter à la conception de Shima. Troisièmement, Intel n'avait pas suffisamment de concepteurs de puces pour créer tous les différents modèles de puces de Shima. Il n'y avait que deux designers de ce type dans toute l'entreprise.

Hoff était le seul ingénieur au niveau système d'Intel. Il connaissait le mini-ordinateur PDP-8 de Digital Equipment Corp (DEC) et s'est rendu compte qu'il pouvait réduire la complexité logique de la conception de Shima en transférant davantage de calculs vers un logiciel fonctionnant sur un processeur binaire à usage général. Cependant, une version à puce unique de l'architecture du mini-ordinateur PDP-8 12 bits de DEC dépassait également les capacités d'intégration d'Intel à l'époque, alors Hoff a développé une architecture pour un processeur 4 bits, qui correspondait plus étroitement aux besoins de calcul d'une calculatrice.

Shima a vu des promesses dans la proposition de Hoff mais n'en a pas été trop impressionné car la proposition consistait en une description architecturale de très haut niveau et manquait de détails de mise en œuvre. Malgré son architecture méconnue et centrée sur le logiciel, les dirigeants de Busicom ont finalement approuvé la proposition de conception de Hoff, car elle semblait offrir une solution moins coûteuse.

Shima est retourné au Japon en 1970 pour redévelopper sa conception de calculatrice basée sur l'architecture de Hoff. Il est retourné chez Intel au début de 1971 et a constaté qu'aucun progrès n'avait été fait dans le développement du jeu de puces du microprocesseur au cours des mois qui ont suivi. Pire, à son arrivée, il a constaté que Ted Hoff travaillait désormais sur un autre projet. Au lieu de cela, Federico Faggin, qui avait rejoint Intel juste une semaine avant l'arrivée de Shima du Japon, était désormais affecté au projet.

Voici comment Faggin a décrit la situation sur son site Web :

"J'ai été embauché pour être le chef de projet du" projet Busicom ". En 1969, Busicom avait développé la conception d'une famille de calculatrices, et ils voulaient qu'Intel transfère leur conception en silicium. Leur conception était un processeur à usage spécial. -machine basée sur des macro-instructions, une ROM et une mémoire de lecture-écriture à registre à décalage, partitionnée en 7 puces différentes. La fonction CPU était répartie sur trois puces distinctes. Lorsque Ted Hoff a vu la conception de Busicom, il a été surpris par sa complexité et a proposé une architecture simplifiée basée sur un processeur 4 bits à puce unique plus polyvalent et des puces séparées pour la ROM avec E / S, la RAM avec E / S et le registre à décalage. Après l'architecture de base et les spécifications de ces quatre -jeu de puces, appelé MCS-4, a été achevé, le projet a été transféré au groupe MOS Design pour la mise en œuvre.

"Pour une conception personnalisée typique, le client fournissait généralement une conception logique vérifiée au fournisseur MOS pour la mise en œuvre dans le silicium. La société de semi-conducteurs traduisait ensuite la conception logique du client en circuits MOS appropriés, faisait la disposition de la puce, créait les masques, le personnalisé tester le logiciel, et enfin produire les puces pour le client.Les entreprises qui fabriquent des puces personnalisées MOS depuis plusieurs années ont développé une méthodologie de conception et un certain nombre de blocs de construction de circuits pré-caractérisés pour aider au développement rapide et sans erreur des puces.

"La conception originale que Busicom voulait qu'Intel traduise en sept puces personnalisées était donc déjà conçue, et elle a été construite et vérifiée pour être correcte au niveau de la porte logique. La proposition de Hoff, cependant, n'était que conceptuelle et aucune conception ou vérification logique n'avait été Étant donné qu'Intel se consacrait à la conception de puces mémoire, il n'avait aucune expérience de la conception de puces logiques aléatoires ; il n'avait aucune méthodologie de conception et aucun bloc de construction de circuit pré-caractérisé.

"De plus, le style de conception requis avec la technologie de porte en silicium était assez différent de la logique aléatoire avec porte en métal, pour laquelle des méthodologies existaient déjà. La caractérisation et les tests de production nécessitaient des testeurs et des méthodes de test qu'Intel n'avait pas non plus. Le jour où j'ai rejoint Intel, j'avais devant moi la tâche de réaliser l'ensemble de la logique, du circuit et de la conception des quatre puces, de les caractériser et de les transférer en production, en six mois. C'est le calendrier qu'Intel avait convenu avec Busicom six mois plus tôt, mais aucun travail n'avait été fait depuis ! J'ai également fini par concevoir et construire les testeurs de caractérisation et de tri des plaquettes, tandis que le testeur de test final était en cours d'achat. »

Shima a assisté Faggin dans toutes les phases de développement du projet. Il a appris à concevoir des circuits intégrés en utilisant les méthodologies développées par Faggin pour Intel. Il a aidé à vérifier la conception logique, la disposition de la puce et l'illustration Rubylith pour le jeu de puces du microprocesseur. Il a également développé la majeure partie de la conception logique du processeur 4004, sous la supervision de Faggin. Travaillant à un rythme effréné, Faggin et Shima ont produit des échantillons de travail du chipset de la calculatrice Busicom en seulement neuf mois. Faggin a donné vie au premier microprocesseur 4004 sur un testeur en janvier 1971.

Au milieu de 1971, Faggin a appris que Busicom avait des problèmes financiers lors d'une conversation téléphonique avec Shima, qui était alors retournée au Japon. Dans le même temps, Busicom demandait à Intel des concessions de prix sur le jeu de puces du microprocesseur. Ces informations ont aidé Noyce à conclure le nouvel accord avec Busicom, échangeant les concessions de prix demandées contre le droit de commercialiser le premier jeu de puces à microprocesseur commercial au monde, l'Intel MCS-4.

À la fin de 1971, Intel était à la fois dans le secteur des mémoires à semi-conducteurs et dans celui des microprocesseurs. La société a exploité ces technologies pour devenir le fabricant de semi-conducteurs le plus vendu au monde. Au début, Intel a développé des puces bipolaires et PMOS. La DRAM Intel 1103 et les microprocesseurs 4 bits 4004 et 8 bits 8008 (introduits en 1972) étaient des dispositifs PMOS. Lorsque la société s'est rendu compte que seules les technologies de processus MOS seraient capables de respecter la loi de Moore, Intel a abandonné son processus bipolaire. Après qu'IBM ait prouvé que NMOS pouvait être fabriqué, Intel est passé à NMOS afin de pouvoir fabriquer des appareils plus rapides. Les microprocesseurs 8 bits Intel 8080 (introduits en 1974) et 8085 (introduits en 1976) étaient des dispositifs NMOS. Après qu'Hitachi ait prouvé que le CMOS pouvait fournir des vitesses NMOS avec une consommation d'énergie inférieure, Intel est passé au CMOS pour ses conceptions de microprocesseurs. Au fil des ans, Intel a été disposé à monter le meilleur cheval de processus disponible, qu'il soit bipolaire ou une saveur de MOS, et ce trajet dure maintenant depuis plus de 50 ans.

Les références

À l'ère numérique : les laboratoires de recherche, les entreprises en démarrage et l'essor de la technologie MOS, Ross Knox Bassett, 2002

Silicium : de l'invention du microprocesseur à la nouvelle science de la conscience, Federico Faggin, 2021

Le microprocesseur Intel 4004 et la technologie Silicon Gate, site Web de Federico Faggin

Dites joyeux 50e anniversaire au microprocesseur, partie I, Steve Leibson

Dites joyeux 50e anniversaire au microprocesseur, partie 2, Steve Leibson