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

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 des séries 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 réel 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 20e 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.

Un assortiment de nouvelles technologies

Double porte NOR implémentée dans RTL telle qu'elle est utilisée dans l'ordinateur de guidage Apollo.
Double porte NOR à 3 entrées implémentée dans RTL tel qu’utilisé dans l’ordinateur de guidage Apollo. (Crédit : NASA)

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 placer 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 à 3 entrées basées sur RTL.

La technologie de circuit logique à transistors à diodes (DTL) concurrente avait l’avantage 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 du 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 DTμL (micrologic) de la série 930. DTL a été suivi par la logique transistor-transistor (TTL), qui est assez similaire au DTL, mais comme son nom l’indique, n’utilise que des transistors.

Les premières puces micrologiques TTL produites commercialement étaient le niveau logique élevé universel (SUHL) de Sylvania et la série SUHL II qui lui a succédé. Texas Instruments (TI) introduira 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 à couplage d’émetteurs (ECL) a également connu un succès continu dans les années 1980. Le principal avantage d’ECL par rapport à des approches telles que RTL et DTL ainsi que TTL est que l’ECL est très rapide en raison de sa nature de suivi d’émetteur, utilisant un seul transistor à jonction bipolaire surchargé (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 que l’ECL présente l’inconvénient de nécessiter des alimentations relativement compliquées avec un faible bruit et un courant constant, ses vitesses de commutation élevées en ont fait un choix évident dans les ordinateurs centraux 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-semiconducteur), 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 en série à la fin des années 1960, elle a provoqué une petite révolution qui a permis non seulement aux puces logiques CMOS encore courantes de la série 4000 (introduites par RCA en 1968), mais aussi aux microprocesseurs qui alimenteraient la maison révolution informatique des années 1970.

Se renseigner auprès de la CIA

Le lecteur moyen ne connaît probablement pas grand-chose de l’histoire précédente, 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.

Essentiellement, cela signifiait 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. Quand on regarde 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 impression de l’état des choses à ce moment-là.

Alors même que les États-Unis, l’Europe et le Japon développaient leurs industries respectives de semi-conducteurs, l’URSS était à la traîne. 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 pourraient facilement surmonter. Cela a conduit à un effort à grande échelle de l’URSS pour importer illégalement des machines occidentales pour la fabrication de semi-conducteurs de pointe et copier toute technologie sur laquelle ils pouvaient mettre la main.

Les joies des normes

Quatre circuits intégrés TTL : tchécoslovaque MH74S00, Texas Instruments SN74S251N, est-allemand DL004D (74LS04), soviétique K155LA13 (7438).
Quatre circuits intégrés TTL : tchécoslovaque MH74S00, Texas Instruments SN74S251N, est-allemand DL004D (74LS04), soviétique K155LA13 (7438).

Une partie du résultat de ceci peut être trouvée dans les nombreux circuits intégrés logiques compatibles avec les circuits intégrés TTL de la série 7400 logiques. Alors que les fabricants européens suivraient le schéma de nommage Pro Electron (par exemple FJH101 pour la porte NAND 7403 à 8 entrées), les fabricants soviétiques et dans une certaine mesure du bloc de l’Est utilisaient le schéma de désignation soviétique des circuits intégrés. 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.

Les puces logiques IC produites pour le marché soviétique utilisent un espacement métrique des broches (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, nombre d’entre eux correspondant à l’équivalent occidental. En Allemagne de l’Est, par exemple, il existait trois séries compatibles 7400 – 6400, 7400 et 8400 – chacune ciblant un marché différent avec des plages de température et d’autres propriétés différentes.

Préfixes de la série 7400 d'Europe de l'Est.
Préfixes des puces logiques de la série 7400 d’Europe de l’Est.

Encore plus confus, les puces logiques désignées pour 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, surtout lorsqu’un caractère cyrillique et latin se ressemblent. 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 n’offrent peut-être pas l’impression de caractères cyrilliques – forçant l’utilisation de caractères romanisés – a encore plus brouillé la dénomination ici.

Transformer le fer en silicium

Vitrail avec logo de la société tchécoslovaque Tesla Radio à Pasáž Světozor, Vodičkova ulice, Praha.  Auteur : František Hudeček.
Vitrail avec logo de la société tchécoslovaque Tesla Radio à Pasáž Světozor, Vodičkova ulice, Praha. (Crédit : František Hudeček)

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 en grande partie 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 inférieurs et obsolètes pour le citoyen moyen, ce qui a également permis à la technologie des valves de survivre en URSS pendant des décennies au-delà. une grande partie de l’Occident.

Pourtant, avec la chute de l’Union soviétique, tout a changé. Les embargos contre l’URSS n’étant plus en place, des 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 là-bas. .

Les contrats militaires et autres contrats à long terme ont garanti que le schéma de nommage des circuits intégrés soviétiques et les circuits intégrés spéciaux survivent à ce jour, mais les jours passionnants de l’espionnage contre l’espionnage de la guerre froide sont révolus, laissant derrière eux une histoire étrangement divisée qui ne fera aucun doute. confondre beaucoup pour les décennies à venir.

[Heading image: The TU60 (timer circuit) part of 60-series NORBIT 2 family next to a CMOS integrated circuit. (Credit: Mister rf)]