Eine kurze Geschichte des MOS-Transistors, Teil 5: RCA

Als Bell Labs 1960 die Entwicklung des ersten funktionierenden MOSFET durch Atallah und Kahng ankündigte, zeigte RCA Labs sofort Interesse. RCA Labs war wie IBM Research nicht eng mit den Produktentwicklungs- und Fertigungsaktivitäten von RCA verbunden. Aufgrund der hohen Unternehmenseinnahmen von RCA in den frühen 1950er Jahren war RCA Labs daran gewöhnt, über ein ausreichendes Budget zu verfügen, sodass das Unternehmen in der Lage war, vielversprechende neue Technologien zu erforschen, die nicht sofort zu Produkten werden würden.

Ende der 1950er-Jahre schmälerten jedoch erfolgreiche Klagen der Konkurrenten von RCA diese Lizenzeinnahmen, und RCA Labs griff auf Regierungsaufträge zurück, um seine Finanzen aufzubessern. Auch wenn RCA schon früh mit der MOSFET-Forschung begann, konnte die Arbeit an MOS-Geräten und -Prozessen viele Jahre lang keine nennenswerten Produkte hervorbringen, teilweise dank dieser Regierungsaufträge. Dieselben Verträge führten jedoch dazu, dass die MOSFET-Forschung von RCA den Rest der Branche überholte und das Unternehmen über p- und n-Kanal-ICs hinaus und direkt zu CMOS führte, wenn auch auf einem längeren Weg.

Der erste dieser Regierungsaufträge der US-Luftwaffe betraf die Erforschung von Galliumarsenid, einem Verbindungshalbleiter. Galliumarsenid war interessant, weil es eine höhere Geschwindigkeit versprach, als sie mit Silizium oder Germanium erreichbar war. RCA Labs investierte einen erheblichen Teil seiner Ressourcen, um möglichst viel über Galliumarsenid zu erfahren. Der zweite Regierungsauftrag stammte von einer anderen Agentur, die sich für schnelle Elektronik interessierte. Die National Security Agency (NSA) initiierte 1957 das Project Lightning mit dem Ziel, Computer zu entwickeln, die 1000-mal schneller waren als der damalige Stand der Technik. RCA hatte Interesse an der Entwicklung einer Reihe kommerzieller Computer, daher passte dieser Vertrag perfekt zu RCA Labs.

RCA Labs begann in dieser Zeit auch mit der Entwicklung „integrierter Halbleiterbauelemente“, ICs. Es scheint, dass RCA Labs vor Texas Instruments (TI) und Fairchild auf dem besten Weg war, ICs zu entwickeln, es aber offenbar nicht geschafft hat, voll funktionsfähige Geräte zu bauen. RCA Labs schlug dann den falschen Weg ein und begann, Shockleys Unipolartransistor als Kandidaten für die Herstellung von ICs in Betracht zu ziehen. Diese Arbeit erwies sich als Sackgasse.

Frank Wanlass von Fairchild Semiconductor veröffentlichte 1963 seine Erfindung des CMOS, bei dem p- und n-Kanal-MOSFETs auf einem Stück Silizium kombiniert werden. Forscher von RCA Labs machten sich auf die Erfindung ein. Obwohl ein CMOS-Halbleiterprozess weitaus komplexer ist als ein p- oder n-Kanal-MOS-Prozess, versprach CMOS eine millionenfache Reduzierung des Stromverbrauchs. Die meisten Unternehmen, die MOS entwickelten, konzentrierten sich auf p-Kanal-Geräte, weil diese einfacher herzustellen waren. IBM konzentrierte sich auf die Herstellung von N-Kanal-Geräten, weil diese schneller waren. RCA Labs beschloss, sich aufgrund seiner stromsparenden Eigenschaften auf CMOS zu konzentrieren.

Im Jahr 1965 erhielt RCA von der US Air Force einen dreijährigen Forschungs- und Entwicklungsauftrag zur Entwicklung von CMOS-Schaltkreisen. Die energiesparenden Aspekte von CMOS schienen für zukünftige Avionikdesigns wichtig zu sein, und der Vertrag sah den Bau eines Computers mit CMOS-Speicher vor. Der Air-Force-Vertrag motivierte RCA Labs, die nahezu alle MOS-Forschungs- und Entwicklungsressourcen für die CMOS-Entwicklung aufwendeten. Es ist gut, dass der Vertrag eine Laufzeit von drei Jahren hatte, denn RCA Labs musste auf dem Weg zur Entwicklung funktionierender CMOS-ICs viele technische Hürden überwinden. Obwohl es schwierig war, scheint RCA Labs mit seiner CMOS-Entwicklung genug Fortschritte gemacht zu haben, um einen weiteren Regierungsauftrag für CMOS-Arbeiten zu erhalten. 1967 vergab die NASA einen Auftrag an RCA Labs für die CMOS-Forschung.

Ein Jahr später kündigte RCA kommerzielle CMOS-Teile an. Um den CMOS-ICs eine eigene Note zu verleihen, ließ RCA den Namen „COSMOS“ schützen, der für „COmplementary-Symmetry MOS“ stand. Alle Konkurrenten von RCA mussten beim generischen Namen CMOS bleiben. RCA stellte die CD4000-Serie kleiner digitaler ICs vor, die auf seinem CMOS-Prozess basieren. Die CD4000-Serie war bei Designern erfolgreich, die bei ihren Designs einen geringen Stromverbrauch benötigten. Allerdings war CMOS im Vergleich zur damals dominierenden digitalen Logikfamilie langsam: den bipolaren TTL-ICs der Serie 7400.

Obwohl die CMOS-Logikfamilie CD4000 einigen Erfolg hatte, gab sich RCA Labs noch nicht damit zufrieden, unproduktive Forschungsrichtungen zu verfolgen. Die Forschungsgruppe von RCA arbeitete auch an einer eng verwandten Prozesstechnologie namens Silizium auf Saphir (SOS), bei der Siliziumtransistoren auf einer Platte aus synthetischem Saphir aufgebaut werden. Da der Saphir ein Isolator ist, hat der SOS-Chip eine viel geringere Kapazität und ist daher viel schneller als herkömmliche MOS- und CMOS-ICs. Allerdings verursacht das Saphirsubstrat erhebliche Kosten.

Die US Air Force hat das SOS-Programm von RCA jahrelang gefördert, aber kein großes SOS-Forschungsprogramm finanziert, und RCA hat SOS-ICs nie in vollem Umfang produziert. Die Herstellung von SOS-Chips war viel teurer als die von CMOS-Chips, und die höhere Geschwindigkeit rechtfertigte im Allgemeinen nicht die höheren Kosten. Einige Jahre später gelang es Hewlett-Packard jedoch, einige auf SOS basierende ICs in Produktion zu bringen, darunter Prozessorchips für die Minicomputer der HP 3000-Serie und einige schnelle HPIB-Chips für Festplattenspeicheranwendungen.

In der Zwischenzeit verfolgte RCA kommerzielle Anwendungen für CMOS. Anfang der 1970er Jahre begann das Unternehmen mit der Entwicklung eines CMOS-Mikroprozessors. 1974 kündigte RCA den COSMAC-Mikroprozessor CDP1802 an, das erste reine CMOS-Mikroprozessordesign. Der COSMAC war überall dort erfolgreich, wo Bedarf an einem Mikroprozessor mit geringem Stromverbrauch bestand, insbesondere bei eingebetteten Designs mit begrenzter Leistung, bei denen die Geschwindigkeit keine Rolle spielte. Aus dem gleichen Grund wurde der COSMAC-Mikroprozessor zu einem Favoriten für Raumfahrzeugentwickler und wurde als Mikroprozessor für die Raumsonde Galileo, Magellan, das Plasmawellenanalysatorinstrument auf der Raumsonde Ulysses der Europäischen Weltraumorganisation und einige Instrumente im Hubble-Weltraumteleskop ausgewählt. Zur Herstellung von Limonade baute RCA auch eine Version des COSMAC mit SOS-Technologie, die eine überlegene Strahlungstoleranz verlieh.

In den 1970er Jahren war RCA das einzige große Halbleiterunternehmen, das bei CMOS bzw. COSMOS blieb, da CMOS-Schaltkreise im Vergleich zu bipolaren und NMOS-ICs immer noch langsam waren. Bei den meisten Projekten war Schnelligkeit gefragt. Mitte der 1970er Jahre waren PMOS-Geräte auf der Strecke geblieben und NMOS war der neue MOS-König. Letztendlich sollte sich RCA jedoch als richtig erweisen, denn CMOS wurde schnell.

Das Unternehmen, das dafür verantwortlich war, CMOS zu dem Geschwindigkeitsdämonen zu machen, der es heute ist, war ein unwahrscheinlicher Halbleiterkonkurrent: Hitachi. Im August 1977 wurde Tsugio Makimoto Abteilungsleiter der neu gegründeten Speicher- und Mikroprozessor-Designabteilung (M&M) von Hitachi. Makimoto kam 1959 zu Hitachi, doch seine Karriere nahm einen Abschwung, nachdem der Markt für Rechnerchips Anfang der 1970er Jahre versiegte. Er hatte die Abteilung für Taschenrechnerchips geleitet und musste die Einnahmeverluste hinnehmen. Der M&M-Auftrag gab Makimoto eine weitere Chance, und er machte das Beste daraus, auch wenn Makimoto und seine Gruppe dabei gegen Intel antraten, das mit starken Produktlinien bei MOS-Speichern und Mikroprozessoren der Branchenführer in der MOS-Technologie war.

Den Central Research Laboratories von Hitachi gelang ein Durchbruch, als Yoshio Sakai und Toshiaki Masuhara ein Twin-Well-CMOS entwickelten, das den Geschwindigkeitsnachteil des CMOS beseitigte. Makimoto und seine Gruppe übernahmen den Twin-Well-CMOS-Prozess und zielten auf Intels schnellsten statischen RAM (SRAM): den NMOS, 4-kbit 2147 SRAM. Intels 2147-Speicher hatte eine minimale Zugriffszeit von 55 ns und verbrauchte 115 Milliampere. 1978 kündigte Hitachi eine CMOS-Version von Intels 2147 an, den Hitachi 6147, der die Zugriffszeit von 55 ns erreichte, aber nur 15 Milliampere verbrauchte. Volle Geschwindigkeit bei 86 Prozent weniger Leistung. 1979 stellte Hitachi den 6116 vor, einen 16-kbit-CMOS-SRAM mit einer Zugriffszeit von 150 ns. Diese beiden CMOS-SRAMs von Hitachi waren Verkaufsschlager und elektrisierten Hitachis Konkurrenten in der Halbleiterindustrie, indem sie bewiesen, dass CMOS-ICs mit geringem Stromverbrauch auch schnell sein können. Dank der Beharrlichkeit von RCA und des innovativen Prozesses von Hitachi gesellte sich NMOS innerhalb weniger Jahre zu PMOS auf dem ständig wachsenden Haufen veralteter Halbleitertechnologien und CMOS wurde zum König auf dem Hügel.

Verweise

Auf ins digitale Zeitalter: Forschungslabore, Start-up-Unternehmen und der Aufstieg der MOS-Technologie, Ross Knox Bassett, 2002

Mein Dank geht an Robert Plachno, ehemals VP of Engineering des CMOS-IC-Herstellers Zytrex, der endlich eine brennende Frage beantwortet hat, die mir seit vielen Jahren beschäftigt ist: Wie wurde CMOS schnell?

Kategorien: Halbleiter

Unternehmen: STMicroelectronics, Intel, Renesas