Una breve historia del transistor MOS, Parte 6: Intel

May 08, 2023

Robert Noyce y Gordon Moore están íntimamente ligados a las tres empresas comerciales de semiconductores más importantes en la historia de los semiconductores. Primero, William Shockley reunió a Noyce y Moore en su laboratorio de semiconductores Shockley en Palo Alto, California, para desarrollar transistores de silicio. Aunque la empresa no logró desarrollar productos comercialmente exitosos, el equipo que reunió William Shockley fundó Fairchild Semiconductor, quizás la empresa de semiconductores más importante jamás creada porque generó muchas otras empresas de semiconductores y fue un factor importante en la creación de Silicon Valley.

En septiembre de 1957, ocho empleados de Shockley (Robert Noyce, Gordon Moore, Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last y Sheldon Roberts) se hartaron del estilo autocrático de Shockley, renunciaron en masa y fundaron Fairchild como empresa. subsidiaria de Fairchild Camera and Instrument, una empresa de tecnología de la costa este con operaciones de fabricación de fotografías y aeronaves. En poco tiempo, Fairchild Semiconductor desarrolló el proceso planar, la base tecnológica y de fabricación fundamental de la industria de los semiconductores durante más de medio siglo, y el circuito integrado, basado en el proceso planar. Los transistores y circuitos integrados de Fairchild ocuparon un lugar central en el mercado de la electrónica.

En 1968, Noyce y Moore vieron que Fairchild se estaba desmoronando. La empresa se había vuelto dominada por el estilo de gestión de la costa este, y parecía que Fairchild generaba empresas de semiconductores competidoras casi todas las semanas. Se estaba produciendo una grave fuga de cerebros. Además de eso, se había pasado por alto a Noyce cuando llegó el momento de nombrar un director ejecutivo para Fairchild, a favor de C. Lester Hogan. Al ver un barco hundirse, Noyce y Moore dejaron Fairchild en 1968 y fundaron NM Electronics, que rápidamente se convirtió en Intel.

Noyce y Moore fundaron Intel para ser una empresa de circuitos integrados de memoria porque Moore determinó que la memoria de semiconductores probablemente se beneficiaría de la tendencia de escalamiento exponencial que había descrito en un artículo de 1965 publicado en la revista "Electronics". Esa tendencia se conoció universalmente como la Ley de Moore, que en realidad no es una ley. Es una profecía autocumplida. Las compañías de semiconductores pronto se dieron cuenta de que o seguían la Ley de Moore o morían.

Debido a la sólida historia de Fairchild en semiconductores bipolares y debido a que su laboratorio de investigación y desarrollo de Fairchild había estudiado exhaustivamente los circuitos integrados MOS, Moore se mantuvo agnóstico acerca de los circuitos integrados bipolares frente a los MOS. Estaba dispuesto a intentar hacer memorias IC con ambos tipos de tecnologías de proceso.

Los primeros productos de memoria de Intel fueron la RAM bipolar 6101 de 64 bits y la ROM bipolar 3301 de 1 kbit. Estos no eran dispositivos grandes, pero demostraron que Intel había construido una fábrica de semiconductores en funcionamiento en 1969. El siguiente en salir fue el 1101, un PMOS SRAM de 256 bits. El 1101 demostró ser demasiado lento y demasiado pequeño para que los fabricantes de mainframe lo usaran como memoria principal en sus computadoras, por lo que no tuvo éxito comercial, pero utilizó el proceso de puerta de silicio desarrollado por Federico Faggin en Fairchild, justo antes de Noyce y Moore dejó esa empresa. Faggin todavía trabajaba para Fairchild en ese momento, pero él y su tecnología de puerta de silicio serían cruciales en el futuro inmediato de Intel.

Mientras tanto, Intel necesitaba un gran vendedor, y su siguiente IC de memoria, la revolucionaria DRAM 1103 de 1 Kbit, demostraría ser un éxito cuando se introdujo en octubre de 1970 y, después de varias iteraciones del diseño del troquel, funcionó. La DRAM 1103 y sus descendientes rápidamente sacaron del negocio a los fabricantes de memorias de núcleo magnético. Sin embargo, mientras Intel intentaba desarrollar un negocio de IC de memoria estándar de alto volumen, la empresa comenzó a aceptar contratos de IC personalizados para obtener algunos ingresos mientras intentaba desarrollar un producto de memoria comercialmente lucrativo.

Una de las empresas que se acercó a Intel con un contrato de IC personalizado fue una empresa japonesa de calculadoras llamada Busicom, que había desarrollado el diseño de una calculadora de escritorio programable. Busicom ya había firmado un acuerdo con Mostek para desarrollar un chip de calculadora personalizado para una calculadora simple de 4 botones que eventualmente se llamaría Busicom Junior. Ese chip de calculadora era el Mostek MK6010. Los chips de calculadora de un solo chip fueron la cúspide del diseño MOS LSI a fines de la década de 1960, y muchos proveedores de chips los desarrollaron.

Sin embargo, Busicom también planeó desarrollar una calculadora programable de alto rendimiento llamada 141-PF. Masatoshi Shima de Busicom desarrolló un conjunto de chips modular para la calculadora 141-PF. Su diseño propuso doce chips LSI diferentes, incluida una CPU de 3 chips, ROM que agregarían funciones opcionales, un chip controlador de teclado, un chip controlador de impresora y un chip controlador de pantalla. En lugar de binario, el conjunto de chips usaba aritmética decimal para los cálculos, que era la base para las calculadoras mecánicas de Busicom y otras.

Shima presentó su propuesta de conjunto de chips a Intel en 1969. Cada chip requeriría de 3000 a 4000 transistores, con 36 a 40 pines por paquete. Marcian "Ted" Hoff de Intel evaluó la propuesta de Shima y concluyó que Intel no podía desarrollar o fabricar el conjunto de chips de la calculadora como lo había diseñado Shima, por tres razones. En primer lugar, el proceso MOS de puerta de silicio desarrollado recientemente por Intel era capaz de meter unos 2000 transistores en un chip, aproximadamente la mitad del número que requeriría el diseño de Shima. En segundo lugar, Intel era una empresa de chips de memoria, por lo que los únicos paquetes de circuitos integrados que tenía a mano eran DIP de cerámica estrechos de 16 y 18 pines. Estos paquetes no podían adaptarse al diseño de Shima. Tercero, Intel no tenía suficientes diseñadores de chips para crear todos los diferentes diseños de chips de Shima. Solo había dos de esos diseñadores en toda la empresa.

Hoff era el único ingeniero a nivel de sistema de Intel. Estaba familiarizado con la minicomputadora PDP-8 de Digital Equipment Corp (DEC) y se dio cuenta de que podía reducir la complejidad lógica en el diseño de Shima cambiando más de los cálculos al software que se ejecuta en una CPU binaria de propósito general. Sin embargo, una versión de un solo chip de la arquitectura de minicomputadora PDP-8 de 12 bits de DEC estaba igualmente más allá de las capacidades de integración de Intel en ese momento, por lo que Hoff desarrolló una arquitectura para un procesador de 4 bits, que se ajustaba más a las necesidades computacionales de una calculadora.

Shima vio prometedora la propuesta de Hoff, pero no quedó demasiado impresionada porque la propuesta consistía en una descripción arquitectónica de muy alto nivel y carecía de detalles de implementación. A pesar de su arquitectura desconocida y centrada en el software, los ejecutivos de Busicom finalmente aprobaron la propuesta de diseño de Hoff porque parecía ofrecer una solución menos costosa.

Shima regresó a Japón en 1970 para volver a desarrollar el diseño de su calculadora basado en la arquitectura de Hoff. Regresó a Intel a principios de 1971 y descubrió que no se había logrado ningún progreso en el desarrollo del conjunto de chips del microprocesador durante los meses intermedios. Peor aún, cuando llegó, descubrió que Ted Hoff ahora estaba trabajando en un proyecto diferente. En cambio, Federico Faggin, que se había unido a Intel solo una semana antes de que Shima llegara de Japón, ahora estaba asignado al proyecto.

Así es como Faggin describió la situación en su sitio web:

"Me contrataron para ser el líder del proyecto "Busicom project". En 1969, Busicom había desarrollado el diseño de una familia de calculadoras y querían que Intel transfiriera su diseño al silicio. Su diseño era una CPU de propósito especial. -basada en una máquina con macro-instrucciones, ROM y memoria de lectura y escritura de registro de desplazamiento, dividida en 7 chips diferentes. La función de la CPU se distribuyó en tres chips separados. Cuando Ted Hoff vio el diseño de Busicom, se sorprendió por su complejidad y propuso una arquitectura simplificada basada en una CPU de 4 bits de un solo chip de propósito más general y chips separados para ROM con E/S, RAM con E/S y registro de desplazamiento.Después de la arquitectura básica y la especificación de estos cuatro -Se completó el conjunto de chips, llamado MCS-4, el proyecto se transfirió al grupo de diseño MOS para su implementación.

"Para un diseño personalizado típico, el cliente generalmente proporcionaba un diseño lógico verificado al proveedor de MOS para su implementación en silicio. La empresa de semiconductores luego traducía el diseño lógico del cliente en circuitos MOS apropiados, hacía el diseño del chip, creaba las máscaras, la software de prueba y, finalmente, producir los chips para el cliente Las empresas que fabrican chips personalizados MOS durante varios años han desarrollado una metodología de diseño y una serie de bloques de construcción de circuitos precaracterizados para ayudar en el desarrollo rápido y sin errores de chips.

"El diseño original que Busicom quería que Intel tradujera en siete chips personalizados ya estaba diseñado, y se construyó y verificó que fuera correcto en el nivel de la puerta lógica. Sin embargo, la propuesta de Hoff era solo conceptual y no se había realizado ningún diseño lógico o verificación. Dado que Intel se dedicaba al diseño de chips de memoria, no tenía experiencia con el diseño de chips de lógica aleatoria, no tenía una metodología de diseño ni bloques de construcción de circuitos precaracterizados.

"Además, el estilo de diseño requerido con la tecnología de puerta de silicio era bastante diferente a la lógica aleatoria con puerta de metal, para la cual ya existían metodologías. La caracterización y las pruebas de producción requerían probadores y métodos de prueba que Intel tampoco tenía. El día que me uní Intel, tenía por delante la tarea de realizar todo el diseño de lógica, circuitos y layout de los cuatro chips, caracterizarlos y pasarlos a producción, en seis meses, ese es el cronograma que Intel había acordado con Busicom seis meses antes, pero ¡no se había hecho nada desde entonces! También terminé diseñando y construyendo los probadores de caracterización y clasificación de obleas, mientras se compraba el probador de prueba final".

Shima ayudó a Faggin en todas las fases de desarrollo del proyecto. Aprendió a diseñar circuitos integrados utilizando las metodologías que Faggin desarrolló para Intel. Ayudó a verificar el diseño lógico, el diseño del chip y el diseño de Rubylith para el conjunto de chips del microprocesador. También desarrolló la mayor parte del diseño lógico de la CPU 4004, bajo la supervisión de Faggin. Trabajando a un ritmo vertiginoso, Faggin y Shima produjeron muestras de trabajo del conjunto de chips de la calculadora Busicom en solo nueve meses. Faggin dio vida al primer microprocesador 4004 en un probador en enero de 1971.

A mediados de 1971, Faggin se enteró de que Busicom estaba en problemas financieros durante una conversación telefónica con Shima, quien para entonces había regresado a Japón. Al mismo tiempo, Busicom estaba solicitando a Intel concesiones de precios en el conjunto de chips del microprocesador. Esta información ayudó a Noyce a realizar el nuevo acuerdo con Busicom, intercambiando las concesiones de precio solicitadas por el derecho a comercializar el primer conjunto de chips de microprocesador comercial del mundo, el Intel MCS-4.

A finales de 1971, Intel estaba tanto en el negocio de las memorias de semiconductores como en el de los microprocesadores. La empresa utilizó estas tecnologías para convertirse en el fabricante de semiconductores más vendido del mundo. Al principio, Intel desarrolló chips bipolares y PMOS. La DRAM Intel 1103 y el microprocesador 4004 de 4 bits y 8008 de 8 bits (introducidos en 1972) eran dispositivos PMOS. Cuando la empresa se dio cuenta de que solo las tecnologías de proceso MOS podrían cumplir la Ley de Moore, Intel abandonó su proceso bipolar. Después de que IBM demostró que se podía fabricar NMOS, Intel cambió a NMOS para poder fabricar dispositivos más rápidos. Los microprocesadores Intel 8080 (introducido en 1974) y 8085 (introducido en 1976) de 8 bits eran dispositivos NMOS. Después de que Hitachi demostró que CMOS podía ofrecer velocidades NMOS con un menor consumo de energía, Intel cambió a CMOS para sus diseños de microprocesadores. A lo largo de los años, Intel ha estado dispuesta a montar el mejor caballo de proceso disponible, ya sea bipolar o algún tipo de MOS, y ese viaje dura ya más de 50 años.

Referencias

Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas emergentes y el auge de la tecnología MOS, Ross Knox Bassett, 2002

Silicio: de la invención del microprocesador a la nueva ciencia de la conciencia, Federico Faggin, 2021

El microprocesador Intel 4004 y la tecnología Silicon Gate, sitio web de Federico Faggin

Di feliz 50 cumpleaños al microprocesador, parte I, Steve Leibson

Di feliz 50 cumpleaños al microprocesador, parte 2, Steve Leibson