Una breve historia del transistor MOS, Parte 5: RCA

Cuando Bell Labs anunció la creación del primer MOSFET en funcionamiento por Atallah y Kahng en 1960, RCA Labs se interesó de inmediato. Al igual que IBM Research, RCA Labs no estaba estrechamente relacionado con las operaciones de fabricación y desarrollo de productos de RCA. Los abundantes ingresos corporativos de RCA a principios de la década de 1950 acostumbraron a RCA Labs a tener mucho presupuesto, por lo que pudo explorar nuevas tecnologías prometedoras que no se convertirían en productos de inmediato.

Sin embargo, a fines de la década de 1950, las demandas exitosas de los competidores de RCA afectaron esos ingresos por licencias, y RCA Labs recurrió a contratos gubernamentales para complementar sus finanzas. Aunque tuvo un comienzo temprano en la investigación MOSFET, el trabajo de RCA en dispositivos y procesos MOS no produciría productos significativos durante muchos años, gracias en parte a esos contratos gubernamentales. Esos mismos contratos, sin embargo, impulsaron la investigación MOSFET de RCA para superar al resto de la industria, llevando a la empresa más allá de los circuitos integrados de canal p y n y directamente a CMOS, aunque en un camino más largo.

El primero de esos contratos gubernamentales, de la Fuerza Aérea de EE. UU., fue para la investigación del arseniuro de galio, un semiconductor compuesto. El arseniuro de galio era interesante porque prometía una velocidad más rápida que la que se podía lograr con silicio o germanio. RCA Labs invirtió una cantidad significativa de sus recursos para aprender lo que pudo sobre el arseniuro de galio. El segundo contrato del gobierno fue de otra agencia interesada en la electrónica rápida. La Agencia de Seguridad Nacional (NSA) inició el Proyecto Lightning en 1957, buscando desarrollar computadoras que fueran 1000 veces más rápidas que las más modernas en ese momento. RCA tenía interés en desarrollar una línea de computadoras comerciales, por lo que este contrato encajaba perfectamente con RCA Labs.

RCA Labs también comenzó a desarrollar "dispositivos semiconductores integrados", circuitos integrados, durante este período. Parece que RCA Labs estaba en camino de desarrollar circuitos integrados antes que Texas Instruments (TI) y Fairchild, pero aparentemente no pudo construir dispositivos totalmente funcionales. Luego, RCA Labs dio un giro equivocado y comenzó a considerar el transistor unipolar de Shockley como candidato para fabricar circuitos integrados. Ese trabajo resultó ser un callejón sin salida.

Frank Wanlass de Fairchild Semiconductor reveló su invención de CMOS, que combina MOSFET de canal p y n en una sola pieza de silicio, en 1963. Los investigadores de RCA Labs se aferraron a la invención. Aunque un proceso de semiconductor CMOS es mucho más complejo que un proceso MOS de canal p o n, CMOS prometía reducir el consumo de energía en un millón de veces. La mayoría de las empresas que desarrollan MOS se centraron en dispositivos de canal p porque eran más sencillos de fabricar. IBM se centró en fabricar dispositivos de canal n porque eran más rápidos. RCA Labs decidió que se centraría en CMOS por sus características de bajo consumo.

En 1965, RCA ganó un contrato de investigación y desarrollo de tres años de la Fuerza Aérea de EE. UU. para desarrollar circuitos CMOS. Los aspectos de bajo consumo de CMOS parecían importantes para futuros diseños de aviónica, y el contrato requería construir una computadora que usara memoria CMOS. El contrato de la Fuerza Aérea impulsó a RCA Labs, que dedicó casi todos sus recursos de investigación y desarrollo de MOS al desarrollo de CMOS. Es bueno que el contrato fuera por tres años, porque RCA Labs necesitaba superar muchos obstáculos técnicos en el camino para desarrollar circuitos integrados CMOS que funcionaran. Aunque fue difícil, RCA Labs parece haber progresado lo suficiente con su desarrollo de CMOS para atraer otro contrato gubernamental para el trabajo de CMOS. En 1967, la NASA otorgó un contrato a RCA Labs para la investigación de CMOS.

Un año después, RCA anunció piezas CMOS comerciales. Queriendo dar su propio giro a los circuitos integrados CMOS, RCA registró el nombre "COSMOS", que significa "COmplementary-Symmetry MOS". Todos los competidores de RCA tuvieron que quedarse con el nombre genérico: CMOS. RCA presentó la serie CD4000 de circuitos integrados digitales a pequeña escala basados ​​en su proceso CMOS. La serie CD4000 tuvo éxito con los diseñadores que necesitaban un bajo consumo de corriente en sus diseños. Sin embargo, CMOS era lento en comparación con la familia de lógica digital dominante de la época: los circuitos integrados TTL bipolares de la serie 7400.

Aunque la familia lógica CD4000 CMOS tuvo cierto éxito, RCA Labs no había dejado de perseguir líneas de investigación improductivas. El grupo de investigación de RCA también trabajó en una tecnología de proceso estrechamente relacionada llamada silicio sobre zafiro (SOS), que construye transistores de silicio sobre una losa de zafiro sintético. El zafiro es un aislante, por lo que el chip SOS tiene una capacitancia mucho menor y, por lo tanto, es mucho más rápido que los circuitos integrados MOS y CMOS convencionales. Sin embargo, el sustrato de zafiro agrega un costo significativo.

La Fuerza Aérea de los EE. UU. Cuidó el programa SOS de RCA durante años, pero no financió un programa importante de investigación de SOS, y RCA nunca puso los circuitos integrados SOS en plena producción. Los chips SOS eran mucho más caros de fabricar que los chips CMOS, y la velocidad adicional generalmente no justificaba el costo más alto. Sin embargo, unos años más tarde, Hewlett-Packard logró poner en producción algunos circuitos integrados basados ​​en SOS, incluidos chips de procesador para la serie de minicomputadoras HP 3000 y algunos chips HPIB rápidos destinados a aplicaciones de almacenamiento en disco.

Mientras tanto, RCA buscó aplicaciones comerciales para CMOS. A principios de la década de 1970, la empresa comenzó a desarrollar un microprocesador CMOS. En 1974, RCA anunció el microprocesador CDP1802 COSMAC, el primer diseño de microprocesador totalmente CMOS. El COSMAC tuvo éxito dondequiera que se necesitaba un microprocesador de bajo consumo, particularmente en diseños integrados con restricción de energía donde la velocidad no era importante. Por la misma razón, el microprocesador COSMAC se convirtió en el favorito de los desarrolladores de naves espaciales y fue elegido como microprocesador para la nave espacial Galileo, Magellan, el instrumento Analizador de Ondas de Plasma en la nave espacial Ulysses de la Agencia Espacial Europea y algunos instrumentos en el Telescopio Espacial Hubble. Al hacer limonada, RCA también construyó una versión del COSMAC con tecnología SOS, que confirió una tolerancia a la radiación superior.

A lo largo de la década de 1970, RCA fue la única empresa importante de semiconductores que siguió con CMOS, o COSMOS, porque los circuitos CMOS aún eran lentos en comparación con los circuitos integrados bipolares y NMOS. La mayoría de los proyectos requerían velocidad. A mediados de la década de 1970, los dispositivos PMOS se habían quedado en el camino y NMOS era el nuevo rey MOS. Sin embargo, en última instancia, RCA demostraría haber tenido razón todo el tiempo, porque CMOS se volvió rápido.

La empresa responsable de convertir CMOS en el demonio de la velocidad que es hoy en día fue un competidor de semiconductores poco probable: Hitachi. En agosto de 1977, Tsugio Makimoto se convirtió en el director del Departamento de Diseño de Memoria y Microprocesador (M&M) de Hitachi. Makimoto se incorporó a Hitachi en 1959, pero su carrera dio un giro descendente después de que el mercado de chips para calculadoras se agotara a principios de la década de 1970. Dirigía el departamento de chips de calculadoras y asumió la culpa por la pérdida de ingresos. La asignación de M&M le dio a Makimoto otra oportunidad, y la aprovechó al máximo, aunque enfrentó a Makimoto y su grupo contra Intel, que era el líder en tecnología MOS de la industria con sólidas líneas de productos en microprocesadores y memorias MOS.

Los Laboratorios Centrales de Investigación de Hitachi lograron un gran avance cuando Yoshio Sakai y Toshiaki Masuhara desarrollaron CMOS de dos pozos, que curaron a CMOS de su desventaja de velocidad. Makimoto y su grupo adoptaron el proceso CMOS de dos pozos y apuntaron a la RAM estática (SRAM) más rápida de Intel: la NMOS, 4 kbit 2147 SRAM. La memoria Intel 2147 tenía un tiempo de acceso mínimo de 55 nseg y consumía 115 miliamperios. En 1978, Hitachi anunció una versión CMOS del 2147 de Intel, el Hitachi 6147, que igualaba el tiempo de acceso de 55 nseg pero consumía solo 15 miliamperios. Toda la velocidad con un 86 por ciento menos de potencia. En 1979, Hitachi presentó el 6116, un CMOS SRAM de 16 kbit con un tiempo de acceso de 150 nseg. Estos dos SRAM CMOS de Hitachi fueron muy vendidos y entusiasmaron a los competidores de Hitachi en la industria de los semiconductores al demostrar que los circuitos integrados CMOS de baja potencia también podían ser rápidos. En unos pocos años, gracias a la persistencia de RCA y al proceso innovador de Hitachi, NMOS se unió a PMOS en el montón cada vez mayor de tecnologías de semiconductores obsoletas, y CMOS se convirtió en el rey de la colina.

Referencias

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

Agradezco a Robert Plachno, ex vicepresidente de ingeniería del fabricante de circuitos integrados CMOS Zytrex, quien finalmente respondió una pregunta candente que tuve durante muchos años: ¿Cómo se hizo más rápido el CMOS?

Categorías: Semiconductores

Empresas: STMicroelectronics, Intel, Renesas