Une brève histoire du transistor MOS, partie 5 : RCA

Lorsque Bell Labs a annoncé la création du premier MOSFET fonctionnel par Atallah et Kahng en 1960, RCA Labs a été immédiatement intéressé. Comme IBM Research, RCA Labs n'était pas étroitement lié aux opérations de développement et de fabrication de produits de RCA. Les revenus abondants de RCA au début des années 1950 ont habitué RCA Labs à disposer d'un budget conséquent, ce qui lui a permis d'explorer de nouvelles technologies prometteuses qui ne deviendraient pas des produits immédiatement.

Cependant, à la fin des années 1950, des poursuites judiciaires réussies par les concurrents de RCA ont rongé ces revenus de licence, et RCA Labs s'est tourné vers les contrats gouvernementaux pour compléter ses finances. Même s'il a démarré tôt la recherche sur les MOSFET, les travaux de RCA sur les dispositifs et les processus MOS ne produiront pas de produits significatifs pendant de nombreuses années, en partie grâce à ces contrats gouvernementaux. Ces mêmes contrats, cependant, ont poussé la recherche MOSFET de RCA à dépasser le reste de l'industrie, amenant l'entreprise au-delà des circuits intégrés à canaux p et n et directement au CMOS, bien que sur un chemin plus long.

Le premier de ces contrats gouvernementaux, de l'US Air Force, concernait la recherche sur l'arséniure de gallium, un semi-conducteur composé. L'arséniure de gallium était intéressant car il promettait une vitesse plus rapide que ce qui était réalisable avec du silicium ou du germanium. RCA Labs a investi une quantité importante de ses ressources pour apprendre ce qu'il pouvait sur l'arséniure de gallium. Le deuxième contrat gouvernemental provenait d'une autre agence intéressée par l'électronique rapide. La National Security Agency (NSA) a lancé le projet Lightning en 1957, cherchant à développer des ordinateurs 1000 fois plus rapides que l'état de l'art à l'époque. RCA avait un intérêt à développer une gamme d'ordinateurs commerciaux, ce contrat était donc un choix naturel pour RCA Labs.

RCA Labs a également commencé à développer des "dispositifs à semi-conducteurs intégrés", des circuits intégrés, au cours de cette période. Il semble que RCA Labs était sur la bonne voie pour développer des circuits intégrés avant Texas Instruments (TI) et Fairchild, mais n'a apparemment pas réussi à créer des dispositifs entièrement fonctionnels. RCA Labs a alors pris une mauvaise direction et a commencé à considérer le transistor unipolaire de Shockley comme un candidat pour la fabrication de circuits intégrés. Ce travail s'est avéré être une impasse.

Frank Wanlass de Fairchild Semiconductor a dévoilé son invention du CMOS, qui combine des MOSFET à canaux p et n sur un seul morceau de silicium, en 1963. Les chercheurs de RCA Labs se sont accrochés à l'invention. Bien qu'un processus de semi-conducteur CMOS soit beaucoup plus complexe qu'un processus MOS à canal p ou n, CMOS a promis de réduire la consommation d'énergie d'un million de fois. La plupart des entreprises développant des MOS se sont concentrées sur les dispositifs à canal p car ils étaient plus simples à fabriquer. IBM s'est concentré sur la fabrication d'appareils à canal n parce qu'ils étaient plus rapides. RCA Labs a décidé de se concentrer sur le CMOS pour ses caractéristiques de faible puissance.

En 1965, RCA a remporté un contrat de R&D de trois ans avec l'US Air Force pour développer des circuits CMOS. Les aspects de faible puissance du CMOS semblaient importants pour les futures conceptions d'avionique, et le contrat prévoyait la construction d'un ordinateur utilisant la mémoire CMOS. Le contrat de l'Air Force a galvanisé RCA Labs, qui a consacré presque toutes ses ressources de R&D MOS au développement CMOS. C'est une bonne chose que le contrat ait duré trois ans, car RCA Labs devait surmonter de nombreux obstacles techniques pour développer des circuits intégrés CMOS fonctionnels. Bien que cela ait été difficile, RCA Labs semble avoir fait suffisamment de progrès dans son développement CMOS pour attirer un autre contrat gouvernemental pour les travaux CMOS. En 1967, la NASA a attribué un contrat à RCA Labs pour la recherche CMOS.

Un an plus tard, RCA a annoncé des pièces CMOS commerciales. Voulant donner sa propre tournure aux circuits intégrés CMOS, RCA a déposé le nom "COSMOS", qui signifiait "COmplementary-Symmetry MOS". Tous les concurrents de RCA devaient s'en tenir au nom générique : CMOS. RCA a présenté la série CD4000 de circuits intégrés numériques à petite échelle basés sur son processus CMOS. La série CD4000 a été couronnée de succès auprès des concepteurs qui avaient besoin d'une faible consommation de courant dans leurs conceptions. Cependant, le CMOS était lent par rapport à la famille logique numérique dominante de l'époque : les circuits intégrés TTL bipolaires de la série 7400.

Bien que la famille logique CMOS CD4000 ait rencontré un certain succès, RCA Labs n'en a pas fini avec la poursuite de lignes de recherche improductives. Le groupe de recherche de RCA a également travaillé sur une technologie de processus étroitement liée appelée silicium sur saphir (SOS), qui construit des transistors en silicium sur une plaque de saphir synthétique. Le saphir est un isolant, de sorte que la puce SOS a une capacité beaucoup plus faible et est donc beaucoup plus rapide que les circuits intégrés MOS et CMOS conventionnels. Cependant, le substrat en saphir ajoute un coût significatif.

L'US Air Force a soutenu le programme SOS de RCA pendant des années, mais n'a pas financé un programme de recherche SOS majeur, et RCA n'a jamais mis les circuits intégrés SOS en pleine production. Les puces SOS étaient beaucoup plus chères à fabriquer que les puces CMOS, et la vitesse supplémentaire ne justifiait généralement pas le coût plus élevé. Cependant, quelques années plus tard, Hewlett-Packard a réussi à mettre en production quelques circuits intégrés basés sur SOS, y compris des puces de processeur pour la série de mini-ordinateurs HP 3000 et des puces HPIB rapides destinées aux applications de stockage sur disque.

Pendant ce temps, RCA a poursuivi des applications commerciales pour CMOS. Au début des années 1970, la société a commencé à développer un microprocesseur CMOS. En 1974, RCA a annoncé le microprocesseur CDP1802 COSMAC, la première conception de microprocesseur entièrement CMOS. Le COSMAC a réussi partout où un microprocesseur basse consommation était nécessaire, en particulier dans les conceptions embarquées à puissance limitée où la vitesse n'était pas importante. Pour la même raison, le microprocesseur COSMAC est devenu un favori pour les développeurs d'engins spatiaux et a été choisi comme microprocesseur pour l'engin spatial Galileo, Magellan, l'instrument Plasma Wave Analyzer sur l'engin spatial Ulysse de l'Agence spatiale européenne et certains instruments du télescope spatial Hubble. Faisant de la limonade, RCA a également construit une version du COSMAC avec la technologie SOS, qui conférait une tolérance supérieure aux radiations.

Tout au long des années 1970, RCA était la seule grande société de semi-conducteurs à s'en tenir au CMOS, ou COSMOS, car les circuits CMOS étaient encore lents par rapport aux circuits intégrés bipolaires et NMOS. La plupart des projets exigeaient de la rapidité. Au milieu des années 1970, les appareils PMOS étaient tombés au bord du chemin et NMOS était le nouveau roi MOS. En fin de compte, cependant, RCA s'est avéré avoir raison depuis le début, car le CMOS est devenu rapide.

L'entreprise responsable de la transformation du CMOS en démon de la vitesse qu'il est aujourd'hui était un concurrent improbable des semi-conducteurs : Hitachi. En août 1977, Tsugio Makimoto est devenu le chef de département du nouveau département de conception de mémoire et de microprocesseur (M&M) d'Hitachi. Makimoto a rejoint Hitachi en 1959, mais sa carrière a pris un tournant à la baisse après le tarissement du marché des puces pour calculatrices au début des années 1970. Il avait géré le département des puces de calculatrice et avait pris la responsabilité de la perte de revenus. La mission M&M a donné une autre chance à Makimoto, et il en a profité, même si cela a opposé Makimoto et son groupe à Intel, qui était le leader de la technologie MOS de l'industrie avec de solides gammes de produits dans les mémoires MOS et les microprocesseurs.

Les laboratoires de recherche centraux d'Hitachi ont fait une percée lorsque Yoshio Sakai et Toshiaki Masuhara ont développé le CMOS à double puits, qui a guéri le CMOS de son handicap de vitesse. Makimoto et son groupe ont adopté le processus CMOS à double puits et ont visé la RAM statique (SRAM) la plus rapide d'Intel : la NMOS, 4 kbit 2147 SRAM. La mémoire 2147 d'Intel avait un temps d'accès minimum de 55 nsec et consommait 115 milliampères. En 1978, Hitachi a annoncé une version CMOS du 2147 d'Intel, le Hitachi 6147, qui correspondait au temps d'accès de 55 nsec mais ne consommait que 15 milliampères. Toute la vitesse avec 86 % de puissance en moins. En 1979, Hitachi a présenté le 6116, une SRAM CMOS 16 kbit avec un temps d'accès de 150 nsec. Ces deux SRAM CMOS Hitachi étaient de gros vendeurs et ils ont électrifié les concurrents d'Hitachi dans l'industrie des semi-conducteurs en prouvant que les circuits intégrés CMOS basse consommation pouvaient également être rapides. En quelques années, grâce à la persistance de RCA et au processus innovant d'Hitachi, NMOS a rejoint PMOS sur le tas toujours croissant de technologies de semi-conducteurs obsolètes, et CMOS est devenu le roi de la colline.

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

Mes remerciements à Robert Plachno, ancien vice-président de l'ingénierie pour le fabricant de circuits intégrés CMOS Zytrex, qui a finalement répondu à une question brûlante que je me pose depuis de nombreuses années : comment le CMOS est-il devenu rapide ?

Catégories : Semi-conducteur

Sociétés : STMicroelectronics, Intel, Renesas