Circuiti integrati logici TTL e CMOS: ricordi di rivoluzione e guerra fredda

Quando si inizia un nuovo progetto di elettronica, una delle prime cose che si fa è quella di scegliere i componenti logici che costituiscono la base del progetto. Può essere qualsiasi cosa: un microcontrollore, vari circuiti integrati, MOSFET, amplificatori operazionali e magari anche alcuni circuiti integrati logici della serie 7400 o 4000. Eppure non è passato molto tempo da quando tutto questa disponibilità e livello di miniaturizzazione, veniva vista come qualcosa di fantascientifico ed anche i moduli NORBIT sembravano venire direttamente dal futuro.

A partire dalla costruzione del primo transistor nel 1947 e del transistor bipolare a giunzione (BJT) nel 1948 presso i Bell Labs, è iniziata una nuova era per il mondo dell’elettronica. Tuttavia, a causa delle circostanze geopolitiche del 20° secolo, si è creata un’affascinante situazione di sviluppo parallelo, con copie sfacciate di progetti ed un susseguirsi di determinate situazioni che hanno reso una “semplice” storia di innovazione, una delle storie tecnologiche più affascinanti.

Nuove tecnologie in abbondanza

Il primo approccio per la creazione di porte logiche con transistor all’inizio degli anni ’60 è stato la logica resistore-transistor (RTL), che riduceva il numero di transistor. A quel tempo, i resistori erano abbastanza economici, mentre i transistor risultavano ostici da produrre. Questa logica RTL è stata utilizzata anche per la realizzazione dell’Apollo Guidance Computer, costruito utilizzando dei gate NOR discreti a 3 ingressi basati su RTL.

Immagine 1: Doppia porta NOR a 3 ingressi implementata in RTL come utilizzata nell’Apollo Guidance Computer. (Credito: NASA)

La tecnologia diodo-transistor (DTL) presentava diversi vantaggi, tra i quali il ridotto consumo energetico ed il supporto di un numero maggiore di ingressi su un singolo circuito, oltre che semplificare l’espansione del numero di uscite, tramite dei diodi e transistor aggiuntivi.
Uno svantaggio del DTL era invece il ritardo di propagazione del segnale relativamente grande.

Sono stati diversi i tentativi per cercare di controllare il problema di saturazione, tra i quali l’utilizzo di un condensatore aggiuntivo, un morsetto Baker e il transistor Schottky.
I primi anni ’60 videro la nascita ed il rilascio di chip logici basati su DTL, con la serie SE100 di Signetics, seguita da Fairchild con la serie DTμL (micrologica) della serie 930.

A seguire la DTL è venuta la logica transistor-transistor (TTL), che è abbastanza simile a DTL, ma a differenza di quest’ultima utilizza solo dei transistor.

I primi chip TTL prodotti e commercializzati sono stati gli Universal High-Logic Level (SUHL) di Sylvania e la successiva serie SUHL II. Texas Instruments nel 1964 ha introdotto la serie 5400 TTL per applicazioni militari e dopo due anni ha commercializzato la serie 7400 per applicazioni commerciali.

Quasi in contemporanea, anche la logica accoppiata all’emettitore (ECL) ha riscosso un buon successo negli anni ’80.
Il vantaggio principale dell’ECL rispetto a soluzioni come RTL, DTL e TTL è dato dalla sua alta velocità.
Nessuno dei transistor è mai in saturazione e le basse oscillazioni di tensione tra lo stato logico alto e basso sono abbastanza piccole (0,8 V), consentendo rapidi tempi di commutazione.

Sebbene l’ECL necessita di alimentatori più sofisticati a basso rumore, la sua elevata velocità di commutazione lo hanno reso la prima scelta per la costruzione di mainframe e per altre applicazioni in cui la velocità è molto importante. Ciò includeva il super computer Cray-1, nonché una gamma di mainframe IBM e VAX.

Lo sviluppo del MOSFET è stato un processo abbastanza lento. Mentre nel campo dei circuiti integrati si stavano facendo dei grandi progressi in poco tempo, i mosfet non erano ancora pronti per la commercializzazione rispetto ai BJT.
Quando la tecnologia MOS divenne matura per la produzione di massa alla fine degli anni ’60, rivoluzionò a sua volta non soltanto lo sviluppo dei chip logici CMOS della serie 4000 (introdotti da RCA nel 1968), ma anche il mondo dei microprocessori che permisero all’informatica degli anni ’70 di fare un passo in avanti.

Controlli ed embarghi

Arrivò il momento in cui anche nell’Unione Sovietica e nelle nazioni sue alleate, iniziò la ricerca e sviluppo su queste tecnologie. Siccome questa parte del mondo aveva relazioni tutt’altro che amichevoli con gli Stati Uniti e gli alleati sin dagli anni ’40, ha risentito parecchio dall’esclusione da parte degli Stati Uniti.

I macchinari per la produzione e il know-how dei transistor e MOSFET erano sotto stretto embargo, con il divieto ai paesi del Primo Mondo di esportare tali articoli nell’URSS e nei suoi territori alleati.
Nel 1976 è stato persino redatto un documento top secret dalla CIA (declassificato nel 1999) intitolato USSR Seeks to Build Advanced Semiconductor Industry With Embargoed Western Machinery.

L’URSS era in grave ritardo rispetto gli Stati Uniti, Europa e Giappone, che nel frattempo stavano facendo grandi progressi nell’industria dei semiconduttori. La leadership dell’URSS ha quindi dovuto gestire diversi problemi, che l’hanno portata a fare uno sforzo non indifferente per poter importare illecitamente macchinari occidentali all’avanguardia per la produzione di semiconduttori ed organizzarsi per copiare qualsiasi tecnologia su cui potessero mettere le mani.

Gli standard

Immagine 2: Quattro circuiti integrati TTL: cecoslovacco MH74S00, Texas Instruments SN74S251N, tedesco orientale DL004D (74LS04), sovietico K155LA13 (7438).

Mentre i produttori europei hanno seguito lo schema di denominazione Pro Electron (ad esempio FJH101 per il gate NAND 7403 a 8 ingressi), i produttori sovietici ed altri orientali hanno invece adottato lo schema di designazione sovietico. Ciò è iniziato con lo standard NP0.034.000 nel 1968 che ha visto il suo primo aggiornamento nel 1973 con GOST 18682-73.

I circuiti integrati provenienti dal mercato sovietico, come unità di misura per misurare la spaziatura dei pin utilizza la metrica (2,5 mm e 1,2 mm) anziché quella imperiale (2,54 mm e 1,27 mm). Nei paesi orientali come la Cecoslovacchia, la Polonia e la Germania dell’Est, sono stati utilizzati vari altri metodi. Nella Germania dell’Est, ad esempio, esistevano tre serie compatibili, ciascuna destinata ad un mercato diverso.

Immagine 3: Prefissi dei chip logici della serie 7400 dell’Europa orientale.

I chip logici designati per l’esportazione a volte venivano contrassegnati utilizzando la designazione 7400 in stile americano.

Trasformare il ferro in silicio

Immagine 4: Vetrate con il logo della società cecoslovacca Tesla.  Autore: František Hudeček.

Per coloro che vivevano nell’URSS o in una qualsiasi delle sue nazioni satellite, gran parte della rivoluzione tecnologica degli anni ’60 e ’80 è passata inosservata. Questo a causa della mancanza di capacità di produzione di semiconduttori in URSS.
I circuiti integrati che sono stati prodotti sono stati impiegati principalmente nell’equipaggiamento militare e affini, lasciando circuiti integrati meno recenti e obsoleti per altre applicazioni. Ad esempio è proprio per questo motivo che la tecnologia delle valvole sopravvisse all’URSS per decenni.

Eppure con la caduta dell’Unione Sovietica cambiò tutto: con l’eliminazione dell’embargo URSS i beni di consumo pieni zeppi di circuiti integrati occidentali hanno invaso i mercati dell’Europa orientale e della Russia, provocando anche la rapida scomparsa di aziende come la cecoslovacca Tesla, che produceva quasi tutta l’elettronica per il mercato locale.

Diversi standard sono sopravvissuti fino ai nostri giorni, come il metodo di denominazione degli IC, ma per fortuna gli emozionanti giorni di spionaggio della Guerra Fredda sono passati, lasciando dietro di sé una storia stranamente discutibile e confusa.

Articolo originale: https://hackaday.com/2021/12/06/ttl-and-cmos-logic-ics-the-building-blocks-of-a-revolution/

Redazione Fare Elettronica