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Technische Universität Berlin Institut für Mikroelektronik Lukas Bauer 2. Kapitel Dissertation Perspektiven des modernen ASIC-Designs ASICs – Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen 2.1 Historische Entwicklung 2.1.1 Von den Anfängen der Mikroelektronik zur TTL-bestückten Leiterplatte Kapitel 2 Seite 6 Eine fundamentale Voraussetzung für die Konstruktion aktiver Analogschaltungen oder stabil arbeitender Digitalelektronik stellt die Verfügbarkeit spannungs- oder stromverstärkender Bauelemente dar. Lange Zeit kamen hierfür nur Elektronenröhren oder im Digitalbereich Relais in Frage, deren Herstellungskosten und deren begrenzte Lebensdauer die Komplexität der Schaltungen stark limitierten: Ein Elektronenröhrenrechner des Typs UNIVAC von 1946 (8 Tonnen, 125kW, 1000 Rechenoperationen pro Sekunde, ab 1951 kommerziell erhältlich für 1 Million US- Dollar) enthielt ca. 5000 Röhren und konnte im statistischen Mittel nur einige Stunden lang betrieben werden, bevor eine Röhre ausfiel. Mit Erfindung des Transistors im Jahre 1947 (s. Abbildung 2-1) stand erstmals ein verschleißfreies, stromverstärkendesFestkörper-Bauelement zur Verfügung, das zwar anfangs noch sehr teuer war, sich aber aufgrund seiner Zuverlässigkeit und seiner elektrischen Eigenschaften immer mehr gegenüber den älteren Bauteilen durchsetzte. Ab 1957 wurden Transistoren zu mehreren auf einer einzigen Scheibe aus Halbleitermaterial gefertigt (Planartechnologie), um anschließend getrennt verarbeitet zu werden. 1958 hatte dann Jack Kilby die Idee, auch andere Bauteile wie Widerstände und Kondensatoren mit den gleichen fotografischen Verfahren und Diffusionsprozessen auf demselben Stück Halbleitermaterial herzustellen wie die Transistoren selbst. Indem er die Bauteile anschließend mit feinen Drähten verband, fertigte er so die erste monolithische integrierte Schaltung, einen „Phase- Shift Oscillator“, bestehend aus einem Transistor und einigen weiteren Bauteilen (Abbildung 2-2). Wenig später gelang es sogar, auch die Verbindungen zwischen den Bauelementen in einem Arbeitsschritt herzustellen, indem die Oberfläche der Halbleiterscheibe metallisiert und die Metallschicht nach einer Abbildung 2-1: Prototyp des ersten Transistors, erfunden 1947 von Shockley, Bardeen und Brattain. Ein Plexiglasdreieck, dessen Schenkel getrennt mit Goldfolie belegt sind, wird auf ein Germaniumplättchen gedrückt, wodurch im Halbleitermaterial golddotierte Gebiete entstehen (Foto: Bell Laboratories). Abbildung 2-2: Labormuster der ersten integrierten Schaltung von 1958 (Foto: Texas Instruments) fotografisch übertragenen Vorlage partiell weggeätzt wurde, so dass nur die gewünschten Verbindungen übrigblieben. Hiermit war der Grundstein gelegt, mit wenigen Arbeitsschritten elektronische (Teil)schaltungen unabhängig von der Anzahl der enthaltenen Bauteile zu fertigen, was bei nahezu unveränderten Prinzipien durch Verkleinerung der Strukturen bis heute ein ungeahntes Wachstum der Schaltungskomplexitäten ermöglicht hat. Bereits 1961 stellte Texas Instruments den ersten IC-basierten Mikrocomputer vor, der aus 587 digitalen integrierten Schaltungen, namentlich RS-Flipflops, NOR-Gattern und Treibern,
Technische Universität Berlin Institut für Mikroelektronik Lukas Bauer Dissertation Perspektiven des modernen ASIC-Designs Kapitel 2.1 Seite 7 bestand. Die Komplexität der Logikbausteine wurde in den folgenden Jahren schrittweise gesteigert, und ICs wurden als kommerzielles Produkt verfügbar. Das bekannteste Beispiel ist die 1964 ebenfalls von Texas Instruments eingeführte Bausteinfamilie 5400 (bzw. 7400), in der diverse Gatter, Flipflops und einfache Logikbaugruppen in TTL-Technologie als integrierte Schaltungen im bis heute nahezu unveränderten DIP14-Gehäuse angeboten wurden. 1968 folgte von RCA die stromsparende CMOS-Logikfamilie CD4000. Der erste monolithisch integrierte Mikroprozessor (Abbildung 2-3) wurde 1971 von Intel entwickelt. Die Integration stellte eine Notlösung mit unzureichender Performance dar, da die Designer nicht in der Lage waren, den geforderten Chipsatz von acht ICs im Zeitplan zu entwickeln. Der Auftraggeber brach das Projekt daraufhin ab, Intel wurden so aber die Entwicklungskosten finanziert, und mit dem gewonnenen Know-How konnte Intel Nachfolgeprodukte realisieren und bis heute eine marktbeherrschende Stellung behalten. Mit den seither allgemein erhältlichen Logikbausteinen, Mikroprozessoren sowie RAMs standen auch den Elektronikentwicklern außerhalb der IC-Herstellerfirmen die erforderlichen Grundelemente zur Verfügung, um alle erdenklichen Digitalschaltungen bis hin zu Computersystemen aufzubauen. Da hierbei ein Großteil der irregulären systemspezifischen Logik aus einzelnen Flipflops und Gattern, also unter Verwendung von ICs geringster Komplexität, zusammengefügt werden musste, entstanden oft „Gattergräber“ in der Form riesiger Leiterplatten von mehreren 1000 cm 2 Größe, die dicht mit TTL-ICs bestückt waren. Die Möglichkeit, spezifische Teilschaltungen als eigenes IC zu realisieren, blieb dabei den Halbleiterherstellern vorbehalten; außerhalb dieser Unternehmen scheiterte dies an Know-how- und Kostenbarrieren, da die IC-Hersteller zwar teilweise Auftragsentwicklungen durchführten, sich aber nicht darauf einließen, ICs nach Kundenentwürfen zu fertigen. Hierzu fehlte es in der Anfangszeit auch noch an geeignet standardisierten Herstellungsprozessen mit wohldefinierten Transistorparametern: Man steuerte die elektrischen Eigenschaften einer Schaltung nicht wie heute ausschließlich über Maskengeometrien, sondern vielfach über Variationen der Prozessparameter wie z. B. der Dotierungsprofile. Das IC-Design galt daher jahrelang als Geheimwissenschaft weniger Spezialisten. 2.1.2 Das ASIC als Bindeglied zwischen Standardkomponenten Abbildung 2-3: Intel 4004, der erste 4-Bit-Mikroprozessor von 1961 mit 2300 Transistoren, im Keramikgehäuse mit Holzdeckel (Foto: Intel) Ab Anfang der 1980er Jahre wurde das IC-Design dann endlich der Öffentlichkeit zugänglich. Zum einen erschien mit dem „Mead Convay“ [23] das erste Standardwerk zum VLSI-Design, zum anderen entwickelte AMI die erste Familie von Gate Arrays, zu denen das fast legendäre UA4 mit knapp 800 Gattern gehörte. Der hierbei zugrunde liegende Gedanke, Chips mit Arrays von CMOS-Transistoren auf vorgefertigten Wafern anzubieten, auf denen die schaltungsspezifischen Verbindungen unter Verwendung einer einzigen individuellen Metallisierungsmaske hergestellt werden konnten, machte das IC-Design erstmals finanzierbar und aufgrund der fest definierten Transistorparameter auch beherrschbar. Der Begriff des ASICs, der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, wurde eingeführt, und die Vorteile der Gate-Array-Technologien wurden weltweit von Universitäten genutzt, um ASIC-Design in Theorie und Praxis zu lehren.
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