MOS トランジスタの歴史、パート 5: RCA

1960 年にベル研究所がアタラーとカーンによる最初の動作する MOSFET の作成を発表したとき、RCA 研究所はすぐに興味を持ちました。 IBM Research と同様に、RCA Labs は RCA の製品開発および製造業務と密接に連携していませんでした。 1950 年代初頭の RCA の豊富な企業収入により、RCA Labs は豊富な予算を持つことに慣れていたため、すぐには製品にはならない有望な新技術を探索することができました。

しかし、1950 年代の終わりまでに、RCA の競合他社による訴訟の勝訴によりライセンス収入が食い荒らされ、RCA Labs は財政を補うために政府との契約に頼るようになりました。 RCA は MOSFET 研究を早期に開始したにもかかわらず、MOS デバイスとプロセスに関する RCA の研究は、政府との契約のせいもあって、長年にわたって重要な製品を生産することはありませんでした。 しかし、これらの同じ契約により、RCA の MOSFET 研究は業界の他の分野を飛び越えて進み、会社は p および n チャネル IC を超えて、より長い道のりではありましたが、直接 CMOS に到達しました。

米国空軍からの最初の政府契約は、化合物半導体であるガリウムヒ素の研究に関するものだった。 ガリウムヒ素は、シリコンやゲルマニウムで達成できるよりも速い速度が約束されているため、興味深いものでした。 RCA Labs は、ガリウムヒ素について何ができるかを研究するために多大なリソースを投資しました。 2 番目の政府契約は、高速エレクトロニクスに関心のある別の機関からのものでした。 国家安全保障局 (NSA) は 1957 年にプロジェクト ライトニングを開始し、当時の最先端技術よりも 1000 倍高速なコンピューターの開発を目指しました。 RCA は商用コンピュータの開発に興味を持っていたため、この契約は RCA Labs にとって自然なものでした。

RCA Labs はこの時期に「集積半導体デバイス」、つまり IC の開発も開始しました。 RCA Labsは、テキサス・インスツルメンツ（TI）やフェアチャイルドよりも先にICの開発に向けて順調に進んでいたようだが、完全に機能するデバイスの構築には失敗したようだ。 その後、RCA Labs は間違った方向に進み、IC 製造の候補として Shockley のユニポーラ トランジスタに注目し始めました。 その仕事は行き詰まりになった。

フェアチャイルド セミコンダクターのフランク ワンラス氏は、1 枚のシリコン上に p チャネル MOSFET と n チャネル MOSFET を組み合わせた CMOS の発明を 1963 年に発表しました。RCA 研究所の研究者はこの発明に注目しました。 CMOS 半導体プロセスは、p チャネルまたは n チャネル MOS プロセスよりもはるかに複雑ですが、CMOS は消費電力を 100 万分の 1 に削減することが約束されています。 MOS を開発しているほとんどの企業は、製造が簡単であるため、p チャネル デバイスに焦点を当てていました。 IBM は、n チャネル デバイスの方が高速であるため、n チャネル デバイスの製造に重点を置きました。 RCA Labs は、低消費電力特性を重視して CMOS に焦点を当てることを決定しました。

1965 年、RCA は米空軍から CMOS 回路開発のための 3 年間の研究開発契約を獲得しました。 CMOS の低電力の側面は将来のアビオニクス設計にとって重要であると思われ、契約では CMOS メモリを使用するコンピュータを構築することが求められていました。 空軍との契約により RCA Labs は活性化され、MOS 研究開発リソースのほぼすべてを CMOS 開発に注ぎ込むようになりました。 RCA Labs は実用的な CMOS IC を開発するまでに多くの技術的障害を克服する必要があったため、契約が 3 年間だったのは良いことです。 困難ではあったものの、RCA Labs は CMOS 開発で十分な進歩を遂げたようで、CMOS 開発に関する別の政府契約を誘致することができました。 1967 年、NASA は RCA Labs と CMOS 研究の契約を締結しました。

1 年後、RCA は商用 CMOS 部品を発表しました。 RCA は、CMOS IC に独自の工夫を加えたいと考え、「COMmplementary-Symmetry MOS」の略である「COSMOS」という名前を商標登録しました。 RCA の競合他社はすべて、一般名である CMOS に固執する必要がありました。 RCA は、CMOS プロセスに基づく小型デジタル IC の CD4000 シリーズを発表しました。 CD4000 シリーズは、設計において低消費電流を必要とする設計者にとって成功を収めました。 ただし、CMOS は、当時の主要なデジタル ロジック ファミリである 7400 シリーズ バイポーラ TTL IC と比較すると低速でした。

CD4000 CMOS ロジック ファミリはある程度の成功を収めましたが、RCA Labs は非生産的な研究を続けて終わったわけではありません。 RCAの研究グループは、合成サファイアのスラブの上にシリコン・トランジスタを構築する、シリコン・オン・サファイア（SOS）と呼ばれる密接に関連したプロセス技術にも取り組んでいる。 サファイアは絶縁体であるため、SOS チップの静電容量ははるかに低く、したがって従来の MOS および CMOS IC よりもはるかに高速です。 ただし、サファイア基板を使用するとコストが大幅に増加します。

米空軍は何年にもわたってRCAのSOSプログラムを支援していましたが、大規模なSOS研究プログラムには資金を提供しておらず、RCAはSOS ICを本格的に生産することはありませんでした。 SOS チップは CMOS チップよりも製造コストがはるかに高く、一般に速度の向上はコストの高さに見合ったものではありませんでした。 しかし、数年後、ヒューレット・パッカードは、ミニコンピュータ HP 3000 シリーズ用のプロセッサ チップやディスク ストレージ アプリケーション向けの高速 HPIB チップなど、SOS ベースのいくつかの IC を製品化することに成功しました。

一方、RCA は CMOS の商用アプリケーションを追求しました。 1970 年代初頭までに、同社は CMOS マイクロプロセッサの開発を開始しました。 1974 年、RCA は初の全 CMOS マイクロプロセッサ設計である CDP1802 COSMAC マイクロプロセッサを発表しました。 COSMAC は、低電力マイクロプロセッサが必要な場合、特に速度が重要ではない電力制限のある組み込み設計で成功しました。 同じ理由で、COSMAC マイクロプロセッサは宇宙船開発者のお気に入りとなり、ガリレオ宇宙船、マゼラン、欧州宇宙機関のユリシーズ宇宙船のプラズマ波動分析装置、およびハッブル宇宙望遠鏡の一部の装置のマイクロプロセッサとして選ばれました。 レモネードを製造する RCA は、優れた放射線耐性を備えた SOS テクノロジーを備えたバージョンの COSMAC も製造しました。

1970 年代を通じて、RCA は、CMOS (COSMOS) に固執する唯一の大手半導体企業でした。これは、CMOS 回路がバイポーラ IC や NMOS IC の両方と比較するとまだ低速だったためです。 ほとんどのプロジェクトではスピードが求められました。 1970 年代半ばまでに、PMOS デバイスは時代遅れになり、NMOS が新たな MOS の王となりました。 しかし最終的には、CMOS が高速になったため、RCA がずっと正しかったことが証明されることになります。

CMOS を今日のような速度の悪魔に変えた張本人である企業は、思いがけない半導体の競合企業、日立でした。 1977 年 8 月、牧本次男は日立に新設されたメモリおよびマイクロプロセッサ (M&M) 設計部の部長に就任しました。 牧本氏は 1959 年に日立製作所に入社しましたが、1970 年代初頭に電卓チップの市場が枯渇した後、彼のキャリアは下降線をたどりました。 彼は電卓チップ部門を管理しており、収益損失の責任を負っていました。 M&M の任務は牧本氏にもう一度チャンスを与え、牧本氏と彼のグループが MOS メモリとマイクロプロセッサの強力な製品ラインを持つ業界の MOS 技術リーダーである Intel と対戦したにもかかわらず、彼はそれを最大限に活用しました。

日立の中央研究所は、坂井義雄氏と増原俊明氏がツインウェルCMOSを開発し、CMOSの速度のハンディキャップを克服したことで画期的な進歩を遂げました。 牧本氏と彼のグループは、ツインウェル CMOS プロセスを採用し、Intel の最速スタティック RAM (SRAM)、つまり NMOS、4 k ビット 2147 SRAM を目指しました。 Intel の 2147 メモリの最小アクセス時間は 55 ナノ秒で、消費電力は 115 ミリアンペアでした。 1978 年、日立は Intel の 2147 の CMOS バージョンである Hitachi 6147 を発表しました。これは 55 ナノ秒のアクセス時間に匹敵しますが、消費電力はわずか 15 ミリアンペアでした。 86% 少ない電力ですべてのスピードを実現します。 1979 年に、日立は 150 ナノ秒のアクセス時間を持つ 16 k ビット CMOS SRAM である 6116 を発表しました。 これら 2 つの日立 CMOS SRAM は大きな売れ筋商品であり、低電力 CMOS IC も高速であることを証明して、半導体業界における日立の競合他社を驚かせました。 数年以内に、RCA の粘り強さと日立の革新的なプロセスのおかげで、増え続ける時代遅れの半導体技術の山の上に NMOS が PMOS に加わり、CMOS が丘の王様になりました。

参考文献

デジタル時代へ: 研究所、新興企業、および MOS テクノロジーの台頭、ロス ノックス バセット、2002 年

CMOS IC メーカー Zytrex のエンジニアリング担当副社長を務めた Robert Plachno 氏に感謝します。彼は、私が長年抱えていた熱い質問についに答えてくれました。「CMOS はどのようにして高速になったのでしょうか?」

カテゴリ: 半導体

企業: STマイクロエレクトロニクス、インテル、ルネサス