MOS トランジスタの歴史、パート 6: インテル

May 08, 2023

ロバート・ノイスとゴードン・ムーアは、半導体の歴史の中で最も重要な商業用半導体企業 3 社と密接な関係にあります。 まず、ウィリアム・ショックレーは、シリコン・トランジスタを開発するために、カリフォルニア州パロアルトにあるショックレー半導体研究所にノイスとムーアを集めました。 同社は商業的に成功した製品の開発には失敗しましたが、ウィリアム・ショックレーが集めたチームはフェアチャイルド・セミコンダクターを設立しました。フェアチャイルド・セミコンダクターは、他の多くの半導体企業を生み出し、シリコンバレーの創設の主要な要因だったため、おそらくこれまでに設立された最も重要な半導体企業です。

1957年9月、ショックリー社の8人の従業員（ロバート・ノイス、ゴードン・ムーア、ジュリアス・ブランク、ヴィクター・グリニッチ、ジーン・ヘルニ、ユージン・クライナー、ジェイ・ラスト、シェルドン・ロバーツ）がショックリー社の独裁的なスタイルにうんざりし、一斉に辞任し、フェアチャイルド社を設立した。写真と航空機の製造事業を行う東海岸のテクノロジー企業、Fairchild Camera and Instrument の子会社。 フェアチャイルド セミコンダクターは、半世紀以上にわたり半導体産業の基礎技術および製造基盤であるプレーナー プロセスと、プレーナー プロセスに基づく集積回路を短期間で開発しました。 フェアチャイルドのトランジスタと IC はエレクトロニクス市場の中心的な地位を占めました。

1968 年までに、ノイスとムーアはフェアチャイルドが崩壊しつつあることに気づきました。 同社は東海岸の経営スタイルに支配されるようになり、フェアチャイルドはほぼ毎週のように競合する半導体企業を生み出しているように見えた。 深刻な頭脳流出が起こっていた。 その上、フェアチャイルドのCEO指名の段階ではノイス氏は見送られ、C・レスター・ホーガン氏が選ばれていた。 沈没する船を見て、ノイスとムーアは 1968 年にフェアチャイルドを去り、すぐにインテルとなる NM エレクトロニクスを設立しました。

ノイスとムーアがインテルをメモリ IC 会社として設立したのは、ムーアが「エレクトロニクス」誌に掲載された 1965 年の記事で説明した指数関数的なスケーリング傾向から半導体メモリが恩恵を受ける可能性が最も高いと判断したためです。 この傾向はムーアの法則として広く知られるようになりましたが、これは実際には法則ではありません。 それは自己成就的予言です。 半導体企業はすぐに、ムーアの法則に従うか、それとも消滅するかのどちらかであることを知りました。

フェアチャイルドにはバイポーラ半導体における強い歴史があり、また彼のフェアチャイルド R&D ラボでは MOS IC を広範囲に研究していたため、ムーアはバイポーラ IC と MOS IC については不可知論を持ち続けました。 彼は、両方のタイプのプロセス技術を使用して IC メモリの製造を試してみたいと考えていました。

Intel の最初のメモリ製品は、64 ビット 6101 バイポーラ RAM と 1 k ビット 3301 バイポーラ ROM でした。 これらは大きなデバイスではありませんでしたが、インテルが 1969 年までに実用的な半導体工場を構築したことを証明しました。次に登場したのは、256 ビット PMOS SRAM である 1101 でした。 1101 は、メインフレーム メーカーがコンピュータのメイン メモリとして使用するには遅すぎ、小さすぎることが判明したため、商業的には成功しませんでしたが、ノイスとムーアはその会社を辞めた。 この時点ではファギン氏はまだフェアチャイルド社で働いていたが、彼と彼のシリコンゲート技術はインテルの当面の将来において極めて重要なものとなるだろう。

一方、Intel は大きな売り手を必要としており、その次のメモリ IC である革新的な 1 K ビット 1103 DRAM は、1970 年 10 月に発売されるとヒットとなり、ダイ レイアウトを数回繰り返した結果、うまくいきました。 1103 DRAM とその子孫は、磁気コア メモリ メーカーをすぐに廃業に追い込みました。 しかし、Intel は大量の標準メモリ IC ビジネスを開発しようとしていた一方で、商業的に有利なメモリ製品の開発を試みながら、ある程度の収益をもたらすためにカスタム IC の契約も取り始めました。

インテルにカスタム IC 契約を持ちかけた企業の 1 社は、プログラマブル卓上電卓の設計を開発したビジコムという日本の電卓会社でした。 Busicom はすでに、Mostek と、最終的に Busicom Junior と名付けられることになるシンプルな 4 バンガー電卓用のカスタム電卓チップを開発する契約を締結していました。 その電卓チップは Mostek MK6010 でした。 シングルチップの計算機チップは、1960 年代後半の MOS LSI 設計の頂点であり、多くのチップ ベンダーが開発しました。

しかし、Busicom は 141-PF と呼ばれる高性能のプログラム可能な計算機の開発も計画していました。 Busicom の島正敏氏は、141-PF 計算機用のモジュラー チップセットを開発しました。 設計では、3チップCPU、オプション機能を追加するROM、キーボードコントローラチップ、プリンタコントローラチップ、ディスプレイコントローラチップなど12種類のLSIを提案した。 このチップセットは、2 進数の代わりに 10 進数の計算を使用し、これが Busicom やその他の機械式計算機の基礎となりました。

Shima は 1969 年にチップセットの提案を Intel に提出しました。各チップには 3000 ～ 4000 個のトランジスタが必要で、パッケージごとに 36 ～ 40 個のピンがありました。 Intel の Marcian "Ted" Hoff は Shima の提案を評価し、Intel は 3 つの理由から Shima が設計したような計算機チップセットを開発または製造することはできないと結論付けました。 まず、Intelが最近開発したシリコンゲートMOSプロセスは、チップ上に2000個ほどのトランジスタを詰め込むことができ、これはShima氏の設計で必要となる数のおよそ半分である。 第 2 に、Intel はメモリ チップの会社だったので、手持ちの IC パッケージは幅の狭い 16 ピンと 18 ピンのセラミック DIP だけでした。 これらのパッケージは、Shima のデザインに対応できませんでした。 第三に、Intel には Shima のさまざまなチップ設計をすべて作成するのに十分なチップ設計者がいませんでした。 そんなデザイナーは会社全体で2人だけでした。

ホフはインテルの唯一のシステムレベルエンジニアでした。 彼は、Digital Equipment Corp (DEC) の PDP-8 ミニコンピューターに精通しており、より多くの計算を汎用のバイナリ CPU で実行されるソフトウェアに移行することで、Shima の設計のロジックの複雑さを軽減できることに気づきました。 しかし、DEC の 12 ビット PDP-8 ミニコンピューター アーキテクチャのシングルチップ バージョンも、同様に当時のインテルの統合能力を超えていたため、ホフは、電卓の計算ニーズにより厳密に適合する 4 ビット プロセッサ用のアーキテクチャを開発しました。

Shima 氏は Hoff の提案に期待を感じましたが、提案が非常に高レベルのアーキテクチャの説明で構成されており、実装の詳細が欠けていたため、あまり感銘を受けませんでした。 馴染みのないソフトウェア中心のアーキテクチャにもかかわらず、Busicom の幹部らは最終的にホフの設計提案を承認しました。なぜなら、それがより低コストのソリューションを提供すると思われたからです。

島氏は 1970 年に帰国し、ホフのアーキテクチャに基づいて電卓のデザインを再開発しました。 彼は 1971 年初頭にインテルに戻りましたが、その間の数か月間、マイクロプロセッサ チップセットの開発に何の進歩も見られなかったことに気づきました。 さらに悪いことに、彼が到着したとき、テッド・ホフは現在別のプロジェクトに取り組んでいることに気づきました。 代わりに、島氏が日本から到着するわずか 1 週間前にインテルに入社したフェデリコ・ファギン氏がこのプロジェクトに割り当てられた。

Faggin 氏は自身の Web サイトでこの状況を次のように説明しています。

「私は『Busicom プロジェクト』のプロジェクト リーダーとして雇われました。1969 年、Busicom は一連の電卓の設計を開発していました。彼らは、Intel にその設計をシリコンに移すことを望んでいました。彼らの設計は、特殊用途の CPU でした」マクロ命令、ROM、およびシフト レジスタ読み書きメモリを備えたマシンで、7 つの異なるチップに分割されていました。CPU 機能は 3 つの別個のチップに分散されました。テッド ホフが Busicom の設計を見たとき、彼はその複雑さに驚きました。は、より汎用的なシングルチップの 4 ビット CPU と、I/O 付き ROM、I/O 付き RAM、およびシフト レジスタ用の個別のチップに基づいた簡素化されたアーキテクチャを提案しました。 MCS-4 と呼ばれるチップ セットが完成し、プロジェクトは実装のために MOS デザイン グループに移されました。

「典型的なカスタム設計の場合、顧客は通常、シリコンでの実装のために検証済みの論理設計を MOS ベンダーに提供します。その後、半導体会社は顧客の論理設計を適切な MOS 回路に変換し、チップ レイアウトを行い、マスクを作成し、カスタマイズされたMOS カスタム チップを長年にわたって開発してきた企業は、エラーのない迅速なチップ開発を支援するための設計手法と、事前に特性評価された多数の回路ビルディング ブロックを開発してきました。

「ビジコムがインテルに7つのカスタムチップへの変換を望んでいた元の設計は、それに応じてすでに設計されており、論理ゲートレベルで正しいことが構築および検証されていた。しかしながら、ホフの提案は概念的なものにすぎず、論理設計や検証は行われていなかった」インテルはメモリ チップ設計に専念していたため、ランダム ロジック チップ設計の経験がなく、設計方法論も事前に特性評価された回路ビルディング ブロックもありませんでした。

「さらに、シリコンゲートテクノロジーで必要とされる設計スタイルは、すでに方法論が存在していたメタルゲートを使用したランダムロジックとはまったく異なりました。特性評価と製造テストには、インテルにもなかったテスターとテスト方法が必要でした。私が入社した日」インテルさん、私の目の前には、4 つのチップのロジック、回路、レイアウト設計全体を 6 か月以内に実行し、それらを特性評価して生産に移行するというタスクがありました。これはインテルが 6 か月前に Busicom と合意したスケジュールですが、それ以来、仕事は何も行われていませんでした! 最終テスト テスターを購入している間に、私は特性評価とウェーハ ソーティング テスターの設計と構築も行うことになりました。」

Shima は、プロジェクトのすべての開発段階で Faggin を支援しました。 彼は、Fagin が Intel のために開発した方法論を使用して集積回路を設計する方法を学びました。 彼は、マイクロプロセッサ チップセットのロジック設計、チップ レイアウト、Rubylith アートワークのチェックを支援しました。 彼はまた、Fagin の監督の下で 4004 CPU のロジック設計の大部分を開発しました。 Faggin と Shima は猛烈なペースで作業し、わずか 9 か月で Busicom 電卓チップセットの動作サンプルを作成しました。 Faggin は、1971 年 1 月に最初の 4004 マイクロプロセッサをテスター上で実現させました。

1971年半ば、ファギンは、その時までに日本に帰国していたシマとの電話での会話の中で、ビジコムが経営難に陥っていることを知った。 同時に、ビジコムはインテルに対し、マイクロプロセッサチップセットの価格譲歩を求めていた。 この情報は、ノイスがビジコムと新たな契約を結ぶのに役立ち、要求された価格譲歩と引き換えに、世界初の商用マイクロプロセッサ チップセットであるインテル MCS-4 を販売する権利を獲得しました。

1971 年末までに、インテルは半導体メモリ事業とマイクロプロセッサ事業の両方に参入していました。 同社はこれらの技術を活用して、世界で最も売上が多い半導体メーカーになりました。 当初、Intel はバイポーラ チップと PMOS チップを開発しました。 Intel 1103 DRAM、4 ビット 4004 および 8 ビット 8008 マイクロプロセッサ (1972 年に導入) は PMOS デバイスでした。 MOS プロセス テクノロジのみがムーアの法則に乗ることができると同社が認識したとき、Intel はバイポーラ プロセスを廃止しました。 IBM が NMOS を作成できることを証明した後、Intel はより高速なデバイスを作成できるように NMOS に切り替えました。 8 ビット Intel 8080 (1974 年に導入) および 8085 (1976 年に導入) マイクロプロセッサは NMOS デバイスでした。 日立が CMOS がより低い消費電力で NMOS の速度を実現できることを証明した後、Intel はマイクロプロセッサの設計を CMOS に切り替えました。 インテルは長年にわたり、バイポーラであろうと MOS の一部であろうと、入手可能な最高のプロセス馬に積極的に乗り続け、その乗り心地は現在 50 年以上続いています。

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

シリコン: マイクロプロセッサーの発明から意識の新しい科学まで、フェデリコ・ファギン、2021

Intel 4004 マイクロプロセッサとシリコン ゲート テクノロジー、Federico Faggin の Web サイト

マイクロプロセッサー 50 周年おめでとう、パート I、Steve Leibson

マイクロプロセッサー 50 周年おめでとう、パート 2、Steve Leibson