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ECL, 1 2L, P-MOS, N-MOS, C-MOS... SOS:


30.09.1977 - 

Einmaleins der Mikroprozessoren

CW-Bericht S. Fiedler

MÜNCHEN - Bedingt durch die Vielfalt der Einsatzgebiete werden Mikroprozessoren mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen und in verschiedenen Technologien von den Herstellerfirmen angeboten. Man unterscheidet heute zwischen bipolaren und "Metal Oxid Semiconductor" (MOS)-Technologien.

MOS-Technologien

- P-MOS-Technik: Mit ihr wurden die ersten Large Scale Integration (LSI)-Schaltungen realisiert. Nachteile: Hohe Betriebsspannungen infolge der hohen Transistoreinsatzspannungen und lange Schaltzeiten wegen der hohen parasitären Ladungsträger-Beweglichkeit.

- N-MOS-Technik: Sie ist heute die führende Technologie. Sie vermeidet die oben genannten Nachteile der PMOS-Technik, da durch die N-Kanal-Technik eine höhere Ladungsträger-Beweglichkeit, das heißt eine höhere Grenzfrequenz, erreicht wird und die parasitären Kapazitäten verringert werden.

- C-MOS-Technik: Bei der Complementary-MOS-Technik werden sowohl P-Kanal- als auch N-Kanal-Feldeffekttransistoren verwendet. Vorteile: Nur eine Versorgungsspannung nötig, äußerst geringe statische Verlustleistung, da in den Komplementärstufen immer einer der beiden Transistoren sperrt, so daß kein Gleichstrom von der Versorgungsspannung zum Substrat fließen kann. Nachteil: relativ hohe Kosten.

- Neuere MOS-Techniken: Die "Silicon On Saphir" (SOS)-Technik verwendet eine Scheibe aus siliziumbeschichtetem Saphir als Substrat. Dadurch erhöht sich die Integrationsdichte und die Grenzfrequenz. Da die Siliziumschicht zwischen den Schaltelementen weggeätzt wird, werden parasitäre Kapazitäten gegenüber den anderen MOS-Techniken um etwa eine Größenordnung verringert. Nachteile der SOS-Technik sind augenblicklich noch die hohen Kosten sowie die hohen Leckströme. Jüngste Entwicklungen sind die D-MOS-Technik, bei der durch Doppeldiffusion Transistoren kurzer Kanallänge realisiert werden, und die V-MOS-Technik, bei der die MOS-Transistoren dreidimensional angeordnet sind und bei der hohe Packungsdichten erzielt werden.

Bipolare Technologien

- TTL-Technik: In der Transistor-Logic werden heute noch die meisten integrierten Schaltungen hergestellt. Das liegt unter anderem an den geringen Herstellungskosten und an der Tatsache, daß ihre elektrischen Eigenschaften für die meisten derzeitigen Anwendungen ausreichen. Kürzere Schaltzeiten erreicht man in dieser Technik, wenn zwischen Basis- und Kollektoranschluß des Transistors eine Schottky-Diode geschaltet wird (Schottky-TTL).

- ECL-Technik. Die Emitter Coupled Logic-Technik weist etwa gleiche Eigenschaften wie die TTL-Technik auf, allerdings ist ihr Markt wesentlich kleiner als der TTL-Marikt. Ihr wesentlicher Vorteil sind sehr kurze Schaltzeiten, die bei der Oxid-Isolationstechnik durch Gatterlaufzeiten bis hinab zu 0,4 ns charakterisiert sind. In dieser Eigenschaft hat die ECL-Technik heutzutage keinen Konkurrenten unter den Integrationstechniken.

- I 2L-Technik- Mit der I 2L-Technik (Intergrated Injection Logic) kann man die gleichen oder sogar höhere Packungsdichten wie in der MOS-Technik erreichen, und man bekommt zusätzlich die Vorteile der hohen Treiberleistung von Bipolar-Transistoren dazu. Diese Technik wird sicher in der Zukunft bei der Herstellung von Mikroprozessoren eine entscheidende Rolle spielen.

Die heute angebotenen Mikroprozessoren lassen sich nach Rolf Hedtke* in folgende Klassen einteilen:

4-Bit Mikroprozessoren (zum Beispiel Intel 4040, Texas TMS 100): Sie werden für einfache Steueraufgaben (etwa in Spielautomaten oder Waschmaschinen) eingesetzt.

8-Bit Mikroprozessoren (wie Intel 8080, Motorola 6800, Fairchild F8): Sie sind die im Moment am häufigsten eingesetzten Mikroprozessoren für Steuerungen, intelligente Meß- und Prüfautomaten oder Verarbeitung in der Computerperipherie (beispielsweise in intelligenten Terminals, Steuerungen für Drucker). Diese 8-Bit Mikroprozessoren machen nach einer Schätzung für das Jahr 1980 rund 50 Prozent des gesamten Mikroprozessormarktes aus.

16-Bit Mikroprozessoren (PACE, TMS 9900, micro Nova): Sie werden als Kleinrechnersatz und für komplexere Steuerungen eingesetzt. Um Anschlüsse zu sparen, werden bei den meisten angebotenen Typen die Adressen und Daten über dieselben Leitungen ausgegeben, mit Ausnahme des TMS 9900 (64-pin Gehäuse). Hierbei geht der Trend dahin, bestehende Systeme wie PDP-11 und Nova softwarekompatibel in ein Chip zu integrieren, damit die Hersteller von Mikroprozessoren mit der Hardware auch ihre bereits entwickelten Programme liefern können. Da die Softwarekosten bei der Systementwicklung einen beträchtlichen Posten einnehmen, ist es für den Anwender kosten- und auch zeitlich günstiger, wenn er auf vorhandene Programme zurückgreifen kann. Typische Vertreter dieses Trends sind: micro Nova (softwarekompatibel zu dem Nova-Rechner von Data General), der 12-Bit Mikroprozessor IM 6100 von Intersil (Befehlsvorrat der PDP-8) und das Mikroprozessorsystem LSI-11, das sich komplett auf einer Steckkarte befindet und den Befehlsvorrat der PDP-11 enthält.

Prozessorelemente (zum Beispiel Intel 3000 2-bit, SBP 0400, AMD 2900, MC 10 800 4-bit): Diese kaskadierbaren Prozessorelemente (slices) sind meist in bipolarer Technik aufgebaut, so daß niedrigere Zykluszeiten erreicht werden als bei den MOS-Prozessoren. Der zweite große Vorteil liegt in der Mikroprogrammierung: Bei den Prozessorelementen sind die Steuerleitungen für Register, Busse und die Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) herausgeführt und werden direkt von der Ablaufsteuerung (Sequencer) und dem Ausgang des Mikroprogrammspeichers angesteuert. Der Anwender kann also seine Befehle aus dem Hauptspeicher beliebig interpretieren. Dadurch ist es möglich, nur durch Auswechseln des Mikroprogrammspeichers einen völlig neuen Befehlssatz zu definieren.

* Aus: "Mikroprozessoren und ihre Anwendungen", herausgegeben von W. Hilberg und R. Piloty, R. Oldenbourg Verlag, München