1500py470 (1500py470) wrote,
1500py470
1500py470

Беседа Джека Варда с Гансом Р. Камензиндом

Ганс Р. Камензинд (Hans R. CamenzindBorn Hans R. Camenzind January 1, 1934 Zurich, Switzerland. Died August 8, 2012 Los Altos, California, United States) он проработал в полупроводниковой промышлености более 45 лет, за которые смог сделать выдающуюся карьеру в области технологии разработки интегральных схем. Полный список достижений Ганса в электронике впечатляет, коротко можно отметить такие его заслуги, как: два десятка патентов США, три опубликованных описания ИС, многочисленные статьи и две книги, преподавание в университете, место в Зале славы периодического издания Electronic Design Magazine в 2002 году, основатель и президент двух успешных компаний по разработке ИС. Кому много букв в интервью, прочтите пожалуйста только его ответ выделенный мной красным цветом.

555hans

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2012
Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман


Jack Ward & Hans R. Camenzind

Без сомнения, создание ИС 555 в начале 1970-х годов позволило Гансу занять видное место в истории микросхемотехники. И если Вы являетесь сейчас, или были практикующим инженером-электриком в любой период последних 40 лет, то, скорее всего, Вы использовали в своих разработках микросхему таймера/генератора 555. С момента своего представления компанией Signetics в 1972 году, по количеству продаж эта микросхема превзошла любую другую, причем лишь в одном 2003 году было продано свыше 1 миллиарда этих компонентов. Сама микросхема не претерпела никаких изменений в течение четырех десятилетий, за которые список областей ее применения успел значительно расшириться – от детских игрушек до электроники космических кораблей. В этом интервью будет рассказано о новаторском проекте Ганса и о том, какое влияние таймер 555 оказал на развитие электроники.

Ганс, давайте начнем наш рассказ с воспоминаний о том, как микросхема 555 обрела популярность.

Появление микросхем семейства 555 стало полной неожиданностью. Я хотел сделать гибкую в применении ИС, что и являлось целью разработки, но я даже не осознавал, насколько гибкой она окажется. Сегодня можно встретить такие приложения этой микросхемы, которые даже мне кажутся безумными. И, конечно же, количество! На второй год после появления она стала самой продаваемой ИС и удерживала лидерство по продажам в течение 30 лет. Изначально эта микросхема использовалась в качестве таймера или генератора импульсов, но впоследствии список ее применений значительно расширился.

Согласно вашей статье в IEEE Spectrum об ИС 555, со стороны Signetics ощущалось явное нежелание инвестировать в новый продукт. Так ли это?

Технический отдел Signetics – да, они были несколько неповоротливы для полупроводниковой компании. Они были на передовых позициях в электронике и брались за все. Знаете, они разрабатывали и изготавливали операционные усилители.

Fig_1
Ганс Р. Камензинд
На фотографии показаны самые первые прототипы известной ИС таймера 555. По утверждению Ганса, они были полностью работоспособны


Это был их основной бизнес?

Да, в части линейных схем – основной, хотя я думаю, что область разработок дискретных микросхем (ДТЛ и РТЛ) была намного больше. В аналоговой схемотехнике операционный усилитель был королем. Поэтому они опасались, что если я разработаю микросхему, заменяющую один или два операционных усилителя, их продажи сократятся.

Откуда взялось название 555?

Продукция компании Signetics нумеровалась как «5**», и ранние продукты, над которыми я работал, имели обозначения 565, 566 и 567. Этот выбор был абсолютно произвольным. Менеджер по маркетингу Арт Фьюри (Art Fury) думал, что микросхема с названием «555» будет просто нарасхват.

Интересно, сколько же было выпущено этих микросхем?

На данный момент производится около одного миллиарда в год. В основном, сегодня их выпускает корейская компания Samsung. Электронная промышленность теперь стала огромной.

А есть ли другие микросхемы настолько же популярные, как и 555?

Вы можете сказать, что операционные усилители популярнее, но номенклатура ОУ очень широка, каждый тип специализирован, идеального ОУ не существует, его характеристики оптимизируют под каждую область применения.

Первые образцы были в пластмассовом или металлическом корпусе?

В обоих, их производство началось одновременно.

Спектр приложений для таймера 555 должен быть очень широким.

Да. Они установлены в аппаратуре некоторых космических кораблей. А также во множестве игрушек. Таков диапазон применения этой ИС. Микросхема довольно вынослива, поскольку сделана по биполярной технологии, и для использования ее в космосе специально ничего делать не нужно. Только испытания проводятся по более строгой программе. Так, при проверке ИС 555 для некоторых приложений пишутся специальные тестовые спецификации. Нет никаких различий при производстве этих компонентов, но различаются подходы при выходном контроле.

Давайте поговорим о том, чем Вы занимаетесь сегодня, и как Вы пришли к созданию ИС 555. До Signetics Вы работали в PR Mallory?

Ну, да. Я проработал шесть лет в исследовательской лаборатории PR Mallory. Но, поняв, что заниматься производством продукции они не собираются, я начал искать работу в других компаниях, выпускающих ИС. Sylvania, Westinghouse, Texas Instruments, Motorola, Fairchild, Signetics, Sprague. Я остановился на Signetics, которая тогда очень быстро росла. У них был шанс обойти Fairchild, занимавшую в то время первое место. Но через два года они серьезно оступились. Они начали с бешеной скоростью терять средства. Поэтому я уволился, и свободное время решил посвятить написанию книги. Я сказал им, что не вернусь на прежнее место, но мог бы поработать в качестве консультанта и независимого разработчика. И предложил им проект ИС 555.

Fig_2Ганс Р. Камензинд
Эта фотография иллюстрирует некоторые аспекты эволюции ИС 555 в течение прошедших с момента ее создания лет. В левом верхнем углу самый ранний серийный продукт компании Signetics, датированный 3 неделей 1973 года. В правом верхнем углу также изделие компании Signetics, но произведенное десятилетием позже. Внешних изменений не много, но было произведено много миллионов компонентов за эти десять лет. В нижней части фотографии микросхема, произведенная компанией Singapore Technologies относительно недавно (в 2001 году). Она совместима по выводам с микросхемой первоначального проекта Ганса, но сделана по КМОП технологии
.

Для того времени это было необычное соглашение?

Да, очень необычное. Неслыханное. Оглядываясь назад, я удивлен, что пошел на такой риск. У меня были жена и четверо детей, в банке на моем счету лежало $400, и в Signetics я зарабатывал $18,000. Итого выходило $18,400. Но я получил еще два контракта, поэтому все вышло довольно удачно. Никто за мной не последовал. Signetics больше не просила кого-либо уволиться и подписать контракт независимого работника.

Возвращаясь к рассказу об ИС 555, что натолкнуло Вас на идею создания микросхемы таймера/генератора?

Здесь нужно вернуться на два-три года назад, когда я был еще сотрудником PR Mallory. Причем, будучи научным сотрудником, я мог делать все, что приходило мне на ум – я мог исследовать. Моим дополнительным занятием были радио и телефония. В Швейцарии я прошел курсы по направлению «радио механик» – я чинил радио. Таким образом, я знал, что требовалось для того, чтобы собирать радио и делать микросхемы, а значит – чтобы перенести радио на кремниевый кристалл.

Ранее в Швейцарии Вы стали работать с радиолампами?

О да. Впервые я узнал, что такое транзистор в колледже. Мне нужно было сделать курсовую работу по этой тематике. Это был первый раз, когда я использовал транзисторы, которые тогда были очень дорогими.

Но, имея опыт работы с радио, я подумал, что было бы здорово сделать микросхему, которая выполняла все функции радио. Огромным препятствием оказался резонансный контур. Если вы посмотрите на радиоприемник, то увидите целые ряды контуров промежуточной частоты. В хороших радиоприемниках их, как минимум, три. И не только эти компоненты нельзя заменить кремниевыми микросхемами, знаете, катушки индуктивности тоже сложно поместить в микросхему, но они обладают высокой точностью. Например, если станция вещает на частоте 1 МГц, соседняя отстоит всего на 20 кГц. Конечно, это требует хорошей точности настройки. Поэтому все работали над улучшением резонансных контуров или, как они их называли, фильтров, а я считал, что они идут по неправильному пути. И, поскольку индуктивностей в микросхеме быть не могло, стали придумывать способы изготовления индуктивностей на основе конденсаторов. Это было некоторым подобием отражения, и они назвали новое устройство гиратором. Довольно-таки причудливое название. А я думал, что это всего лишь удачный пример академической разработки, которая никогда не позволит добиться требуемой точности, поэтому не стоит даже и беспокоиться об этом.

Я огляделся вокруг и подумал, что может быть когда-то в прошлом была какая-нибудь попытка собрать резонансный контур без LC-цепей или кварцевых резонаторов.

Я пошел в библиотеку Массачусетского технологического института. У меня был абонемент этой библиотеки, и под ее белым куполом на шестом и седьмом этажах я провел почти неделю, пролистывая старые выпуски изданий Института радиоинженеров (IRE). Там не было предметного или алфавитного указателя, не было компьютерного поиска, поэтому я просматривал каждый номер. И натолкнулся на такое понятие как «фазовая автоподстройка частоты» (phase locked loop) или ФАПЧ. Ранее мне никогда не приходилось слышать об этом. Я прочитал поподробнее, и концепция показалась довольно непонятной. Этот принцип использовался, чтобы «поймать» какой-либо слабый сигнал. Я думаю, что NASA использовала ФАПЧ, чтобы ловить сигналы, возвращающиеся с Луны при реализации программы высадки людей.

Я принял к сведению существование такой идеи, и после ухода из PR Mallory сумел убедить Signetics развивать ее дальше. Теперь ФАПЧ имеет то преимущество, что может фиксировать сигнал. У вас имеется генератор, который определяет примерное местонахождение сигнала (оно не обязательно должно быть точным). Если сигнал приблизится к определенному значению, ФАПЧ «захватит» его. Это было идеальным решением, так как мне больше не нужна была точность. Я разработал две или три схемы, которые вышли на рынок. Первой была микросхема 565, затем появилась 566. И для этих ИС ФАПЧ мне необходимо было разработать генератор, который был бы нечувствителен к разбросу большого числа параметров ИС. То есть, вы могли бы настраивать частоту посредством изменения сопротивления резистора или емкости конденсатора, вот и все, и никаких хитростей. Такое устройство было сделано и стало коммерчески доступным уже после того как я покинул Signetics и стал независимым консультантом.

Именно его я использовал в качестве основы при проектировании таймера 555. Это был удобный генератор, для настройки частоты которого потребитель мог подобрать необходимые резистор и конденсатор. Но то, что я хотел создать, не должно было быть просто генератором, а должно еще быть таймером. Он должен был запускаться и через определенное время останавливаться. Менеджер по маркетингу выкупил мою концепцию. На тот момент ничего подобного этому не было. Нужно было использовать довольно много дискретных компонентов, компаратор, один стабилитрон или даже два. Это была непростая схема.

То, что этим проектом занялась Signetics, было несомненной заслугой менеджера по маркетингу Арта Фьюри. Он был необычным человеком, и в этой сфере у него был практический опыт. Дома у него была целая лаборатория, вся заваленная компонентами, которые он паял. Он долго проработал в General Electric и знал рынок – он его нутром чувствовал. И у него было чувство, что такой таймер обязательно будет продаваться. Никаких маркетинговых данных, никаких маркетинговых исследований. Он был прав, чертовски прав. Микросхема возымела огромный успех.

Fig_3Ганс Р. Камензинд
На фото воспроизведена эквивалентная схема ИС555 в том виде, в котором она была представлена в исходной документации фирмы Signetics на ИС 555/556. В схеме 23 транзистора, 15 резисторов и два диода


Fig_4Ганс Р. Камензинд
Ровно столько дискретных компонентов (показаны в корпусах того периода) потребовалось бы для воспроизведения схемы ИС555


В статье, напечатанной в IEEE Spectrum, Вы приводите подробное описание процесса разработки ИС 555. Как изменился этот процесс с тех пор?

Невероятным образом! Сам по себе процесс разработки этой микросхемы занял один год, с момента начала работы над прототипами до выпуска пробной партии. Все это мне пришлось делать впервые, и это была чистая удача. Я принимал участие во многих проектах, над которыми работали целые команды инженеров. Несколько человек обязаны были проверять и перепроверять принципиальные схемы по нескольку раз. И все равно оставались ошибки. Но, в данном случае, я должен был делать все сам. Я был сам себе конструкторским бюро, и такое у меня было впервые. Мне кажется, что удача сопутствовала мне – я мог бы потратить на разработку еще очень много времени, ведь это был мой проект. Тогда не было никакого способа убедиться в том, что все получается как надо.

В той статье Вы упомянули, что Signetics проводила анализ проекта. Это предусматривалось договором?

Нет. Я просто подумал, что это была бы хорошая идея. Я всегда проводил анализ всех своих проектов. Только так можно получить обратную связь, оттолкнуться от идей своих коллег. Но насколько же мой проект был трудоемким! В первую очередь, это касается создания макета схемы. Единственное что вам действительно нужно на этом этапе – убедиться в том, что схема будет хорошо работать при массовом выпуске, при неизбежном разбросе параметров ее элементов. Тут приходится увеличивать или уменьшать коэффициенты усиления транзисторов, сопротивления резисторов, комбинируя их параметры во всех возможных вариантах.

На этапе макетирования вы можете всего лишь собрать одну рабочую плату. А затем начинаете заменять на ней компоненты. Вы знаете, что понадобится, как минимум, десять различных наборов, чтобы быть уверенным, что перебрал все комбинации. Но полной уверенности это, все равно, не давало. Так я работал над макетом, и на это ушли месяцы.

Если бы Вы не сделали на данном этапе все как надо, то при производстве могли бы получить негодное изделие?

Да, такова действительность, которая скорее правило, нежели исключение. Понимаете, на свете так много ленивых разработчиков, которые собирают макетную плату или, как нынче, моделируют на компьютере и нисколько не заботятся о влиянии разброса параметров компонентов. Схема может показать прекрасные результаты на первых тестах (повезло), но затем при выпуске продукции начинаются проблемы, и вся партия идет на свалку. Вот почему на обозначениях микросхем в позиции, говорящей о версии продукта, мы видим далеко не первые буквы алфавита. У меня есть схемы, версии которых помечены литерой «М».

На втором этапе вы уже имеете принципиальную схему, в работоспособности которой уверены полностью. Теперь нужно разработать топологию. Единственный выбор, который у меня был – купить большую чертежную доску и рисовать на ней. В пределах доступной минимальной площади необходимо передвигать компоненты, чтобы разместить их наилучшим образом. Так, можно сделать c десяток различных чертежей. И за этим занятием пролетит еще несколько месяцев.

Вы упомянули термин «рубилит», который был необходим в процессе проектирования ИС. Каким образом он использовался?

Есть такой нож, выпускаемый фирмой Exacto – сменное лезвие, присоединяемое к круглой рукоятке. Его применяют для вырезания «дорожек» (в рубилите) и удаления слоев пластика с тех мест, где их не должно быть. Таким образом изготавливают рубилитовый оригинал фотошаблона. Затем, сфотографировав его, уменьшают в размерах. Рубилитовый оригинал может иметь 300-кратный масштаб. Имеется также специальный стол со шкалой, откалиброванной в сотых долях миллиметра. Но все равно, это почти нереально сделать два резистора полностью идентичными. Здесь все зависит от вашего терпения и умения работать с таким ножом.

Exacto_knife
Ганс Р. Камензинд
Нож производства Exacto – основной инструмент для изготовления первых фотошаблонов таймера 555


Сегодня все это можно проделать на компьютере. Это математическая абстракция, и здесь все абсолютно точно. Если ширина резистора должна быть пять микрометров, значит, это будет 5.00000. И второй будет абсолютно таким же, и точность зависит лишь от аппарата, который переводит это число в позицию, в которой засвечивается маска. Это огромный шаг вперед. Сегодня разработка микросхемы размера 555 заняла бы у меня недели три. Я бы не возился с макетной платой, а просто промоделировал работу схемы на компьютере. В процессе моделирования я мог бы учесть все возможные отклонения параметров компонентов, перебрав их случайным образом (это называется «метод Монте Карло»). И я был бы абсолютно уверен, что учел все возможные последствия технологического разброса. Это пункт первый.

Второй пункт. Я могу сравнить принципиальную схему с топологией (конечно же, также сделанной на компьютере), и быть на сто процентов уверенным, что она верна. Никаких ошибок. Я никогда не встречал человека, которому это по силам. На это способен лишь компьютер.

Если бы Вы использовали все эти современные инструменты, сколько времени было бы затрачено на создание ИС 555?

Вдобавок к тем трем неделям, о которых я уже говорил, потребовалось бы два дня на прорисовку топологии. Затем пришлось бы подождать. Некоторые компании делают прототип в течение четырех недель, у других это получается только через шесть месяцев. Все зависит от того, насколько они заняты. Я отдал ИС в производство, и с момента подписания контракта до получения первой партии в 100 штук прошло шесть недель.

Как все изменилось за 30 лет!

Да, и за это время проектирование ИС стало намного более приятным. Я имею в виду, что сегодня разрабатывать ИС – это действительно наслаждение. Тогда от работы болела шея (но сам процесс был интересным и ответственным), и я помню дни, которые проводил, согнувшись над освещенным настольной лампой столом до тех пор, пока не начинало тянуть поясницу. Это была изнурительная работа.

Какие патенты связаны с ИС 555?

На эту микросхему нет никаких патентов. Signetics не хотела подавать заявки на патент. Понимаете, ситуация с патентами в Кремниевой долине в 1970-х разительно отличалась от нынешней. Тогда все крали у всех. Я спроектировал ИС 555, Signetics стала ее производить, а через шесть месяцев, ну, самое большее, через год, она уже числилась в списках продукции National и Fairchild, и никто не обращал внимания на патенты. В Signetics мне объяснили, что не хотят подавать заявку на патент, потому что, если бы они захотели обязать кого-либо соблюдать патентные права, на другой день к ним явились бы представители Fairchild с телефонным справочником размером с Манхэттен и сказали бы: «Это наши патенты, теперь давайте посмотрим, что же нарушаете вы». Это как карточный домик – если вы дунете на него, все рассыплется. Лишь по прошествии десяти лет что-то началось меняться в этой области. Я полагаю, что это все благодаря новым компаниям, у которых не было за плечами древней истории, но были «сильные» патенты, свои права на которые они защищали, и это изменило всю ситуацию. Вот, например, у меня был патент на ФАПЧ, довольно «сильный» патент, но никто не занимался его защитой.


Спасибо Вам, Ганс, за это очень информативное интервью, проливающее свет на важные моменты истории ИС 555. Может быть, у Вас есть, что сказать напоследок по поводу того, почему ИС 555 не менялась на протяжении многих лет.

Дело в том, что конструкция таймера 555 не очень хороша. У меня за плечами было несколько лет опыта, я бы даже сказал, пять лет, но у меня не было учителя, и мне приходилось все постигать самому.

Знаете, глядя на этот проект сегодня, я могу сказать: «Делать это так же еще раз я бы не стал». Но никто, по сути, не внес никаких изменений, эта ИС осталась в первозданном виде. Были лишь уменьшены размеры. Стандартные, на то время, технологические нормы 10 мкм теперь уменьшены в несколько раз. Вот и все. На пластине теперь больше кристаллов, но никто не удосужился изменить расположение элементов или ее схему.

Включенная таймером, микросхема отрабатывает временной интервал с очень хорошей точностью. Ее температурный коэффициент всего лишь 23 ppm. Во всем ее рабочем диапазоне температур это эквивалентно 0.1%. Исключительная стабильность. Но в режиме генератора она уже не так хороша – порядка 150 ppm. Тут схему можно было бы улучшить, уменьшив температурный коэффициент до 10 ppm. И я просто поражен и ошеломлен тем, что через 40 лет никто не взглянул на схему и не сказал: «А я могу сделать это лучше», при этом новый продукт имел бы ту же стоимость и ту же область применения. Но никто этого не сделал.
Tags: semiconductors
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 22 comments