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Vom Beginn des Schaltkreisentwurfs im INT

Die ersten Berliner Schaltkreise wurden in Ost-Berlin (bis 1989 Hauptstadt der DDR) entwickelt. Produziert wurden sie im Halbleiterwerk Frankfurt/Oder (HFO), im Zentrum für Mikroelektronik Dresden (ZMD) und im Funkwerk Erfurt (FWE -> MME). Bei ersten Schritten half das Funkwerk Erfurt mit. Die DDR war damals wirtschaftlich isoliert. Reisen in den Westen waren mir und meinen Kollegen nicht möglich. Die "Mauer" verhinderte nicht nur "Republikflucht", sondern auch jeden wirtschaftlichen Austausch. Die Genossen der Staatssicherheit hatte die vollständige Kontrolle über die Gesellschaft übernommen. Wenn man ein Datenblatt oder ein neues, westliches Bauteil brauchte, hatte man bei der Strukturbezeichnung ST anzuklopfen. Und Mikroelektronik, ohne die unser Alltag heute nicht mehr denkbar wäre, wurde damals allgemein belächelt. "Ham' se schon jehört: Die wolln jetzt Schaltkreise entwickeln!".

Ort des Geschehens:


Folgen einer Gewerkschaftsversammlung 1977

Irgendwann im Jahre 1977 fand eine Gewerkschaftsversammlung im INT statt. Unter anderem erhitzten sich die Gemüter daran, wie das INT den Weg zur Mikroelektronik schaffen könnte. Überall war erkennbar, daß Nachrichtentechnik nicht mit Standardschaltkreisen (OPV, TTL, Mikrocontroller) auskommen würde. Wir brauchen kundenspezifische Schaltkreise (ASIC - Application Specific Integrated Circuits), um die analoge Relaistechnik ablösen zu können. Nur: Wer sollte die Schaltkreise entwickeln und produzieren?

Damals entwickelte der Autor bei Günther Warme und Bernd Grafunder an einem ersten Berliner Mikrorechner auf Basis Intel 8008 mit. Nebenbei fertigten wir ab 1977 Rückübersetzungen von IC für das Funkwerk Erfurt (FWE, MME) an und wußten, daß die DDR-Halbleiterelektronik keinerlei freie Entwicklerkapazitäten hatte, schon gar nicht für das Kombinat Nachrichtenelektronik.

Ausgehend vom Transistorplan der Z80-Schaltkreise (der möglicherweise direkt vom Hersteller kam) machten wir ab 1977 Logikpläne. Dabei entstand eine SIMPER-Modellbibliothek für die Logiksimulation für U880 PIO (U855) und CTC (U857). SIMPER** war der DDR-weit fortgeschrittenste Logiksimulator aus dem INT von den Kollegen um Herrn Werrmann und Herrn Schalldach in der INT-Außenstelle Altglienicke.

Erst mit der Fertigstellung des LSI-Simulators bei Wolfgang Hecker in Erfurt entfiel dieser fehleranfällige Zwischenschritt der Konvertierung der Transistorschaltung in die Logikschaltung. Der LSI-Simulator arbeitete auf Transistor-Ebene (Schalter) statt mit Logikgattern. Der Transistorplan konnte damit direkt simuliert werden.

Manfred Hanel und Joachim Feierabend vom Bereich Vermittlungstechnik (V) entwickelten mit den Logikplänen die Prüffolgen für Z80 PIO und CTC. Joachim Feierabend diplomierte 1979 mit einem Prüfgerät für die U855 PIO.

Auf einem Ausschnitt der Rückübersetzung finden sich Fragezeichen: Wir wußten zunächst nicht, um welchen Schaltkreis es sich eigentlich handelte, der Z80 war noch nicht bekannt. Aus damaliger Sicht sprach einiges für den Intel 8253, die Zilog CTC dürfte eigentlich gerade erst auf den Markt gekommen sein.

Wie wir heute wissen, hatte man im RGW auf die Intel 8080-Serie gesetzt. Die DDR aber ließ sich ganz schnell von den Vorteilen des Zilog Z80 Systems überzeugen (nur eine Betriebsspannung, internes dRAM-Refresh, nette Interrupts etc.). RGW-Linie aber war bereits das vorher auf den Markt gekommene Intel 8080 System. Die DDR wich vom rechten Weg ab. So stieß die spätere Verwendung des Zilog Z80-Systems in NZ400-Zentralen für die NVA beim "großen Bruder" zunächst auf Unverständnis. Später setzte sich das Z80-System auch RGW-weit durch.

Produktionsbeginn der U880 Schaltkreise war 1980. Erstaunlich schnell, wenn man bedenkt, daß Zilog den Z80 selbst erst im Juli 1976 auf den Markt brachte (und die peripheren IC danach). Wir standen unter Hochdruck.

Bild 1a: Teile der Rückübersetzung vom Zilog-CTC. Teile des Schaltplans des U857 (1978).

Zurück zur Gewerkschaftsversammlung. Ich stand auf und tat meine Meinung kund, sinngemäß etwa: "Ich denke, daß wir nicht die Spur einer Chance haben, daß man im KME (Kombinat Mikroelektronik) auch nur einen einziges Schaltkreis für uns entwickeln wird, dafür reichen vorhandene Kapazitäten im KME nicht aus."

Der im Präsidium sitzende Technologiedirektor des INT Dr. Lothar Auer antwortete: "In meiner Abschlußarbeit auf der Parteischule ... kam ich genau zum selben Schluß: Wir kommen nicht daran vorbei, uns selbst zu helfen. Sie (er zeigte auf mich) kommen morgen früh um acht Uhr zu mir, dann besprechen wir, was zu tun ist!"

Am nächsten Morgen saß ich in seinem Büro und wir schmiedeten Pläne. Er hatte von der TU Dresden erfahren, daß dort ein postgraduales Sonderstudium Mikroelektronik eingerichtet werden soll. Ich schaute mir die Unterlagen an, war begeistert und meldete mich an. Ein Jahr lang fuhr ich dann alle vier Wochen für eine Woche nach Dresden, dort brachten uns die Spitzenkräfte der TU Sektion 9 (Informationstechnik) die Grundlagen bei.

Prof. Groß, Prof. Wolfgang Albrecht, Prof. Dieter Landgraf-Dietz und Prof. Albrecht Möschwitzer gaben die Praxis von Transistormodellierung, Layoutentwurf, Netzwerk- und Logiksimulation, Prof. Cimanders Assistent (Name entfallen) gab das Fach "Mikrorechner" (der Professor selbst verstand noch nichts davon) und Prof. Karl-Heinz Diener lehrte Feldtheorie - die Berechnung von Raumladungszonen und Halbleiterübergängen.

Bei Albrecht Möschwitzer wurde dann eine Abschlußarbeit geschrieben: Ich hatte einen 5-Bit Gebührenzähler für Telefonanlagen zu entwerfen, zeitgemäß in PMOS-Hochvolt-Technologie mit negativer Betriebsspannung von -30 Volt. Dieser gab nach 32 Eingangspulsen einen Gebührenimpuls aus. Das Layout wurde im Maßstab 1000:1 gezeichnet, 1 Mikrometer entsprach einem Millimeter auf dem Papier. Im Bild sind die komplizierten PMOS-Entwurfsregeln zu erahnen:

Bild 1b: Links: Entwurfsregeln der veralteten PMOS-Hochvolttechnik im Maßstab 1000:1 (1 mm ~ 1 m). Rechts: Schaltplan des Gebührenzählers

Jedesmal zitterten einem die Knie, wenn man zu Möschwitzer vorgeladen wurde. Er war der Pabst der DDR-Mikroelektronik jener Zeit. Man spürte seine Aura.

Die PMOS-Gatewanne war noch nicht selbstjustierend wie bei den folgenden Silicon-Gate-Technologien (SGT), sie mußte separat gezeichnet werden. Das hatte dramatische Konsequenzen für die Ausbeute. Verrutschte die Gatewannen-Maske nur um einen Mikrometer, funktionierten alle IC des Wafers nicht mehr. Auch sank mit den Silizium-Gates die Schwellspannung der Transistoren, damit konnte die Betriebsspannung verringert werden. Insofern entstand erst durch die Einführung der selbstjustierenden Polysil-Gates mit der Silicon-Gate-Technology die Möglichkeit, wesentlich kleinere Strukturen fertigen zu können. Insofern wurden die Begriffe MOS und SGT in der DDR strikt auseinandergehalten. PMOS war wirklich noch MOS. Über der Gatewanne lag Aluminium als Gate. Allgemein vergessen: Erst die von Fairchild 1968 eingeführte SGT ermöglichte die Entwicklung unserer heutigen Mikroelektronik. Bis der erste Mikroprozessor 1971 herauskam, flog der Mensch zum Mond. Seither werden die Innovationen wieder kleiner und kleiner und kleiner...

Damals existierte noch ein erbitterter Technologiestreit zwischen bipolar (SBC, I²L) und unipolar* (PMOS, nSGT, CSGT) Technologien, der auch an der TU Dresden immer wieder zu heftigen Debatten führte. Mit I²L ließ sich eine vielfach höhere Packungsdichte als mit MOS erzielen, dafür verbrauchte MOS weniger Ruhestrom.

Letztlich setzten sich für erste Prozessoren PMOS-HV (Hochvolt) zum Beispiel beim Intel 4004 (-15 Volt) durch. Etwa ab 1975 kam der Siegeszug der nSGT (NMOS) Technik mit 5 Volt - vom Flächenverbrauch in der Mitte zwischen I²L und CSGT (CMOS) liegend (Intel 8080, Zilog Z80 etc.). Erst Mitte der 80-er Jahre wurden die Strukturgrößen so klein, daß die statisch fast verlustfreie, aber flächenzehrende CMOS-Technologie ihren Siegeszug antrat.

Starthilfe: Mitarbeit beim FWE

Eigentlich begann alles mit dieser Kooperation mit dem FWE. Wir wollten lernen, wie man Schaltkreise entwickelt, um später eigene zu machen. Vom FWE bekamen wir die Chance, einen ersten, eigenen Mikrocontrollerbaustein zu entwickeln. Im Gegenzug hatte das INT den Logiksimulator Simper** zu bieten, der interessierte die Entwerfer des FWE solange, bis sie mit ihrem eigenen "LSI-Simulator" arbeiten konnten.

Vielleicht nahm Franz* uns auch nicht ernst. Im September 1979 bekamen wir Fotos eines geeigneten ICs, des Tastatur- und Anzeigedecoders Intel 8279 zum Üben. Wir übersetzten die Schaltung aus dem Layout zurück (Gerd Heinz, Uli Dietrich u.a.). Auf der Rückseite notierte ich: Rückübersetzung 1979/1980, 4500 Transistoren, 14-tägige Heimarbeit 23.Okt.-2.Nov.1979 (allein zu Haus mit einjähriger Tochter Jana). Im ersten Schritt entstand ein Transistorplan (nSGT: n-Enhancement und n-Depletion). Damit konnten wir die Logikpläne für SIMPER** machen.

Bild 2: Übersichtsfoto für die Rückübersetzung des 8279 (seitenverkehrt), n-Channel Silicon Gate Technology (nSGT), in der BRD als NMOS bezeichnet. Das Layout war in Erfurt fotografiert worden. (Im Gegensatz zur BRD unterschied man in der DDR zwischen MOS (Metal Oxid Silicon) und SGT (Silicon Gate Technology), MOS gab es nur zu Anfang, danach ausschließlich selbstjustierende Silizium Gates - SGT).

Bild 3: Eines von 70 Detailfotos des 8279 im Format A3. Man erkennt die blinde Durchnummerierung der Leitbahnen mit den darunter liegenden Transistoren. Ab und an ist der vermutliche Verlauf von Polyleitungen unter dem Alu blau nachgezeichnet.

Kollege Uli Diedrich erstellte den Logikplan aus meinen rückübersetzten Transistorplänen der Seiten. Er arbeitete ein halbes Jahr an folgendem Logikschaltplan. Meine Transistorpläne der Detailfotos waren sein Input. Kein einziger Fehler war erlaubt. Eine Knochenarbeit, ein fast unmenschlicher Job. Uli kündigte nach dieser Arbeit und wurde Leiter eines Jugendklubs in Mecklenburg.

Bild 4: Rückübersetzter Logik-Schaltplan des i7279.

Ich schrieb anschließend einen Aufsatz, um auf das Entwurfsproblem und auf einen neuen Entwurfsstil*** aufmerksam zu machen. Herkömmliche Chip-Designs brauchten mit unserer Technologie um die 50 Mannjahre, SCHEME-79 höchstens ein halbes. Die Zeit des manuellen Layouts war vorbei. Neue Ideen waren gefragt. Die Zeit der CMOS-Standardzellen und der Building Blocks brach langsam an.

Unser Übungsschaltkreis wurde nicht ins Layout gebracht. FWE hatte neue Prioritäten. Dennoch war es eine nützliche Kooperation. Wir lernten die wichtigen Leute in Erfurt kennen und bekamen eine Vorstellung davon, wie man Schaltkreise entwickelt.





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