Chips TTL y CMOS y su importancia en la historia de la informática

En la década de los 60, los ordenadores eran extremadamente grandes en comparación con lo que tenemos ahora. El motivo de ello es que el nivel de integración no había alcanzado el nivel de precisión que tenemos hoy en día. Mientras que en la actualidad hablamos de decenas de miles de millones de transistores, por aquellos tiempos incluso la CPU más sencilla no estaba compuesta por uno, sino por varios chips distintos, lo que llevaba a que las placas fueran enormes.

Si revisáis cualquier placa de una máquina recreativa o un ordenador muy antiguo, veréis que destacan por tener una gran cantidad de chips que seguramente no habréis podido identificar. Es por ello que hoy os hablaremos de la lógica transistor a transistor o los llamados chips TTL, la cual se utilizó durante mucho tiempo para construir el hardware que ejecutó muchos videojuegos clásicos. Es más, incluso después de la salida de las primeras CPU integradas, lo que llevó a la creación de los primeros ordenadores domésticos, durante mucho tiempo los chips TTL fueron los que se usaron.

Si bien fueron perdiendo importancia con el tiempo, su uso se puede ver incluso en hardware de los años 90, perdiendo cada vez más relevancia hasta desaparecer del todo. Su desaparición se debió a la ley de Moore y, por lo tanto, al aumento de la densidad de los transistores, lo que permitió integrar las funciones de varios chips TTL en uno solo e incluso ir más allá de lo que podían realizar.

¿Qué son los chips TTL?

Los chips TTL son una serie de chips que forman una familia lógica de circuitos integrados, los cuales se pueden combinar entre sí para formar un circuito mucho más complejo. Dependiendo de cómo se combinen entre sí, es posible construir una calculadora, un ordenador, un sistema de música electrónica, etcétera. Cada chip TTL implementaba funciones muy simples: una puerta lógica (AND, OR, NOT), un contador, un registro, etc. Por ejemplo, para construir una CPU completa hacían falta decenas de chips TTL montados en placas grandes, calientes y relativamente frágiles.

Incluso al mirar la documentación de componentes como las CPU de la época habréis visto que en sus especificaciones pone que son compatibles con TTL. Esto se debe a que para ciertas funciones básicas e imprescindibles del sistema no se utilizaban chips dedicados, sino combinaciones de estos chips, los cuales podían tener una mayor o menor complejidad.

Integración SSI

Los primeros chips TTL eran relativamente sencillos. Son los que utilizan integración a pequeña escala o SSI (Small Scale Integration) y suelen estar formados por entre 10 y 100 puertas lógicas. Por lo que su funcionalidad era relativamente simple. No obstante, la complejidad en transistores de una puerta lógica no es fija:

• Un inversor (NOT) suele ocupar entre 1 y 2 transistores; sirve para negar el valor de la salida.
• La puerta NAND, entre 4 y 6 transistores. Los chips más complejos de los diseños TTL se basaban en el uso de puertas lógicas NAND para su construcción, ya que era la más simple de todas y, aunque sorprenda, no es una AND con un inversor.
• La puerta AND, al contrario de lo que marcaría la lógica, era una puerta NAND con un inversor.
• Lo mismo que ocurre con AND y NAND ocurría con las puertas OR y NOR; incluso hay sistemas a día de hoy que están diseñados alrededor de estas puertas lógicas.
• Las puertas XOR y XNOR sí que siguen la lógica intuitiva, ya que la puerta negada en este caso es la XNOR. Su complejidad es tan alta que superan los 20 transistores, llegando incluso a 24. Debido a ello se usan en casos especiales.

Por lo que en los primeros circuitos integrados, el número de transistores se estimaba indirectamente contando puertas lógicas, ya que cada puerta equivalía, grosso modo, a unos pocos transistores.

A continuación, una selección de los chips TTL SSI más utilizados. Como norma general, los chips de la serie 74 con código de 4 dígitos pertenecen a esta categoría:

La RAM antes de la RAM: los Flip-Flops

Antes de que existieran las memorias RAM tal y como las conocemos hoy, los ordenadores ya necesitaban recordar cosas. El mecanismo básico para hacerlo no era una celda de memoria, sino algo mucho más simple y fundamental: el flip-flop. A día de hoy tenemos remanentes de ellos en los registros internos de los chips actuales, solo que por aquellos tiempos dichos registros no se encontraban en el mismo chip que el resto de componentes, sino en un chip aparte.

Un flip-flop es un circuito digital capaz de almacenar un solo bit de información: 0 o 1, falso o verdadero, apagado o encendido. La forma en la que recuerda el bit almacenado es a través de realimentación: la señal de salida vuelve a alimentar la entrada, manteniendo el valor en el tiempo. En la era TTL SSI, existían piezas como el 7474, un chip que ofrecía almacenamiento volátil de solo 2 bits. Imaginaos la cantidad de estos chips que eran necesarios para tener algo mínimamente decente. Es por ello que la aparición de la primera memoria RAM fue revolucionaria, ya que permitió disminuir por completo el tamaño de los ordenadores.

La principal utilidad de los flip-flops era la construcción de registros que, en combinación con otros chips TTL, permitían fabricar piezas fundamentales en un microprocesador como acumuladores, contadores de programa y registros de estado. Dicho de otra manera: antes de que la memoria fuera un chip, la memoria era un circuito. Y ese circuito era el flip-flop, implementado en forma de chip TTL.

¿Por qué supuso una revolución?

Los chips TTL con integración a pequeña escala se implementaron sobre todo en sistemas militares y empresariales de alto coste, sirviendo para la construcción de los llamados «mini» ordenadores de la época. El primero de ellos fue el Data General Nova, introducido en 1968, solo dos años después de que Texas Instruments introdujera su popular serie 74 de chips TTL.

Antes de la introducción de los chips TTL, los ordenadores se construían con transistores individuales o tecnologías más lentas y costosas. El Nova cambió las reglas del juego por varias razones:

• Gracias a la densidad de los chips TTL, el Nova era significativamente más pequeño que sus competidores, como el PDP-8 de DEC. El sistema de Digital Equipment Corporation tenía el tamaño de una nevera industrial, mientras que el Nova de Data General era tan pequeño como un microondas.
• El uso de componentes estándar de la serie 7400 permitió reducir el precio de salida a unos 4.000 dólares estadounidenses, un hito para la época. El PDP-8 tenía un precio de 18.000 dólares, es decir, por el coste de un solo PDP-8 una empresa podía comprar cuatro Nova.
• Para colmo, el rendimiento del Nova era superior, llegando a alcanzar hasta 4 veces el de su competidor. Eso suponía obtener casi 20 veces la potencia por el mismo precio.

A partir de ese punto, todos los ordenadores empezaron a fabricarse usando chips TTL, ya que por motivos de tamaño, coste y rendimiento eran muy superiores.

Integración a media escala (MSI)

La segunda generación de chips TTL utilizó integración a media escala, MSI (Medium Scale Integration). En estos chips, varios elementos comunes que antes requerían múltiples chips SSI pasaron a venderse como un único chip, con capacidad para:

• Registros completos: 4, 8 o más flip-flops en un solo chip, con carga paralela, borrado, desplazamiento, etc.
• Contadores y temporizadores: contadores binarios, divisores de frecuencia, generadores de secuencia.
• Multiplexores y decodificadores complejos: selección de buses, direccionamiento de memoria, control de periféricos.
• Unidades aritméticas: sumadores completos, comparadores, ALU simples.

Del mismo modo, los chips de la serie 74 con código de 5 dígitos pertenecen a la categoría MSI. Algunos de los más utilizados:

El Datapoint 2200

Un sistema muy conocido de la época que utilizaba este tipo de chips fue el Datapoint 2200, lanzado en 1970, que tenía la particularidad de tener una CPU en una placa, siendo una especie de precursor de los ordenadores personales. Eso sí, en una placa de decenas de chips que combinaba piezas con integración SSI y MSI.

Otro ejemplo de la implementación a media escala fue la placa original del Atari Pong, lanzado en recreativas en 1972, que en su diseño hace uso de chips con lógica de transistor a transistor.

Curiosamente, la primera consola de videojuegos, la Magnavox Odyssey de Ralph Baer, no se creó usando chips TTL, sino circuitería mucho más simple basada en lógica cableada. Sin embargo, tres años más tarde, en 1975, Magnavox lanzó la Odyssey 100, una versión recortada respecto al concepto original que sí implementaba lógica TTL en su circuitéria.

LSI y el tope de los chips TTL

A mediados de los 70 apareció la tecnología para fabricar chips a gran escala, Large Scale Integration o LSI, que permitía chips integrados de hasta 10.000 transistores. Es en esa generación donde aparecieron las primeras CPU integradas en un chip. Y es que por aquel entonces ya era posible colocar miles de transistores en un mismo chip.

El Intel 4004 fue la primera CPU comercial completa integrada en un chip, compuesta por 2.300 transistores. Para acompañarlo, Intel desarrolló las primeras memorias RAM, como el Intel 4001 (una ROM de 1 Kbit) y el Intel 4002 (RAM de 320 bits). El Intel 8008, por su parte, fue básicamente la miniaturización en un solo chip de la CPU del Datapoint 2200, cuya placa entera habéis visto en su sección correspondiente. Lo que resulto en una revolución. A estos, y en poco tiempo le siguieron las CPU clásicas de 8 bits que definieron a los primeros ordenadores de 8 bits como son el MOS 6502, el Intel 8080 y la versión mejorada de Zilog, el Z80.

Sin embargo, los chips  evolucionaron hasta LSI, sino que se quedaron estancados en las integraciones de pequeña y media escala. Lo que no significaba que se dejaran de usar para funciones concretas en los diferentes sistemas. Cómo curiosidad los chips TTL se siguieron usando para productos de muy alta gama, ya sean estaciones de trabajo de decenas de miles de dólares e incluso superordenadores que podían ir desde los cientos de miles a los millones de dólares. Por ejemplo, el impresionante, para 1981 CT5 de Evans & Sutherland, estaba compuesto por chips TTL y se lanzo ya no en la era de los chips con integración LSI, sino VLSI con decenas de miles de transistores.

LSI en el mercado doméstico

Muchas marcas, con la economía suficiente, terminaban trasladando sus complejas circuiterías de chips TTL a chips LSI para reducir costes. Un caso conocido fue la transición del ZX80 al ZX81 de Sinclair, donde buena parte de la circuitería fue reducida a un solo chip. De manera similar, toda la lógica de la recreativa Pong fue integrada años después en un solo chip para el Home Pong, experiencia que le sirvió a Atari para la creación de su primera consola, la VCS o Atari 2600.

En realidad, muchos sistemas de mediados y finales de los 70 continuaron usando chips TTL, más que nada porque muy pocas empresas podían permitirse el lujo de tener sus propias fábricas de chips o el volumen de mercado suficiente para asegurarse el uso de dicha tecnología.

PLD: los sustitutos de los chips TTL en arcades

Una alternativa al uso de los TTL, basada también en integración a gran escala, fueron los llamados Dispositivos Lógicos Programables (PLD). Esto fue especialmente evidente en salones recreativos, donde la velocidad de lanzamiento de los juegos y las necesidades específicas de cada título hacían que la lógica programable fuese la solución ideal. Un solo PLD podía integrar la lógica de varios chips TTL, reduciendo tamaño y complejidad.

Los PLD se pueden considerar precursores de los chips FPGA que aparecieron años después, ya que contenían lógica programable y permitían reconfigurar los chips para usos distintos. Cuando una marca no tenía capital para hacer chips personalizados a gran escala, tenía la opción de usar chips PLD para sustituir varios chips TTL en un único dispositivo programable, con varias ventajas:

• Versatilidad: podían programarse para realizar una amplia variedad de funciones lógicas, reemplazando varios chips TTL con un solo dispositivo.
• Reducción de espacio y simplificación del diseño: al integrar múltiples funciones en un solo chip, la placa ocupaba menos espacio y el diseño se volvía más limpio.
• Reprogramabilidad: los PLD podían adaptarse a nuevos requisitos o correcciones, lo que facilitaba la gestión de stock y prototipos, una ventaja que no tenían los chips especializados.

Aun así, su uso no fue masivo. La mayoría de las empresas preferían chips personalizados o custom ICs para sus diseños, especialmente en producciones de alto volumen como consolas o videojuegos comerciales. Por eso, los PLD se vieron más a menudo en arcades de tiradas limitadas, donde la flexibilidad y rapidez de diseño compensaba la inversión.

CMOS y el fin de los chips TTL

Una alternativa nacida en la década de los 70 fue la tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), la cual no apareció para reemplazar a los chips TTL de inmediato, sino como alternativa para casos específicos en los que la lógica de transistor a transistor no era la mejor solución. La adopción de los chips CMOS fue gradual, pero llegado a cierto punto pasaron a dominar toda la industria.

Entre sus ventajas se encontraba un consumo estático muy bajo: mientras los chips TTL tenían que estar continuamente alimentados, incluso en periodos en los que no hacían nada, los CMOS no, lo que los hacía ideales para productos como relojes digitales, calculadoras y dispositivos a pilas. No obstante, eran más lentos que los chips TTL, lo que le dio un respiro a la lógica transistor a transistor. Esto se debía a que el voltaje de funcionamiento era más bajo, de 3,3 V en vez de los 5 V de los TTL, lo que influía en la cantidad de ciclos por segundo que podían alcanzar.

Las series 74HC y 74HCT

Texas Instruments, el mayor proveedor de chips TTL, decidió lanzar una serie de chips CMOS dentro de su serie 74. Estos chips operaban a 5 V, por lo que podían alcanzar las mismas velocidades que los chips TTL previos, pero sin el consumo energético continuo. Esto permitía en los diseños ya existentes hacer reemplazos directos de un chip de la serie 74 por su equivalente CMOS de la serie 74HC o 74HCT, dependiendo del uso, lo cual facilitó la entrada de chips CMOS no solo en sistemas de bajo consumo.

Llegado a un punto, toda la serie basada en chips TTL fue reemplazada por CMOS, no solo a nivel de pequeña o media integración, sino también en integración a gran escala. La lógica de transistor a transistor ya no podía escalar más y se había convertido en un factor limitante a la hora de diseñar sistemas más rápidos y complejos.

CMOS y la integración a gran escala

Es importante matizar que CMOS es sobre todo un tipo de transistor. Su adopción en circuitos integrados a gran escala tardó tiempo: los primeros chips LSI, como el Intel 4004, no usaban tecnología CMOS sino PMOS, y la segunda generación de mediados de los 70 (8008, 6502, 6800, 8080) usó transistores del tipo NMOS.

La ventaja de CMOS, al contrario que la tecnología TTL, es que podía escalar también a gran escala e incluso a muy gran escala. El motivo por el cual no se adoptó para LSI en los años 70 era que las primeras CPU NMOS/PMOS ya eran suficientemente rápidas y fáciles de fabricar, mientras que CMOS era más lento y complejo de fabricar en aquella época. En realidad, muchas CPU de 8 bits se rediseñaron utilizando transistores CMOS en los 80 y 90, lo que permitió crear chips de menor consumo energético e implementarlos incluso en dispositivos portátiles, además de crear versiones con mayor velocidad de reloj que los diseños originales.

Por ejemplo, tenemos el caso de los clones del 68000 de Hitachi construidos vía CMOS por Hitachi, utilizados en muchos sistemas de finales de los 80 que le permitieron ir más allá en velocidad que el chip original lanzado a principios de los 90. También podemos añadir el 65C02, una variante CMOS del 6502 que pudo ir a 3.58 MHz e incluso a 7 MHz y que se usó en sistemas como la PC-Engine de NEC o la Atari Lynx.

¿Por qué se abandonó el TTL a favor del CMOS?

El consumo energético de un transistor activo se puede expresar como:

Potencia = Capacitancia del chip × Frecuencia × Voltaje²

Los chips CMOS no solo no consumían energía de forma constante, sino que su voltaje de funcionamiento estándar era de 3,3 V, lo que recortaba el consumo a la mitad o más y generaba menos calor. Esto no solo era ideal para dispositivos de bajo consumo, sino que permitía colocar una mayor cantidad de transistores por chip, algo imposible con la lógica TTL.

A medida que los transistores se hacían más pequeños, la capacitancia bajaba, lo que hacía posible alcanzar mayores velocidades de reloj con voltajes cada vez más bajos. Se llegó al punto en que ya no era una cuestión de 3,3 V frente a 5 V, sino una reducción de voltaje progresiva (3,3 V, 1,8 V…). La revolución del CMOS no fue solo lógica: fue física. Al reducir el voltaje y miniaturizar los transistores fue posible integrar millones de puertas en un solo chip sin que ardiera por el calor, algo completamente imposible con los grandes transistores TTL, haciendo posible así la integración a muy gran escala y, en definitiva, la informática tal y como la conocemos hoy.