Eine Geschichte früher Mikrocontroller, Teil 5: Das Motorola 6801

Die Semiconductors Components Group von Motorola – Motorola Semiconductor – kam in mehrfacher Hinsicht zu spät zur Mikroprozessor-Partei. Das Unternehmen entwickelte nie eine erfolgreiche PMOS-Prozesstechnologie und schickte daher kundenspezifische LSI-Chipdesigns wie Rechnerchips für Kunden an andere Halbleiterhersteller wie Mostek und AMS (Advanced Memory Systems). Obwohl das Unternehmen mit robusten RTL-, DTL-, TTL- und ECL-Logikchip-Familien führend in der bipolaren IC-Herstellung ist, fehlte dem Unternehmen eine PMOS-LSI-Prozesstechnologie, sodass Motorola sich erst unter Umständen mit der Entwicklung und Herstellung großer Chips wie Mikroprozessoren befassen konnte forcierte das Problem. Als das Unternehmen tatsächlich einen Mikroprozessor, den 8-Bit-Motorola 6800, entwickelte, war die gut durchdachte Architektur als Mikroprozessor erfolgreich und erlebte dann jahrzehntelang weiteren Erfolg als grundlegende Architektur für mehrere Mikrocontroller-Familien.

C. Lester (Les) Hogan verließ Motorola Semiconductor 1968, um Präsident von Fairchild Semiconductor zu werden. Sieben Topmanager (alle Topmanager bis auf einen) von Motorola Semiconductor traten zurück, um Hogan zu folgen, der bei Fairchild schnell neue Positionen für sie fand. Hogan hatte zunächst kein Interesse daran, Fairchild zu leiten, und lehnte daher die Position ab, als sie erstmals angeboten wurde. Das Halbleitergeschäft von Motorola war bereits größer als das von Fairchild. Darüber hinaus vermittelte Fairchild Talente an andere Halbleiterunternehmen und Start-ups im Silicon Valley. Es war eine hässliche Situation, und Hogan wusste es. Also schickte Fairchild seinen Gründer Robert Noyce nach Phoenix, Arizona, um Hogan zu rekrutieren. Er war ein großartiger Verkäufer, erinnert sich Hogan.

Hogan akzeptierte und handelte ein (damals) riesiges Entschädigungspaket für sich aus. Er und seine sieben Führungskräfte verließen Motorola und gingen ins Silicon Valley, um zu versuchen, das Ausbluten bei Fairchild zu stoppen. Ironischerweise verließ Noyce Fairchild Semiconductor, um kurz nach Hogans Einstieg Intel mit Gordon Moore zu gründen. Berichten zufolge war Noyce verständlicherweise verärgert darüber, dass ihm die Spitzenposition bei Fairchild Semiconductor, dem Unternehmen, das er 1957 mitgegründet hatte, nicht angeboten worden war, und er hatte Hogan bereits wissen lassen, dass er gehen würde, bevor Hogan die neue Position annahm. Hogan und seinem Team gelang es, das gute Schiff Fairchild Semiconductor wieder auf die Beine zu stellen, aber der Abgang fast aller seiner Top-Führungskräfte ließ den Halbleiterkonzern von Motorola etwas auf der Strecke bleiben und seine strategischen Pläne waren durcheinander geraten.

Diese Enthauptung des Managements im Jahr 1968 verzögerte zweifellos wichtige Entwicklungsprojekte bei Motorola Semiconductor, wie die Entwicklung einer funktionierenden PMOS-Prozesstechnologie. Das Fehlen eines solchen Prozesses bedeutete, dass außer den wenigen kundenspezifischen LSI-Projekten, die von den Vertriebsmitarbeitern und der Marketingabteilung eingebracht wurden, keine ehrgeizigen LSI-Projekte in Planung waren.

Drei Jahre später, 1971, wechselte Tom Bennett zu Motorola Semiconductor, um das Unternehmen beim Einstieg in das Geschäft mit Taschenrechnerchips zu unterstützen. Es war damals das heißeste Geschäft mit LSI-Chips. Es war das Unternehmen, das Texas Instruments zur Entwicklung des programmierbaren Rechnerchips TMS1802NC anspornte, des ersten Chips, den man als Einzelchip-Mikrocontroller bezeichnen konnte. Er verfügte über umfassende Erfahrung im Computerdesign und hatte 1969 die ersten Designideen für den Intel 4004-Mikroprozessor gesehen. Als Bennett zu Motorola kam, hatte das Unternehmen einen holprigen Bottom-up-Ansatz für die Projektentwicklung entwickelt, der gut genug war, um dies zu ermöglichen die Entwicklung einer NMOS-LSI-Prozesstechnologie und des ersten Mikroprozessors von Motorola, des 6800.

Jeff LaVell kam 1966 zu Motorola, nachdem er bei Collins Radio am C8500-Computer des Unternehmens gearbeitet hatte, wo er etwas über die Entwicklung von Computerarchitekturen lernte. Der Prototyp des C8500 von Collins war mit den ECL-Logikchips von Motorola ausgestattet, und die Serienversion verwendete die SUHL-TTL-Chips von Sylvania, für die Motorola eine zweite Quelle war. Daher war LaVell mit Motorola bestens vertraut, als er und seine Frau beschlossen, nach Phoenix zu ziehen. Er kam als Anwendungsingenieur für die Marketingorganisation der Computerindustrie zu Motorola.

Ein Teil von LaVells Job bestand darin, mit großen Computerunternehmen wie CDC (Control Data Corporation), DEC (Digital Equipment Corporation) und Cray zusammenzuarbeiten und herauszufinden, wo ein Halbleiterunternehmen wie Motorola helfen könnte. Eine große Chance bot sich: Computerperipheriegeräte. Diese Ausrüstung erforderte hochintegrierte Funktionen, um Kosten, Chipanzahl, Designzeit und Stromverbrauch zu minimieren. Dieser Markt war ideal für einen Mikroprozessor mit einer kompletten Familie unterstützender Chips.

Bill Lattin erwarb 1969 einen Master-Abschluss an der University of California in Berkeley, wo er einen Kurs in Halbleiterphysik bei Andy Grove von Intel besuchte. Er hatte bereits geplant, nach Phoenix zu ziehen, um an der Arizona State University zu promovieren, hatte eine Stelle bei Motorola Semiconductor angenommen und landete in der MOS-Prozessentwicklungsgruppe des Unternehmens, nachdem er einige andere Abteilungen durchlaufen hatte. Er wurde Designmanager der Gruppe, wo er für die CAD-Tools des Unternehmens und die Entwicklung neuer MOS-Chipdesigns verantwortlich war. Er nahm sich auch den Problemen von Motorola mit der bestehenden MOS-Prozesstechnologie und der Entwicklung neuer MOS-Prozesse an.

Gemeinsam definierten Bennett, LaVell und Lattin einen Mikroprozessor und eine Familie von Unterstützungsgeräten, die mithilfe einer noch zu entwickelnden NMOS-Prozesstechnologie hergestellt werden sollen. Zu den etwa 15 Chips, die sie definiert haben, gehören:

Ein Motorola-Team wandte sich an eine lange Liste von Unternehmen, darunter einige HP-Abteilungen, zwei TRW-Abteilungen, NCR (National Cash Register) und CDC, um die Idee des neuen Motorola-Mikroprozessor-Chipsatzes zu verkaufen. Sie fingen an, Zugkraft zu bekommen. Ein möglicher Auftrag von CDC über 200.000 Teile brachte das Projekt in die Tat um. Das Logikdesign begann im Jahr 1972. Das Layout für die ersten fünf Chips (Mikroprozessor, RAM, ROM, PIA und ACIA) erfolgte bis 1973. Die ersten Teile, die größtenteils funktionierten, aber einige Fehler aufwiesen, kamen im Februar 1974 an. Die Kunden hatten die Chips bis Juni 1974 in ihren Systemen arbeiten.

In der Abschrift der mündlichen Geschichtstafel zum Motorola 6800 aus dem Computer History Museum fiel mir einer von Bennetts ersten Kundenbesuchen, bei denen er die ersten funktionierenden Systeme besichtigte, besonders ins Auge:

„Und im Juni war ich, glaube ich, bei HP in Loveland und habe an einem Freitagnachmittag ein System gesehen. Und dieses Ding war einfach erstaunlich, worauf sie das Ding geschrumpft hatten – weil sie ihr Vorher und Nachher [zeigten]. Und Sie bereiteten sich an diesem Abend darauf vor, in einen Park dort oben zu fahren, weil dort ein Coors-Truck stand, beladen mit Bier für sie. Und dann stiegen wir in das Flugzeug, um zurückzukommen, und sie fuhren weiter. Aber sie hatten es drauf so schnell.“

Genau ein Jahr später trat ich dem Labor dieser HP-Abteilung bei, der Loveland Calculator Products Division. Das Prototypsystem, das Bennett in der mündlichen Überlieferung beschreibt, ist eindeutig der Prototyp des Projekts CJ, aus dem der 1975 eingeführte programmierbare Tischrechner und Instrumentencontroller HP 9815A hervorgehen sollte.

Der programmierbare Tischrechner und Controller HP 9815A war eines der ersten Produkte, das auf dem MC6800-Mikroprozessor von Motorola basierte. Bildnachweis: Fred Wenninger und HP9825.com

Der Mikroprozessor-Chipsatz MC6800 wurde schnell ein Erfolg. Es handelte sich nicht um einen Mikrocontroller, aber der Multi-Chip-Satz zusammengenommen lieferte die Funktionen eines Mikrocontrollers. Alles, was nötig war, war, die fünf ursprünglichen Geräte im Chipsatz auf einem Stück Silizium zu integrieren. Motorola kündigte diesen Mikrocontroller, den MC6801, im Jahr 1977 an. Der MC6801 verfügt über eine leicht verbesserte 6800-CPU, die auf Wunsch des Hauptkunden General Motors (GM) einen Multiplikationsbefehl enthielt. GM verwendete den MC6801-Mikrocontroller zunächst für den digitalen Tageskilometerzähler TripMaster im Cadillac Seville von 1978. Es war eine sehr teure Werksoption für 920 US-Dollar.

General Motors bot einen TripMaster-Bordcomputer auf Basis des Motorola 6801-Mikrocontrollers als 920-Dollar-Werksoption für seinen Cadillac Seville von 1978 an. Bildnachweis: sv1ambo, Wikimedia Commons

Der TripMaster ermöglichte es Motorola, sich unter GMs Zelt durchzusetzen, und GM entwickelte ein Mikrocontroller-basiertes Regelsystem für einen Vergaser, um seinen Fahrzeugen dabei zu helfen, die neuen staatlichen Standards für Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen zu erfüllen. In der zweiten Hälfte des Jahres 1980 baute GM täglich 25.000 Motorola-Mikrocontroller in seine Autos ein, was Motorola Semiconductor dabei half, die Rezession von 1980/1981 zu überstehen.

Der Mikrocontroller Motorola 6801 brachte eine lange Reihe architekturell ähnlicher Mikrocontrollerfamilien hervor, darunter den MC6805, eine CMOS-Version des MC6805 namens MC146805, den MC68HC05, den MC68HC08, den MC68HC11 und den MC68HC12. Als sich die Prozesstechnologien verbesserten, folgte Motorola dem Mooreschen Gesetz und führte Mikrocontroller mit mehr RAM, mehr ROM, mehr On-Chip-Peripheriegeräten und mehr I/O-Funktionen ein. Diese Mikrocontroller fanden Eingang in Pager und Mobiltelefone, die von der Muttergesellschaft von Motorola Semiconductor, Motorola, hergestellt wurden. Die Mikrocontroller von Motorola wurden in großen Mengen ausgeliefert. Schließlich gliederte Motorola seine Halbleitergruppe als Freescale aus, die 2015 mit NXP fusionierte. Auf der NXP-Website sind noch immer mehrere Mikrocontroller aufgeführt, die von der ursprünglichen MC6800-Mikroprozessorarchitektur abgeleitet sind, fast ein halbes Jahrhundert nach der Einführung des MC6800.

Für den MC6800-Mikroprozessor gibt es noch ein weiteres erwähnenswertes Mikrocontroller-Erbe. Motorola benötigte Zweitlieferanten, um dem Teil bei einigen Kunden Glaubwürdigkeit zu verleihen, und wählte AMI (American Microsystem Inc) als ersten Zweitlieferanten. In Japan wurde Hitachi auch zu einem zweiten Lieferanten für den MC6800, was dem Unternehmen den Einstieg in das Mikroprozessorgeschäft erleichterte. Schließlich entwickelte das Unternehmen eine stromsparende CMOS-Version des Motorola MC6801-Mikrocontrollers namens HD6301, aus der viele neue Mikrocontroller-Familien hervorgingen, die jetzt unter der Marke Renesas erhältlich sind.

Verweise

„Der Mann hinter dem Mikrochip: Robert Noyce und die Erfindung des Silicon Valley“, Leslie Berlin, Oxford University Press, 2005.

Oral History Panel zur Entwicklung und Förderung des Motorola 6800-Mikroprozessors, Computer History Museum, 28. März 2008

Interview mit C. Lester Hogan, 24. Januar 1995, Silicon Genesis: Oral Histories of Semiconductor Technology, Stanford Libraries.