Es ist alles analog

„Alles ist analog!“, würde ich nachdrücklich behaupten, oft schlug ich dabei auf den Tisch, um Effekt zu erzielen. Diejenigen im Raum, die mich kannten, machten einfach weiter mit ihrer Arbeit, diejenigen, die mir nicht glaubten, konnte man oft die Augen rollen sehen, aber manchmal erregte ich die Aufmerksamkeit eines Neulings oder jemandes, der gerade von der Schule kam, und sie könnten fragen „Was ist mit digital?“

Es war Mitte der 1980er Jahre, und ich arbeitete bei Commodore Business Systems als leitender Entwicklungsingenieur, was bedeutete, dass meine Fehler millionenfach reproduziert wurden. Ich hatte nie eine Hochschule besucht und hatte mich vom lizenzierten Fernsehtechniker hochgearbeitet. Zu sagen, ich sei autodidaktisch gewesen, wäre nicht ganz richtig gewesen, denn sobald ich in verschiedenen Ingenieurabteilungen tätig war, lernte ich von den brillanten Menschen um mich herum. Ich machte es mir auch zur Aufgabe, aus Fehlern zu lernen, egal ob meine eigenen oder die anderer.

Wenn wir den Zeitpunkt überspringen, der von der "ECL-Generation" bewohnt wurde, hatte die nachfolgende "TTL-Generation" die Versuchung, in Begriffen der digitalen Konnotation zu denken, nämlich Signale als "hoch" oder "niedrig" zu bezeichnen, oder noch kürzer, als eine "1" oder eine "0". Einfach, richtig? Natürlich kennen und verwenden wir jetzt Begriffe wie Signalintegrität (SI) und Stromverteilungsnetzwerk (PDN), aber damals waren Prozessoren in Verbraucher- und kleinen Industriegeräten relativ neu.

Plötzlich hatten wir eine Generation neuer Ingenieure, die "digital machten, aber nicht analog". Ich sollte herausfinden, dass die meisten von ihnen meinten, sie würden keine Masseschleifen, FCC-Emissionen/Empfindlichkeiten, Stromversorgungsdesign und sogar Reset-Schaltungen machen, da diese außerhalb ihrer Komfortzone lagen. Persönlich sah ich den Job als allumfassend an, ein Paradebeispiel dafür war, dass das Erste, was ich jedem ordnungsgemäß ausgebildeten Ingenieur beibrachte, der meinen Reihen beitrat, war, wie man die Sperrschichttemperatur eines Chips berechnet.

Ein Paradebeispiel dafür ist, als ich bei Commodore ankam und feststellte, dass der vorgeschlagene Reset-Schaltkreis für das, was später der C116/C264/Plus4 werden sollte, aus einem Schaltkreis bestand, bei dem jemand einen Kondensator mit einem Widerstand an die +5V Versorgung zum Eingang eines Gates angeschlossen hatte. Ich wurde sehr lautstark in meiner Erklärung, dass dies einfach nicht funktionieren würde. Stellt euch einen langhaarigen Jungen ohne Ausbildung vor, der euch das in seiner ersten Arbeitswoche dort sagt. Zumindest hatte ich noch nicht angefangen, auf der Arbeit meine Schuhe auszuziehen.

Der Ingenieur, wie sich herausstellte der scheidende Ingenieur, da er sich auf weniger stressige Umgebungen vorbereitete, erklärte geduldig, dass der Gründer der Firma eine Grenze für die Anzahl der Chips festgelegt hatte, die im neuen Computer sein dürften, und diese Zahl war neun. Ich erklärte geduldig zurück, dass das keine Rolle spiele und der Schaltkreis nicht funktionieren würde. Commodores Antwort war, mich zum Verantwortlichen für die neue Computerlinie zu machen, und nun war es mein Problem. Ich fügte einen dedizierten Reset-Schaltkreis in Form eines 555-Timer-Chips hinzu, und der Gründer feuerte mich nicht, am Ende des Tages musste es bei jeder Menge, niedrig und hoch, funktionieren.

Blicken wir schnell vorwärts zu meinem neuesten Wutausbruch; ich war verantwortlich für das Design und die Hardware des Commodore C128 und musste ein Dual-Prozessor-System – mit zwei Grafikprozessoren und insgesamt 144mB DRAM – auf einer 2-Lagen-Platine unterbringen und dafür sorgen, dass es in Millionenauflage funktioniert (und das im Jahr 1985). Im Kern des Problems liegt, dass die meisten Designer mit etwas durchkommen können, das zu 95% oder bei den meisten Spannungen oder Chipkombinationen funktioniert, aber ein 2%iges Problem ist bei einer Million Mal eine ganze Menge Maschinen, die auf Paletten sitzen und auf Schrotthaufen landen. Diese Zahlen können und werden die Probleme der Empfindlichkeit gegenüber Chipmarken und -variationen sowie jede Kombination von Temperatur und Spannung aufzeigen.

Ich habe mich sehr bemüht, jedem, der zuhören wollte, klarzumachen, dass das, was sie als „niedrig“ bezeichneten, tatsächlich eine Schwellenspannung von 0,8V war, wie sie vom Chip gesehen wurde, wenn der Treiberchip einen Ausgang von bis zu 0,4V haben könnte, was eine klägliche Rauschspannungsmarge von 0,4V übrig lässt. Wir machten oft Scherze, dass ODER-Gatter „lauter“ seien, da jeder Spannungsspitzen von mehr als 0,4V an einem der Eingänge dazu führen könnten, dass der Ausgang zu werden ungültig zu beginnen.

Um die Schwierigkeit dessen, was wir taten, zu verstärken, ist die Tatsache, dass wir nie auch nur daran gedacht haben, eine Mehrlagenplatine in der Verbraucherabteilung zu verwenden, nicht ein einziges Mal, niemals. Das bedeutete, dass unsere Stromleiterbahnen nach heutigen Standards nicht mehr waren als größere Signalleiterbahnen, und die Impedanz sowohl der Strom- als auch der Signalleiterbahnen variierte stark, abhängig vom Glück des Layouts.

Dies waren die Tage vor jeglichen praktischen Werkzeugen zur Vorhersage schlechten Verhaltens; folglich gingen wir einfach davon aus, dass das Verhalten schlecht sein würde. Selbst die IC-Designer hatten nicht die Werkzeuge, die ihnen sagten, ob der Chip mit dem Schaltplan übereinstimmte, nur der Bau des Chips und dessen Testen würde die ultimative Antwort liefern. So auch für die Systeme, wir mussten sie bauen, um zu sehen, was wir hatten.

Ich hatte zwei Grundsätze beim Start eines neuen Designs; der erste war, alle Strom- und Masseleitungen zu rastern. Alle Chips sollten zwei Wege sowohl zur Stromversorgung als auch zur Masse haben, was theoretisch bedeutete, dass es keine Stummelleitungen geben würde. Der zweite Grundsatz war eigentlich ein Ausgangspunkt, und das war die Platzierung und Verdrahtung der DRAMs, die bei weitem die kniffligste Herausforderung der damaligen Zeit waren. Nicht alle DRAMs wurden korrekt hergestellt, nicht alle Stromversorgungen hielten ihre Toleranzen ein (DRAMs sind in einigen Aspekten spannungsempfindlich), und die Chips, die das Timing erzeugten, hatten auch Probleme. Unser einziger Vorteil war, zu versuchen sicherzustellen, dass das Layout der Strom-PCB diese Probleme nicht zusätzlich verschärfte.

Als Nächstes würden wir die Grafikchips einbinden, zu denen auch die Master-Taktgeber gehörten – die höchsten Grundfrequenzen auf der Platine. Wir entwarfen automatisch einen kleinen Schutzschild, um diesen Teil des Designs zu umhüllen, unser Sündigen hatte begonnen und damit auch das Überdecken dieser Sünden.

Nach Fertigstellung hätten wir nach heutigen Maßstäben im Allgemeinen ein Durcheinander, und wieder war unser Test nicht, ob wir ein paar oder ein paar tausend herstellen konnten. Eine Million war das Minimum und im Allgemeinen produzierten wir über fünf Millionen.

Zurück zu den Höhen und Tiefen, die Signale konnten damals wie Glocken klingen oder mit einem halben Dutzend Reflexionen oder Übersprechen auftauchen, das sie unterwegs aufgesammelt hatten. Es gab keinen Platz mehr auf der Platine für Masseflächen, Abschirmungen oder Trennungen und es gab keine Zeit mehr im Zeitplan, um in irgendeiner bedeutenden Weise „von vorne zu beginnen“. Das bedeutete, dass wir unsere Umgebung verstehen und uns an sie anpassen mussten. Traurig zu sagen, dass das, was wir dann taten, darin bestand, das Durcheinander so zu „stimmen“, dass es scheinbar ordnungsgemäß funktionieren würde. Wir lebten mit Artefakten, solange sie sich während kritischer Zeiten wie DRAM-Steuerungssignalübergängen beruhigten.

Eine Sache, die wir machten, war, uns massenhaft an Serienabschlüsse zu halten. Wir versuchten, den Wert bis auf 68 Ohm zu erhöhen, aber der optimale Punkt für uns lag typischerweise bei 22 Ohm, 33 Ohm, wenn wir Zeit für die zusätzliche RC-Komponente hatten. Ich fand auch mehrere Fälle von Massetrennungen und musste auch eine Adressleitung manuell abstimmen, indem ich einen diskreten Draht hinzufügte: zu 5,7 Millionen Einheiten.

Ich zeigte den neu angekommenen "digitalen" Ingenieuren, dass man die Zeit, die ein Signal zum Schwingen benötigte, nicht als Hoch oder Tief zählen konnte, bis es aufhörte zu schwingen. Plötzlich war das Analoge in ihrer digitalen Sichtweise der Welt, als ich sie zwang, ihre Zeitberechnungen auf Basis von realen Artefakten neu zu machen. "Es ist alles analog", würde ich laut verkünden, bis eines Tages ein Kollege namens Hedley fragte: "Was ist mit Quanteneffekten?"

Nachdem wurde mein Motto "ES IST ALLES ANALOG… bis natürlich, man kommt zu Quanteneffekten, in welchem Fall es nicht ist".

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