Ketika IBM mulai menggunakan sirkuit terintegrasi pada akhir 1960-an, chip tersebut dikemas dalam modul logam persegi yang disebut Monolithic Systems Technology (MST). Penindih kertas menyajikan beberapa langkah dalam produksi modul MST. Wafer silikon dipotong menjadi kristal, dipasang pada penyangga keramik persegi, dan dibungkus dalam kotak logam berukuran kecil.
- , MST- . - .
Kristal diapit plexiglass, sehingga Anda dapat mempelajari skema mereka secara detail dan lebih memahami metode kerja. Foto di bawah ini menunjukkan gambar tepi substrat silikon yang diperbesar dan empat kristal yang dibungkus dengan pemberat kertas. Dua kristal besar sama dengan kristal di pangkalan. Dua yang kecil sama, tapi satu rusak.
Saya bertanya-tanya mengapa salah satu kristal kehilangan sudutnya. Namun, tidak hanya terkelupas - lapisan logam dan silikon tidak mencapai tepi. Mungkin, kristal ini berada di tepi substrat dan tidak melalui siklus produksi sampai akhir. Oleh karena itu, perusahaan menggunakan penolakan untuk membuat pemberat kertas tersebut.
Kristal rusak
Untuk artikel ini, saya memotret kristal di bawah mikroskop dan merekayasa balik chip kecil itu. Saya menyimpulkan bahwa chip besar adalah chip memori statis 1Kbit, dan chip kecil adalah amplifier baca memori.
Sistem IBM / 370
Chip ini kemungkinan besar digunakan pada jalur mainframe System / 370 yang populer. Pada tahun 1964, IBM memperkenalkan keluarga mainframe System / 360, yang terbukti sangat populer. Pada tahun 1970, didesain ulang dengan pengumuman System / 370, yang dirakit dari sirkuit terintegrasi (sebagai lawan dari System / 360) dan dipindahkan dari memori inti magnetik ke memori semikonduktor. Penindih kertas berisi perubahan besar: sirkuit terintegrasi dan memori semikonduktor.
Untuk memberi Anda gambaran tentang skala komputer System / 370, berikut adalah rendering dari komputer System / 370 Model 145. Model 145 adalah mesin "ukuran sedang" di baris System / 370.
Untuk sementara waktu, IBM menggunakan sistem penomoran logis untuk saluran System / 370 - seiring bertambahnya jumlah, begitu pula daya. Rentang model berkisar dari Model 115 yang paling lemah hingga Model 195 yang paling kuat. Namun, pada akhir tahun 1970-an sistem penomoran ini runtuh , dan model mulai disebut nomor acak - 3031, 4361, 3090 dan 9370. Pada pada saat yang sama, Model 9370 adalah yang paling tidak bertenaga.
Model 145 adalah komputer pertama dari IBM yang memiliki memori utama semikonduktor. Komputer ini sangat besar menurut standar modern - pada gambar di bawah, ia menempati semua lemari biru. Di satu kabinet ada prosesor, di kabinet lain - chip memori 256 kB. Tidak ada mikroprosesor pada saat itu, jadi prosesornya dipasang dari banyak papan sirkuit tercetak, di mana sirkuit terintegrasi berada. Model 145 memiliki berat lebih dari satu ton, harganya $ 5-10 juta (dalam harga sekarang), dan kecepatannya hampir sama dengan IBM PC tahun 1981.
Sistem render komputer / 370 Model 145. Komputer - dalam lemari biru. Lemari putih di belakang adalah disk drive. Di latar depan adalah pembaca kartu.
Modul MST
Pada System / 360 awal, IBM menggunakan modul hibrida SLT, bukan sirkuit terintegrasi (IC). Untuk System / 370, perusahaan beralih ke IC, menyebutnya "monolitik". Sebagian besar perusahaan mengemas IC mereka dalam kotak plastik atau keramik persegi, tetapi IBM menyimpan kotak persegi panjang dari SLT dan menyebutnya MST - Teknologi Sistem Monolitik.
IBM memiliki opsi logika MST yang berbeda untuk produk yang berbeda. Versi berbeda menggunakan voltase berbeda. MST-1 menggunakan arde sebagai ambang tegangan tinggi, -4 V sebagai rendah, dan -1,32 sebagai referensi tegangan ESL... Karena ECL sensitif terhadap fluktuasi tegangan tinggi, seringkali chip keluarga ini menggunakan arde sebagai tegangan atas, dan tegangan yang lebih rendah negatif. Untuk MST-2, levelnya digeser sehingga tegangan referensi sama dengan ground, yang atas adalah + 1,25 V, dan yang lebih rendah adalah -3 V.
Teknologi MST merupakan terobosan yang signifikan dibandingkan dengan hybrid SLT. Itu sepuluh kali lebih dapat diandalkan dan 4-8 kali lebih padat. Dalam istilah modern, MST IS sangat sederhana. 32 transistor dalam satu modul menerapkan sekitar enam gerbang logika, sehingga ribuan IC diperlukan untuk mengimplementasikan seluruh komputer.
Modul MST diproduksi dalam jumlah besar dengan mengotomatiskan teknologi produksi. Urutan komponen yang disertakan dalam pemberat kertas menunjukkan langkah-langkah pembuatan. Di sebelah kiri adalah substrat silikon bundar yang dipotong menjadi kristal individu. Di sebelah kanan adalah alas keramik persegi dengan 16 lubang pin. Kemudian sirkuit tercetak diterapkan ke pangkalan, menghubungkan IC ke kontak.
Basis keramik MST menyediakan antarmuka antara dua skala sirkuit - PCB dengan jarak 0,125 "antar pin, dan IC dengan jarak 0,01" antar bola. Sirkuit berbahan dasar keramik ini memiliki keistimewaan yang menarik. Setiap pin daya terhubung ke tiga bola, memungkinkan lebih banyak arus disuplai ke IC. V- track melintasi chip, memberikan dua pin untuk dihubungkan di kedua sisi. Track V + berjalan ke tengah chip, memberikan pin tambahan untuk daya.
Untuk beberapa alasan, MST menggunakan dua skema penomoran pin yang berbeda. Di SLT, kontak diberi nomor secara spiral menuju ke tengah. Namun pada MST, penomoran dari A01 hingga D04 lebih umum.
Pada langkah ketiga, 16 kontak disolder ke alas. Kemudian kristal silikon dan dasar keramik digabungkan. Kristal diletakkan terbalik di tengah-tengah dasar keramik. Lihat seberapa besar kristal lebih kecil dari kasing. Modul disolder dengan melelehkan solder tertutup, kontak kristal silikon langsung disolder ke alas.
IBM menyebut teknologi ini " koneksi chip runtuh terkontrol ", atau C-4. Jumlah solder yang terkontrol digunakan untuk membuat kontak di modul. Selama proses penyolderan, chip ditarik ke jari-jari modul oleh tegangan permukaan - seperti pemasangan permukaan yang dilakukan saat ini.
Akhirnya, modul itu dimasukkan ke dalam wadah logam, dan chip persegi dengan sisi setengah inci diperoleh. Modul ini memiliki tampilan khas yang berbeda dari DIP keramik atau plastik yang digunakan oleh produsen lain.
Tahapan
modul MST produksi MST ditempatkan dengan erat di papan - lihat, misalnya, foto kartu memori di bawah. Modul persegi yang dikombinasikan dengan papan empat lapis menghasilkan kepadatan yang jauh lebih tinggi daripada produsen PCB lain pada saat itu yang menggunakan DIP dan PCB lapis ganda.
Kartu memori dari IBM
Substrat dan chip memori
Di dalam pemberat kertas ada wafer silikon dengan diameter 50 mm - ukuran ini diperkenalkan pada tahun 1969. Sejak itu, dimensinya terus meningkat, dan manufaktur modern menggunakan substrat berdiameter 300 mm. Ada 177 kristal pada substrat - Saya mengambil foto salah satunya di bawah mikroskop (lihat di bawah). Menariknya, substrat ini tidak sepenuhnya selesai - tampaknya, hanya satu dari sembilan yang diterapkan. Foto tersebut menunjukkan garis uji dan pola kesejajaran antara kristal.
Foto menunjukkan artikel DLM1
Penindih kertas juga berisi kristal yang sudah jadi, foto-fotonya diberikan di bawah ini. Kisi sel memori terlihat di tengah chip, dan kontur tambahan terletak di sepanjang tepinya. Setelah memeriksa kristal dan menghitung sel, saya memutuskan bahwa itu adalah RAM statis kilobit. Kabel bola terlihat di sepanjang tepi kristal, memungkinkan chip disolder langsung ke dasar keramik. Ada 25 di antaranya, masing-masing, chip itu kemungkinan besar dipasang di casing MST dengan pin 5 × 5.
Chip Memori
Sulit untuk memotret modul yang tertutup kaca plexiglass di bawah mikroskop, jadi pada perbesaran tinggi sirkuit chip tidak terlihat, dan saya tidak dapat melakukan rekayasa baliknya. Saya dapat mengukur ukuran karakteristik bagian-bagiannya - 6 mikron. Proses teknis seperti itu muncul pada tahun 1971.
Foto di bawah ini adalah resolusi terbaik yang bisa saya dapatkan. Saya pikir ini adalah enam sel memori - saya telah membingkainya. Saya pikir ini adalah dua inverter yang saling terkait, rangkaian sel RAM statis standar.
Chip penguat pembacaan memori
Chip kecil dalam penindih kertas jauh lebih sederhana, dan komponennya jauh lebih besar. Di bawah ini adalah foto yang saya ambil. Saya menemukan 32 transistor NPN dan resistor di atasnya. Chip ini sebagian analog dan menggunakan ECL . Saya rasa ini adalah jenis penguat yang berbeda - penguat pembacaan untuk sinyal dari chip memori. Ini menjelaskan mengapa kedua chip inilah yang disertakan dalam penindih kertas.
Di foto, silikon berwarna abu-abu. Bagian silikon telah diolaharsenik, boron atau fosfor untuk mendapatkan area dengan sifat semikonduktor yang berbeda. Garis hitam adalah batas antara berbagai tingkat pengotor. Kekuningan - konduktor logam di atas silikon, menghubungkan berbagai komponen. Lingkaran hitam besar adalah ujung bola yang menghubungkan dadu ke substrat MST.
Di bawah ini adalah diagram bagian dari chip yang menunjukkan dua jenis resistor dan transistor. Resistor atas terdiri dari potongan silikon tipe-N resistansi tinggi dengan kontak logam di setiap sisinya. Ternyata resistor 65 ohm. Resistor bawah memiliki enam pin, dan nilai resistansi tergantung di mana kabel dihubungkan. Ini menggunakan silikon tipe-P, memperoleh resistansi dalam ratusan ohm.
Transistor - bipolar NPN, bagaimanapun, strukturnya lebih kompleks daripada transistor NPN tipikal. Secara fisik mereka memiliki dua basis dan dua kolektor, dihubungkan bersama untuk mengurangi kerapatan arus. Oleh karena itu, setiap transistor memiliki lima kontak logam. Diagram di bawah ini menunjukkan penampang melintang dari struktur transistor. Lima pin logam di atas sesuai dengan lima pin transistor pada foto di atas. Kolektor, basis dan emitor terhubung dengan lapisan NPN. Cincin P + menyediakan isolasi melingkar.
Struktur dan dimensi transistor yang lebih rinci:
Dengan mengenali komponen kristal dan memahami sambungan kabel, Anda dapat merekayasa balik rangkaian. Namun, jika Anda memeriksa kristal dengan cermat, Anda dapat melihat bahwa banyak komponen yang tidak terhubung. Ini karena IBM telah menggunakan teknologi master slice untuk menghasilkan banyak IC berbeda tanpa harus mengembangkannya satu per satu. Perusahaan datang dengan ide untuk menggunakan kristal silikon umum dengan banyak transistor dan resistor. Dengan membuat perubahan yang relatif murah pada lapisan logam, dimungkinkan untuk menghubungkan komponen yang ada dengan cara yang sesuai. Oleh karena itu, resistor memiliki beberapa kontak untuk koneksi - mereka dapat dihubungkan sedemikian rupa untuk mendapatkan nilai resistansi yang berbeda.
Pendekatan "master cut" menggunakan pengaturan tetap transistor dan resistor, dan hanya mengubah kabel logam di antara mereka selama apa yang disebut proses. "Personalisasi". Diagram di bawah ini adalah gambar dari paten 3539876, yang menunjukkan tata letak komponen yang digunakan di IC dari IBM untuk master slice. Jika Anda membandingkan transistor dan resistor, Anda dapat melihat bahwa rangkaiannya hampir sepenuhnya sama dengan kristal pemberat kertas. Tapi ada juga perbedaannya. Secara khusus, kristal memiliki kontak tambahan di kiri dan kanan, dan pengaturan resistor sedikit berubah karena hal ini. Sebuah makalah dari tahun 1966 menjelaskan dari mana asal sistem "master slicer". Pada awal 1966, mereka menggunakan komputer untuk merancang sirkuit chip.
Penguat diferensial dan logika yang digabungkan emitor
Sirkuit logika dapat diatur dengan berbagai cara. Hampir semua komputer saat ini menggunakan keluarga logika CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), yang gerbangnya terdiri dari MOSFET. Namun, IBM System / 370 menggunakan keluarga logika berkecepatan tinggi yang disebut "emitter coupled logic" (ECL), yang kemudian disebut IBM sebagai "Current-Switch Emitter Follower" (CSEF). ECL ditemukan oleh IBM pada tahun 1956 untuk digunakan pada komputer transistor kecepatan tinggi.
Sebagian besar, ECL bekerja dengan cepat karena transistor tidak sepenuhnya dihidupkan (tidak sepenuhnya jenuh). Berkat ini, transistor dapat dengan cepat mengalihkan jalur arus. Selain itu, perbedaan antara tegangan 0 dan 1 kecil (sekitar 0,8 V), sehingga sinyalnya dengan cepat beralih di antara keduanya. Sebagai perbandingan, untuk katup TTL perbedaan ini berada di urutan 3,2 V. Sinyal biasanya beralih antar level dengan kecepatan sekitar 1 V per nanodetik, jadi semakin besar perbedaannya, semakin lama peralihannya. Di sisi lain, karena perbedaan kecil antara voltase, ECL rentan terhadap gangguan .
ECL didasarkan pada penguat diferensial- sirkuit yang memperkuat perbedaan antara dua sinyal input. Ini bekerja seperti ini (lihat diagram di bawah). Arus tetap mengalir melalui rangkaian. Jika tegangan pada input kiri lebih besar dari pada input kanan, transistor kiri menyala, dan sebagian besar arus akan melalui cabang kiri (merah). Sebaliknya, jika tegangan pada input kanan lebih besar dari pada kiri, transistor kanan menyala, dan sebagian besar arus akan melalui keran kanan (biru). Pasangan diferensial ini memberikan penguatan karena perbedaan kecil antara sinyal input menghasilkan perubahan arus yang besar.
Sirkuit ini digunakan dalam chip sebagai penguat, tetapi setelah sedikit modifikasi, sirkuit ini juga membentuk gerbang ECL. Untuk mendapatkan gerbang, tegangan di salah satu cabang ditetapkan, menjadi referensi, pada tingkat di antara nilai "0" dan "1". Jika sinyal masuk lebih besar dari referensi, itu dianggap "1", dan di bawah - "0". (Chip MST menggunakan ground sebagai referensi tegangan). Inverter berbasis ECL ditunjukkan di bawah ini - jika sinyal input tinggi, arus yang melalui resistor kiri akan menarik tegangan ke bawah. Untuk meningkatkan kecepatan, resistor bawah diganti dengan sink arus (ungu). Arus drain dikontrol oleh tegangan bias eksternal.
Sebuah buffer (hijau) telah ditambahkan ke keluaran. Buffer disebut pengikut emitor karena output diambil dari emitor transistor dan output mengikuti input.
Sirkuit penguat pembacaan
Saya merekayasa balik chip tersebut dan menemukan bahwa itu berisi dua salinan dari skema di bawah ini. Sirkuit ini adalah penguat diferensial. Itu mungkin digunakan sebagai penguat pembacaan untuk memperkuat sinyal yang datang dari chip memori dan mengubahnya menjadi yang logika.
Saya dengan hati-hati mencari informasi tentang chip ini dalam dokumentasi, tetapi tidak menemukan apa pun, jadi saya harus mempelajari chip tersebut dengan rekayasa balik. Awalnya saya pikir itu adalah gerbang logika normal. Namun, amplifikasi dua tahap tidak masuk akal. Kasus penggunaan lain untuk chip semacam itu adalah konversi sinyal diferensial menjadi sinyal ECL. Ini mungkin menjelaskan input diferensial, tetapi bukan amplifikasi-bi.
Intel juga membuat chip yang membutuhkan amplifier pembacaan eksternal - Intel 1103 dan Intel 2105 . Untuk melakukan ini, Intel merilis chip Hex Sense Amplifiers 3208 dan 3408. Salah satu alasan perlunya amplifier sense eksternal adalah karena chip memori dibuat menggunakan MOSFET, dan amplifier lebih baik dibuat dari transistor bipolar. Kemudian, amplifier pembacaan mulai dibuat langsung pada chip.
Chip memiliki dua masukan, negatif dan positif, dan keluaran logika. Penguat diferensial adalah inti dari chip. Sinyal yang masuk disangga dan kemudian diteruskan ke penguat bawah (hijau). Output dari itu pergi ke amplifier atas. Susunan penguat bertingkat ini meningkatkan sensitivitas chip dan memberikan tingkat amplifikasi yang lebih besar.
Di bingkai kuning - buffer menggunakan pengikut emitor yang dijelaskan sebelumnya dari sakelar saat ini. Ada buffer untuk setiap input dan output. Di bingkai ungu adalah katup ECL. Saya pikir itu menangkap nilai penguat dengan mengirimkan keluaran kembali ke dalam. Transistor saluran saat ini ditandai dengan warna biru. Mereka menyediakan arus konstan ke penguat diferensial dan bagian lain dari rangkaian.
Kesimpulan
Artikel yang cukup panjang ternyata untuk penindih kertas. Namun, subjek ini memberi kita gambaran yang menarik tentang teknologi IBM dari tahun 1974.
Setidaknya menurut saya ini adalah teknologi dari tahun 1974. Pertimbangan umum memungkinkan kita untuk menghubungkannya dengan periode awal 1970-an. Modul ini memiliki kode "1 425C404". Saya pikir angka kedua, "4", menunjukkan tahun pembuatan. Modul IBM biasanya ditandai dengan tiga baris teks, tetapi tidak ada informasi yang jelas tentang arti angka tersebut. Baris pertama adalah artikelnya. Yang kedua diyakini menunjukkan lokasi fasilitas manufaktur (IBM 52 harus mewakili Eson, Prancis). Baris ketiga adalah tanggal dan pesta.
Antara lain, teknologi ini menunjukkan perpindahan IBM ke IC dan memori semikonduktor di mainframe System / 370. Dia juga menjelaskan teknik unik untuk merakit IC pada substrat keramik dalam paket logam persegi - MST. Terakhir, chip memori kilobit menunjukkan kemajuan luar biasa yang telah dibuat dalam teknologi memori selama beberapa dekade terakhir, yang mengarah pada munculnya chip megabit dan sekarang chip gigabit.