Als IBM Ende der 1960er Jahre mit der Verwendung integrierter Schaltkreise begann, wurden die Chips in quadratische Metallmodule mit der Bezeichnung Monolithic Systems Technology (MST) verpackt. Der Briefbeschwerer zeigt mehrere Schritte bei der Herstellung eines MST-Moduls. Der Siliziumwafer wird in Kristalle geschnitten, auf einen quadratischen KeramiktrĂ€ger montiert und in ein MetallgehĂ€use in MiniaturgröĂe eingewickelt.
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Kristalle sind in Plexiglas eingeschlossen, sodass Sie ihre Schemata im Detail studieren und die Arbeitsmethoden besser verstehen können. Das Foto unten zeigt ein vergröĂertes Bild des Randes des Siliziumsubstrats und vier Kristalle, die in einem Briefbeschwerer eingeschlossen sind. Zwei groĂe Kristalle sind die gleichen wie die Kristalle auf der Basis. Zwei kleine sind gleich, aber einer ist beschĂ€digt.
Ich frage mich, warum einem der Kristalle ein Winkel fehlt. Es wird jedoch nicht nur abgeplatzt - die Metallschicht und das Silizium erreichen nicht den Rand. Wahrscheinlich befand sich dieser Kristall am Rand des Substrats und durchlief den Produktionszyklus nicht bis zum Ende. Daraus folgt, dass das Unternehmen die Ablehnung verwendet hat, um solche Briefbeschwerer herzustellen.
BeschÀdigter Kristall
FĂŒr diesen Artikel habe ich die Kristalle unter einem Mikroskop fotografiert und den kleinen Chip rĂŒckentwickelt. Ich kam zu dem Schluss, dass groĂe Chips statische 1-Kbit-Speicherchips und kleine Chips SpeicherleseverstĂ€rker sind.
IBM System / 370
Diese Chips werden wahrscheinlich in der beliebten System / 370-Mainframe-Linie verwendet. 1964 fĂŒhrte IBM die System / 360-Mainframe-Familie ein, die sich als Ă€uĂerst beliebt erwies. 1970 wurde es mit der AnkĂŒndigung des Systems / 370 neu gestaltet, das aus integrierten Schaltkreisen (im Gegensatz zu System / 360) zusammengesetzt und vom Magnetkernspeicher in den Halbleiterspeicher verschoben wurde . Der Briefbeschwerer enthĂ€lt beide wesentlichen Ănderungen: die integrierte Schaltung und den Halbleiterspeicher.
Um Ihnen eine Vorstellung von der GröĂe eines System / 370-Computers zu geben, sehen Sie hier ein Rendering eines System / 370-Computers des Modells 145: Das Modell 145 war eine "mittelgroĂe" Maschine in der System / 370-Reihe.
Eine Zeit lang verwendete IBM ein logisches Nummerierungssystem fĂŒr die System / 370-Leitung - mit zunehmender Anzahl stieg auch die Leistung. Die Modellpalette reichte vom schwĂ€chsten Modell 115 bis zum leistungsstĂ€rksten Modell 195. In den spĂ€ten 1970er Jahren brach dieses Nummerierungssystem jedoch zusammen , und die Modelle wurden scheinbar zufĂ€llige Zahlen genannt - 3031, 4361, 3090 und 9370. Bei der Gleichzeitig war das Modell 9370 am wenigsten leistungsstark.
Das Modell 145 war der erste Computer von IBM, der ĂŒber einen Halbleiter-Hauptspeicher verfĂŒgte. Dieser Computer war fĂŒr moderne VerhĂ€ltnisse sehr groĂ - im Bild unten belegt er alle blauen SchrĂ€nke. In einem Schrank befindet sich ein Prozessor, in einem anderen 256-kB-Speicherchips. Zu dieser Zeit gab es keine Mikroprozessoren, daher besteht der Prozessor aus vielen Leiterplatten, auf denen sich integrierte Schaltkreise befinden. Das Modell 145 wog ĂŒber eine Tonne, kostete 5 bis 10 Millionen US-Dollar (in heutigen Preisen) und war ungefĂ€hr so ââschnell wie der IBM-PC von 1981.
Computer Render System / 370 Modell 145. Computer - in blauen SchrĂ€nken. WeiĂe SchrĂ€nke auf der RĂŒckseite sind Festplatten. Im Vordergrund steht ein Kartenleser.
MST-Module
Im frĂŒhen System / 360 verwendete IBM SLT-Hybridmodule anstelle von integrierten Schaltkreisen (ICs). FĂŒr das System / 370 wechselte das Unternehmen zu ICs und nannte sie "Monolithics". Die meisten Unternehmen verpackten ihre ICs in quadratische Kunststoff- oder KeramikgehĂ€use, aber IBM hielt die rechteckigen GehĂ€use von SLT fern und nannte sie MST - Monolithic Systems Technology.
IBM hatte verschiedene MST-Logikoptionen fĂŒr verschiedene Produkte. Unterschiedliche Versionen verwendeten unterschiedliche Spannungen. MST-1 verwendete Masse als Hochspannungsschwelle, -4 V als niedrig und -1,32 als ESL- Spannungsreferenz ... Da ECLs empfindlich gegenĂŒber Hochspannungsschwankungen sind, verwendeten Chips dieser Familie hĂ€ufig Masse als obere Spannung, und die untere Spannung war negativ. Beim MST-2 wurden die Pegel so verschoben, dass die Referenzspannung gleich Masse war, die obere + 1,25 V und die untere -3 V.
Die MST-Technologie war ein bedeutender Durchbruch im Vergleich zur Hybrid-SLT. Es war zehnmal zuverlÀssiger und vier- bis achtmal dichter. In modernen Begriffen waren MST-ISs extrem einfach. 32 Transistoren in einem Modul implementierten ungefÀhr sechs Logikgatter, so dass Tausende von ICs erforderlich waren, um einen gesamten Computer zu implementieren.
Die MST-Module wurden durch Automatisierung der Produktionstechnologie in groĂen Mengen hergestellt. Die Reihenfolge der in einem Briefbeschwerer eingeschlossenen Komponenten zeigt die Herstellungsschritte. Links befindet sich ein rundes Siliziumsubstrat, das in einzelne Kristalle geschnitten wird. Auf der rechten Seite befindet sich eine quadratische Keramikbasis mit 16 Stiftlöchern. Dann wird eine gedruckte Schaltung an die Basis angelegt, die den IC mit den Kontakten verbindet.
Die keramische MST-Basis bietet eine Schnittstelle zwischen zwei Schaltungsskalen - einer Leiterplatte mit einem Abstand von 0,125 Zoll zwischen den Stiften und einem IC mit einem Abstand von 0,01 Zoll zwischen den Kugeln. Die Schaltung auf Keramikbasis weist interessante Merkmale auf. Jeder Stromanschluss ist mit drei Kugeln verbunden, sodass dem IC mehr Strom zugefĂŒhrt werden kann. Die V-Spur kreuzt den Chip und gibt zwei Stifte, die auf beiden Seiten verbunden werden können. Die V + -Spur verlĂ€uft in der Mitte des Chips und bietet zusĂ€tzliche Stifte fĂŒr die Stromversorgung.
Aus irgendeinem Grund verwendet MST zwei verschiedene Pin-Nummerierungsschemata. Bei SLT wurden die Kontakte spiralförmig zur Mitte nummeriert. Bei MST ist die Nummerierung von A01 bis D04 jedoch hÀufiger.
Im dritten Schritt werden 16 Kontakte an die Basis gelötet. Dann werden der Siliziumkristall und die Keramikbasis kombiniert. Der Kristall wird verkehrt herum in die Mitte der Keramikbasis gelegt. Sehen Sie, wie viel der Kristall kleiner als der Fall ist. Das Modul wird durch Schmelzen des dosierten Lots gelötet, die Kontakte des Siliziumkristalls werden direkt mit der Basis verlötet.
IBM nannte diese Technologie " Chip-Verbindungen mit kontrolliertem Zusammenbruch " oder C-4. Eine kontrollierte Menge Lot wurde verwendet, um die Kontakte im Modul herzustellen. WÀhrend des Lötprozesses wurde der Chip durch OberflÀchenspannung an die Finger des Moduls gezogen - Àhnlich wie heute bei der OberflÀchenmontage.
SchlieĂlich wurde das Modul in ein MetallgehĂ€use eingesetzt und ein quadratischer Chip mit einer Seite von einem halben Zoll erhalten. Diese Module hatten ein unverwechselbares Erscheinungsbild, das sich von den von anderen Herstellern verwendeten Keramik- oder Kunststoff-DIPs unterschied.
Stufen der MST-Produktion MST-
Module wurden fest auf Platinen platziert - siehe zum Beispiel das Foto der Speicherkarte unten. Quadratische Module in Kombination mit einer vierschichtigen Platine erzeugten mit DIPs und zweischichtigen Leiterplatten eine deutlich höhere Dichte als andere Leiterplattenhersteller dieser Zeit.
Speicherkarte von IBM
Substrat und Speicherchip
Im Briefbeschwerer befindet sich ein Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 50 mm - diese GröĂe wurde 1969 eingefĂŒhrt. Seitdem haben die Abmessungen stetig zugenommen, und in der modernen Fertigung werden Substrate mit einem Durchmesser von 300 mm verwendet. Auf dem Substrat befinden sich 177 Kristalle - ich habe eines davon unter einem Mikroskop fotografiert (siehe unten). Interessanterweise ist dieses Substrat nicht vollstĂ€ndig fertiggestellt - anscheinend wird nur eine von neun Ebenen angewendet. Das Foto zeigt Testumrisse und Ausrichtungsmuster zwischen Kristallen.
Das Foto zeigt den Artikel DLM1
Der Briefbeschwerer enthÀlt auch vorgefertigte Kristalle, deren Fotos unten angegeben sind. In der Mitte des Chips ist ein Gitter von Speicherzellen sichtbar, und entlang der Kanten befinden sich Hilfskonturen. Nachdem ich den Kristall untersucht und die Zellen gezÀhlt hatte, entschied ich, dass es sich um einen statischen Kilobit-RAM handelte. An den Kanten des Kristalls sind Kugelleitungen sichtbar, so dass der Chip direkt auf die Keramikbasis gelötet werden kann. Es gibt 25 von ihnen, der Chip wurde höchstwahrscheinlich in einem MST-GehÀuse mit 5 à 5-Pins montiert.
Speicherchip
Es ist schwierig, in Plexiglas eingeschlossene Module unter einem Mikroskop zu fotografieren, daher sind bei hoher VergröĂerung die Schaltkreise des Chips nicht sichtbar, und ich konnte das Reverse Engineering nicht durchfĂŒhren. Ich konnte die charakteristische GröĂe seiner Teile messen - 6 Mikrometer. Ein solcher technischer Prozess trat 1971 auf.
Das Foto unten ist die beste Auflösung, die ich bekommen konnte. Ich denke, das sind sechs Speicherzellen - ich habe eine gerahmt. Ich denke, dies sind zwei vernetzte Wechselrichter, eine standardmĂ€Ăige statische RAM-Zellenschaltung.
SpeicherausleseverstÀrkerchip
Ein kleiner Chip in einem Briefbeschwerer ist viel einfacher und seine Komponenten sind viel gröĂer. Unten ist ein Foto, das ich gemacht habe. Ich habe 32 NPN-Transistoren und WiderstĂ€nde darauf gefunden. Der Chip ist teilweise analog und verwendet ECL . Ich denke, dies ist ein anderer VerstĂ€rkertyp - ein AusleseverstĂ€rker fĂŒr Signale von einem Speicherchip. Dies erklĂ€rt, warum diese beiden Chips im Briefbeschwerer enthalten sind.
Auf dem Foto ist Silizium grau. Teile von Silizium sind dotiertArsen, Bor oder Phosphor, um Bereiche mit unterschiedlichen Halbleitereigenschaften zu erhalten. Schwarze Linien sind Grenzen zwischen verschiedenen Verunreinigungsniveaus. Gelblich-metallische Leiter auf Silizium, die die verschiedenen Komponenten verbinden. Die groĂen schwarzen Kreise sind die Kugelleitungen, die den Chip mit dem MST-Substrat verbinden.
Unten ist ein Diagramm eines Teils eines Chips dargestellt, das zwei Arten von WiderstĂ€nden und einen Transistor zeigt. Der obere Widerstand besteht aus einem hochohmigen SiliziumstĂŒck vom N-Typ mit Metallkontakten auf jeder Seite. Es stellt sich ein 65 Ohm Widerstand heraus. Der untere Widerstand hat sechs Stifte und der Widerstandswert hĂ€ngt davon ab, wo die DrĂ€hte angeschlossen sind. Es verwendet Silizium vom P-Typ und erzielt einen Widerstand von Hunderten von Ohm.
Transistoren - Bei bipolarem NPN ist ihre Struktur jedoch komplexer als die eines typischen NPN-Transistors. Physikalisch haben sie zwei Basen und zwei Kollektoren, die miteinander verbunden sind, um die Stromdichte zu verringern. Daher hat jeder Transistor fĂŒnf Metallkontakte. Das folgende Diagramm zeigt einen Querschnitt der Struktur eines Transistors. Die fĂŒnf Metallstifte oben entsprechen den fĂŒnf Stiften des Transistors auf dem Foto oben. Der Kollektor, die Basis und der Emitter sind mit NPN-Schichten verbunden. Der P + Ring bietet eine kreisförmige Isolierung.
Detailliertere Struktur und Dimension von Transistoren:
Durch Erkennen der Kristallkomponenten und Verstehen der Drahtverbindungen können Sie die Schaltung rĂŒckentwickeln. Wenn Sie den Kristall jedoch sorgfĂ€ltig untersuchen, können Sie feststellen, dass viele Komponenten nicht verbunden sind. Dies liegt daran, dass IBM mithilfe der Master-Slice-Technologie viele verschiedene ICs hergestellt hat, ohne dass jeder einzeln entwickelt werden muss. Das Unternehmen hatte die Idee, einen gemeinsamen Siliziumkristall mit vielen Transistoren und WiderstĂ€nden zu verwenden. Durch eine relativ kostengĂŒnstige Ănderung der Metallschicht war es möglich, die vorhandenen Komponenten in geeigneter Weise zu verbinden. WiderstĂ€nde haben daher mehrere Kontakte zum AnschlieĂen - sie können so angeschlossen werden, dass unterschiedliche Widerstandswerte erhalten werden.
Der "Master Cut" -Ansatz verwendete eine feste Anordnung von Transistoren und WiderstĂ€nden und Ă€nderte nur die Metallverdrahtung zwischen ihnen wĂ€hrend des sogenannten Prozesses. "Personalisierung". Das folgende Diagramm ist eine Zeichnung aus dem Patent 3539876, die das Layout der im IC von IBM fĂŒr Master-Slices verwendeten Komponenten zeigt. Wenn Sie die Transistoren und WiderstĂ€nde vergleichen, können Sie sehen, dass die Schaltung fast vollstĂ€ndig mit dem Briefbeschwererkristall ĂŒbereinstimmt. Es gibt aber auch Unterschiede. Insbesondere hat der Kristall links und rechts zusĂ€tzliche Kontakte, und die Widerstandsanordnung wird dadurch geringfĂŒgig verĂ€ndert. Ein Artikel aus dem Jahr 1966 beschreibt, woher das "Master Slicer" -System stammt. Bereits 1966 verwendeten sie Computer, um Chipschaltungen zu entwerfen.
DifferenzverstÀrker und emittergekoppelte Logik
Logikschaltungen können auf verschiedene Arten angeordnet werden. Fast alle Computer verwenden heutzutage die CMOS-Logikfamilie (Complementary Metal Oxide Semiconductor), deren Gates aus MOSFETs bestehen. Das IBM System / 370 verwendete jedoch eine Hochgeschwindigkeitslogikfamilie namens "Emitter Coupled Logic" (ECL), die IBM dann als "Current-Switch Emitter Follower" (CSEF) bezeichnete. ECL wurde 1956 von IBM fĂŒr den Einsatz in Hochgeschwindigkeitstransistor-Computern erfunden.
Zum gröĂten Teil arbeiteten ECLs schnell, da die Transistoren nicht vollstĂ€ndig eingeschaltet waren (nicht vollstĂ€ndig gesĂ€ttigt). Dank dessen konnten die Transistoren sehr schnell den Strompfad wechseln. AuĂerdem war der Unterschied zwischen 0 und 1 Spannung gering (ca. 0,8 V), sodass die Signale schnell zwischen ihnen umschalteten. Zum Vergleich: Bei TTL-Ventilen lag dieser Unterschied in der GröĂenordnung von 3,2 V. Die Signale wechseln normalerweise mit einer Rate von etwa 1 V pro Nanosekunde zwischen den Pegeln. Je gröĂer der Unterschied, desto lĂ€nger ist das Schalten. Andererseits war die ECL aufgrund des geringen Unterschieds zwischen den Spannungen störanfĂ€llig .
ECL basiert auf einem DifferenzverstĂ€rker- eine Schaltung, die die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen verstĂ€rkt. Das funktioniert so (siehe Abbildung unten). Ein fester Strom flieĂt durch den Stromkreis. Wenn die Spannung am linken Eingang gröĂer als am rechten ist, wird der linke Transistor eingeschaltet und der gröĂte Teil des Stroms flieĂt durch den linken Zweig (rot). Wenn umgekehrt die Spannung am rechten Eingang gröĂer als die linke ist, wird der rechte Transistor eingeschaltet und der gröĂte Teil des Stroms flieĂt durch den rechten Abgriff (blau). Dieses Differenzpaar liefert eine VerstĂ€rkung, da eine kleine Differenz zwischen den Eingangssignalen eine groĂe StromĂ€nderung erzeugt.
Diese Schaltung wird im Chip als VerstĂ€rker verwendet, bildet aber nach geringfĂŒgiger Modifikation auch ein ECL-Gatter. Um ein Gate zu erhalten, wird die Spannung in einem der Zweige fest und wird zu einer Referenz auf einem Pegel irgendwo zwischen den Werten "0" und "1". Wenn das eingehende Signal gröĂer als die Referenz ist, wird es als "1" und darunter als "0" betrachtet. (Die MST-Chips verwendeten Masse als Spannungsreferenz). Ein ECL-basierter Wechselrichter ist unten dargestellt. Wenn das Eingangssignal hoch ist, zieht der Strom durch den linken Widerstand die Spannung nach unten. Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, wird der untere Widerstand durch eine Stromsenke (lila) ersetzt. Der Drainstrom wird durch eine externe Vorspannung gesteuert.
Der Ausgabe wurde ein Puffer (grĂŒn) hinzugefĂŒgt. Der Puffer wird als Emitterfolger bezeichnet, da der Ausgang vom Emitter des Transistors stammt und der Ausgang dem Eingang folgt.
VerstÀrkerschaltung auslesen
Ich habe den Chip rĂŒckentwickelt und festgestellt, dass er zwei Kopien des folgenden Schaltplans enthĂ€lt. Diese Schaltung ist ein DifferenzverstĂ€rker. Es wurde wahrscheinlich als AusleseverstĂ€rker verwendet, um von Speicherchips kommende Signale zu verstĂ€rken und in logische umzuwandeln.
Ich habe in der Dokumentation sorgfĂ€ltig nach Informationen zu diesem Chip gesucht, aber nichts gefunden, sodass ich den Chip durch Reverse Engineering untersuchen musste. Zuerst dachte ich, es sei ein normales Logikgatter. Die zweistufige VerstĂ€rkung ergab jedoch keinen Sinn. Ein weiterer Anwendungsfall fĂŒr einen solchen Chip ist die Umwandlung von Differenzsignalen in ECL-Signale. Dies könnte die DifferenzeingĂ€nge erklĂ€ren, jedoch nicht die DoppelverstĂ€rkung.
Intel stellte auch Chips her, fĂŒr die externe AusleseverstĂ€rker erforderlich waren - Intel 1103 und Intel 2105 . Zu diesem Zweck hat Intel die Hex Sense Amplifiers-Chips 3208 und 3408 veröffentlicht. Einer der GrĂŒnde fĂŒr die Notwendigkeit externer LeseverstĂ€rker besteht darin, dass Speicherchips unter Verwendung von MOSFETs hergestellt werden und VerstĂ€rker besser aus Bipolartransistoren hergestellt werden. SpĂ€ter wurden AusleseverstĂ€rker direkt auf Chips hergestellt.
Der Chip hat zwei EingĂ€nge, negativ und positiv, und einen Logikausgang. DifferenzverstĂ€rker sind das HerzstĂŒck des Chips. Die eingehenden Signale werden gepuffert und dann an den unteren VerstĂ€rker (grĂŒn) weitergeleitet. Der Ausgang davon geht an den oberen VerstĂ€rker. Diese kaskadierende Anordnung von VerstĂ€rkern erhöht die Empfindlichkeit des Chips und liefert einen höheren VerstĂ€rkungsgrad.
In den gelben Rahmen - Puffer mit dem zuvor beschriebenen Emitterfolger des Stromschalters. FĂŒr jeden Ein- und Ausgang gibt es einen Puffer. Im lila Rahmen befindet sich das ECL-Ventil. Ich denke, es erfasst den Wert des VerstĂ€rkers, indem es den Ausgang zurĂŒck nach innen sendet. Die Stromverbrauchstransistoren sind blau markiert. Sie versorgen DifferenzverstĂ€rker und andere Teile der Schaltung mit konstantem Strom.
Fazit
Ein ziemlich langer Artikel stellte sich fĂŒr einen Briefbeschwerer heraus. Dieses Thema gibt uns jedoch einen interessanten Einblick in die IBM Technologie von 1974.
Zumindest denke ich, dass dies Technologie von 1974 ist. Allgemeine Ăberlegungen erlauben es uns, es der Zeit der frĂŒhen 1970er Jahre zuzuschreiben. Das Modul hat den Code "1 425C404". Ich denke, dass die zweite Zahl "4" das Herstellungsjahr angibt. IBM Module sind normalerweise mit drei Textzeilen gekennzeichnet, es gibt jedoch keine eindeutigen Informationen zur Bedeutung der Zahlen. Die erste Zeile ist der Artikel. Die zweite soll den Standort der ProduktionsstĂ€tte angeben (IBM 52 sollte fĂŒr Eson, Frankreich, stehen). Die dritte Zeile ist das Datum und die Partei.
Diese Technologie demonstriert unter anderem die Umstellung von IBM auf ICs und Halbleiterspeicher in System / 370-Mainframes. Sie erklĂ€rt auch eine einzigartige Technik zum Zusammenbau von ICs auf einem Keramiksubstrat in einem quadratischen MetallgehĂ€use - MST. SchlieĂlich zeigt der Kilobit-Speicherchip die erstaunlichen Fortschritte, die in der Speichertechnologie in den letzten Jahrzehnten erzielt wurden und zur Entstehung von Megabit- und jetzt Gigabit-Chips fĂŒhrten.