[Перевод] Разбираем пресс-папье от IBM: реверс-инжиниринг чипов памяти из 1970-х
Когда в конце 1960-х IBM стала использовать интегральные схемы, чипы запаковывали в квадратные металлические модули, назвав это Monolithic Systems Technology (MST). В пресс-папье представлены несколько этапов производства MST-модуля. Кремниевая подложка разрезается на кристаллы, крепится на квадратной керамической подложке, и оборачивается в металлический корпус размером с ноготь большого пальца.
В пресс-папье встроена кремниевая подложка, четыре кристалла и MST-модуль на разных стадиях сборки. Корпус пресс-папье пожелтел от времени.
Кристаллы заключены в оргстекло, благодаря чему можно подробно изучить их схемы и лучше понять методы работы. На фото ниже видно увеличенное изображение края кремниевой подложки и четырёх кристаллов, заключённых в пресс-папье. Два крупных кристалла — такие же, как кристаллы на положке. Два мелких — одинаковые, но один повреждён.
Интересно, почему у одного из кристаллов отсутствует угол. При этом он не просто отколот — металлический слой и кремний не доходят до края. Вероятно, этот кристалл находился на краю подложки и не прошёл производственный цикл до конца. Отсюда следует, что для изготовления подобных пресс-папье компания использовала отбраковку.
Повреждённый кристалл
Для этой статьи я сфотографировал кристаллы под микроскопом и провёл реверс-инжиниринг мелкого чипа. Я заключил, что крупные чипы — это чипы статической памяти на 1 килобит, а мелкие — усилители считывания памяти.
IBM System/370
Вероятно, эти чипы использовались в популярной линейке мейнфреймов System/370. В 1964 году IBM представила семейство мейнфреймов System/360, оказавшееся чрезвычайно популярным. В 1970 году его модернизировали, объявив о выпуске System/370, собранной на основе интегральных схем (в отличие от System/360), и перешедшей от памяти на магнитных сердечниках к полупроводниковой. В пресс-папье содержатся оба главных изменения: интегральная схема и полупроводниковая память.
Чтобы вы представили себе масштаб компьютера семейства System/370, приведу компьютерный рендер, на котором изображён компьютер System/370 Model 145. Model 145 была машиной «среднего размера» в линейке System/370.
Какое-то время IBM использовала логичную систему нумерации моделей линейки System/370 — с увеличением номера увеличивалась и мощность. Диапазон моделей разнился от самой хилой Model 115 до мощнейшей Model 195. Однако в конце 1970-х эта система нумерации развалилась, и модели начали называть, казалось бы, случайными числами — 3031, 4361, 3090 и 9370. При этом, модель 9370 была наименее мощной.
Model 145 — первый компьютер от IBM, главная память которого была полупроводниковой. По современным стандартам этот компьютер был очень большим — на изображении ниже он занимает все голубые шкафы. В одном шкафу находится процессор, в другом — чипы памяти на 256 кБ. Микропроцессоров тогда ещё не было, поэтому его процессор собран из множества печатных плат, на которых расположены интегральные схемы. Model 145 весила более тонны, стоила $5–10 млн (в сегодняшних ценах), а по скорости была примерно равна IBM PC 1981 года.
Компьютерный рендер System/370 Model 145. Компьютер — в голубых шкафах. Белые шкафы сзади — дисковый накопители. На переднем плане — устройство для чтения карт.
Модули MST
В ранней System/360 вместо интегральных схем (ИС) IBM использовала гибридные модули SLT. Для System/370 компания перешла на ИС, называя их «монолитиками». Большинство компаний упаковывало ИС в квадратные корпуса из пластика или керамики, но IBM сохранила прямоугольные корпуса от SLT, и назвала их MST — Monolithic Systems Technology.
Для разных продуктов у IBM были разные варианты MST-логики. Разные версии использовали разное напряжение. MST-1 использовала землю как верхний порог напряжения, и -4 В как нижний, а -1,32 — как опорное значение напряжения ЭСЛ. Поскольку ЭСЛ чувствительны к колебаниям верхнего напряжения, часто чипы этого семейства использовали в качестве верхнего напряжения землю, а нижнее напряжение было отрицательным. Для MST-2 сдвинули уровни так, что опорное напряжение стало равным земле, верхнее — +1,25 В, а нижнее — -3 В.
Технология MST стала значительным прорывом по сравнению с гибридной SLT. Она была в десять раз более надёжной и в 4–8 раз более плотной. По современным понятиям ИС MST были крайне простыми. 32 транзистора в одном модуле реализовывали порядка шести логических вентилей, поэтому для реализации целого компьютера требовались тысячи ИС.
Модули MST изготавливали в больших количествах, автоматизировав производственные технологии. Последовательность компонентов, заключённых в пресс-папье, демонстрирует производственные этапы. Слева — круглая кремниевая подложка, которую разрезают на отдельные кристаллы. Справа — квадратная керамическая основа с 16 отверстиями для штыревых контактов. Затем на основу наносится распечатанный контур, соединяющий ИС с контактами.
Керамическая основа MST обеспечивает интерфейс между двумя масштабами схем — печатной платой с расстоянием 0,125» между контактами, и ИС с расстоянием в 0,01» между шариковыми выводами. У схемы на керамической основе есть интересные особенности. Каждый контакт питания соединяется с тремя шариками, что позволяет подавать больше тока в ИС. Дорожка V- пересекает чип, давая два контакта для подсоединения с двух сторон. Дорожка V+ проходит в центр чипа, давая дополнительные контакты для питания.
По какой-то причине в MST используются две разных схемы нумерации контактов. У SLT контакты нумеровались по спирали, идущей в центр. Но на MST чаще встречается нумерация от A01 до D04.
На третьем шаге 16 контактов припаиваются к основе. Затем кремниевый кристалл и керамическая основа комбинируются. Кристалл размещается вверх ногами в центре керамической основы. Посмотрите, насколько кристалл меньше корпуса. Пайка модуля осуществляется расплавлением дозированного припоя, контакты кремниевого кристалла напрямую припаяны к основе.
IBM называла такую технологию «соединения чипа контролируемым коллапсом», controlled-collapse chip connections, или C-4. Для изготовления контактов в модуле использовалось контролируемое количество припоя. Во время припоя чип подтягивался к пальцам модуля поверхностным натяжением — примерно так, как сегодня осуществляется поверхностный монтаж.
Наконец, модуль вставляли в металлический корпус, и получался квадратный чип со стороной в полдюйма. Такие модули имели характерный внешний вид, отличавшийся от керамических или пластиковых DIP, использовавшихся другими производителями.
Этапы производства MST
Модули MST плотно размещались на платах — см, к примеру, фото карты памяти ниже. Квадратные модули вместе с четырёхслойной платой давали значительно большую плотность, чем печатные платы других производителей того времени, использовавших ИС DIP и двухслойные печатные платы.
Карта памяти от IBM
Подложка и чип памяти
Внутри пресс-папье находится кремниевая подложка диаметром в 50 мм — такой размер ввели в 1969 году. С тех пор размеры постоянно увеличивались, и современные производства используют подложки в 300 мм диаметром. На подложке размещается 177 кристаллов — я сделал фото одного из них под микроскопом (см. ниже). Интересно, что данная подложка изготовлена не до конца — судя по всему, нанесён только один уровень из девяти. На фото можно видеть тестовые контуры и шаблоны выравнивания между кристаллами.
На фото видно артикул DLM1
Также в пресс-папье содержатся готовые кристаллы, фото которых привожу ниже. В центре чипа видна решётка ячеек памяти, а по краям расположены вспомогательные контуры. Изучив кристалл и подсчитав ячейки, я решил, что это килобитная статическая RAM. По краям кристалла видно шариковые выводы, позволявшие припаивать чип напрямую к керамической основе. Их 25 штук, соответственно, чип, скорее всего, монтировался в корпус MST с контактами 5×5.
Чип памяти
Сложно фотографировать под микроскопом модули, заключённые в оргстекло, поэтому при большом увеличении схем чипа не видно, и его реверс-инжиниринг я не смог провести. Я смог измерить характерный размер его деталей — 6 мкм. Такой техпроцесс появился в 1971 году.
На фото ниже — наилучшее разрешение из тех, что мне удалось получить. Думаю, это шесть ячеек памяти — одну я обвёл рамочкой. Думаю, это два перекрёстно связанных инвертора, стандартная схема ячейки статической RAM.
Чип усилителя считывания памяти
Мелкий чип в пресс-папье устроен гораздо проще, а его компоненты гораздо крупнее. Ниже привожу сделанную мною фотографию. Я обнаружил на нём 32 NPN транзистора и резисторы. Чип частично аналоговый, и использует ЭСЛ. Думаю, что это усилитель другого типа — усилитель считывания для сигналов с чипа памяти. Это объясняет, почему именно эти два чипа заключены в пресс-папье.
На фото кремний серый. Части кремния легируются мышьяком, бором или фосфором для получения участков с отличающимися полупроводниковыми свойствами. Чёрные линии — границы между различными уровнями примесей. Желтоватые — металлические проводники поверх кремния, соединяющие различные компоненты. Крупные чёрные круги — шариковые выводы, соединяющие кристалл с подложкой MST.
Ниже представлена диаграмма части чипа, на которой показано два типа резисторов и транзистор. Верхний резистор состоит из отрезка кремния N-типа с повышенным сопротивлением, с каждой стороны которого есть металлические контакты. Получается резистор на 65 Ом. У нижнего резистора шесть контактов, и значение сопротивления зависит от того, в каких местах подсоединяются проводники. Он использует кремний P-типа, получая сопротивление в сотни Ом.
Транзисторы — биполярные NPN, однако их структура сложнее, чем у типичного NPN-транзистора. Физически у них по две базы и два коллектора, соединённые вместе с целью уменьшения плотности тока. Поэтому у каждого транзистора по пять металлических контактов. На диаграмме ниже показан разрез структуры транзистора. Пять металлических контактов сверху соответствуют пяти контактам транзистора на фото выше. Коллектор, база и эмиттер соединяются с NPN слоями. Кольцо P+ обеспечивает круговую изоляцию.
Более подробная структура и размерность транзисторов:
Распознав компоненты кристалла и разобравшись в подключениях проводников, можно провести реверс-инжиниринг схемы. Однако, если тщательно изучить кристалл, можно увидеть, что многие компоненты не подсоединены. Дело в том, что IBM использовала технологию «мастер-среза» [master slice] для получения множества различных вариантов ИС, без необходимости разрабатывать каждый из них в отдельности. В компании придумали использовать общий кремниевый кристалл со множеством транзисторов и резисторов. Проведя относительно недорогое изменение металлического слоя, можно было подключать имеющиеся компоненты подходящим образом. Поэтому у резисторов есть несколько контактов для подключения — их можно подключать так, чтобы получать разные величины сопротивления.
Подход «мастер-среза» использовал фиксированную схему расположения транзисторов и резисторов, и менял лишь металлическую проводку между ними в процессе т.н. «персонализации». На диаграмме ниже дан рисунок из патента 3539876, на котором изображена схема расположения компонентов, используемая в ИС от IBM для мастер-срезов. Если сопоставить транзисторы и резисторы, видно, что схема почти полностью совпадает с кристаллом из пресс-папье. Но есть и отличия. В частности, у кристалла слева и справа есть дополнительные контакты, и расположение резисторов из-за этого немного изменено. В работе от 1966 года описывается, откуда взялась система «мастер-срезов». Уже в 1966 году они использовали разработку схем чипов при помощи компьютеров.
Дифференциальный усилитель и эмиттерно-связанная логика
Логические схемы могут быть устроены множеством способов. Почти все сегодняшние компьютеры используют логическое семейство КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), вентили которых состоят из МОП-транзисторов. Однако В IBM System/370 использовалось высокоскоростное логическое семейство «эмиттерно-связанная логика» (ЭСЛ), которую в IBM тогда называли «эмиттерный повторитель переключателя тока» (Current-Switch Emitter Follower, CSEF). ЭСЛ изобрели в IBM в 1956 году для использования в высокоскоростных транзисторных компьютерах.
По большей части ЭСЛ работали быстро потому, что транзисторы включались не до конца (не полностью насыщались). Благодаря этому транзисторы могли очень быстро переключать пути прохождения тока. Кроме того, разница между напряжением 0 и 1 была небольшой (порядка 0,8 В), поэтому сигналы быстро переключались между ними. Для сравнения, у ТТЛ вентилей эта разница составляла порядка 3,2 В. Сигналы обычно переключаются между уровнями со скоростью около 1 В в наносекунду, поэтому чем больше разница, тем дольше переключение. С другой стороны, из-за небольшой разницы между напряжениями ЭСЛ была чувствительна к помехам.
Основу ЭСЛ составляет дифференциальный усилитель — схема, усиливающая разницу между двумя входящими сигналами. Работает она так (см. схему ниже). Через схему проходит фиксированный ток. Если напряжение на левом входе больше, чем на правом, включается левый транзистор, и большая часть тока пойдёт через левое ответвление (красное). И наоборот, если напряжение на правом входе больше, чем на левом, включается правый транзистор, и большая часть тока пойдёт через правое ответвление (синее). Эта дифференциальная пара обеспечивает усиление потому, что небольшая разница между входящими сигналами порождает большое изменение тока.
Эта схема используется в чипе в качестве усилителя, но после небольшой модификации она формирует также и ЭСЛ-вентиль. Чтобы получить вентиль, напряжение в одном из ответвлений фиксируется, становясь опорным, на уровне где-то между значениями »0» и »1». Если входящий сигнал больше опорного, он считается »1», а ниже — »0». (Чипы MST использовали землю в качестве опорного напряжения). Ниже показан инвертер на основе ЭСЛ — если входящий сигнал высокий, ток через левый резистор подтянет напряжение вниз. Для увеличения быстродействия нижний резистор заменён на сток тока (фиолетовый). Ток через сток управляется внешним напряжением смещения.
К выходу добавлен буфер (зелёный). Буфер называется эмиттерным повторителем, поскольку выход берётся с эмиттера транзистора, а выход повторяет вход.
Схема усилителя считывания
Я провёл реверс-инжиниринг чипа и обнаружил, что в нём содержится две копии приведённой ниже схемы. Эта схема представляет собой дифференциальный усилитель. Вероятно, он использовался в качестве усилителя считывания для усиления сигналов, идущих с чипов памяти и преобразования их в логические.
Я тщательно искал информацию по этому чипу в документации, но ничего не нашёл, поэтому пришлось изучать чип путём реверс-инжиниринга. Сначала я думал, что это обычный логический вентиль. Однако двухэтапное усиление не имело никакого смысла. Ещё один вариант использования такого чипа — преобразование дифференциальных сигналов в сигналы ЭСЛ. Это могло бы объяснить дифференциальные входы, но не двухэтапное усиление.
Компания Intel тоже производила чипы, которым требовались внешние усилители считывания — Intel 1103 и Intel 2105. Для этого Intel выпускала чипы 3208 и 3408 Hex Sense Amplifiers. Одна из причин потребности во внешних усилителях считывания — то, что чипы памяти делали при помощи полевых транзисторов на МОП-структурах, а усилители лучше получаются из биполярных транзисторов. Позднее усилители считывания стали делать прямо на чипах.
У чипа два входа, отрицательный и положительный, и логический выход. Сердцем чипа служат дифференциальные усилители. Входящие сигналы буферизуются, и потом проходят в нижний усилитель (зелёный). Выход с него идёт в верхний усилитель. Такое каскадное расположение усилителей повышает чувствительность чипа и даёт большую степень усиления.
В жёлтых рамках — буферы, использующие описанный ранее эмиттерный повторитель переключателя тока. На каждый вход и выход приходится по буферу. В фиолетовой рамке находится ЭСЛ вентиль. Думаю, он фиксирует значение усилителя, отправляя выходной сигнал обратно внутрь. Транзисторы стока тока отмечены синим. Они обеспечивают постоянный ток на дифференциальные усилители и другие части схемы.
Заключение
Довольно большая статья получилась для пресс-папье. Однако этот предмет позволяет нам с интересом заглянуть в технологию IBM 1974 года.
По крайней мере, я думаю, что это технология из 1974 года. Общие соображения позволяют отнести его к периоду начала 1970-х. На модуле есть код »1 425C404». Думаю, что вторая цифра,»4», обозначает год выпуска. Модули IBM обычно маркируются тремя строчками текста, однако чёткой информации по смыслу цифр нет. Первая строчка — артикул. Вторая, как считается, обозначает местоположение производства («IBM 52» должно обозначать «Эсон, Франция»). Третья строчка — дата и партия.
Кроме прочего, эта технология демонстрирует переход IBM на ИС и полупроводниковую память в мейнфреймах System/370. Также она объясняет уникальную технику сборки ИС на керамической подложке в квадратном металлическом корпусе — MST. Наконец, килобитный чип памяти демонстрирует удивительный прогресс, который был достигнут в технологии изготовления памяти за последние десятилетия, и приведший к появлению мегабитных, а теперь уже и гигабитных чипов.
