Quando a IBM começou a usar circuitos integrados no final dos anos 1960, os chips eram embalados em módulos de metal quadrados chamados Monolithic Systems Technology (MST). O peso de papel apresenta várias etapas na produção de um módulo MST. O wafer de silício é cortado em cristais, montado em um suporte de cerâmica quadrado e envolto em uma caixa de metal do tamanho de uma unha.
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Os cristais são envoltos em plexiglass, para que você possa estudar seus esquemas em detalhes e entender melhor os métodos de trabalho. A foto abaixo mostra uma imagem ampliada da borda do substrato de silício e quatro cristais incluídos em um peso de papel. Dois grandes cristais são iguais aos cristais da base. Dois pequenos são iguais, mas um está danificado.
Eu me pergunto por que um dos cristais está perdendo um ângulo. No entanto, não é apenas lascado - a camada de metal e o silício não atingem a borda. Provavelmente, esse cristal estava na borda do substrato e não passou pelo ciclo de produção até o fim. Conclui-se que a empresa usou a rejeição para fazer tais pesos de papel.
Cristal danificado
Para este artigo, fotografei os cristais em um microscópio e fiz a engenharia reversa do pequeno chip. Concluí que os chips grandes são chips de memória estática de 1Kbit e os chips pequenos são amplificadores de leitura de memória.
IBM System / 370
Esses chips são provavelmente usados na popular linha de mainframe System / 370. Em 1964, a IBM lançou a família System / 360 de mainframes, que se mostrou extremamente popular. Em 1970, ele foi redesenhado com o anúncio do System / 370, que foi montado a partir de circuitos integrados (em oposição ao System / 360) e passou de memória de núcleo magnético para memória de semicondutor. O peso de papel contém as duas alterações principais: o circuito integrado e a memória do semicondutor.
Para se ter uma ideia da escala de um computador System / 370, aqui está uma renderização de um computador System / 370 Modelo 145. O Modelo 145 era uma máquina de "tamanho médio" na linha System / 370.
Por um tempo, a IBM usou um sistema de numeração lógico para a linha System / 370 - conforme o número aumentava, também aumentava a potência. A variedade de modelos variava do mais fraco Modelo 115 ao mais poderoso Modelo 195. No entanto, no final dos anos 1970, esse sistema de numeração entrou em colapso e os modelos começaram a ser chamados de números aparentemente aleatórios - 3031, 4361, 3090 e 9370. ao mesmo tempo, o modelo 9370 era o menos poderoso.
O Modelo 145 foi o primeiro computador da IBM a ter memória principal de semicondutor. Este computador era muito grande para os padrões modernos - na imagem abaixo, ele ocupa todos os gabinetes azuis. Em um gabinete há um processador, em outro - chips de memória de 256 kB. Não havia microprocessadores naquela época, então seu processador é montado a partir de várias placas de circuito impresso, nas quais os circuitos integrados estão localizados. O Modelo 145 pesava mais de uma tonelada, custava US $ 5 a 10 milhões (nos preços atuais) e tinha quase a mesma velocidade do IBM PC de 1981.
Computer render System / 370 Model 145. Computer - em armários azuis. Armários brancos na parte traseira são unidades de disco. Em primeiro plano está um leitor de cartão.
Módulos MST
No início do System / 360, a IBM usava módulos híbridos SLT em vez de circuitos integrados (ICs). Para o System / 370, a empresa mudou para ICs, chamando-os de "monolíticos". A maioria das empresas embalou seus ICs em caixas quadradas de plástico ou cerâmica, mas a IBM manteve as caixas retangulares da SLT e as chamou de MST - Monolithic Systems Technology.
A IBM tinha opções de lógica MST diferentes para produtos diferentes. Versões diferentes usavam tensões diferentes. O MST-1 usou o aterramento como o limite de alta tensão, -4 V como baixo e -1,32 como a referência de tensão ESL... Como as ECLs são sensíveis a flutuações de alta tensão, geralmente os chips dessa família usavam o aterramento como a tensão superior, e a tensão inferior era negativa. Para o MST-2, os níveis foram deslocados para que a tensão de referência fosse igual ao terra, o superior era + 1,25 V e o inferior era -3 V.
A tecnologia MST foi um avanço significativo em comparação com o SLT híbrido. Era dez vezes mais confiável e 4-8 vezes mais denso. Em termos modernos, os ISs do MST eram extremamente simples. 32 transistores em um módulo implementaram cerca de seis portas lógicas, então milhares de ICs foram necessários para implementar um computador inteiro.
Os módulos MST foram fabricados em grandes quantidades, automatizando a tecnologia de produção. A seqüência de componentes contidos em um peso de papel demonstra as etapas de fabricação. À esquerda está um substrato de silício redondo que é cortado em cristais individuais. À direita está uma base quadrada de cerâmica com 16 furos. Em seguida, um circuito impresso é aplicado à base, conectando o IC aos contatos.
A base de cerâmica MST fornece uma interface entre duas escalas de circuito - um PCB com espaçamento de 0,125 "entre os pinos e um IC com espaçamento de 0,01" entre as esferas. O circuito à base de cerâmica apresenta características interessantes. Cada pino de alimentação se conecta a três esferas, permitindo que mais corrente seja fornecida ao IC. O V-track cruza o chip, fornecendo dois pinos para conectar em ambos os lados. A trilha V + segue para o centro do chip, fornecendo pinos adicionais para alimentação.
Por algum motivo, o MST usa dois esquemas de numeração de pinos diferentes. Na SLT, os contatos eram numerados em uma espiral indo para o centro. Mas no MST, a numeração de A01 a D04 é mais comum.
Na terceira etapa, 16 contatos são soldados à base. Então, o cristal de silício e a base de cerâmica são combinados. O cristal é colocado de cabeça para baixo no centro da base de cerâmica. Veja o quanto o cristal é menor que a caixa. O módulo é soldado derretendo a solda dosada, os contatos do cristal de silício são soldados diretamente à base.
A IBM chamou essa tecnologia de " conexões de chip de colapso controlado " ou C-4. Uma quantidade controlada de solda foi usada para fazer os contatos no módulo. Durante o processo de soldagem, o chip foi puxado para os dedos do módulo pela tensão superficial - muito parecido com a montagem superficial é feita hoje.
Finalmente, o módulo foi inserido em uma caixa de metal, e um chip quadrado com um lado de meia polegada foi obtido. Esses módulos tinham uma aparência distinta que diferia dos DIPs de cerâmica ou plástico usados por outros fabricantes.
Estágios da produção do MST Os
módulos MST foram colocados firmemente nas placas - veja, por exemplo, a foto do cartão de memória abaixo. Módulos quadrados combinados com uma placa de quatro camadas produziram densidade significativamente maior do que outros fabricantes de PCB da época, usando DIPs e PCBs de camada dupla.
Cartão de memória da IBM
Substrato e chip de memória
Dentro do peso de papel há um wafer de silício com diâmetro de 50 mm - esse tamanho foi introduzido em 1969. Desde então, as dimensões têm aumentado continuamente e a fabricação moderna usa substratos de 300 mm de diâmetro. Existem 177 cristais no substrato - tirei uma foto de um deles no microscópio (veja abaixo). Curiosamente, este substrato não está completamente acabado - aparentemente, apenas um nível de nove é aplicado. A foto mostra contornos de teste e padrões de alinhamento entre cristais.
A foto mostra o artigo DLM1
O peso de papel também contém cristais prontos, cujas fotos são apresentadas a seguir. Uma rede de células de memória é visível no centro do chip e contornos auxiliares estão localizados ao longo das bordas. Depois de examinar o cristal e contar as células, decidi que era um quilobit de RAM estática. As pontas das esferas são visíveis ao longo das bordas do cristal, permitindo que o chip seja soldado diretamente à base de cerâmica. Há 25 deles, respectivamente, o chip provavelmente foi montado em um gabinete MST com pinos 5 × 5.
Chip de memória
É difícil fotografar módulos fechados em plexiglass sob um microscópio, portanto, em uma grande ampliação, os circuitos do chip não são visíveis e não pude realizar sua engenharia reversa. Consegui medir o tamanho característico de suas peças - 6 mícrons. Esse processo técnico apareceu em 1971.
A foto abaixo é a melhor resolução que consegui. Acho que são seis células de memória - emoldurei uma. Acho que são dois inversores reticulados, um circuito de célula RAM estática padrão.
Chip amplificador de leitura de memória
Um pequeno chip em um peso de papel é muito mais simples e seus componentes são muito maiores. Abaixo está uma foto que tirei. Encontrei 32 transistores e resistores NPN nele. O chip é parcialmente analógico e usa ECL . Acho que este é um tipo diferente de amplificador - um amplificador de leitura para sinais de um chip de memória. Isso explica por que esses dois chips são incluídos no peso de papel.
Na foto, o silício é cinza. Partes de silício são dopadasarsênio, boro ou fósforo para obter áreas com diferentes propriedades semicondutoras. As linhas pretas são limites entre diferentes níveis de impurezas. Amarelado - condutores de metal sobre silício, conectando os diversos componentes. Os grandes círculos pretos são as esferas que conectam a matriz ao substrato MST.
Abaixo está o diagrama de uma parte de um chip mostrando dois tipos de resistores e um transistor. O resistor superior consiste em uma peça de silicone do tipo N de alta resistência com contatos de metal em cada lado. Acontece um resistor de 65 ohms. O resistor inferior tem seis pinos e o valor da resistência depende de onde os fios estão conectados. Utiliza silício tipo P, obtendo resistência na casa das centenas de ohms.
Transistores - NPN bipolar , entretanto, sua estrutura é mais complexa do que a de um transistor NPN típico. Fisicamente, eles possuem duas bases e dois coletores, conectados entre si para reduzir a densidade de corrente. Portanto, cada transistor tem cinco contatos de metal. O diagrama abaixo mostra uma seção transversal da estrutura de um transistor. Os cinco pinos de metal na parte superior correspondem aos cinco pinos do transistor na foto acima. O coletor, a base e o emissor são conectados com camadas NPN. O anel P + fornece isolamento circular.
Estrutura e dimensão mais detalhadas dos transistores:
Ao reconhecer os componentes do cristal e compreender as conexões dos fios, você pode fazer a engenharia reversa do circuito. No entanto, se você examinar cuidadosamente o cristal, verá que muitos componentes não estão conectados. Isso ocorre porque a IBM usou a tecnologia de master slice para produzir muitos ICs diferentes sem ter que desenvolver cada um individualmente. A empresa teve a ideia de usar um cristal de silício comum com muitos transistores e resistores. Ao fazer uma mudança relativamente barata na camada de metal, foi possível conectar os componentes existentes de uma maneira adequada. Portanto, os resistores possuem vários contatos para conexão - eles podem ser conectados de forma a obter diferentes valores de resistência.
A abordagem do "corte mestre" usava um arranjo fixo de transistores e resistores, e apenas mudava a fiação de metal entre eles durante o chamado processo. "Personalização". O diagrama abaixo é um desenho da patente 3539876, que mostra o layout dos componentes usados no IC da IBM para fatias mestre. Se você comparar os transistores e resistores, poderá ver que o circuito é quase completamente igual ao cristal do peso de papel. Mas também existem diferenças. Em particular, o cristal tem contatos adicionais à esquerda e à direita, e o arranjo do resistor é ligeiramente alterado por causa disso. Um artigo de 1966 descreve de onde veio o sistema do "cortador mestre". Já em 1966, eles usaram computadores para projetar circuitos de chip.
Amplificador diferencial e lógica acoplada ao emissor
Os circuitos lógicos podem ser organizados de várias maneiras. Quase todos os computadores hoje usam a família lógica CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), cujas portas são compostas por MOSFETs. No entanto, o IBM System / 370 usava uma família de lógica de alta velocidade chamada "lógica de emissor acoplado" (ECL), que a IBM então chamou de "Current-Switch Emitter Follower" (CSEF). ECL foi inventado pela IBM em 1956 para uso em computadores com transistores de alta velocidade.
Na maior parte, os ECLs funcionaram rapidamente porque os transistores não estavam totalmente ligados (não totalmente saturados). Graças a isso, os transistores podem mudar rapidamente o caminho da corrente. Além disso, a diferença entre as tensões de 0 e 1 era pequena (cerca de 0,8 V), de modo que os sinais trocavam rapidamente entre elas. Para comparação, para válvulas TTL essa diferença foi da ordem de 3,2 V. Os sinais geralmente mudam entre os níveis a uma taxa de cerca de 1 V por nanossegundo, portanto, quanto maior a diferença, mais longa a comutação. Por outro lado, devido à pequena diferença entre as tensões, o ECL foi suscetível a interferências .
ECL é baseado em um amplificador diferencial- um circuito que amplifica a diferença entre dois sinais de entrada. Funciona assim (veja o diagrama abaixo). Uma corrente fixa flui pelo circuito. Se a tensão na entrada esquerda for maior que na direita, o transistor esquerdo liga e a maior parte da corrente passa pelo ramo esquerdo (vermelho). Por outro lado, se a tensão na entrada direita for maior do que na esquerda, o transistor direito liga e a maior parte da corrente passa pela derivação direita (azul). Este par diferencial fornece amplificação porque uma pequena diferença entre os sinais de entrada produz uma grande mudança na corrente.
Este circuito é usado no chip como um amplificador, mas após pequenas modificações ele também forma uma porta ECL. Para obter uma porta, a tensão em um dos ramos é fixada, tornando-se uma referência, em um nível entre os valores "0" e "1". Se o sinal de entrada for maior que a referência, é considerado "1", e abaixo - "0". (Os chips MST usavam o aterramento como referência de tensão). Um inversor baseado em ECL é mostrado abaixo - se o sinal de entrada for alto, a corrente através do resistor esquerdo reduzirá a tensão. Para aumentar a velocidade, o resistor inferior é substituído por um dissipador de corrente (roxo). A corrente de drenagem é controlada por uma tensão de polarização externa.
Um buffer (verde) foi adicionado à saída. O buffer é chamado de seguidor de emissor porque a saída é obtida do emissor do transistor e a saída segue a entrada.
Circuito amplificador de leitura
Fiz a engenharia reversa do chip e descobri que ele continha duas cópias do esquema abaixo. Este circuito é um amplificador diferencial. Provavelmente foi usado como um amplificador de leitura para amplificar sinais vindos de chips de memória e convertê-los em chips lógicos.
Procurei cuidadosamente informações sobre este chip na documentação, mas não encontrei nada, então tive que estudar o chip por engenharia reversa. No início, pensei que fosse uma porta lógica normal. No entanto, a amplificação de dois estágios não fazia sentido. Outro caso de uso para tal chip é a conversão de sinais diferenciais em sinais ECL. Isso pode explicar as entradas diferenciais, mas não bi-amplificação.
A Intel também fez chips que exigiam amplificadores de leitura externos - Intel 1103 e Intel 2105 . Para fazer isso, a Intel lançou os chips 3208 e 3408 Hex Sense Amplifiers. Uma das razões para a necessidade de amplificadores de detecção externos é que os chips de memória são feitos usando MOSFETs, e os amplificadores são mais bem feitos de transistores bipolares. Posteriormente, os amplificadores de leitura passaram a ser feitos diretamente nos chips.
O chip possui duas entradas, negativa e positiva, e uma saída lógica. Os amplificadores diferenciais são o coração do chip. Os sinais de entrada são armazenados em buffer e então passados para o amplificador inferior (verde). A saída dele vai para o amplificador superior. Este arranjo em cascata de amplificadores aumenta a sensibilidade do chip e fornece um maior grau de amplificação.
Nos quadros amarelos - buffers usando o seguidor de emissor descrito anteriormente da chave de corrente. Existe um buffer para cada entrada e saída. Na moldura roxa está a válvula ECL. Acho que captura o valor do amplificador enviando a saída de volta para dentro. Os transistores de drenagem de corrente são marcados em azul. Eles fornecem corrente constante para amplificadores diferenciais e outras partes do circuito.
Conclusão
Um artigo bastante longo acabou por ser um peso de papel. No entanto, este assunto nos dá um vislumbre interessante da tecnologia IBM de 1974.
Pelo menos eu acho que isso é tecnologia de 1974. Considerações gerais permitem atribuí-lo ao período do início dos anos 1970. O módulo possui um código "1 425C404". Acho que o segundo número, "4", indica o ano de fabricação. Os módulos IBM são geralmente marcados com três linhas de texto, mas não há informações claras sobre o significado dos números. A primeira linha é o artigo. Acredita - se que o segundo indique a localização da fábrica (IBM 52 deve significar Eson, França). A terceira linha é a data e a festa.
Entre outras coisas, esta tecnologia demonstra a mudança da IBM para ICs e memória de semicondutor em mainframes System / 370. Ela também explica uma técnica única para montagem de CIs em um substrato de cerâmica em uma embalagem metálica quadrada - MST. Finalmente, o chip de memória kilobit demonstra o incrível progresso que foi feito na tecnologia de memória nas últimas décadas, levando ao surgimento de chips megabit e agora chips gigabit.