Cuando IBM comenzó a usar circuitos integrados a fines de la década de 1960, los chips estaban empaquetados en módulos metálicos cuadrados llamados Tecnología de Sistemas Monolíticos (MST). El pisapapeles presenta varios pasos en la producción de un módulo MST. La oblea de silicio se corta en cristales, se monta sobre un soporte de cerámica cuadrado y se envuelve en una caja de metal del tamaño de una miniatura.
- , MST- . - .
Los cristales están encerrados en plexiglás, por lo que puede estudiar sus esquemas en detalle y comprender mejor los métodos de trabajo. La foto de abajo muestra una imagen ampliada del borde del sustrato de silicio y cuatro cristales encerrados en un pisapapeles. Dos cristales grandes son iguales a los cristales de la base. Dos pequeños son iguales, pero uno está dañado.
Me pregunto por qué a uno de los cristales le falta un ángulo. Sin embargo, no solo se desprende: la capa de metal y el silicio no llegan al borde. Probablemente, este cristal estaba en el borde del sustrato y no pasó por el ciclo de producción hasta el final. De ello se deduce que la empresa utilizó el rechazo para fabricar tales pisapapeles.
Cristal dañado
Para este artículo, fotografié los cristales bajo un microscopio y realicé ingeniería inversa del pequeño chip. Llegué a la conclusión de que los chips grandes son chips de memoria estática de 1 Kbit y los chips pequeños son amplificadores de lectura de memoria.
IBM System / 370
Es probable que estos chips se utilicen en la popular línea de mainframe System / 370. En 1964, IBM presentó la familia de mainframes System / 360, que resultó extremadamente popular. En 1970, fue rediseñado con el anuncio del System / 370, que se ensambló a partir de circuitos integrados (a diferencia del System / 360) y se movió de la memoria de núcleo magnético a la memoria de semiconductores. El pisapapeles contiene dos cambios importantes: el circuito integrado y la memoria de semiconductores.
Para darle una idea de la escala de una computadora System / 370, aquí hay una representación de una computadora System / 370 Modelo 145. El Modelo 145 era una máquina de "tamaño medio" en la línea System / 370.
Durante un tiempo, IBM utilizó un sistema de numeración lógico para la línea System / 370; a medida que aumentaba el número, también aumentaba la potencia. La gama de modelos varió desde el modelo 115 más débil hasta el modelo 195 más poderoso. Sin embargo, a finales de la década de 1970 este sistema de numeración colapsó y los modelos comenzaron a llamarse números aparentemente aleatorios: 3031, 4361, 3090 y 9370. En el Al mismo tiempo, el modelo 9370 fue el menos poderoso.
El Modelo 145 fue la primera computadora de IBM en tener una memoria principal de semiconductores. Esta computadora era muy grande para los estándares modernos; en la imagen de abajo, ocupa todos los gabinetes azules. En un gabinete hay un procesador, en otro: chips de memoria de 256 kB. No había microprocesadores en ese momento, por lo que su procesador se ensambla a partir de muchas placas de circuito impreso, en las que se encuentran los circuitos integrados. El Modelo 145 pesaba más de una tonelada, costaba entre 5 y 10 millones de dólares (en los precios actuales) y tenía aproximadamente la misma velocidad que la PC IBM de 1981.
Sistema de renderizado por computadora / 370 Modelo 145. Computadora - en gabinetes azules. Los gabinetes blancos en la parte posterior son unidades de disco. En primer plano hay un lector de tarjetas.
Módulos MST
En los primeros System / 360, IBM usó módulos híbridos SLT en lugar de circuitos integrados (IC). Para el System / 370, la compañía cambió a los circuitos integrados, llamándolos "monolíticos". La mayoría de las empresas empaquetaron sus circuitos integrados en cajas cuadradas de plástico o cerámica, pero IBM mantuvo las cajas rectangulares de SLT y las llamó MST - Tecnología de sistemas monolíticos.
IBM tenía diferentes opciones lógicas MST para diferentes productos. Las diferentes versiones utilizan diferentes voltajes. MST-1 usó tierra como umbral de alto voltaje, -4 V como bajo y -1.32 como referencia de voltaje ESL... Dado que las ECL son sensibles a las fluctuaciones de alto voltaje, a menudo los chips de esta familia usaban tierra como voltaje superior y el voltaje más bajo era negativo. Para el MST-2, los niveles se cambiaron para que el voltaje de referencia fuera igual al de tierra, el superior fuera de + 1,25 V y el inferior fuera -3 V.
La tecnología MST supuso un avance significativo en comparación con el SLT híbrido. Era diez veces más confiable y de 4 a 8 veces más denso. En términos modernos, los MST IS eran extremadamente simples. 32 transistores en un módulo implementaron alrededor de seis puertas lógicas, por lo que se necesitaron miles de circuitos integrados para implementar una computadora completa.
Los módulos MST se fabricaron en grandes cantidades mediante la automatización de la tecnología de producción. La secuencia de componentes encerrados en un pisapapeles demuestra los pasos de fabricación. A la izquierda hay un sustrato de silicio redondo que se corta en cristales individuales. A la derecha hay una base de cerámica cuadrada con 16 agujeros para pasadores. Luego se aplica un circuito impreso a la base, conectando el IC a los contactos.
La base cerámica MST proporciona una interfaz entre dos escalas de circuito: una PCB con un espacio de 0.125 "entre pines y un IC con un espacio de 0.01" entre bolas. El circuito a base de cerámica tiene características interesantes. Cada pin de alimentación se conecta a tres bolas, lo que permite suministrar más corriente al IC. La pista en V cruza el chip, dando dos pines para conectar en ambos lados. La pista V + corre hacia el centro del chip, proporcionando pines adicionales para la alimentación.
Por alguna razón, MST usa dos esquemas de numeración de pines diferentes. En SLT, los contactos se numeraron en espiral yendo hacia el centro. Pero en MST, la numeración de A01 a D04 es más común.
En el tercer paso, se sueldan 16 contactos a la base. Luego se combinan el cristal de silicio y la base cerámica. El cristal se coloca boca abajo en el centro de la base cerámica. Vea cuánto es más pequeño el cristal que la caja. El módulo se suelda fundiendo la soldadura dosificada, los contactos del cristal de silicio se sueldan directamente a la base.
IBM llamó a esta tecnología " conexiones de chip de colapso controlado " o C-4. Se utilizó una cantidad controlada de soldadura para hacer los contactos en el módulo. Durante el proceso de soldadura, el chip se empujó hacia los dedos del módulo mediante la tensión superficial, al igual que se hace hoy en día el montaje en superficie.
Finalmente, se insertó el módulo en una caja de metal y se obtuvo un chip cuadrado con un lado de media pulgada. Estos módulos tenían un aspecto distintivo que se diferenciaba de los DIP de cerámica o plástico utilizados por otros fabricantes.
Etapas de la producción de MST Los
módulos MST se colocaron firmemente en placas; consulte, por ejemplo, la foto de la tarjeta de memoria a continuación. Los módulos cuadrados combinados con una placa de cuatro capas produjeron una densidad significativamente mayor que otros fabricantes de PCB de la época que usaban DIP y PCB de doble capa.
Tarjeta de memoria de IBM
Sustrato y chip de memoria
Dentro del pisapapeles hay una oblea de silicio con un diámetro de 50 mm; este tamaño se introdujo en 1969. Desde entonces, las dimensiones han aumentado de manera constante y la fabricación moderna utiliza sustratos de 300 mm de diámetro. Hay 177 cristales en el sustrato; tomé una foto de uno de ellos bajo un microscopio (ver más abajo). Curiosamente, este sustrato no está completamente terminado; aparentemente, solo se aplica un nivel de cada nueve. La foto muestra contornos de prueba y patrones de alineación entre cristales.
La foto muestra el artículo DLM1.
El pisapapeles también contiene cristales confeccionados, cuyas fotos se muestran a continuación. Una red de celdas de memoria es visible en el centro del chip y los contornos auxiliares están ubicados a lo largo de los bordes. Después de examinar el cristal y contar las celdas, decidí que era una RAM estática de kilobits. Los cables de bola son visibles a lo largo de los bordes del cristal, lo que permite soldar el chip directamente a la base de cerámica. Hay 25 de ellos, respectivamente, el chip probablemente se montó en una caja MST con 5 × 5 pines.
Chip de memoria
Es difícil fotografiar módulos encerrados en plexiglás bajo un microscopio, por lo que con un gran aumento los circuitos del chip no son visibles y no pude realizar su ingeniería inversa. Pude medir el tamaño característico de sus partes: 6 micrones. Tal proceso técnico apareció en 1971.
La foto de abajo es la mejor resolución que pude obtener. Creo que estas son seis celdas de memoria, he enmarcado una. Creo que estos son dos inversores reticulados, un circuito de celda de RAM estática estándar.
Chip amplificador de lectura de memoria
Un chip pequeño en un pisapapeles es mucho más simple y sus componentes son mucho más grandes. A continuación se muestra una foto que tomé. Encontré 32 transistores NPN y resistencias. El chip es parcialmente analógico y usa ECL . Creo que este es un tipo diferente de amplificador: un amplificador de lectura para señales de un chip de memoria. Esto explica por qué son estos dos chips los que están incluidos en el pisapapeles.
En la foto, el silicio es gris. Partes de silicio están dopadasarsénico, boro o fósforo para obtener áreas con diferentes propiedades semiconductoras. Las líneas negras son límites entre diferentes niveles de impurezas. Amarillento: conductores de metal sobre silicio, que conectan los diversos componentes. Los círculos negros grandes son los cables de bola que conectan el troquel al sustrato de MST.
A continuación se muestra un diagrama de una parte de un chip que muestra dos tipos de resistencias y un transistor. La resistencia superior consta de una pieza de silicio tipo N de alta resistencia con contactos metálicos en cada lado. Resulta una resistencia de 65 ohmios. La resistencia inferior tiene seis pines y el valor de la resistencia depende de dónde estén conectados los cables. Utiliza silicio tipo P, obteniendo una resistencia de cientos de ohmios.
Transistores - NPN bipolar , sin embargo, su estructura es más compleja que la de un transistor NPN típico. Físicamente tienen dos bases y dos colectores, conectados entre sí para reducir la densidad de corriente. Por tanto, cada transistor tiene cinco contactos metálicos. El siguiente diagrama muestra una sección transversal de la estructura de un transistor. Los cinco pines de metal en la parte superior corresponden a los cinco pines del transistor en la foto de arriba. El colector, la base y el emisor están conectados con capas NPN. El anillo P + proporciona aislamiento circular.
Estructura y dimensión más detalladas de los transistores:
Al reconocer los componentes del cristal y comprender las conexiones de los cables, puede aplicar ingeniería inversa al circuito. Sin embargo, si examina detenidamente el cristal, puede ver que muchos componentes no están conectados. Esto se debe a que IBM ha utilizado la tecnología de corte maestro para producir muchos circuitos integrados diferentes sin tener que desarrollar cada uno individualmente. A la empresa se le ocurrió la idea de utilizar un cristal de silicio común con muchos transistores y resistencias. Al realizar un cambio relativamente económico en la capa de metal, fue posible conectar los componentes existentes de una manera adecuada. Por lo tanto, las resistencias tienen varios contactos para la conexión; se pueden conectar de tal manera que obtengan diferentes valores de resistencia.
El enfoque de "corte maestro" utilizó una disposición fija de transistores y resistencias, y solo cambió el cableado de metal entre ellos durante el llamado proceso. "Personalización". El siguiente diagrama es un dibujo de la patente 3539876, que muestra el diseño de los componentes utilizados en el IC de IBM para los cortes maestros. Si compara los transistores y resistencias, puede ver que el circuito es casi completamente el mismo que el cristal pisapapeles. Pero también hay diferencias. En particular, el cristal tiene contactos adicionales a la izquierda y a la derecha, y la disposición de la resistencia cambia ligeramente debido a esto. Un artículo de 1966 describe de dónde vino el sistema de "cortadora maestra". Ya en 1966, utilizaron computadoras para diseñar circuitos de chips.
Amplificador diferencial y lógica acoplada a emisor
Los circuitos lógicos se pueden organizar de diversas formas. Casi todas las computadoras de hoy usan la familia lógica CMOS (Semiconductor de óxido de metal complementario), cuyas puertas están compuestas por MOSFET. Sin embargo, el IBM System / 370 usó una familia lógica de alta velocidad llamada "lógica acoplada de emisor" (ECL), que IBM luego llamó "Seguidor de emisor de interruptor de corriente" (CSEF). ECL fue inventado por IBM en 1956 para su uso en computadoras de transistores de alta velocidad.
En su mayor parte, las ECL funcionaron rápidamente porque los transistores no estaban completamente encendidos (no estaban completamente saturados). Gracias a esto, los transistores pudieron cambiar muy rápidamente el camino de la corriente. Además, la diferencia entre los voltajes 0 y 1 era pequeña (aproximadamente 0,8 V), por lo que las señales cambiaron rápidamente entre ellos. A modo de comparación, para las válvulas TTL, esta diferencia fue del orden de 3,2 V. Las señales generalmente cambian entre niveles a una velocidad de aproximadamente 1 V por nanosegundo, por lo que cuanto mayor es la diferencia, más larga es la conmutación. Por otro lado, debido a la pequeña diferencia entre los voltajes, el ECL era susceptible a interferencias .
ECL se basa en un amplificador diferencial- un circuito que amplifica la diferencia entre dos señales de entrada. Funciona así (vea el diagrama a continuación). Una corriente fija fluye a través del circuito. Si el voltaje en la entrada izquierda es mayor que en la derecha, el transistor izquierdo se enciende y la mayor parte de la corriente pasará por la rama izquierda (rojo). Por el contrario, si el voltaje en la entrada derecha es mayor que en la izquierda, el transistor derecho se enciende y la mayor parte de la corriente pasará por la toma derecha (azul). Este par diferencial proporciona amplificación porque una pequeña diferencia entre las señales de entrada produce un gran cambio en la corriente.
Este circuito se utiliza en el chip como amplificador, pero después de una pequeña modificación también forma una puerta ECL. Para obtener una puerta, la tensión en una de las ramas se fija, convirtiéndose en una referencia, en un nivel entre los valores "0" y "1". Si la señal entrante es mayor que la referencia, se considera "1" y menos - "0". (Los chips MST usaron tierra como referencia de voltaje). A continuación se muestra un inversor basado en ECL: si la señal de entrada es alta, la corriente a través de la resistencia izquierda reducirá el voltaje. Para aumentar la velocidad, la resistencia inferior se reemplaza con un disipador de corriente (violeta). La corriente de drenaje está controlada por un voltaje de polarización externo.
Se ha agregado un búfer (verde) a la salida. El búfer se llama seguidor de emisor porque la salida se toma del emisor del transistor y la salida sigue a la entrada.
Circuito amplificador de lectura
Realicé ingeniería inversa del chip y descubrí que contenía dos copias del esquema siguiente. Este circuito es un amplificador diferencial. Probablemente se usó como amplificador de lectura para amplificar señales provenientes de chips de memoria y convertirlas en lógicas.
Busqué cuidadosamente la información de este chip en la documentación, pero no encontré nada, así que tuve que estudiar el chip mediante ingeniería inversa. Al principio pensé que era una puerta lógica normal. Sin embargo, la amplificación de dos etapas no tenía sentido. Otro caso de uso de un chip de este tipo es la conversión de señales diferenciales en señales ECL. Esto podría explicar las entradas diferenciales, pero no la biamplificación.
Intel también fabricó chips que requerían amplificadores de lectura externos: Intel 1103 e Intel 2105 . Para hacer esto, Intel lanzó los chips 3208 y 3408 Hex Sense Amplifiers. Una de las razones de la necesidad de amplificadores de detección externos es que los chips de memoria se fabrican con MOSFET y los amplificadores se fabrican mejor con transistores bipolares. Más tarde, los amplificadores de lectura comenzaron a fabricarse directamente en chips.
El chip tiene dos entradas, negativa y positiva, y una salida lógica. Los amplificadores diferenciales son el corazón del chip. Las señales entrantes se almacenan en búfer y luego se pasan al amplificador inferior (verde). La salida va al amplificador superior. Esta disposición en cascada de amplificadores aumenta la sensibilidad del chip y proporciona un mayor grado de amplificación.
En los marcos amarillos: búferes que utilizan el emisor seguidor del interruptor actual descrito anteriormente. Hay un búfer para cada entrada y salida. En el marco violeta está la válvula ECL. Creo que captura el valor del amplificador enviando la salida hacia adentro. Los transistores de drenaje de corriente están marcados en azul. Proporcionan corriente constante a amplificadores diferenciales y otras partes del circuito.
Conclusión
Resultó un artículo bastante largo para un pisapapeles. Sin embargo, este tema nos da una visión interesante de la tecnología de IBM desde 1974.
Al menos creo que esta es tecnología de 1974. Las consideraciones generales nos permiten atribuirlo al período de principios de los años setenta. El módulo tiene un código "1 425C404". Creo que el segundo número, "4", indica el año de fabricación. Los módulos de IBM suelen estar marcados con tres líneas de texto, pero no hay información clara sobre el significado de los números. La primera línea es el artículo. Se cree que el segundo indica la ubicación de la planta de fabricación (IBM 52 debe significar Eson, Francia). La tercera línea es la fecha y la fiesta.
Entre otras cosas, esta tecnología demuestra el movimiento de IBM hacia los circuitos integrados y la memoria de semiconductores en los mainframes System / 370. También explica una técnica única para ensamblar circuitos integrados en un sustrato cerámico en un paquete de metal cuadrado: MST. Finalmente, el chip de memoria de kilobits demuestra el asombroso progreso que se ha logrado en la tecnología de la memoria durante las últimas décadas, lo que ha llevado a la aparición de chips de megabit y ahora de gigabit.