Quand IBM a commencé à utiliser des circuits intégrés à la fin des années 1960, les puces étaient conditionnées dans des modules métalliques carrés appelés Monolithic Systems Technology (MST). Le presse-papier présente plusieurs étapes dans la fabrication d'un module MST. La plaquette de silicium est découpée en cristaux, montée sur un support carré en céramique et enveloppée dans un boîtier métallique de la taille d'une vignette.
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Les cristaux sont enfermés dans du plexiglas, vous pouvez donc étudier leurs schémas en détail et mieux comprendre les méthodes de travail. La photo ci-dessous montre une image agrandie du bord du substrat de silicium et de quatre cristaux enfermés dans un presse-papier. Deux gros cristaux sont les mêmes que les cristaux sur la base. Deux petits sont identiques, mais l'un est endommagé.
Je me demande pourquoi l'un des cristaux manque un angle. Cependant, il n'est pas seulement ébréché - la couche métallique et le silicium n'atteignent pas le bord. Probablement, ce cristal était sur le bord du substrat et n'a pas traversé le cycle de production jusqu'à la fin. Il s'ensuit que la société a utilisé le rejet pour fabriquer de tels presse-papiers.
Cristal endommagé
Pour cet article, j'ai photographié les cristaux au microscope et procédé à une ingénierie inverse de la petite puce. J'ai conclu que les grosses puces sont des puces de mémoire statique de 1 Kbit et les petites puces sont des amplificateurs de lecture de mémoire.
Système IBM / 370
Ces puces sont probablement utilisées dans la célèbre gamme de mainframe System / 370. En 1964, IBM a introduit la famille de mainframes System / 360, qui s'est avérée extrêmement populaire. En 1970, il a été repensé avec l'annonce du System / 370, qui a été assemblé à partir de circuits intégrés (par opposition à System / 360) et est passé de la mémoire à noyau magnétique à la mémoire à semi-conducteurs. Le presse-papier contient les deux changements majeurs: le circuit intégré et la mémoire à semi-conducteurs.
Pour vous donner une idée de l'échelle d'un ordinateur System / 370, voici le rendu d'un ordinateur System / 370 modèle 145. Le modèle 145 était une machine "de taille moyenne" de la gamme System / 370.
Pendant un certain temps, IBM a utilisé un système de numérotation logique pour la ligne System / 370 - à mesure que le nombre augmentait, la puissance augmentait également. La gamme de modèles allait du modèle 115 le plus faible au modèle 195 le plus puissant. Cependant, à la fin des années 1970, ce système de numérotation s'est effondré et les modèles ont commencé à être appelés nombres apparemment aléatoires - 3031, 4361, 3090 et 9370. en même temps, le modèle 9370 était le moins puissant.
Le modèle 145 a été le premier ordinateur d'IBM à avoir une mémoire principale à semi-conducteurs. Cet ordinateur était très grand selon les normes modernes - dans l'image ci-dessous, il occupe toutes les armoires bleues. Dans une armoire, il y a un processeur, dans une autre - 256 ko de puces de mémoire. Il n'y avait pas de microprocesseurs à l'époque, son processeur est donc assemblé à partir de nombreuses cartes de circuits imprimés, sur lesquelles se trouvent des circuits intégrés. Le modèle 145 pesait plus d'une tonne, coûtait 5 à 10 millions de dollars (aux prix actuels) et était à peu près à la même vitesse que le PC IBM de 1981.
Système de rendu par ordinateur / 370 modèle 145. Ordinateur - dans des armoires bleues. Les armoires blanches à l'arrière sont des disques durs. Au premier plan se trouve un lecteur de carte.
Modules MST
Au début de System / 360, IBM utilisait des modules hybrides SLT au lieu de circuits intégrés (IC). Pour le System / 370, la société est passée aux circuits intégrés, les qualifiant de «monolithiques». La plupart des entreprises ont emballé leurs circuits intégrés dans des boîtiers carrés en plastique ou en céramique, mais IBM a conservé les boîtiers rectangulaires de SLT et les a appelés MST - Technologie des systèmes monolithiques.
IBM avait différentes options de logique MST pour différents produits. Différentes versions utilisaient des tensions différentes. MST-1 a utilisé la terre comme seuil de tension élevée, -4 V comme bas et -1,32 comme référence de tension ESL... Étant donné que les ECL sont sensibles aux fluctuations de tension élevées, les puces de cette famille utilisaient souvent la terre comme tension supérieure et la tension inférieure était négative. Pour le MST-2, les niveaux ont été décalés de sorte que la tension de référence soit égale à la masse, celle du haut à + 1,25 V et celle du bas à -3 V.La
technologie MST a été une avancée significative par rapport au SLT hybride. Il était dix fois plus fiable et 4 à 8 fois plus dense. En termes modernes, les SI MST étaient extrêmement simples. 32 transistors dans un module implémentaient environ six portes logiques, de sorte que des milliers de circuits intégrés étaient nécessaires pour implémenter un ordinateur entier.
Les modules MST ont été fabriqués en grande quantité en automatisant la technologie de production. La séquence des composants enfermés dans un presse-papiers illustre les étapes de fabrication. Sur la gauche se trouve un substrat de silicium rond découpé en cristaux individuels. Sur la droite se trouve une base carrée en céramique avec 16 trous d'épingle. Ensuite, un circuit imprimé est appliqué à la base, connectant le circuit intégré aux contacts.
La base en céramique MST fournit une interface entre deux échelles de circuit - un circuit imprimé avec un espacement de 0,125 "entre les broches et un circuit intégré avec un espacement de 0,01" entre les billes. Le circuit à base de céramique présente des caractéristiques intéressantes. Chaque broche d'alimentation se connecte à trois boules, ce qui permet de fournir plus de courant au CI. La voie en V traverse la puce, donnant deux broches à connecter des deux côtés. La piste V + se dirige vers le centre de la puce, fournissant des broches supplémentaires pour l'alimentation.
Pour une raison quelconque, MST utilise deux schémas de numérotation des broches différents. Au SLT, les contacts étaient numérotés dans une spirale allant au centre. Mais sur MST, la numérotation de A01 à D04 est plus courante.
Dans la troisième étape, 16 contacts sont soudés à la base. Ensuite, le cristal de silicium et la base en céramique sont combinés. Le cristal est placé à l'envers au centre de la base en céramique. Voyez à quel point le cristal est plus petit que le boîtier. Le module est soudé par fusion de la brasure dosée, les contacts du cristal de silicium sont directement soudés à la base.
IBM a appelé cette technologie « connexions de puces à effondrement contrôlé », ou C-4. Une quantité contrôlée de soudure a été utilisée pour établir les contacts dans le module. Pendant le processus de soudage, la puce a été tirée jusqu'aux doigts du module par tension superficielle - un peu comme le montage en surface se fait aujourd'hui.
Enfin, le module a été inséré dans un boîtier métallique, et une puce carrée avec un côté d'un demi-pouce a été obtenue. Ces modules avaient une apparence distinctive qui différait des DIP en céramique ou en plastique utilisés par d'autres fabricants.
Les étapes de la production MST Les
modules MST ont été étroitement placés sur les cartes - voir, par exemple, la photo de la carte mémoire ci-dessous. Les modules carrés combinés à une carte à quatre couches produisaient une densité nettement plus élevée que les autres fabricants de PCB de l'époque utilisant des DIP et des PCB double couche.
Carte mémoire d'IBM
Substrat et puce mémoire
À l'intérieur du presse-papier se trouve une plaquette de silicium d'un diamètre de 50 mm - cette taille a été introduite en 1969. Depuis lors, les dimensions n'ont cessé d'augmenter et la fabrication moderne utilise des substrats de 300 mm de diamètre. Il y a 177 cristaux sur le substrat - j'ai pris une photo de l'un d'entre eux au microscope (voir ci-dessous). Fait intéressant, ce substrat n'est pas complètement fini - apparemment, seul un niveau sur neuf est appliqué. La photo montre les contours de test et les modèles d'alignement entre les cristaux.
La photo montre l'article DLM1
Le presse-papier contient également des cristaux prêts à l'emploi, dont les photos sont données ci-dessous. Un réseau de cellules de mémoire est visible au centre de la puce et des contours auxiliaires sont situés le long des bords. Après avoir examiné le cristal et compté les cellules, j'ai décidé qu'il s'agissait d'une RAM statique de kilobits. Les fils à billes sont visibles le long des bords du cristal, permettant à la puce d'être soudée directement sur la base en céramique. Il y en a 25, respectivement, la puce était probablement montée dans un boîtier MST avec 5 × 5 broches.
Puce mémoire
Il est difficile de photographier des modules enfermés dans du plexiglas sous un microscope, donc à fort grossissement les circuits de la puce ne sont pas visibles, et je n'ai pas pu effectuer sa rétro-ingénierie. J'ai pu mesurer la taille caractéristique de ses pièces - 6 microns. Un tel procédé technique est apparu en 1971.
La photo ci-dessous est la meilleure résolution que je puisse obtenir. Je pense que ce sont six cellules de mémoire - j'en ai encadré une. Je pense que ce sont deux onduleurs réticulés, un circuit de cellule RAM statique standard.
Puce d'amplificateur de lecture de mémoire
Une petite puce dans un presse-papier est beaucoup plus simple et ses composants sont beaucoup plus gros. Ci-dessous, une photo que j'ai prise. J'ai trouvé 32 transistors et résistances NPN dessus. La puce est partiellement analogique et utilise ECL . Je pense que c'est un type d'amplificateur différent - un amplificateur de lecture pour les signaux d'une puce mémoire. Ceci explique pourquoi ce sont ces deux puces qui sont enfermées dans le presse-papiers.
Sur la photo, le silicium est gris. Des parties de silicium sont dopéesarsenic, bore ou phosphore pour obtenir des zones aux propriétés semi-conductrices différentes. Les lignes noires sont des frontières entre différents niveaux d'impuretés. Jaunâtre - conducteurs métalliques sur silicium, reliant les différents composants. Les grands cercles noirs sont les conducteurs à billes reliant la matrice au substrat MST.
Ci-dessous, un schéma d'une partie d'une puce montrant deux types de résistances et un transistor. La résistance supérieure est constituée d'une pièce en silicium de type N à haute résistance avec des contacts métalliques de chaque côté. Il s'avère une résistance de 65 ohms. La résistance inférieure a six broches et la valeur de la résistance dépend de l'endroit où les fils sont connectés. Il utilise du silicium de type P, obtenant une résistance de plusieurs centaines d'ohms.
Transistors - NPN bipolaires , cependant, leur structure est plus complexe que celle d'un transistor NPN typique. Physiquement, ils ont deux bases et deux collecteurs, connectés ensemble pour réduire la densité de courant. Par conséquent, chaque transistor a cinq contacts métalliques. Le schéma ci-dessous montre une coupe transversale de la structure d'un transistor. Les cinq broches métalliques sur le dessus correspondent aux cinq broches du transistor sur la photo ci-dessus. Le collecteur, la base et l'émetteur sont connectés à des couches NPN. L'anneau P + fournit une isolation circulaire.
Structure et dimension plus détaillées des transistors:
En reconnaissant les composants du cristal et en comprenant les connexions des fils, vous pouvez procéder à l'ingénierie inverse du circuit. Cependant, si vous examinez attentivement le cristal, vous pouvez voir que de nombreux composants ne sont pas connectés. En effet, IBM a utilisé la technologie de la tranche principale pour produire de nombreux circuits intégrés différents sans avoir à les développer individuellement. La société a eu l'idée d'utiliser un cristal de silicium commun avec de nombreux transistors et résistances. En effectuant une modification relativement peu coûteuse de la couche métallique, il était possible de connecter les composants existants d'une manière appropriée. Par conséquent, les résistances ont plusieurs contacts pour la connexion - elles peuvent être connectées de manière à obtenir différentes valeurs de résistance.
L'approche de "coupure principale" utilisait un agencement fixe de transistors et de résistances, et ne changeait que le câblage métallique entre eux pendant le soi-disant processus. "Personnalisation". Le schéma ci-dessous est un dessin du brevet 3539876, qui montre la disposition des composants utilisés dans le circuit intégré d'IBM pour les tranches maîtres. Si vous comparez les transistors et les résistances, vous pouvez voir que le circuit est presque complètement le même que le cristal du presse-papier. Mais il y a aussi des différences. En particulier, le cristal a des contacts supplémentaires à gauche et à droite, et la disposition des résistances est légèrement modifiée à cause de cela. Un article de 1966 décrit l'origine du système de "master slicer". Dès 1966, ils utilisaient des ordinateurs pour concevoir des circuits à puces.
Amplificateur différentiel et logique couplée à l'émetteur
Les circuits logiques peuvent être agencés de différentes manières. Presque tous les ordinateurs utilisent aujourd'hui la famille logique CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), dont les portes sont composées de MOSFET. Cependant, le système IBM / 370 a utilisé une famille de logique à grande vitesse appelée "logique couplée à l'émetteur" (ECL), qu'IBM a alors appelée le "suiveur d'émetteur à commutation de courant" (CSEF). ECL a été inventé par IBM en 1956 pour être utilisé dans les ordinateurs à transistors à grande vitesse.
Pour la plupart, les ECL ont fonctionné rapidement car les transistors n'étaient pas complètement activés (pas complètement saturés). Grâce à cela, les transistors pouvaient très rapidement changer le chemin du courant. De plus, la différence entre les tensions 0 et 1 était faible (environ 0,8 V), de sorte que les signaux commutaient rapidement entre eux. À titre de comparaison, pour les vannes TTL, cette différence était de l'ordre de 3,2 V. Les signaux commutent généralement entre les niveaux à une vitesse d'environ 1 V par nanoseconde, donc plus la différence est grande, plus la commutation est longue. D'autre part, en raison de la faible différence entre les tensions, l'ECL était sensible aux interférences .
ECL est basé sur un amplificateur différentiel- un circuit qui amplifie la différence entre deux signaux d'entrée. Cela fonctionne comme ça (voir schéma ci-dessous). Un courant fixe traverse le circuit. Si la tension sur l'entrée gauche est supérieure à celle de droite, le transistor gauche s'allume et la majeure partie du courant passera par la branche gauche (rouge). Inversement, si la tension à l'entrée droite est supérieure à la gauche, le transistor droit s'allume et la majeure partie du courant passe par le robinet droit (bleu). Cette paire différentielle fournit une amplification car une petite différence entre les signaux d'entrée produit un grand changement de courant.
Ce circuit est utilisé dans la puce comme amplificateur, mais après une modification mineure, il forme également une porte ECL. Pour obtenir une grille, la tension dans l'une des branches est fixée, devenant une référence, à un niveau quelque part entre les valeurs "0" et "1". Si le signal entrant est supérieur à la référence, il est considéré comme "1" et inférieur à - "0". (Les puces MST utilisaient la masse comme référence de tension). Un onduleur basé sur ECL est illustré ci-dessous - si le signal d'entrée est élevé, le courant traversant la résistance gauche abaissera la tension. Pour augmenter la vitesse, la résistance inférieure est remplacée par un puits de courant (violet). Le courant de drain est contrôlé par une tension de polarisation externe.
Un tampon (vert) a été ajouté à la sortie. Le tampon est appelé un émetteur suiveur car la sortie est prise à l'émetteur du transistor et la sortie suit l'entrée.
Circuit amplificateur de lecture
J'ai procédé à une ingénierie inverse de la puce et j'ai constaté qu'elle contenait deux copies du schéma ci-dessous. Ce circuit est un amplificateur différentiel. Il a probablement été utilisé comme amplificateur de lecture pour amplifier les signaux provenant de puces mémoire et les convertir en signaux logiques.
J'ai soigneusement cherché des informations sur cette puce dans la documentation, mais je n'ai rien trouvé, j'ai donc dû étudier la puce par rétro-ingénierie. Au début, je pensais que c'était une porte logique normale. Cependant, l'amplification en deux étapes n'avait aucun sens. Un autre cas d'utilisation d'une telle puce est la conversion de signaux différentiels en signaux ECL. Cela pourrait expliquer les entrées différentielles, mais pas la bi-amplification.
Intel a également fabriqué des puces nécessitant des amplificateurs de lecture externes - Intel 1103 et Intel 2105 . Pour ce faire, Intel a sorti les puces des amplificateurs Hex Sense 3208 et 3408. L'une des raisons du besoin d'amplificateurs de détection externes est que les puces de mémoire sont fabriquées à l'aide de MOSFET et que les amplificateurs sont mieux fabriqués à partir de transistors bipolaires. Plus tard, les amplificateurs de lecture ont commencé à être fabriqués directement sur des puces.
La puce a deux entrées, négative et positive, et une sortie logique. Les amplificateurs différentiels sont au cœur de la puce. Les signaux entrants sont mis en mémoire tampon puis transmis à l'amplificateur inférieur (vert). La sortie de celui-ci va à l'amplificateur supérieur. Cette disposition en cascade d'amplificateurs augmente la sensibilité de la puce et fournit un plus grand degré d'amplification.
Dans les cadres jaunes - tampons utilisant l'émetteur suiveur décrit précédemment du commutateur actuel. Il y a un tampon pour chaque entrée et sortie. Dans le cadre violet se trouve la valve ECL. Je pense qu'il capture la valeur de l'amplificateur en renvoyant la sortie vers l'intérieur. Les transistors de drain de courant sont marqués en bleu. Ils fournissent un courant constant aux amplificateurs différentiels et aux autres parties du circuit.
Conclusion
Un article assez long s'est avéré pour un presse-papiers. Cependant, ce sujet nous donne un aperçu intéressant de la technologie IBM de 1974.
Au moins, je pense que c'est une technologie de 1974. Des considérations générales permettent de l'attribuer à la période du début des années 1970. Le module a un code "1 425C404". Je pense que le deuxième chiffre, "4", indique l'année de fabrication. Les modules IBM sont généralement marqués de trois lignes de texte, mais il n'y a pas d'informations claires sur la signification des nombres. La première ligne est l'article. Le second est censé indiquer l'emplacement de l'usine de fabrication (IBM 52 devrait signifier Eson, France). La troisième ligne est la date et la fête.
Entre autres choses, cette technologie démontre le passage d'IBM aux circuits intégrés et à la mémoire à semi-conducteurs dans les mainframes System / 370. Elle explique également une technique unique d'assemblage de circuits intégrés sur un substrat en céramique dans un boîtier métallique carré - MST. Enfin, la puce mémoire kilobit démontre les progrès incroyables qui ont été réalisés dans la technologie de la mémoire au cours des dernières décennies, conduisant à l'émergence de puces mégabits et maintenant gigabits.