IBM纸镇拆解：逆向工程1970年代存储芯片

我最近收到了1970年代初的老式IBM镇纸，其中展示了一些内存芯片。 1IBM在1960年代后期开始使用集成电路时，将芯片封装在称为Monolithic Systems Technology（MST）的方形金属模块中。纸镇说明了将MST模块切割成硅片并安装在硅片上时制造MST模块的步骤。方形陶瓷基板，并包裹在缩略图尺寸的金属包装中。

镇纸包含一个硅晶片，四个管芯和一个处于组装不同阶段的MST模块。镇纸随年龄而变黄。单击此图像或其他任何图像，以获得更大的照片。

由于管芯封装在透明的Lucite中，因此可以仔细检查其电路并更好地理解它们。下图是硅片边缘和纸镇内部的四个管芯的特写镜头。两个较大的管芯与晶圆上的裸片相同。两个较小的裸片相同，但其中一个明显受损。 2在此博客文章中，我使用显微镜拍摄了详细的裸照照片，并对较小的芯片进行了反向工程。我的结论是，较大的芯片是1千位静态RAM芯片，而较小的芯片是内存检测放大器。

这些芯片可能用在IBM流行的System / 370大型计算机系列中。1964年，IBM推出了极为成功的System / 360大型计算机系列。该产品系列在1970年随着System / 370的发布而实现了现代化，它是由集成电路（不同于System / 360）构造的，并从磁芯存储器转移到了半导体存储器。镇纸说明了这两个变化：集成电路和半导体存储器。

为了理解System / 370计算机的规模，下面的呈现显示了System / 370 Model145。Model145是＆＃34; medium-scale＆＃34;。机器位于System / 370系列的中间。 3 145型是IBM的第一台使用半导体主存储器的计算机，按照现代标准，该计算机非常大，下面是蓝色的机柜，一个机柜容纳CPU，另一个机柜容纳256 KB的存储芯片。 Model 145的重量超过一吨，成本为5至1000万美元（以当前美元计），大约与IBM PC一样快（ 1981）。

System / 370 145型模型的渲染。计算机是墙壁上的大蓝色机柜。背面的白色单元是磁盘存储，而读卡器在前台。图片由Oliver.obi提供，CC BY-SA 3.0。

在早期的System / 360中，IBM并未使用集成电路，而是使用了称为SLT的混合模块。在System / 370中，IBM转向了集成电路，他们称之为＆＃34; monolithics＆＃34 ;.公司将集成电路封装在矩形塑料或陶瓷封装中，IBM保留了用于Monolithic Systems Technology的SLT半英寸方形金属封装，称为MST。 4MST是对早期混合SLT的重大改进，可靠性提高了约10倍，密度提高了4到8倍。按照现代标准，这些MST集成电路非常简单，每个模块32个晶体管实现约6个门，因此成千上万个集成电路需要安装计算机。

通过自动生产技术大量生产了MST模块。纸镇中的组件顺序（如下图）说明了步骤：左侧将圆形硅晶片切成单个管芯;右侧的方形陶瓷基板上有16个用于插针的孔。施加到基板上以将集成电路连接到模块的引脚。 5在第三步中，将16个引脚焊接到基板上。接下来，将硅芯片和陶瓷基板结合在一起，将硅芯片倒置安装在陶瓷基板的中心。注意硅芯片有多小，与封装尺寸相比，该模块是回流焊接的，其硅芯片上的触点直接焊接到基板上。 6最后，该模块用金属封装，生产出半英寸的正方形模块。这些模块使IBM集成电路具有独特的外观，与其他制造商使用的塑料或陶瓷DIP集成电路不同。

MST模块紧密包装在电路卡上，例如下面的存储卡。方形模块与四平面印刷电路板的结合提供了比当时其他制造商的电路板更高的密度，后者通常使用DIP集成电路和2层PCB。

镇纸中的硅晶圆直径为2英寸（此尺寸于1969年推出），此后晶圆尺寸一直在稳定增长，而现代芯片制造则采用更大的300毫米（12＃）晶圆完成。 7晶圆包含177个管芯；使用显微镜，我在其中之一的下方创建了芯片照片。奇怪的是，晶圆仅部分制造；看起来好像只构造了九个掩模层之一。由于这张照片是从晶圆上拍摄的，因此可以看到管芯之间的测试电路和对准图案。

在晶片上冲模其中一个存储芯片的照片。它只是部分制造。零件号＆＃34; DLM1＆＃34;在上面可见。

镇纸还包含完整的单个管芯，因此我在下面创建了管芯照片。在芯片的中间可以看到规则的存储单元网格，边缘处有支撑电路。通过研究管芯和计数单元，我认为这是一个1千比特的静态RAM芯片，注意管芯边缘的焊球，这可以将芯片直接焊接到陶瓷基板上。用25个焊球，该芯片可能安装在5倍MST封装中5格针脚。

当将模具封装在Lucite中时，很难拍摄显微镜照片，因此我无法在高放大倍数下看到电路。结果，我无法对该芯片进行详细的反向工程。 8I能够测量晶粒上的特征尺寸约为6μm，该工艺于1971年左右推出。

镇纸中较小的模具与较大的组件相比要简单得多。我在下面拍了照片，发现它包含32个NPN晶体管和电阻器。该芯片是部分模拟的，并且还使用一种称为ECL的逻辑。我相信该芯片是一个差分放大器，是一个读出放大器，可以从内存中读取信号这就解释了为什么将这两种芯片在纸镇中包装在一起。

模具双极集成电路的照片。左侧和右侧近似为镜像，具有相同电路的两个副本。

在上面的芯片照片中，芯片的硅是灰色的，硅的一部分被砷，硼或磷掺杂以创建具有不同半导体特性的区域，硅中的黑线是不同掺杂水平之间的边界。区域是硅顶部的金属布线，将各种组件连接在一起。大的黑圈是用来将管芯连接到MST基板的焊球。

下图是芯片的详细信息，显示了两种类型的电阻器和一个晶体管，上面的上部电阻器由一条高阻N型硅线制成，两端都连接有金属触点，形成65Ω电阻器下部电阻器具有六个触点，根据金属线的连接位置提供多个电阻值。它使用P型硅作为电阻元件，提供数百欧姆的电阻。（电阻，但我会忽略它。）

该晶体管是双极NPN晶体管，但其结构比典型NPN晶体管复杂一点。从物理上讲，它们具有两个基极和两个集电极连接在一起以减小电流密度，因此您将看到到每个晶体管的五个金属连接下图显示了晶体管的横截面结构，横截面顶部的五个金属连接对应于上方晶体管的五个连接，集电极，基极和发射极连接到NPN层，形成了NPN晶体管。 9P +环可在晶体管周围提供隔离。

通过识别裸片上的组件并布线，可以对电路进行反向工程。但是，如果仔细观察裸片，您会发现许多组件没有连接。原因是IBM使用了一种称为“母片”的技术生产各种集成电路而无需定制每个集成电路。 10这个想法是使用带有多个晶体管和电阻器的通用硅芯片。通过修改金属层（相对便宜），可以将元件连接到所需的电路中，这也是电阻具有多个抽头的原因，因此可以将其连接以获得所需的不同值。

逻辑电路可以通过多种方式构建。当今几乎所有计算机都使用称为CMOS（互补金属氧化物半导体）的逻辑系列，利用MOS晶体管构建门。但是，IBM System / 370使用了高性能11个逻辑家族称为发射极耦合逻辑（ECL），IBM将其称为电流开关发射极跟随器（CSEF）。 12ECL于1956年在IBM发明，用于IBM的高性能晶体管计算机。

ECL基于差分对电路，该电路可放大两个输入之间的差异（该电路也是运算放大器的基础）。差分对（以下）的思想是固定电流流经电路。如果左输入的电压高于右输入的电压，则左晶体管将导通，并且大部分电流将流经左分支（红色）;相反，如果右输入的电压高于左输入的电压，则右晶体管将导通导通，大多数电流将流经右分支（蓝色）。差分对提供放大，因为输入中的微小差异会产生较大的电流偏移。

上面的电路用作芯片中的放大器，但经过一些修改后它也形成了ECL栅极。对于一个栅极，进入一个分支的电压固定为参考电压，介于＆＃34; 0＆＃34之间;级别和＆＃34; 1＆＃34;因此，如果输入高于参考电压，则将其视为＆＃34; 1＆＃34 ;,而将其视为＆＃34; 0＆＃34;。（MST芯片将接地用作参考4）下面的ECL电路是一个反相器，因为如果输入为高电平，则流过左电阻的电流会将输出拉低。为提高性能，底部电阻已由电流吸收器电路（紫色）代替。通过电流吸收器的电流由外部偏置电压（V CS）设置。

缓冲区（绿色）已添加到上面的输出中。缓冲电路称为发射极跟随器，因为输出是从晶体管的发射极获取的，并且输出跟随输入，因此这就是IBM在该逻辑系列中使用电流开关发射极跟随器的名称的原因。

我对该芯片的电路进行了反向工程，发现它包含下面电路的两个副本。该电路是差分放大器，可能用作读出放大器，以放大存储芯片的输出并将其转换为逻辑信号。 13

该芯片有两个输入，一个负输入和一个正输入，并产生一个逻辑电平输出。电路有点复杂，但我会尽力解释其亮点，而差分放大器（前面已经讨论过）是输入信号经过缓冲后进入较低的放大器（绿色框）。该放大器的输出进入上级放大器，以这种方式级联两个放大器级使芯片非常灵敏，提供了很大程度的放大。

黄色框是缓冲区，使用前面介绍的发射极跟随器电路。每个输入使用一个缓冲区，输出使用一个缓冲区。紫色框是一个ECL门。我相信它是通过反馈输出来锁存放大器的值的。电流吸收晶体管被染成蓝色以区分它们，它们为差分放大器和其他电路提供恒定电流。

好吧，这是对纸镇的大量分析。但是，此纸镇为1974年的IBM技术提供了一个有趣的窗口。特别是，它说明了IBM向System /的集成电路和半导体存储器的过渡370台大型机。它还解释了IBM独特的集成电路构造技术，将它们封装在方形金属罐中的陶瓷晶片上，这种技术被称为MST。最后，镇纸的1千位内存芯片显示了在过去的几十年中，内存技术取得了惊人的进步，使我们有了兆位芯片，现在有了数千兆位的芯片。

感谢@magnetic_tape给我发送了镇纸。感谢Mark Smotherman提供有关MST的信息。我在Twitter上发布了我的最新博客文章，所以请关注我@kenshirriff。我也有RSS feed。如果您对旧的IBM技术感兴趣，请参阅我最近在IBM Technology Box上发表的关于1948年至1986年的文章。

文字＆＃34; Essones＆＃34;镇纸上的数字表示IBM在巴黎郊区Corbeil-Essones的半导体工厂。IBM于1964年开设了该工厂，当时是欧洲最大的半导体工厂。 ↩

奇怪的是，镇纸中的一个模具损坏了并且缺了一个角。请注意，它不是简单地折断的，因为金属层和硅掺杂物不会掉到边缘。从晶圆的边缘开始，所以晶圆没有完全暴露出来。由于晶圆不完整且芯片被截断，因此很明显他们在纸镇中使用了垃圾部件。

一段时间以来，IBM为System / 370型号使用了一种合理的编号系统，计算机功能随着型号的增加而增加，型号范围从低端的115型到高端的195型。除了在1970年代后期为系统分配了看似随机的数字外，例如3031、4361、3090和9370.尽管数量最多，但9370还是一台低端计算机，请参阅IBM 360和Early 370 Systems有关System / 370的详细历史记录。 ↩

IBM针对不同产品提供了多个版本的MST逻辑；某些版本使用不同的电压.MST-1使用接地作为较高电压，-4伏作为较低电压，以及-1.32伏作为ECL参考电压（因为ECL电路对较高电压的波动更敏感，所以ECL系列通常将那个电平分配给地，使较低的电压为负。）MST-2移动电平，使参考电平为地。高电压为+ 1.25V，低电压为-3V。

我找不到其他MST变体的太多信息，但作为参考，我将总结一下我发现的内容。MST-2用于145/155型S / 370型号，而MST-4用于由Texas Instruments开发的高性能版本，用于S / 360 85型。S / 370 168型使用MST-1，MST-2，MST-4和MST-A。System/ 3使用MST-10。 IBM 3889 OCR机器，3350磁盘存储和3704通信控制器使用MST-1和MST-E.IBM 3031使用MST-1，MST-2，MST-4，MST-4E，MST-E和MST-一个。其他版本包括MST-195和MST-255。 ↩

MST陶瓷基板提供了两个电路刻度之间的接口：引脚间距为0.125英寸的印刷电路板刻度和焊球间距为0.01英寸的集成电路刻度。MST陶瓷基板上的图案具有一些有趣的细微之处；每个电源引脚连接到三个焊球，从而允许更多的电流流入IC.V-的走线穿过芯片，在一侧和另一侧提供两个连接.V +的走线延伸到IC的中间以提供其他电源连接。

该图显示了如何将芯片安装在陶瓷基板上。 （芯片映像已被镜像以说明它是颠倒安装的。）

由于某种原因，MST使用两种不同的引脚编号方案。通过将13-16旋入中间，扩展了12针SLT编号。但是最常见的MST引脚名称是A01至D04。

IBM称芯片安装技术为“可控塌陷芯片连接”。或C-4。它使用受控体积的焊料与模块进行电气和机械接触。焊接过程中，通过表面张力将芯片拉到与模块指状件对齐的位置，类似于今天焊接表面贴装器件的方式。有关更多详细信息，请参阅IBM System / 370 145和155型逻辑电路技术设计。

下面的照片是我可以获得的最佳存储单元分辨率。我相信这是六个存储单元。我在一个盒子周围放了一个盒子。两行电路连接成蓝色，这可能是两个交叉耦合的反相器，这是静态RAM单元的标准电路。

MST芯片中的晶体管具有单个基极和集电极，但具有两个基极和集电极连接以降低电流密度。来自IBM System / 370 145和155模型的逻辑电路技术设计的图像。

主切片方法使用具有晶体管和电阻器的固定硅布局，但更改了金属互连以创建不同的芯片，此过程称为“个性化”。下图来自专利3539876，该图显示了用于IBM主片集成电路的硅布局，如果将电阻器和晶体管搭配使用，该图几乎与镇纸中的芯片相同。虽然。特别是，裸片在左侧和右侧有一个额外的引脚，只需稍稍改变电阻即可容纳它们。 ``单片电路芯片的设计''（1966年）描述了主切片方法的起源。即使在1966年，它们也使用计算机辅助设计进行集成电路设计。

ECL栅极在很大程度上得益于其速度优势，因为晶体管并未完全导通（即饱和），这使得晶体管可以快速切换电流路径。此外，＆＃34; 0＆＃34;电压和＆＃34; 1＆＃34;电压很小（约0.8伏），因此信号可以在这两个电压之间快速切换。相比之下，TTL门通常在＆＃34; 0＆＃34;之间的电压差约为3.2伏。和＆＃34; 1＆＃34 ;，需要更多的时间进行切换。（信号通常以每纳秒1伏的速度切换，因此较大的电压摆幅会导致纳秒级的延迟。）另一方面，较小的电压摆幅ECL使电路对电噪声更加敏感。 ↩

有关ECL逻辑以及IBM如何使用它的更多详细信息，请参阅IBM System / 370 145和155型的逻辑电路技术设计。

我不确定该芯片的作用。我进行了广泛的搜索，但找不到任何文档.IBM的MST模块在MST-2模块数据（1974）中进行了详细描述。不便的是，芯片的零件号（2551667）该文档没有出现（尽管描述了诸如2551665等附近的零件号），因此，我必须研究电路以确定其功能，起初我希望它是标准的逻辑门。但是，这两个放大级没有意义，也没有互补输入;另一种可能性是它将差分信号（例如来自差分电流开关逻辑系列的信号）转换为ECL信号。那将解释差分输入，但不能解释放大的两个阶段。

我认为该芯片最有可能充当存储芯片的读出放大器，放大存储芯片的输出并将其转换为逻辑电平。《 370型号45硬件手册》（第3-9页）描述了与其存储器一起使用的检测锁存器模块，因此在System / 370中使用了外部检测放大器。

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