两个模具在一个包装中：复古ROM的拆除双倍储存

1971年，半导体内存仍然是一个新的开发，所以芯片＆＃39; t持有很多数据。要加倍存储容量，IBM使用将两个硅模具放入1英寸方形包装中的蛮力方法。 1下面的照片显示了一个带有两个面朝下硅模具的模块，存储了4千字节的数据。在这个博客文章中，我在这个包装内看，检查模具，并解释这个ROM（只读存储器）是如何实现的。虽然我期望电路是简单的，原始MOS晶体管的离时电路以几种方式更加复杂。

该IBM集成电路包含安装在陶瓷基板上的两个硅管芯。印刷在基板上的接线将模具连接到下面的销。

下面的照片显示了显微镜下的硅模具之一。白线是芯片＆＃39; s金属层，将组件连接在一起的布线。下面的硅片出现灰色。硅的灰色出现灰色。大圆形的周边，黑眼圈是将管芯连接到陶瓷基板的焊球。（尽管其他制造商通常将微小的粘合线连接到IC上的焊盘，IBM直接焊接到衬底上倒置在＆＃34;倒装片和＃34;风格。 ）焊球提供地址线，输出数据和其他连接。在18个输出连接中，每个模具存储1024个18位的单词：9左侧，右边9个。（18位可能看起来像一个奇怪的尺寸，但它＆＃39; SA 16位字，每个字节的奇偶校验位。2）数据存储在微小晶体管的矩阵中：128宽度为144高。该矩阵被选择特定列的电路包围基于地址集的一组行，输出所需的18位。

其中一个ROM的模具。单击此图像（或任何其他）以获取更大的版本。

集成电路包装在IBM＆＃39; S特征正方形金属可以，下面。这些金属罐在IBM System / 360中具有它们的根源，在1964年推出的开创性电脑线。由于IBM Didn＆＃39; T考虑技术当时集成电路足够成熟，IBM建立了这些计算机的来自Hybrid模块，称为SLT（实心逻辑技术）。这些缩略图模块由各个晶体管，二极管和在正方形铝合金中包装的电阻组成。1968年，IBM移动到集成电路（它们称为单片系统技术或MST），但保留金属包装。这些包装与大多数制造商使用的矩形黑环氧树脂集成电路不同，给老式IBM板是一个独特的外观。

具有金属包装的集成电路，零件号5864741.包装旁边的黑色夹子握住模具，但我不知道这是运输还是在使用期间。

要进入包装，我用钢锯从包装中取出金属盖，泄漏内部。从基板上松开模具，用丁烷炬熔化焊料连接。 3下面的照片显示了底物旁边的模具。您可以看到的，在拆卸过程中，基板上的清漆在繁体中有点令人讨厌。

看着基板紧密地显示了销钉和模具之间的复杂接线。两个芯片并联连接，基板接线连接两个模具上的相应引脚。例外是每个模具的左侧的三个引脚底端;它们分别连接到两根模具，因此可以选择一个模具。 4您还可以看到焊接焊球上附着的小垫。

该基板的这种特写镜头显示了两根模具如何通过管芯下方的布线连接在一起，主要是平行的。

接下来，I＆＃39; LL解释芯片的构造，从形成其电路的晶体管开始。使用金属栅极MOS晶体管，早期类型的MOS晶体管在20世纪70年代主要被硅 - Gatetransists代替。下图显示了金属栅极NMOS晶体管的结构。底部，掺杂硅（深灰色）的两个区域以使它们导电，形成晶体管的源极和漏极。门由金属条形成在硅区域之间，通过薄的绝缘氧化物分离。（这些层 - 金属，氧化物，半导体 - 给MOS晶体管的名称。）晶体管可以被认为是源极和漏极之间的开关，由栅极。要简化行为，当门被拉动时，晶体管导通，当门为0伏时关闭时关闭。 5.

在下面的ROM的特写镜头中，您可以看到各个位。每个椭圆形＆＃34;泡泡＆＃34;是晶体管，代表1位。垂直白色条纹是金属层。微弱的水平条纹是掺杂硅。＆＃34;泡泡＆＃34;由氧化物中的薄点形成，其中金属足够接近硅以形成晶体管栅极。（在其他地方，较厚的氧化物层将金属与硅分离，使其与其无效。）这些通过光刻法产生不同的层，突出通过图案化掩模然后处理硅晶片化学物质。芯片的内容是固定的Durin制造，不能改变.Since掩模定义了ROM的内容，它被称为＆ ＃34;面具ROM＆＃34;

下图解释了ROM的结构。垂直金属线选择一列晶体管;总共有128条垂直线。椭圆形指示晶体管：每个晶体管在电源线和比特输出线之间，其栅极通过上方的主题列选择一行。读取ROM，通过拉动激活一列。它高（黄色）。这在该列中打开晶体管（红色）.AN激活的晶体管将相应的位输出线连接到电源，将其拉高。

矩阵在芯片的每一侧产生144位输出。选择所需的9位，一个名为A＆＃34; 16-1多路复用器＆＃34的电路;选择每组16的一位。要汇总，则使用进入芯片的部分地址来选择列，并且部分地址用于选择输出位。地址选择1024中的一个。存储在模具上的单词。

接下来，i＆＃39; ll解释一些逻辑电路。逆变器是最简单的逻辑门，用于芯片的几个位置。下图显示了模具上出现的基本逆变器。金属布线（白色）覆盖下面的硅。中间图示出了蓝色的导电硅，而晶体管是着色的。逆变器由两个晶体管形成：上拉晶体管和晶体管I＆＃39; LL呼叫逆变器晶体管。这些晶体管由它们的顶部的金属布线控制，该金属布线形成栅极。

逆变器的实施。左侧是模具上的逆变器（有些简化）。中间图示出了蓝色的掺杂硅，晶体管通道以绿色为单位。右侧的原理图显示了逆变器的布线。

下图显示了逆变器如何运行。当输入低（左）时，上拉晶体管提供弱电流以拉高输出。（因为晶体管长而窄，其电流较弱。）输入高（右），较低晶体管接通，将输出连接到地，导致0输出.SINCE此电路为0输入产生1个输出，反之亦然，使其充当逆变器。

逆变器的简化图。使用0输入，上拉晶体管拉动输出高。使用1输入，下晶体管将输出拉到地面。

该逆变器不会表现得非常好，因为这些早期金属栅极晶体管漏洞难以拉动输出。问题是晶体管由于晶体管的特性而产生的输出电压为4伏的栅极电压低于栅极电压。 ，如果上面的逆变器供电10伏，则输出电压仅为6伏，而不是10。

该解决方案是＆＃34; Bootstrap Load＆＃34;如下所示：将电容和第三晶体管添加到逆变器。 6电容器用作电荷泵，升压栅极上的电压并因此升压电压。电路有点棘手，但是i＆＃39; ll尝试解释它。在第一个面板中，较低的1个输入晶体管，如前所述产生0输出。然而，上晶体管将以6伏电容器向电容器充电，这在下一步中将是重要的。

接下来，假设我们将0输入到变频器（中间板）。右侧上的上拉晶体管将输出拉到6伏，如同简单的逆变器。在此＆＃39; s技巧：电容器之前被充电到6伏，因此如果我们升高电容器的下侧。 6伏特，高端现在上升至12伏（由于存储在电容器中的6伏）。在栅极上的12伏时，输出晶体管可以产生8伏输出。这种额外的2伏会使电容甚至更高，提供更多的输出电压。该反馈回路继续，直到电容器达到16伏和OutputReaches 10伏特。 （输出可以＆＃39; t获得的任何高于提供给晶体管的10伏。）因此，输出晶体管具有＆＃34;由其引导和＃34拉起，达到一个很好的10伏输出，相反而不是较简单的逆变器弱的6伏输出。

下图显示了模具上的逆变器，具有5个晶体管和电容器。该逆变器具有自举负载，以及两个输出晶体管升高电流。 7电容器由硅的大型金属区域构成：金属和硅形成电容器的两个板并保持电荷。注意到电容器的大尺寸比较了晶体管。图说明了即使是逆变器也需要很多使用1971的原始晶体管时的电路。

下一个电路I＆＃39; LL描述是地址解码器，它基于输入地址选择ROM的所需列。特殊地，使用6位地址来选择64列中的一个。解码器占据展会模具上的区域数量，中高于ROM矩阵上方的一半，下面的一半。关于解码器的一个有趣的事情是您可以看到其二进制结构，具有两行替代的晶体管，然后在组中交替的两行2，4组，等等​​。 8.

列解码电路的一部分。地线是彩色的蓝色，输出线是彩色的绿色。

上面的每个垂直绿线是一个解码器输出，对应于一个特定的地址。电路，每个解码器线都被连接为NOR门：如果任何晶体管的线路高，则晶体管接通，将该输出线（绿色）连接到地（蓝色），将其拉低。如果所有相应的地址线都很低，则晶体管将保持关闭状态，并且该列将被激活。解码器的列匹配一个地址位模式，因此每个地址选择所需的列。

馈入解码器的每个水平线（和补料）由一个地址输入驱动器驱动到每个地址输入，是下面的电路驱动这些线路，如下所示.I Won＆＃39; t详细说明，但它＆＃39; s基本上是由地址输入驱动的锁存器，输出值及其补充。

虽然您可能希望ROM的每一列存储一个单词，但结果将是一个非常高大且瘦的ROM，＆＃39; T fit fit fit ince die.instead，每列rom占据16字，制作rom a更高效的矩形。这些16个单词被比特分组：顶部位0的16个值，后跟位1的16值，依此类推。移位位具有多路复用器电路，该电路基于以下16个值。在地址的四个位。

每个多路复用器电路由16个晶体管组成，如下所示：一个行选择线被激活，打开适当的晶体管并将ROM线路连接到多路复用器输出，从而导致输出引脚。（行选择线路来自类似的解码器电路到前面描述的列地址解码器。）输出驱动电路放大ROM输出。注意焊球下方的大输出晶体管。多个垂直条纹是多个栅极，允许它为外部信号产生更多电流。

为了提高晶体管的性能，许多芯片施加了负＆＃34;偏见＆＃34;硅模具的电压＆＃39; s基板。获得这种偏置电压的直接方式是通过外部引脚，并且不方便地需要额外的电源。而不是在内部产生负偏压电压的电路。IBM ROM芯片在内部产生负偏压电压，避免XTEXTRA电源。 9.

该基板偏置发生器电路使用电荷泵从正电源电压产生负偏置电压，这是一个整洁的技巧。这个想法是＆＃34;泵＆＃34;电气充电和电容器中的电荷，类似于水泵，使基板为负。首先，电容器被带入10伏。接下来，电容器的上侧接地为0伏。由于除了电容器仍然保持10伏的电荷，电容器的下侧必须在-10伏特，产生所需的负电压。该循环以高速重复，由振荡器驱动。

电荷泵的操作。通过接地电容器的交替侧，产生负电压。

更详细地，上图显示了由脉冲信号驱动的电荷泵及其补充。在第一阶段中，两个较小的晶体管接通，将电容器充电到+10伏。在第二状态下，将大的下晶体管接通，接地左侧。该迫使电容器的右侧。到-10伏特，拉动基板负极。二极管在第一阶段期间防止电流返回到基板。

驱动电荷泵的电路如下所示。逆变器连接到一个环，形成环形振荡器。如果第一逆变器具有1个输入，则输出0，因此第二输出A 1，依此类推，直到最终的逆变器输出0.This返回到第一逆变器，将其输出翻转到1等，直到最终逆变器翻转到1个输出。该过程重复，导致振荡。脉冲发生器电路使用这些振荡。脉冲发生器电路使用这些振荡为了驱动电荷泵。它还取出来自基板的反馈信号，当基板足够负时停止电荷泵。

下图显示了基板偏置发生器在芯片上如何实现。五个逆变器在右侧，而电荷泵电路位于左侧。（这些逆变器使用前面描述的逆变器电路实现。）大电容器，电荷泵的晶体管和二极管是最明显的特征。

基板偏置电路的特写镜头。它位于模具的右下角。

芯片的一个有趣特性是没有实现一些晶体管，并且省略了一些布线连接。芯片？）

在下图中，左侧的金属线与硅接触，但右侧的金属线与硅焊丝没有接触;它只是重叠。在制造期间，在制造过程中对面具进行小变化，接触可以切换到另一个线。这是芯片，频闪和地址的右上角的两个输入的功能。（i＆＃39; m不确定为什么这是有用的。也许与两个不同的向后兼容性芯片？）

为了支持该功能交换，芯片还具有未实现的晶体管，如下所示。上层具有＆＃34;泡沫＆＃34;表示工作门。下块具有晶体管的硅和金属布局，但没有栅极该电路是惰性的。在小掩模变化之外，芯片可以用下块中的晶体管和未使用的上块制造。该点是芯片被设计成所以不同版本的芯片可以很容易地制造。

晶体管和省略晶体管。上矩形块由晶体管组成，而下矩形块没有功能。

20世纪70年代是集成电路的一个巨大变化的时间。基于MOS晶体管的芯片在能力上迅速增长，导致微处理器的兴起，半导体储存，以及其他应用。但在1971年，这些晶体管的性能仍然有限，需要不方便的解决方法，例如用于引导负载的电容器。芯片的密度也有限，导致IBM在一个包装中放入多个模具以存储足够的数据。

看着这个包装，两者都是相同的，除了存储在它们上的数据。下面的照片显示了包装中的另一个模具。黑球是某种覆盖模具并在边缘泄漏的一些清漆。我找出任何解散清漆的东西，所以我最终在显微镜下砍掉它。（这就是为什么帖子开头的清洁骰子照片有一些划痕。）

第二个ROM在包装中死亡。这张照片在从基板上移除后，模具显示在边缘周围清漆。单击全尺寸。

ROM举行什么？不幸的是，我不知道。我告诉它来自某种类型的IBM打印机，所以它＆＃39; s proberysome的接口固件。

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IBM经常将多个硅模具放入单个包装中，尤其是提高内存密度。储存单芯的容量当时的硅技术受到限制，包装多次模具，在一起是加强密度的直接途径。下面的存储器模块安装在两层陶瓷的四个硅柱面。

一个8千千米IBM内存模块，其中包含四个2千字芯片两级。这里有更多细节。

我检查了ROM中的一些数据以验证＆＃34;额外的＆＃34;位是奇偶校验。我确认每个9位块有奇数奇偶校验，奇数为1位。 ↩

我已经拆解了几种IBM模块。在大多数情况下，在大多数情况下，用热枪加热陶瓷基板足以熔化焊料并释放模具。然而，无论何种方式都有明显地覆盖着牢固的清漆，并且热枪不足以移除它们。丙烷火炬，我使用了一个奶油，提供了足够的热量，从而使芯片脱落。基材最终被黑化并在过程中开始吸烟。最少我没有吸烟。 T需要烧烤模块。 ↩

每个模具都有34个焊球，而封装有36个引脚（4行为9），所以我＆＃39; LL解释了数学如何工作。尽可能多于每个模具连接。然而，地面连接到每个芯片两次.ECE也有3个引脚，单独连接，允许模具单独寻址。本封装有30个引脚，横跨模具共用，6个引脚3到每个模具。 ↩

由于我没有关于这个芯片的信息，一切都来自逆向工程，我不得不猜测一些猜测。我想诚实地对待哪些部件是什么，所以我＆＃39; ll在这个脚注中汇总了.I don＆＃39;知道芯片是否使用NMOS或PMOS晶体管，因为它们在显微镜下看起来也是如此。这个芯片的早期日期，它＆＃39;如果它使用PMOS晶体管。如果所以，芯片的解释基本上是除电压电平反转和负电压之外也是如此。我说明了电源电压为10伏的许多电路;我不知道这些芯片使用的实际电压.LIKEWIVE，4伏阈值电压是假设。输出标签0-17是任意，因为我可以＆＃39; t告诉位于的订单。标签上

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