逻辑芯片拆除了复古IBM大型机

IBM及其大型大型计算机统治了计算机行业数十年。但是在20世纪80年代，大型机面临着从微处理器，工作站和超级挑战的巨大竞争。为了满足这一挑战，IBM将技术推动到1991年创建ES / 9000的极限。一系列强大的大型机，价格标签匹配，从70,500美元到2200万美元。ES / 9000 WANN＆＃39的处理器; TA单芯片，但金属和陶瓷包装称为热传导模块（TCM）举办了121个芯片.Eevlog的Dave Jones创建了一个TCM的流行拆除视频，显示了其复杂的构造。拆卸模块，他送了一些这些尖端芯片来分析。我检查来自ES / 9000的这些逻辑芯片中的一个内部的电路。

双极逻辑芯片的细节从ES / 9000计算机的。该模具的这种特写显示了下面的四层金属和晶体管。单击此照片（或任何其他）以获得更大的版本。

ES / 9000家庭的计算机系列由三条线组成，具有跨越两个数量级的性能：办公室的小型入门级系统，中档空气冷却系统（下图）和可以填充的高端水冷系统一个房间。ES / 9000的技术在很多方面都是如此。随着陶瓷热传导模块，IBM与陶瓷热传导模块进行了新的高速集成电路，具有最先进的晶体管。该系统级别，IBM推出了新的操作系统以及ESCON（企业系统连接），主机加密外设之间的高速光纤连接。AN可选加密功能在防篡改硬件中提供了高速加密。even电源是创新的;计算机正在运行时可以交换水冷电源。ES / 9000的创新产生了许多期刊文章和专利。 1

在本文中，专注于中档系统，称为9121处理器。 2系统（上文）在单调框架中包装大型冰箱的尺寸。 3采用7.4 kVA的电力，占地14.7平方英尺的地板空间，并称重2000磅。它可以容纳多达1千兆字节的内存，当个人计算机通常具有1到4megabytes的RAM.A典型9121系统成本为150万美元，具有两倍于当代英特尔80486计算机的性能，费用为10,000美元。这是一个苹果和橙色的比较，因为大型机给了你高速I / O通道，快速内存访问和AnAdvanced操作系统，但它显示了微处理器的戏剧性价格/性能优势。

ES / 9000最有趣的功能之一是保持集成电路的热传导模块（TCM）。高性能双极性芯片产生了大量的热量，因此IBM开发了新的冷却机制，这台计算机可以在没有水冷的情况下起作用。下面的剖视图显示了TCM，其大散热器连接。底部，一些集成电路模具与铜冷却活塞一起看见。计算机＆＃39; S主电路由五种不同的TCM组成。 4.

TCM与散热器上的图表。来自Chu / IBM博士的照片，从TCM纸张图。

TCM令人惊讶的小，5英寸（127.5mm）在一侧，但它保持了121个集成电路。组合电路具有弹簧装铜活塞，以除去热量。这些活塞将热量转移到TCM＆＃39; S金属盒中，其中热量进入散热器，然后将气流进入散热器。活塞精确加工，以最大化接触并因此最大化。该模块填充有油（下面可见），这也增加了传热。TCM的设计使其能够消散600瓦的热量想象力，在手中持有六个100瓦灯泡。

显示铜冷却活塞的tcm的特写镜头在硅模具顶部。由戴夫琼斯提供。

TCM中的集成电路不像常规集成电路那样包装，但是由硅模焊到陶瓷基板，倒装芯片样式组成。本陶瓷基材是工程的令人难以置信的壮举。＆＃39;基本上是令人难以置信的壮举。一个由陶瓷制成的印刷电路板，内部有63层接线。顶部有超过80,000个连接，集成电路，200万通孔，内部布线400米，底部2772个引脚。

TCM打开了，显示了里面的芯片。大多数芯片是本博客文章中描述的双极逻辑芯片。左侧的两个略微较小的模具可能也是逻辑芯片。16个红色矩形芯片是128千杆静态碎屑芯片。 121个职位中的六个是未使用的。芯片之间的小型红色部件是解耦电容器。来自EEVBLOG Flickr专辑，©Dave Jones，与许可一起使用。

陶瓷基板的制造方法非常复杂。接种陶瓷片，两张纸的厚度（0.2mm），具有成千上万的通孔在其上冲压。Next，以钼的形式施加布线金属浆料，形成电线仅为100μm宽。然后在加热和压力下层压63片的堆叠。用600℃烧结堆叠以分解聚合物粘合剂，然后在1560℃下进行致密化。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。用氢处理。致密化。致密化该方法，基板缩小了17％，但是数百万通孔必须保持对齐。修剪和抛光后，将两层薄膜布线放置在基板的顶部。（薄膜布线允许接线变化对模块进行错误修复。）5个最后，用一层聚酰亚胺薄膜保护模块，其中成千上万的开口用芯片的激光燃烧，＆＃39;连接。

TCM上的大部分芯片是双极逻辑芯片;这些是上一张照片中的方形黑色芯片。下面的模具照片显示了这些逻辑芯片之一，在一侧有6.5mm。该芯片具有不寻常的外观，因为它直接连接到基板，而不是将焊盘放在附着的周边围绕的周边围绕的典型方法。黑色圆圈是27×27栅格中的549焊球，将芯片连接到基板。 。这些连接，其中228的信号用于信号，而321用于电力。芯片覆盖有金属导体，将焊球连接到下面的电路。

双极逻辑芯片的模切照片，显示焊球。 （点击较大的版本。）

该芯片由称为双极晶体管的晶体管类型，比现代处理器中的MOS晶体管更旧的晶体管构成。该芯片中的晶体管使用具有复杂内部结构的尖端设计。 6IBM使用双极晶体管，因为它们当时提供更高的性能，但它们具有更高的功率和占据芯片上更多区域的弊端。（这就是芯片所需的为什么321个电源连接以及为什么ES / 9000所需的eS / 9000具有复杂冷却系统的芯片模块。）芯片包含大约85,000个晶体管，40,000个电阻器，10,000个电容器和1000个肖特基二极管。虽然这似乎是大量的，当代CMOS微处理器（例如英特尔486）包含超过一百万个晶体管，示出了MOS晶体管的高密度。 7.

如下面的特写照片所示，芯片在硅顶部有四层金属布线，芯片上大量的层。芯片顶部的金属层（称为M4）提供从焊料的功率和信号分布凸块，层M3的水平布线：水平布线：粗线，以分配芯片的电源和用于信号的细线.Layer M2为电源和信号提供垂直布线。底层（M1）实现栅极电路的局部接线，将晶体管和电阻连接在一起。最窄的金属线为1.6μm宽.Power分布使用层次结构：众多焊球进给顶部金属层中的非常宽的电源线。这些宽度水平线互连，这连接到连接到电路的更薄的垂直线路。此层次结构可确保在芯片上最小化电压降，同时提供所需的多放大器电流。

该芯片有四层金属。在下面可见硅电路，通过多层绝缘二氧化硅和顶部氮化硅略微遮挡。

芯片的架构是IBM＆＃39; s＆＃34;主切片＆＃34;从相同的单元格阵列构建芯片的方法。避免创建完全自定义芯片的费用，IBM从顶部被接线上的接线被淘汰的单元格的公共网格建立了各种逻辑芯片。在上面的照片中，您可以看到金属下方的一些这些细胞。主细胞方法具有比自定义芯片更少的缺点。结果，每个逻辑芯片中的大约一半的单元格未使用，因为I / O引脚的数量未使用芯片太小了。 12你可以看到大多数细胞在上面的照片中未使用;虽然存在晶体管和电阻器，但它们且连接到任何东西。

该芯片包含5240个单元，能够实现2620个DCS逻辑门。单元的结构如下所示。电池非常灵活：每个单元可以在ECL（发射极耦合逻辑）家庭中实现一个门，9个两个门DCS（差分电流开关）系列中的NTL（非阈值逻辑）家庭，10或半门（该芯片使用）。关键部件是晶体管，我＆＃39; ve彩色蓝色。电阻是着色的黄色。 11AT顶部是两个大电容器（红色）。电容器在该DCS电路中未使用，但可用于加速ECL栅极。

下面的图像显示了从芯片中卸下金属层后的六个芯片和＃39; S 5240单元。您可以看到布局如何与上图匹配。 （中间的细胞倒置。）

逻辑细胞的特写镜头。删除金属层以获得此图像后，我堆叠了多个照片。

逻辑芯片采用特殊技术制造，允许从一组口罩生产数百种不同类型的逻辑芯片。晶体管和硅＆＃34中的其他组件;主切片＆＃34;使用掩模和光刻构造，如在大多数集成电路中。然而，使用直接写电子束光刻来图案化金属层，而不是面罩。这是电子束转向＆＃34;写＆＃34;模具上的所需金属层图案以产生所需类型的芯片。在其他单词中，使用掩码创建芯片的基本模式，但是，然后从设计文件中制造不同的芯片类型，提供灵活性。

下面的照片在溶解金属层后显示了整个模具。此图像显示单元格的网格，以及保持360 I / O单元的三个垂直行。 13右下角的网格图案最清晰，在右上角，我拆下了骰子。（由于难以去除四层金属以及氮化硅层，我可以像干净那样我喜欢。）

去除金属后死亡。圆角来自我的机械平面化处理（我的意思是用600粒砂纸打磨）。原来的死亡不是圆形的。

该芯片采用名为DCS（差分电流开关）的罕见逻辑系列构建。 15AS姓名建议，DCS在差分信号上运行：每个输入信号由两根携带术语的两根线表示。两根电线之间的电压差表示0或1.thus，三输入逻辑门将具有六根输入线，以及两个输出线。

大多数逻辑系列为基本门实现一个NAND或NOR门。然而，基本DCS门是选择操作：它输出由S输入选择的输入A或输入B.在其他单词中，选择实现功能然后是别人B，或在布尔逻辑，SA + S＆＃39; B.选择操作令人惊讶地灵活;通过适当的输入，它可以实现和XOR，甚至是锁存器。 14.

在下面的概念级别显示一个选择门.Three Toggle开关由S，A和B输入控制。这些开关将一个输出拉到地，而另一个输出将通过电阻拉高。启动底部，S开关将将接地电流指向＆＃34; A＆＃34;侧面或＆＃34; b＆＃34;侧面。随着所指示的位置中的开关，输出将被拉到地，而补充输出保持高。但如果输入A设置为1，则输出电平反向，输出拉高，假设输入S设置为0，因此电流被引导到B端。在这种情况下，输出由Switch B控制。您可以验证输出是否匹配，如果s是0，则匹配b。换句话说，电路在输入A和B之间选择，这取决于该电路产生差分输出的值：输出及其补充。

概念上，DCS门由拨动开关组成，将一个输出高，另一个低电平。

接下来，I＆＃39; LL描述电流开关如何用一对晶体管实现。底部，电流槽产生固定电流，可以切换到电路的左侧或右侧。思想是，具有较高输入电压的晶体管将引导电流到该侧，拉动输出低电平，电路类似于拨动开关。电路的重要特征是它提供了高度的放大功能：a电压的轻微差异足够的ToSwitch大多数电流到一侧。（该电路与OP-AMP中使用的差分放大器基本相同。）因此，仅200毫伏的电压摆动足以区分a逻辑0和1，降低功耗。该电路的其他重要特征是它通过输入电压之间的差异激活，因此它对电噪声相对敏感。在其他单词中，影响两个输入的电压波动生病抵消，而不是导致错误的0或1。

1输入通过左侧的晶体管切换电流。 0输入将电流通过右侧的晶体管切换。

下面的示意图显示了DCS门的实现。使用如上所述的晶体管对，三个绿色框是电流开关。黄色框是缓冲电路，称为发射极粉丝。两个发射器追随者缓冲输出，而在选择输入上使用两个更多。最后，蓝盒是电流槽电路，提供由电路切换的固定电流。

下图显示了此电路在Action.starting在底部，S输入将电流切换到左侧。然后输入输入电流将电流切换到右侧。该电流将补充输出量拉低，而上拉电阻会使输出高.NOTE在A上的0输入将电流切换到另一侧，从而切换输出。由于电流绕过电路的B侧，B输入没有效果。然而，S输入低，也会将电流切换到B侧，使B输入控制输出。本电路实现选择操作。

在本节中，I＆＃39; ll查看芯片上的选择门如何实现。下面的图表放大在模具的一角，然后在一个逻辑门上再次缩放，底部的矩形。你可以看出，每个逻辑门在芯片上非常小。因为该门位于模具的边缘，它在其边缘较少，所以它更容易看到。如此，顶部的接线层部分模糊不清.A DCS门是由四个半电池创建的;我突出了我将讨论的那个＆＃39;

从模具开始，放大一个角落，然后放大一个单元格逻辑门。

模具上的组件可以与下图匹配。如前所述，晶体管是彩色的蓝色，电阻为黄色，以及未使用的电容器红色。

下面，我指示了先前突出显示的半个单元中的一些组件。底部金属层上的接线为特定功能定制该单元。在这条布线上，您可以看到发射器（E）晶体管T-5和T-6连接，与晶体管T-7和T-8的发射器一样。晶体管T-6和T-8的收集器（C）连接到输出晶体管T的基部-12.晶体管T-7的集电极连接到电阻器R3。上金属层中的布线是阴暗的，较小。沿侧面的垂直布线为电路提供电力。其他微弱的垂直线连接到晶体管T-7和T-8的基座。

在模具上出现的半电池，标有组件。 ＆＃34; B＆＃34;是晶体管基座，＆＃34; E＆＃34;发射器，和＆＃34; C＆＃34;集电极。

通过密切研究模具，我追溯了门的电路，发现它是一个选择门。下面的示意图来自该专利;我修改了它以匹配我追踪的门。当IBM使用它的晶体管使用自己的符号作为i＆＃39;在底部指示。＆＃39; ve以上面的照片标记了晶体管和电阻。电路有六个晶体管进行测试，在蓝色框中。 16AS您可以看到，一个DCS门需要大量组件：17个晶体管和18个电阻。这是双极逻辑芯片密度如此低的一个原因。

DCS逻辑门的示意图，如芯片上所实现的。 VCC和VEE分别是收集器和发射器的电源。 vx控制当前的宿。 VT是发射器粉丝的下拉电压，但是我不确定VT代表什么。原始原理图是AND门;我修改它以显示一个选择门。

这示出了一个逻辑门的电路。通过组合多个门来构建一个逻辑门的电路。全电脑包含数十万个这些门，实现处理器及其控制电路。

该双极逻辑芯片说明了ES / 9000大型机的先进技术。 17IBM将技术的极限推动到从集成电路建设到陶瓷模块到冷却系统的一切。然而，所有这些努力，ES / 9000的销售都是强大的，并且无法减慢微型计算机的进展。公告，IBM安装了大约3600个，主要是低端模型。 18IN比较，每年销售约2000万台个人电脑，大约10,000倍的体积乘积为21.6％的计算机行业收入和下降，不到个人计算机收入的一半（占业界的44.5％）。1997年，IBM＆ ＃39; S双极处理器到达Roadas IBM的末尾完全移动到CMOS处理器。

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如果你＆＃39;对TCM感兴趣，你肯定应该观看Dave Jones＆＃39;下面的拆除视频，也是迄今试图用热空气和加热板去除芯片的视频，终于成功。谢谢戴夫送我筹码，让我让我用他的照片。

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