IBMの文鎮を分解する：1970年代のリバースエンジニアリングメモリチップ

私は最近、複数のメモリチップが埋め込まれた1970年代のビンテージIBM文鎮に出くわしました。 Essonesの碑文は、パリ郊外のCorbeil-EssonneにあるIBM半導体工場を指しています。 IBMは1964年に開設し、その後ヨーロッパ最大の半導体工場となりました。



IBMが1960年代後半に集積回路の使用を開始したとき、チップはモノリシックシステムテクノロジー（MST）と呼ばれる正方形の金属モジュールにパッケージ化されていました。文鎮は、MSTモジュールの製造におけるいくつかのステップを示します。シリコンウェーハは結晶に切断され、正方形のセラミックサポートに取り付けられ、サムネイルサイズの金属ケースに包まれます。





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クリスタルはプレキシガラスで囲まれているので、それらのスキームを詳細に研究し、作業方法をよりよく理解することができます。下の写真は、シリコン基板の端と文鎮で囲まれた4つの結晶の拡大画像を示しています。 2つの大きな結晶はベースの結晶と同じです。 2つの小さなものは同じですが、1つは破損しています。



なぜ結晶の1つに角度が欠けているのだろうか。しかし、それは単に欠けているだけではありません-金属層とシリコンは端に到達していません。おそらく、この結晶は基板の端にあり、製造サイクルを最後まで通過しませんでした。その結果、同社はそのような文鎮を作るために拒絶を使用しました。





破損したクリスタル



この記事では、顕微鏡で結晶を撮影し、小さなチップをリバースエンジニアリングしました。大きなチップは1Kビットのスタティックメモリチップであり、小さなチップはメモリ読み取りアンプであると結論付けました。

IBMシステム/ 370

これらのチップは、人気のあるSystem / 370メインフレームラインで使用される可能性があります。 1964年、IBMはSystem / 360ファミリーのメインフレームを発表し、非常に人気がありました。 1970年に、（System / 360ではなく）集積回路から組み立てられ、磁気コアメモリから半導体メモリに移行したSystem / 370の発表で再設計されました 。文鎮には、集積回路と半導体メモリの両方の主要な変更が含まれています。



System / 370コンピューターの規模を理解するために、ここにSystem / 370 Model145コンピューターのレンダリングを示します。Model145はSystem / 370ラインの「中型」マシンでした。



しばらくの間、IBMはSystem / 370回線に論理ナンバリングシステムを使用していました。番号が増えるにつれて、電力も増えました。モデルの範囲は、最も弱いモデル115から最も強力なモデル195までの範囲でした。しかし、1970年代後半に、この番号付けシステムは 崩壊し、モデルは一見乱数と呼ばれるようになりました-3031、4361、3090、および9370。同時に、モデル9370は最も強力ではありませんでした。



モデル145は、半導体メインメモリを搭載したIBMの最初のコンピュータでした。このコンピューターは、現代の基準では非常に大型でした。下の画像では、すべての青いキャビネットを占めています。1つのキャビネットにはプロセッサがあり、別のキャビネットには256kBのメモリチップがあります。当時はマイクロプロセッサがなかったので、そのプロセッサは集積回路が配置されている多くのプリント回路基板から組み立てられています。モデル145の重量は1トンを超え、価格は500万ドルから1000万ドル（今日の価格）で、1981年のIBMPCとほぼ同じ速度でした。





コンピューターレンダリングシステム/ 370モデル145。コンピューター-青いキャビネット内。背面の白いキャビネットはディスクドライブです。手前にはカードリーダーがあります。

MSTモジュール

初期のSystem / 360では、IBMは集積回路（IC）の代わりにSLTハイブリッドモジュールを使用していました。 System / 370については、同社はICに切り替え、「モノリシック」と呼んでいました。ほとんどの企業はICを正方形のプラスチックまたはセラミックのケースに梱包しましたが、IBMは長方形のケースをSLTから除外し、MST（モノリシックシステムテクノロジー）と呼んでいました。



IBMには、製品ごとに異なるMSTロジックオプションがありました。異なるバージョンは異なる電圧を使用しました。 MST-1は、高電圧しきい値としてグランド、低電圧として-4 V、ESL電圧リファレンスとして-1.32を使用しました。 ..。 ECLは高電圧の変動に敏感であるため、このファミリのチップは多くの場合、上限電圧としてグランドを使用し、下限電圧は負でした。 MST-2の場合、基準電圧がグランドに等しくなるようにレベルがシフトされ、上の方が+ 1.25 V、下の方が-3 Vになりまし



た。MSTテクノロジーは、ハイブリッドSLTと比較して大きな進歩でした。信頼性は10倍、密度は4〜8倍でした。現代の用語では、MSTISは非常に単純でした。 1つのモジュールに32個のトランジスタが約6個の論理ゲートを実装したため、コンピュータ全体を実装するには数千個のICが必要でした。



MSTモジュールは、製造技術を自動化することにより大量に製造されました。文鎮で囲まれた一連のコンポーネントは、製造ステップを示しています。左側は、個々の結晶にカットされた丸いシリコン基板です。右側は、16個のピン穴のある正方形のセラミックベースです。次に、プリント回路がベースに適用され、ICが接点に接続されます。



セラミックMSTベースは、2つの回路スケール間のインターフェイスを提供します。ピン間の間隔が0.125インチのPCBと、ボール間の間隔が0.01インチのICです。セラミックベースの回路には興味深い機能があります。各電源ピンは3つのボールに接続されているため、ICにより多くの電流を供給することができます。 Vトラックはチップを横切り、両側で接続する2つのピンを提供します。 V +トラックはチップの中心まで走り、電源用の追加のピンを提供します。







何らかの理由で、MSTは2つの異なるピン番号付けスキームを使用します。 SLTでは、連絡先は中央に向かってらせん状に番号が付けられていました。ただし、MSTでは、A01からD04までの番号付けがより一般的です。



3番目のステップでは、16個の接点がベースにはんだ付けされます。次に、シリコン結晶とセラミックベースを組み合わせます。クリスタルはセラミックベースの中央に逆さまに配置されています。クリスタルがケースよりどれだけ小さいか見てみましょう。モジュールは、投与されたはんだを溶かしてはんだ付けされ、シリコン結晶の接点はベースに直接はんだ付けされます。



IBMは、このテクノロジーを「制御された折りたたみチップ接続」またはC-4と呼んでいます 。モジュール内の接点を作るために、制御された量のはんだが使用されました。はんだ付けプロセス中に、チップは表面張力によってモジュールの指に引っ張られました-今日の表面実装と同じように。



最後に、モジュールを金属ケースに挿入し、一辺が0.5インチの正方形のチップを得ました。これらのモジュールは、他のメーカーが使用しているセラミックまたはプラスチックのDIPとは異なる独特の外観を持っていました。





MST生産の段階MST



モジュールはボード上にしっかりと配置されました。たとえば、下のメモリカードの写真を参照してください。4層ボードと組み合わせた正方形モジュールは、DIPと2層PCBを使用して当時の他のPCBメーカーよりも大幅に高い密度を生み出しました。





IBMのメモリーカード

基板とメモリチップ

文鎮の中には直径50mmのシリコンウエハーがあります。このサイズは1969年に導入されました。それ以来、寸法は着実に増加し、現代の製造では直径300mmの基板が使用されてい ます。基板上には177個の結晶があります。そのうちの1つを顕微鏡で写真に撮りました（以下を参照）。興味深いことに、この基板は完全には完成していません。明らかに、9つのうち1つのレベルしか適用されていません。写真は、テストの概要と結晶間の配向パターンを示しています。





写真はDLM1の記事を示しています



文鎮には既製のクリスタルも含まれており、その写真を以下に示します。メモリーセルの格子がチップの中央に見え、補助的な輪郭が端に沿って配置されています。水晶を調べてセルを数えた後、それはキロビットのスタティックRAMであると判断しました。結晶のエッジに沿ってボールリードが見えるため、チップをセラミックベースに直接はんだ付けできます。それぞれ25個あり、チップは5×5ピンのMSTケースに取り付けられている可能性があります。





メモリチップ



プレキシガラスで囲まれたモジュールを顕微鏡で撮影するのは難しいため、高倍率ではチップの回路が見えず、リバースエンジニアリングを行うことができませんでした。私はその部品の特徴的なサイズを測定することができました-6ミクロン。このような技術的プロセスは1971年に登場しました。



下の写真は私が得ることができる最高の解像度です。これらは6つのメモリーセルだと思います-私は1つを組み立てました。これらは2つのクロスリンクインバーター、標準のスタティックRAMセル回路だと思います。

メモリ読み出しアンプチップ

文鎮の小さなチップははるかに単純であり、そのコンポーネントははるかに大きいです。以下は私が撮った写真です。その上に32個のNPNトランジスタと抵抗が見つかりました。チップは部分的にアナログであり、ECLを使用し ます。これは別のタイプのアンプだと思います。メモリチップからの信号の読み出しアンプです。これは、文鎮に囲まれているのがこれら2つのチップである理由を説明しています。







写真では、シリコンは灰色です。シリコンの一部が ドープされていますヒ素、ホウ素、またはリンを使用して、さまざまな半導体特性を持つ領域を取得します。黒い線は、さまざまなレベルの不純物間の境界です。黄色がかった-さまざまなコンポーネントを接続する、シリコン上の金属導体。大きな黒い円は、ダイをMST基板に接続するボールリードです。



以下は、2種類の抵抗と1つのトランジスタを示すチップの一部の図です。上部の抵抗器は、両側に金属接点を備えた高抵抗のN型シリコン部品で構成されています。それは65オームの抵抗器になります。下部の抵抗には6つのピンがあり、抵抗値はワイヤが接続されている場所によって異なります。 P型シリコンを使用し、数百オームの抵抗を実現しています。







トランジスタ- ただし、バイポーラNPNの構造は、一般的なNPNトランジスタよりも複雑です。物理的には、2つのベースと2つのコレクターがあり、電流密度を下げるために相互に接続されています。したがって、各トランジスタには5つの金属接点があります。下の図は、トランジスタの構造の断面図を示しています。上の5つの金属ピンは、上の写真のトランジスタの5つのピンに対応しています。コレクター、ベース、エミッターはNPN層に接続されています。 P +リングは円形の絶縁を提供します。







トランジスタのより詳細な構造と寸法：







水晶部品を認識し、配線接続を理解することで、回路をリバースエンジニアリングできます。ただし、水晶を注意深く調べると、多くのコンポーネントが接続されていないことがわかります。これは、IBMがマスター・スライス・テクノロジーを使用して、それぞれを個別に開発することなく、多くの異なるICを作成したためです。同社は、多くのトランジスタと抵抗を備えた一般的なシリコン結晶を使用するというアイデアを思いつきました。金属層に比較的安価な変更を加えることにより、既存のコンポーネントを適切な方法で接続することができました。したがって、抵抗器には接続用の接点がいくつかあります。異なる抵抗値が得られるように接続できます。



「マスターカット」アプローチでは、トランジスタと抵抗の固定配置を使用し、いわゆるプロセス中にそれらの間の金属配線のみを変更しました。「パーソナライズ」。以下の図は、特許3​​539876の図であり、IBMのマスタースライス用のICで使用されているコンポーネントのレイアウトを示しています。トランジスタと抵抗を比較すると、回路が文鎮の水晶とほぼ完全に同じであることがわかります。しかし、違いもあります。特に、水晶は左右に追加の接点があり、これにより抵抗の配置がわずかに変更されます。1966年の論文 は、「マスタースライサー」システムがどこから来たのかを説明しています。1966年には、彼らはコンピューターを使用してチップ回路を設計していました。

差動増幅器とエミッタ結合論理

論理回路はさまざまな方法で配置できます。今日のほとんどすべてのコンピューターは、ゲートがMOSFETで構成されているCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ロジックファミリーを使用しています。ただし、IBM System / 370は、「エミッタ結合論理」（ECL）と呼ばれる高速ロジックファミリを使用し、IBMはこれを「電流スイッチエミッタフォロワ」（CSEF）と呼びました。 ECLは、高速トランジスタコンピュータで使用するために1956年にIBMによって発明されました。



ほとんどの場合、トランジスタが完全にオンになっていない（完全に飽和していない）ため、ECLは迅速に機能しました。これのおかげで、トランジスタは非常に迅速に電流の経路を切り替えることができました。また、0と1の電圧の差が小さかったため（約0.8 V）、信号がすばやく切り替わりました。比較のために、TTLバルブの場合、この差は3.2 Vのオーダーでした。信号は通常、ナノ秒あたり約1 Vの速度でレベルを切り替えます。したがって、差が大きいほど、切り替えが長くなります。一方、電圧間の差が小さいため、ECLは干渉を 受けやすかった。



ECLは差動アンプに基づいてい ます--2つの入力信号の差を増幅する回路。これはこのように機能します（下の図を参照）。回路には固定電流が流れます。左側の入力の電圧が右側の電圧よりも大きい場合、左側のトランジスタがオンになり、電流の大部分が左側の分岐（赤）を流れます。逆に、右入力の電圧が左よりも大きい場合、右トランジスタがオンになり、電流の大部分は右タップ（青）を流れます。入力信号間のわずかな差が電流に大きな変化をもたらすため、この差動ペアは増幅を提供します。







この回路はチップ内で増幅器として使用されますが、わずかな変更を加えるとECLゲートも形成されます。ゲートを取得するために、ブランチの1つの電圧が固定され、値「0」と「1」の間のどこかのレベルでリファレンスになります。着信信号が基準よりも大きい場合は「1」と見なされ、「0」より下になります。 （MSTチップは電圧リファレンスとしてグランドを使用しました）。 ECLベースのインバーターを以下に示します。入力信号が高い場合、左側の抵抗を流れる電流によって電圧が低下します。速度を上げるために、下側の抵抗を電流シンク（紫）に置き換えます。ドレイン電流は外部バイアス電圧によって制御されます。







バッファ（緑）が出力に追加されました。出力はトランジスタのエミッタから取得され、出力は入力に従うため、バッファはエミッタフォロワと呼ばれます。

読み出しアンプ回路

チップをリバースエンジニアリングしたところ、以下の回路図のコピーが2つ含まれていることがわかりました。この回路は差動アンプです。これはおそらく、メモリチップからの信号を増幅して論理信号に変換するための読み出し増幅器として使用されていました。



ドキュメントでこのチップに関する情報を注意深く探しましたが、何も見つからなかったため、リバースエンジニアリングでチップを調査する必要がありました。最初は普通の論理ゲートだと思いました。ただし、2段階の増幅は意味がありませんでした。このようなチップのもう1つの使用例は、差動信号をECL信号に変換することです。これは差動入力を説明するかもしれませんが、二増幅は説明しません。



Intelは、外部読み出しアンプを必要とするチップも製造しました -Intel1103および Intel2105。これを行うために、Intelは3208および3408 Hex SenseAmplifiersチップをリリースしました。外部センスアンプが必要な理由の1つは、メモリチップがMOSFETを使用して作られていることと、アンプがバイポーラトランジスタから作られていることです。その後、読み出しアンプはチップ上で直接作られるようになりました。



チップには、負と正の2つの入力と、論理出力があります。差動アンプはチップの心臓部です。着信信号はバッファリングされてから、下側のアンプ（緑）に渡されます。それからの出力は上のアンプに行きます。増幅器のこのカスケード配置は、チップの感度を高め、より高度な増幅を提供します。







黄色のフレーム-電流スイッチの前述のエミッタフォロワを使用したバッファ。入力と出力ごとにバッファがあります。紫色のフレームにはECLバルブがあります。出力を内側に戻すことでアンプの価値を捉えていると思います。電流ドレイントランジスタは青色でマークされています。それらは、差動増幅器および回路の他の部分に定電流を提供します。

結論

かなり長い記事が文鎮になりました。ただし、この主題により、1974年からのIBMテクノロジーを興味深い形で垣間見ることができます。



少なくとも1974年の技術だと思います。一般的な考慮事項により、1970年代初頭の期間に起因すると考えられます。モジュールのコードは「1425C404」です。 2番目の数字「4」は製造年を示していると思います。 IBMモジュールは通常、3行のテキストでマークされていますが、数字の意味に関する明確な情報はありません。最初の行は記事です。 2つ目 は、製造施設の場所を示していると考えられています（IBM 52はフランスのEsonを表す必要があります）。 3行目は日付とパーティーです。



とりわけ、このテクノロジーは、IBMがSystem / 370メインフレームのICおよび半導体メモリーに移行したことを示しています。彼女はまた、正方形の金属パッケージ内のセラミック基板上にICを組み立てるためのユニークな技術であるMSTについても説明しています。最後に、キロビットメモリチップは、過去数十年にわたってメモリ技術で行われた驚くべき進歩を示しており、メガビットチップと現在のギガビットチップの出現につながっています。