一顆來自40年前的透明芯片究竟暗藏了哪些奧秘

文章來源：EETOP

原文作者：righto

一顆來自40年前的透明芯片究竟暗藏了哪些奧秘呢？

通過拆開老式計(jì)算機(jī)中損壞的接口芯片時(shí)發(fā)現(xiàn)一顆透明的芯片。雖然看上去十分魔幻，但該芯片并不是該公司的一些未來光子超級(jí)計(jì)算芯片，而是一顆來自1977年的老式芯片。

調(diào)查得出的結(jié)論是，該芯片不是硅基板，而是形成在藍(lán)寶石基底上，頂部有硅和金屬布線。因此，芯片是透明的，正如您可以從下圖中通過芯片看到的金色“X”看到的那樣。

它的功能比您想象的要平凡得多：它是軟盤控制器上的支持組件。

它位于接口總線 (HP-IB) 和Z80 處理器之間的一個(gè)不起眼的軟盤驅(qū)動(dòng)器控制器 PCB 中。

藍(lán)寶石襯底硅芯片

藍(lán)寶石硅芯片（Silicon-on-sapphire,SOS）可能聽起來有些未來主義，這種方式制造的 IC 自 1963 年或更早以來就已存在。藍(lán)寶石硅 IC 的一個(gè)著名示例是研究木星及其衛(wèi)星的伽利略太空探測(cè)器上使用的 RCA 1802 處理器。

大多數(shù)集成電路形成在硅晶片上。另一方面，藍(lán)寶石基底的硅芯片則從藍(lán)寶石襯底開始。在藍(lán)寶石基板上構(gòu)建一層薄薄的硅以形成電路。硅是N型的，并且在需要時(shí)通過離子注入將其轉(zhuǎn)化為P型。在頂部創(chuàng)建金屬布線層，形成布線以及金屬柵極晶體管。下圖顯示了電路的橫截面。

HP Journal的橫截面，1977 年 4 月

藍(lán)寶石襯底硅芯片的重要一點(diǎn)是硅區(qū)域彼此分離。由于藍(lán)寶石基板是絕緣體，因此與常規(guī)集成電路不同，晶體管是完全隔離的。這減少了晶體管之間的電容，從而提高了性能。絕緣還可以防止雜散電流，防止閂鎖和輻射。

PHI芯片內(nèi)部

PHI 芯片使用了一種不尋常的封裝。該芯片安裝在陶瓷基板上，并由陶瓷蓋保護(hù)。該封裝有 48 個(gè)壓入插座的金手指。芯片通過兩個(gè)金屬?gòu)椈蓨A固定在插座中。

PHI芯片的封裝

拆開芯片很簡(jiǎn)單，但比預(yù)期的更戲劇化。芯片的蓋子上貼有粘合劑，可以通過加熱軟化。熱空氣不夠，所以使用了電熱板。拆解過程中，使用一把X-Acto 刀戳它來測(cè)試粘合劑，導(dǎo)致蓋子突然飛離，發(fā)出一聲響亮的“砰”的一聲，刀片飛到空中。很高興戴著安全眼鏡。

打開芯片后，創(chuàng)建了下面的高分辨率芯片照片。金屬層清晰可見，呈白色線條，而硅呈灰色，藍(lán)寶石呈紫色。在芯片邊緣周圍，鍵合線將芯片的 48 個(gè)外部連接連接到芯片。在中心偏左上方，一個(gè)大的規(guī)則矩形電路塊提供 160 位存儲(chǔ)：這是兩個(gè) 8 字 FIFO 緩沖區(qū)，在接口總線和連接的微處理器之間傳遞 10 位字。邊緣周圍的厚金屬跡線為芯片提供+12伏、+5伏和接地電壓。

PHI 芯片的裸片顯微照片

邏輯門

由于藍(lán)寶石硅實(shí)現(xiàn)以及金屬柵極晶體管的使用，該芯片上的電路具有不尋常的外觀，但基本上電路是標(biāo)準(zhǔn) CMOS。下圖顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)反相器和 NAND 門的塊。藍(lán)寶石基板呈深紫色。最重要的是，粗灰色線是硅。頂部的白色金屬連接晶體管。當(dāng)金屬穿過硅時(shí)（用字母表示），也可以形成晶體管的柵極。不方便的是，接觸硅的金屬、跨越硅的金屬以及形成晶體管的金屬在該芯片中都顯得非常相似。這使得確定接線更加困難。

該圖顯示了芯片上的反相器和 NAND 門。

下面的示意圖顯示了門的實(shí)現(xiàn)方式，與上面的照片相匹配。頂部和底部的金屬線分別提供電源軌和接地軌。反相器由NMOS晶體管A和PMOS晶體管B組成；輸出進(jìn)入晶體管 D 和 F。NAND 門由 NMOS 晶體管 E 和 F 以及 PMOS 晶體管 C 和 D 組成。NAND 門的組件在金屬方塊處連接，然后輸出通過硅離開在右側(cè)。請(qǐng)注意，只有當(dāng)一個(gè)信號(hào)位于硅層中且一個(gè)信號(hào)位于金屬層中時(shí)，信號(hào)才能交叉。由于只有兩層布線，PHI 芯片中的信號(hào)必須經(jīng)常蜿蜒以避免交叉，浪費(fèi)了大量空間。（這種布線比 20 世紀(jì) 70 年代也具有多晶硅層的典型芯片受到更多限制，總共提供了三個(gè)布線層。）

該示意圖顯示了反相器和 NAND 門的實(shí)現(xiàn)方式

FIFO

PHI 芯片有兩個(gè)先進(jìn)先出緩沖器 (FIFO)，占芯片的很大一部分。每個(gè) FIFO 保存 8 個(gè)字，每字 10 位，其中一個(gè) FIFO 保存從總線讀取的數(shù)據(jù)，另一個(gè) FIFO 保存向總線寫入的數(shù)據(jù)。這些緩沖器有助于使總線速度與微處理器速度相匹配，確保數(shù)據(jù)傳輸盡可能快。

FIFO 的每一位基本上都是一個(gè)靜態(tài) RAM 單元，如下圖所示。反相器 A 和 B 形成一個(gè)環(huán)路，用于保持一個(gè)比特。通過晶體管 C 提供反饋，使反相器環(huán)路保持穩(wěn)定。要寫入一個(gè)字，需要通過垂直位輸入線輸入 10 位。水平字寫入信號(hào)被激活，以選擇要更新的字。這將禁用晶體管 C 并開啟晶體管 D，使新比特流入反相器環(huán)路。要讀取一個(gè)字，水平字讀取線會(huì)被激活，并打開傳遞晶體管 F。這樣，單元中的位就會(huì)流入垂直位輸出線，并由反相器 E 緩沖。兩個(gè)FIFO具有單獨(dú)的行，因此可以獨(dú)立讀取和寫入。

FIFO 的一個(gè)單元

下圖顯示了裸片上出現(xiàn)的 9 個(gè) FIFO 單元。紅色框表示一個(gè)單元，其組件已標(biāo)記為與原理圖相匹配。單元在垂直和水平方向上鏡像以增加布局密度。

裸片上的九個(gè) FIFO 單元

FIFO 左側(cè)和右側(cè)的控制邏輯（未示出）管理 FIFO。該邏輯生成適當(dāng)?shù)淖x取和寫入信號(hào)，以便將數(shù)據(jù)寫入 FIFO 的一端并從另一端讀取。

地址譯碼器

另一個(gè)有趣的電路是根據(jù)地址線選擇特定寄存器的譯碼器。PHI 芯片有八個(gè)寄存器，由三個(gè)地址線選擇。譯碼器獲取地址線并生成 16 條控制線（或多或少），一根用于從每個(gè)寄存器讀取，一根用于寫入每個(gè)寄存器。

地址譯碼器的照片

譯碼器具有規(guī)則的矩陣結(jié)構(gòu)，可有效實(shí)現(xiàn)。行線是成對(duì)的，每個(gè)地址位輸入及其補(bǔ)碼都有一行。每一列對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出，晶體管的排列使得當(dāng)給定適當(dāng)?shù)妮斎霑r(shí)該列將被激活。頂部和底部是逆變器。它們鎖存?zhèn)魅氲牡刂肺?、生成補(bǔ)碼并緩沖輸出。

解碼器示意圖

上圖顯示了譯碼器的工作原理。（我將其簡(jiǎn)化為兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出。）在頂部，地址線穿過由兩個(gè)反相器和一個(gè)傳輸晶體管組成的鎖存器。地址線及其補(bǔ)碼構(gòu)成兩條行線；其他行線類似。每列的一條行線上有一個(gè)晶體管，另一條行線上有一個(gè)二極管，用于選擇該列的地址。例如，假設(shè)0為 1，n為 0。這與第一列匹配，因?yàn)榫w管線為低電平，二極管線為高電平。該列中的 PMOS 晶體管將全部導(dǎo)通，從而將反相器的輸入拉高。然而，如果任何輸入“錯(cuò)誤”，相應(yīng)的晶體管將關(guān)閉，從而阻斷 +12 伏電壓。此外，輸出將通過相應(yīng)的二極管拉低。因此，只有當(dāng)所有輸入匹配時(shí)，每列才會(huì)被拉高，否則將被拉低。每列輸出控制芯片的一個(gè)寄存器，允許訪問該寄存器。

HP-IB總線和PHI芯片

接口總線 (HP-IB) 于 20 世紀(jì) 70 年代初設(shè)計(jì)，作為一種低成本總線，用于連接各種設(shè)備，包括儀器系統(tǒng)（例如數(shù)字電壓表或頻率計(jì)數(shù)器）、存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)。該總線于 1975 年成為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，稱為IEEE-488 總線。2 總線是 8 位并行，設(shè)備之間通過握手，因此慢速設(shè)備可以控制速度。

1977年，開發(fā)了一款芯片，稱為PHI（Processorto HP-IB Interface），用于實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議并提供微處理器接口。該芯片不僅簡(jiǎn)化了總線控制器的構(gòu)造，而且確保設(shè)備一致地執(zhí)行協(xié)議。下面的框圖顯示了 PHI 芯片的組件。它不是一個(gè)特別復(fù)雜的芯片，但也不是微不足道的。我估計(jì)它有幾千個(gè)晶體管。

框圖來自HP Journal，1989 年 7 月

下面的芯片照片顯示了 PHI 芯片的一些功能塊。微處理器連接到頂部引腳，而接口總線連接到下部引腳。

PHI 芯片帶有一些標(biāo)記的功能塊

結(jié)論

PHI 芯片作為“未來技術(shù)”的一個(gè)例子很有趣，但并沒有完全成功。在藍(lán)寶石硅芯片上投入了大量精力，期望這將成為一項(xiàng)重要的技術(shù)：密集、快速和低功耗。然而，事實(shí)證明，普通硅芯片是獲勝的技術(shù)，而藍(lán)寶石硅芯片則被降級(jí)到利基市場(chǎng)。

PHI 芯片的時(shí)期也很有趣，因?yàn)榻涌诳偩€正在從簡(jiǎn)單的總線過渡到具有復(fù)雜協(xié)議的高性能總線。早期的總線可以用簡(jiǎn)單的集成電路來實(shí)現(xiàn)，但隨著協(xié)議變得更加復(fù)雜，定制接口芯片變得必要。（MOS 6522 多功能接口適配器芯片（1977 年）是另一個(gè)例子，在 20 世紀(jì) 80 年代的許多家用計(jì)算機(jī)中使用。）但這些接口仍然足夠簡(jiǎn)單，接口芯片不需要微控制器，而是使用簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)。

審核編輯：湯梓紅