Inside Intel's first product: the 3101 RAM chip held just 64 bits

英特尔的第一个产品不是一个处理器,而是一个内存芯片:3101 1 RAM芯片,于1969年4月发布。这款芯片只有64位数据(相当于8个字母或16位数字),价格便宜99.50美元。 2芯片的容量太小,无法取代核心存储器,这是当时处于微型磁化铁氧体磁芯中的主要存储技术。然而,由于其特殊的肖特基晶体管 ,3101以高速执行,使其在CPU寄存器需要快速存储的小型计算机中非常有用。核心内存的推翻将需要不同的技术MOS DRAM芯片,而3101在1980年代仍然使用。 3

本文介绍了3101芯片,并解释了它的工作原理。我从Evan Wasserman收到了两枚3101芯片,并用显微镜拍摄了微型硅片的照片。 4在模具外部,十六条黑色接合线将芯片上的焊盘连接到芯片的外部引脚。芯片本身由硅电路组成,该电路通过顶部的金属层连接,在照片中显示为金色。通过芯片中间的粗金属线为芯片供电。硅电路具有灰紫色,但它主要被金属层覆盖。大多数芯片包含重复的模式:这是存储单元的16x4阵列。在芯片的左上角,金属中的数字“3101”标识芯片,但不会找到“Intel”。

Die photo of the Intel 3101 64-bit RAM chip. Click for a larger image.

英特尔3101 64位RAM芯片的照片。点击查看大图。

芯片概述

3101芯片通过16个外部引脚进行控制。要选择一个芯片的16个字的存储器,二进制的地址通过四个地址引脚(A0到A3)馈入芯片。通过在数据输入引脚(D1至D4)上提供4位值来写入存储器。四个数据输出引脚( O1O4 )用于读取存储器;这些引脚如反斜杠所示。该芯片有两个控制输入。芯片选择引脚( CS )使能或禁止芯片。写使能引脚( WE )在读或写存储器之间进行选择。该芯片通过Vcc和接地引脚上的5伏电源供电。

下图显示了3101的关键部件如何布置在管芯上。 RAM存储单元被布置为16行4位。每行存储一个字,其中D1和D2位于左侧,D3和D4位于右侧。基于来自顶部的地址驱动器的地址信号,中间的地址解码逻辑选择存储器的哪一行是活动的。在底部,读/写驱动程序提供存储单元和数据输入和输出引脚之间的接口。

Block diagram of the 3101 RAM chip.

3101 RAM芯片框图。

晶体管

晶体管是芯片的关键部件。 3101使用NPN双极晶体管,不同于现代存储芯片中使用的MOS晶体管。下图显示了3101中出现的晶体管之一。硅中略微不同的色调表示已经被掺杂以形成具有不同半导体性质的N型和P型硅的区域。截面图说明了晶体管的内部结构。顶部(黑色)是集电极(C),发射极(E)和基极(B)的金属触点。在下面,硅被掺杂以形成组成晶体管的N和P区。

3101的一个关键创新是使用肖特基晶体管( 细节 ),这使得3101几乎是其他内存芯片的两倍。 5在横截面中,请注意,基座的金属触点触及P和N区域。您可能会认为这两个区域一起短路,而是形成肖特基二极管,金属与N层接触。 6

The structure of an NPN Schottky transistor inside the Intel 3101 chip.

英特尔3101芯片内部的NPN肖特基晶体管的结构。

3101还使用了许多多发射极晶体管。尽管多发射极晶体管可能看起来很奇怪,但它们在双极集成电路中尤其是TTL逻辑芯片。多发射极晶体管简单地具有嵌入在基极区域中的几个发射极区域。下面的模具照片显示了这些晶体管中的一个,集电极在左侧,其次是基极和两个发射极。

A multiple-emitter transistor from the Intel 3101 chip.

来自Intel 3101芯片的多发射极晶体管。

驱动数据输出引脚需要更大的大电流晶体管。下图显示了这些晶体管之一。中心矩形是基部,被中间的C形发射器和外部的大型收集器包围。这些高电流晶体管中的八个也用于驱动内部地址选择线。

For the high-current output, the Intel 3101 chip uses larger transistors.

对于大电流输出,Intel 3101芯片使用更大的晶体管。

二极管

在检查3101芯片的同时,芯片上大量的二极管令我感到惊讶。最终我发现芯片对于大多数逻辑而不是我期望的TTL(晶体管 - 晶体管逻辑)来使用DTL( 二极管晶体管逻辑 )。下图显示了芯片上的二极管之一。我相信芯片使用将NPN晶体管连接成二极管的标准技术构建二极管。

Presumed structure of a diode inside the 3101 chip. I believe this is a regular diode, not a Schottky diode.

3101芯片内部的二极管的结构。我相信这是一个普通的二极管,而不是一个肖特基二极管。

电阻器

下面的模具照片显示了3101模具上的几个电阻。 p型硅的长而窄的蛇形区域提供电阻。集成电路中的电阻器非常大,但在3101中被大量地用于上拉和下拉电阻。右边是一个方形电阻,因为它非常宽,电阻很低。 7用于在金属层下方传送信号,而不是使用电阻本身。

Resistors inside the 3101 chip.

3101芯片内的电阻器。

静态RAM单元

现在我已经解释了芯片的各个组件,我将解释电路如何连接在一起进行存储。下图显示了电路图重叠的一位存储单元。每个单元由两个多发射极晶体管(以红色表示)和两个电阻(在顶部)组成。水平和垂直布线将单元连接在一起。该电路形成静态RAM单元,基本上是可以处于两种状态之一的锁存器,存储一个数据位。

The circuitry of one storage cell of the 3101 RAM chip. The two multiple-emitter transistors are outlined in red.

3101 RAM芯片的一个存储单元的电路。两个多重发射极晶体管呈红色。

在解释这个存储单元如何工作之前,我将在下面解释一个更简单的锁存电路。该电路具有两个晶体管交叉连接,因此如果一个晶体管导通,则会迫使另一个晶体管断开。在图中,左侧的晶体管导通,保持正确的晶体管关闭,从而保持左侧的晶体管导通。因此,电路将保持在这种稳定的配置。相反的状态 - 左侧晶体管关闭,右侧晶体管导通 - 也是稳定的。因此,闩锁具有两个稳定的构造,允许其保持0或1。

A simple latch circuit. The transistor on the left is on, forcing the transistor on the right off, forcing the transistor on the left off...

一个简单的锁存电路。左侧的晶体管导通,迫使晶体管在右侧关闭,迫使晶体管在左侧关闭...

为了使该电路可用,因此可以读取或修改该位,使用具有两个发射极的更复杂的晶体管。一个发射器用于选择要读取或写入的单元,而另一个发射器用于读取或写入数据。这产生了下面的原理图,其与上述存储单元模具照片图匹配。

The RAM cell used in the Intel 3101 is based on multiple-emitter transistors. The row select lines are raised to read/write the row of cells. Each data line accesses a column of cells.

Intel 3101中使用的RAM单元基于多发射极晶体管。行选择行被提升以读取/写入单元格行。每个数据行访问一列单元格。

将多个存储单元组合成网格以形成存储器存储器。一个单词内存由共享选择行的同一行中的单元组成。列中的所有单元格存储相同的位位置;他们的数据线被绑在一起。 (偏置线为存储器中的所有单元提供电压电平8

注意,与简化单元不同,上述电路没有明确的接地连接;要供电,它需要在选择或数据/偏置线路上输入低电平。有三个感兴趣的案例:

  • 未选择:如果负行选择线为低电平,则电流通过行选择行流出。数据和偏置线不受该单元的影响。
  • 读取:如果负行选择线高于数据和偏置线,如果左侧晶体管导通,则电流将流出数据线,如果右侧晶体管导通,则电流将流出偏置线。因此,可以通过检查数据线上的电流来读取单元的状态。
  • 写:如果负行选择线较高,并且数据和偏置线具有显着不同的电压,则下侧的晶体管将导通,迫使电池进入特定状态。这允许将0或1写入单元格。

因此,通过仔细地操纵选择线,数据线和偏置线上的电压,可以读取或写入一行存储器,而其他单元保持其当前值而不影响数据线。存储单元和相关联的读/写电路基本上是模拟电路而不是数字的,因为选择,数据和偏置电压必须是仔细控制的电压而不是逻辑电平。

地址解码逻辑

地址解码电路确定地址线选择哪一行存储单元。 11这个电路的有趣的事情是,你可以很容易地看到它是如何工作只是看着模具照片。地址驱动器电路通过芯片将八个金属迹线上的四个地址信号及其互补信号发送到八个金属迹线上。每个存储行都有一个四射极晶体管。在每行中,您可以看到四个黑点,即发射器和地址线之间的连接。如果所有发射极输入都为高电平,将选择一行。 9地址线上的点(例如A0)将“匹配”1,而补码地址线(例如A0 )上的点将匹配0,因此每行匹配唯一的四位地址。在下面的模具照片中,您可以看到解码逻辑以二进制排列第15行下降到11; 10 ,电路的其余部分遵循相同的模式。

The address decode logic in the Intel 3101 RAM chip. Each row decodes matches four address lines to decode one of the 16 address combinations. You can see the value counting down in binary.

Intel 3101 RAM芯片中的地址解码逻辑。每行解码匹配四个地址行以解码16个地址组合中的一个。你可以看到以二进制计数的值。

一些使用3101的系统

3101的64位存储容量对于系统的主存储来说太小了,但芯片在许多小型计算机中起着重要的作用。例如,Burroughs D机器是一台军用电脑(和我检查的芯片的来源)。它使用核心存储器作为其主存储,但是一个充满3101芯片的电路板为其微码提供了高速存储。 Xerox Alto使用四个3101芯片为CPU提供16个高速寄存器,而主存储器使用较慢的DRAM芯片。 Interdata在其16位和32位微型计算机中使用了3101芯片,直到20世纪80年代。 12

3101也用于较小的系统。 Diablo 8233终端将其用作RAM。 数据点 2200是一个“可编程终端”,其处理器堆栈采用快速3101芯片,而不是由英特尔1405移位寄存器构建的主缓存

The CPU of the Datapoint 2200 computer was built from a board full of TTL chips. The four white chips in the lower center-right are Intel 3101 RAM chips holding the stack. Photo courtesy of Austin Roche (I think).

Datapoint 2200计算机的CPU由一个充满TTL芯片的电路板构成。右下方的四颗白色芯片是支持堆叠的Intel 3101 RAM芯片。照片由Austin Roche提供(我想)。

我如何创建模具照片

为了得到照片,我开始用两个芯片,我感谢Evan Wasserman和John Culver。芯片上的针脚在邮件中被压碎,但这并不影响照片。这些筹码有两个不同的批号,表明它们分开制造了几个月。奇怪的是,芯片上的金属盖尺寸不同,模具略有不同。有关更多信息,请参阅3101CPU Shack写入

Two 3101 RAM chips. The chip on the right was manufactured slightly later and has a larger lid over the die.

两个3101 RAM芯片。右边的芯片稍后制造,在模具上有一个更大的盖子。

将金属盖子从芯片上弹出很容易 - 只需用锤子和凿子敲击。这揭示了里面的死亡。

With the lid removed, you can see the die of the 3101 RAM chip and the bond wires connected to the die.

拆下盖子后,可以看到3101 RAM芯片的芯片和连接到芯片的接合线。

使用冶金显微镜和Hugin缝合软件( 细节 ),我将多个显微镜照片拼接在一起,以创建一个模具的图像。金属层清晰可见,但它掩盖了下面的硅,使得难以确定芯片的电路。下图显示了模具的特写,显示“3101”部件号。

The die photo of the Intel 3101 shows mostly the metal layer.

英特尔3101的芯片主要显示了金属层。

我用酸14去除金属层。这消除了大部分金属,揭示了下面的硅电路。一些金属仍然可见,但更薄,看起来是透明的绿色。奇怪的是,3101号成为101;显然,第一位数字并不像其他数字那样被氧化物保护。

Treatment with acid dissolved most of the metal layer of the 3101 chip, revealing the silicon circuits underneath.

用酸溶解大部分金属层的3101芯片,露出硅片下面的电路。

下面是金属层部分剥离的芯片的完整裸片照片。 (点击查看更大的版本。)这款裸片最适合分析芯片。去除了足够的金属以清楚地显示硅电路,但剩余的金属痕迹显示出大部分的布线。在该蚀刻循环中,N +硅区似乎变暗。

Die photo of the Intel 3101 64-bit RAM chip with metal layer partially stripped off.

英特尔3101 64位RAM芯片的裸片与金属层部分剥离。

我想看看芯片如何看待金属完全去除,所以我做了第二个蚀刻周期。不幸的是,这让死亡看起来像被毁灭了。

After dissolving most of the oxide layer, the die looks like a mess. (This is a different region from the other photos.)

大部分氧化层溶解后,模具看起来像一团糟。 (这是与其他照片不同的区域。)

我执行了第三个蚀刻周期。事实证明,以前的蚀刻没有破坏裸片,而只是留下了一层薄薄的氧化物,造成了彩色的干扰带。最终的蚀刻去除剩余的氧化物,留下一个漂亮干净的模具。只有“101”号的鬼魂是可见的。蚀刻后残留金属层与硅之间的接触;它们可能是不溶解的不同类型的金属。

The metal and oxide have been completely removed from the 3101 die, showing the silicon layer.

金属和氧化物已经完全从3101裸片去除,显示出硅层。

以下是所有金属剥离的全裸照片。 (点击它的全尺寸图像。)

Die photo of the Intel 3101 64-bit RAM chip with metal layer stripped off.

英特尔3101 64位RAM芯片的裸片照片剥离了金属层。

结论

3101 RAM芯片说明了摩尔定律驱动的集成电路的惊人改进。 15虽然3101原来的成本为99.99美元,64位,您现在可以购买16吉字节的RAM,这个价格是20亿倍的存储空间。如果您从20亿3101芯片构建了16 GB的内存,那么这些芯片的重量就会达到3000吨左右,并且使用了超过十亿瓦特 ,即胡佛水坝的一半。相比之下,现代的16GB DRAM模块仅使用约5瓦特。

对于英特尔来说,3101内存很快就跟随许多其他内存产品,容量快速增长,使得英特尔主要是一家也生产处理器的内存公司。然而,面对来自日本内存制造商的强劲竞争,英特尔将重点放在微处理器上,并于1985 放弃了DRAM业务。16到1992年,x86处理器线的成功​​使得英特尔成为芯片制造商中最大的芯片厂商。尽管英特尔现在被视为一家处理器公司,但是这是谦逊的3101内存芯片,使英特尔成为其开始。

感谢Evan Wasserman和John Culver给我的筹码。约翰也写了3101芯片,您可以在CPU Shack上阅读。

注释和参考


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