Dieser Chip eröffnet das Apple-Reich.

Als ein dicklicher Geek einen bestimmten Chip in eine bestimmte Computerplatine steckte und sie einschaltete, stockte das Universum plötzlich einen Moment lang. Dieser Geek war Steve Wozniak, dieser Computer war der Apple I, und der Chip war der 8-Bit-Mikroprozessor 6502, entwickelt von MOS Technology.

Dieser Chip und seine Varianten wurden später das Herzstück bahnbrechender Computer wie des Apple II, des Commodore PET, des Commodore 64 und des BBC Micro, ganz zu schweigen von Spielsystemen wie der Nintendo Entertainment System und der Atari 2600 (auch bekannt als Atari VCS).

Einer der Schöpfer des Chips, Chuck Peddle, erinnerte sich an die Präsentation des 6502 auf einer Fachmesse im Jahr 1975. „Wir hatten zwei Gläser voller Chips“, sagte er, „ich ließ meine Frau dort sitzen und verkaufen.“ (2016 gestand Peddle, dass er damals nur genug Prozessoren hatte, um die Oberfläche der Gläser zu füllen – der Rest bestand größtenteils aus nicht funktionierenden Chips.) Ein Strom von Menschen strömte herbei. Der Grund: Der 6502 war nicht nur schneller als seine Konkurrenten, sondern auch viel billiger, mit einem Preis von 25 US-Dollar, während der Intel 8080 und der Motorola 6800 beide in der Nähe von 200 US-Dollar lagen.

Bill Mensch, der zusammen mit Peddle den 6502 entwickelte, sagte, dass der Schlüssel zur Kostensenkung in einem vereinfachten Befehlssatz und einem Fertigungsverfahren lag, das eine „Ausbeute von zehn Mal höher als die der Konkurrenten“ hatte. Der 6502 trieb fast alleine die Preise für Prozessoren nach unten und somit die Revolution der persönlichen Computer voran.

In diesem Jahr feiert der Chip seinen 50. Geburtstag. Lassen Sie uns einen Blick auf seine glanzvolle Vergangenheit werfen.

Ein revolutionärer Chip

Der 6502 wurde erstmals im September 1975 an Kunden ausgeliefert. Er war einer der wenigen ikonischen Mikroprozessoren der späten 1970er und frühen 1980er Jahre. Um zu verstehen, wie groß der Einfluss dieses Chips war, braucht man nur zu sehen, wie oft er in den damaligen Millionen von 8-Bit-Systemen vorkam:

• Apple II
• Atari 400 und Atari 800
• Atari VCS (6507)
• BBC Micro
• Commodore PET und VIC-20
• Commodore 64 (6510)
• Commodore 128 (8502)
• Nintendo Entertainment System (Ricoh 2A03)

Die endgültige Verbreitung von PCs auf Basis des 6502 war das Endergebnis eines langen Prozesses, der begann, als Motorola bei den Preisen für seinen 6800-Prozessor unnachgiebig war und Chuck Peddle und Bill Mensch mit Motorola enttäuscht waren.

Im März 1974 veröffentlichte Motorola den 6800, aber es dauerte bis November 1974, bis er in die Produktion ging. Zuerst wurden die Chips in kleinen Chargen zu einem Preis von 360 US-Dollar pro Prozessor verkauft. Anfang 1974 hielt Chuck Peddle Marketing-Seminare für große Kunden – er spürte eine Chance und versuchte, Motorola zu überzeugen, eine kostengünstige Version für den industriellen Steuerungsmarkt zu entwickeln, aber sie waren nicht interessiert.

Im August hatte Peddle einen Plan entwickelt, Motorola zu verlassen und in die Vereinigten Staaten zu reisen, um sich bei MOS Technology einzuschalten, einem kleinen Hersteller von integrierten Schaltungen in der Nähe von Valley Forge, Pennsylvania. Mensch war einer der Designer des 6502, der mit Peddle zu MOS wechselte. Er sagte: „Das Unternehmen war damals sehr klein. Die drei Gründer, Mort Jaffe, John Paivinen und Don McLaughlin, hatten ein kleines Team aus hochqualifizierten Designer von Taschenrechnerchips und -systemen, eine schnell arbeitende Maskenfabrik und ein produktives Team aus Großchip-Herstellern von TI zusammengebracht.

So wechselte man von Motorola (mit relativ unbegrenztem Design- und Fertigungsbudget) zu einem Designteam mit knappen Mitteln und sehr begrenzten Tools zur Simulation von Logik und Transistoren. Wir mussten die Logik manuell/im Kopf simulieren/überprüfen und mit sehr begrenzter Schaltungssimulation arbeiten. Mit anderen Worten, das Budget war wirklich gering. Die Datenblätter und alle Dokumentation wurden vom Designteam erstellt.“ Peddle überzeugte Mensch und sechs weitere Motorola-Ingenieure – Harry Bawcom, Ray Hirt, Terry Holdt, Michael Janes, Wil Mathys und Rod Orgill –, ihm und einigen anderen MOS-Ingenieuren beizutreten, um die Chips zu designen und herzustellen, die später die MCS 6501/6502-Chipfamilie werden sollten.

Foto von der Ankündigung des 6502 im August 1975 (von links nach rechts: Chuck Peddle, Rod Orgill, Terry Holdt, Ray Hirt und dahinter sitzend Wil Mathys)

Mensch sagte: „Bei MOS bildeten John Paivinen, Walt Eisenhower, der Leiter der Maskenfabrik Don Payne und der Maskendesigner Sydney Anne Holt das Design- und Fertigungsteam, das das NMOS-Verfahren mit verarmten Lasten mit hoher Ausbeute entwickelte. Das Endergebnis waren die MCS 6501/6502-, 6530/6532-Speicher-, ROM-Timer- und IO-Kombinationen sowie die 6520/6522-PIA/VIA-Mikroprozessorreihen.“

Anfangen mit der Umwälzung der Fertigung

Der Herstellungsprozess von Halbleitern ähnelt etwas dem Drucken von Zeitungen. Etwas, aber nicht ganz. Vielleicht ähnelt er eher dem Herstellungsprozess von Leiterplatten. Wie auch immer, Zeitungen, Leiterplatten und Halbleiter haben folgende Gemeinsamkeiten:

• Die Produktion erfordert eine große, komplexe Fertigungsfabrik mit vielen Schritten;
• Die Lithografie kann verwendet werden, um mehrere Kopien der Originalvorlage herzustellen;
• Das Hauptteil muss Inhalt und Layout für einen definierten Bereich erstellen;

Der Unterschied ist nur, dass sich die Halbleiterindustrie seit Jahrzehnten ständig ausdehnt, ohne Anzeichen eines Abschwungs, während die Zeitungsbranche im Zeitalter des Internets ständig kämpft.

Die Halbleiterfertigung findet in einer Fabrik oder einem „Waferfab“ statt. Das unverkapselte Rohprodukt wird als Chip (im Plural „dice“ oder „dies“ oder auch „die“) bezeichnet, während die Originalvorlage als Photomaskensatz oder Maskensatz bezeichnet wird. Ingenieure packen eine Menge winziger Formen auf die Photomasken im Maskensatz; jede Photomaske definiert einen unabhängigen Schritt in der Lithografie, um die verschiedenen Merkmale der einzelnen Schaltungselemente (meistens Transistoren, manchmal Widerstände oder Kondensatoren) oder die leitenden Pfade, die sie verbinden, oder die flachen quadratischen Bereiche, die als „Bondpads“ bezeichnet werden und zur Verbindung mit den Pins des verkapselten Chips dienen, zu bilden. Es werden ultrareine, polierte runde Halbleiterwafer verwendet; diese bestehen normalerweise aus Silizium (Si), manchmal aber auch aus anderen Halbleiterkristallen, wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) oder einer Mischung aus Elementen auf der rechten Seite des Periodensystems: AlGaAsPSnGeInSb. Diese Wafer werden aus einem einzigen Wafer in Scheiben gesägt, der im Wesentlichen eine große, glänzende runde Halbleiterwurst ist, die normalerweise durch Ziehen eines Saatkristalls aus geschmolzenem Material unter Drehung mit dem Czochralski-Verfahren hergestellt wird, das für uns schwer auszusprechen ist.

Auf dem Wafer sind eine Reihe von Chips in einem Array angeordnet, die den größten Teil der Waferoberfläche bedecken; diese Chips werden in einzelne Chips getrennt, durch eine Reihe von Test- und Verkapselungsschritten geführt und schließlich in ein Gehäuse mit leitenden Nadeln oder Kugeln eingebaut, über die sie mit einer Leiterplatte verbunden werden. Der verkapselte Halbleiter ist ein integrierter Schaltkreis (IC) oder ein „Chip“. Der Prozentsatz der funktionierenden Chips auf einem Wafer wird als Bauteilausbeute bezeichnet. Die Chipgröße und die Ausbeute sind in der Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung: Beide hängen direkt mit den Herstellungskosten zusammen. Wenn ein Chipdesigner oder Prozessingenieur die Chipfläche um die Hälfte reduzieren kann, können auf einem Wafer bei den gleichen Kosten etwa doppelt so viele Chips hergestellt werden. Wenn die Ausbeute von 50 % auf 100 % gesteigert werden kann, können bei den gleichen Kosten doppelt so viele Chips für die Endnutzung hergestellt werden. Die Ausbeute hängt von verschiedenen Fertigungsparametern ab und ist bei großen Chip-ICs schlechter: Jedes spezifische Fertigungsverfahren hat eine charakteristische Defektdichte (Anzahl der Defekte pro Flächeneinheit), daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter Chip einen Defekt hat und ausfällt, umso größer, je größer der Chip ist.

Stellen Sie sich die Defekte wie Kugeln vor, die beim Berühren tödlich sind. Die folgende Abbildung zeigt drei simulierte runde Wafer, die an gleichen Positionen 40 Defekte haben, aber unterschiedliche Chipgrößen. Die Anzahl der größeren Chips ist geringer, und da die Querschnittsfläche jedes Chips größer ist, ist die Wahrscheinlichkeit von Defekten höher, was schließlich zu einer geringeren Ausbeute führt.

Die einzelnen Schritte des Lithografieprozesses werden unter verschiedenen rauen Umgebungsbedingungen durchgeführt – 1000 °C, hoher Druck oder Vakuum, manchmal werden auch giftige Gase wie Silan oder Arsin verwendet, die bei Kontakt mit Sauerstoff in der Luft oft heftig reagieren – und werden normalerweise in folgende Kategorien eingeteilt:

• Abscheiden von Atomen eines bestimmten Elements auf dem Wafer
• Beschichten des Wafers mit Photolack
• Belichten des Photolacks in einem bestimmten Muster (hier wird die Photomaske benötigt)
• Ätzen des Materials
• Glühen – ein Erwärmungs- und Abkühlungsprozess, der die Atome im Wafer „entspannt“ und die Kristallspannungen reduziert
• Reinigen des Wafers

Durch das Wunder der modernen Chemie verbinden wir eine Menge Transistoren und andere Dinge miteinander.

Der Begriff „Prozess“ in der Halbleiterfertigung bezieht sich normalerweise auf eine genau kontrollierte Abfolge bestimmter Schritte, um Halbleiter mit bestimmten elektrischen Eigenschaften und geometrischen Toleranzen herzustellen. Das Design eines integrierten Schaltkreises (IC) wird um einen bestimmten Prozess mit den gewünschten Eigenschaften herum entwickelt; der gleiche Prozess kann zur Herstellung vieler verschiedener Bauteile verwendet werden. Das Umstellen eines IC-Designs von einem Prozess auf einen anderen ist keine leichte Aufgabe – dies ist ein wichtiger Faktor für die heutigen Lieferkettenprobleme.

Lassen Sie uns noch einmal auf das Mikrofoto schauen:

Der ursprüngliche 6502, der 1975 hergestellt wurde, enthielt 3510 Transistoren und 1018 verarmte Lasten-Pull-Up-Widerstände und war in einem Chip von 0,168 Zoll × 0,183 Zoll (≈ 4,27 mm × 4,65 mm) verkapselt und auf einem 3-Zoll-Siliziumwafer hergestellt. Das Fertigungsverfahren für den 6502 war das N-Kanal-Silizium-Gate-Verfahren mit verarmten Lasten bei 5 Volt, auch bekannt als „019“-Verfahren. Dieses Verfahren wurde von Terry Holdt von MOS Technology entwickelt und erfordert sieben Photomasken und etwa 50 Schritte, um die folgenden Schichten herzustellen:

• Diffusion
• Verarmte Implantation
• Vergrabenes Kontakt (Verbindung zwischen N+ und Polysilizium)
• Polysilizium
• Vor-Ohm-Kontakt
• Metall (Aluminium)
• Passivierung (Siliziumdioxid-Beschichtung)

Sie können diese Schichten genauer in einem hochauflösenden Mikrofoto des 6502 (auch als „Chipfoto“ bezeichnet) betrachten.

Diese größeren quadratischen Bereiche sind die Bondpads, die über Bonddrähte mit den Pins des 6502-Leiterrahmens verbunden sind. Die Enden der Bonddrähte werden durch Ultraschallschweißen verbunden, manchmal wird auch der Schweißpunkt erwärmt.

Die kleinen Kreuze und Rechtecke sind Justagemarken, die zur Ausrichtung der Masken