这颗芯片，开启苹果帝国

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当一个胖乎乎的极客将一个特定的芯片塞进一个特定的计算机电路板并启动它时，宇宙突然停顿了一下。这个极客就是Steve Wozniak，这台电脑就是 Apple I，芯片就是MOS Technology开发的 8 位微处理器 6502。

该芯片及其变体后来成为 Apple II、 Commodore PET、Commodore 64和BBC Micro等开创性计算机的主脑，更不用说任天堂娱乐系统和雅达利 2600（也称为雅达利VCS）等游戏系统了。

芯片的创造者之一Chuck Peddle回忆起 1975 年在贸易展上推出 6502 时的情景。“我们有两个装满芯片的玻璃罐，”他说，“我让我的妻子坐在那里卖它们。” （2016 年，佩德尔承认，当时他只有足够多的处理器装在罐子的上层——里面大部分都装着无法工作的芯片。）大批人蜂拥而至。原因是：6502 不仅比竞争对手速度快，而且价格便宜得多，售价 25 美元，而英特尔 8080 和摩托罗拉 6800 的售价都接近 200 美元。

与佩德尔共同研发出 6502 的Bill Mensch表示，实现成本降低的关键在于精简的指令集，以及“良率比竞争对手高出 10 倍”的制造工艺。6502 几乎凭一己之力推动了处理器价格的下降，从而推动了个人电脑革命。

到了今年，这颗芯片已经面世50年，我们回顾一下其辉煌过去。

一颗革命性的芯片

6502 于 1975 年 9 月首次交付给客户。它是 20 世纪 70 年代末和 80 年代初少数几个标志性的微处理器之一。要了解这款芯片的影响有多大，只需看看它在当时数百万台 8 位系统中的出现：

• Apple II

• Atari 400 and Atari 800

• Atari VCS (6507)

• BBC Micro

• Commodore PET and VIC-20

• Commodore 64 (6510)

• Commodore 128 (8502)

• Nintendo Entertainment System (Ricoh 2A03)

基于 6502 的个人计算机最终的普及是一个漫长过程的最终结果，这个过程始于摩托罗拉在6800处理器的价格上不妥协，以及查克·佩德尔 (Chuck Peddle)和比尔·门施 (Bill Mensch)对摩托罗拉感到失望。

1974 年 3 月，摩托罗拉发布了 6800，但直到 1974 年 11 月才投入生产，最初以每台处理器 360美元的价格小批量销售该芯片。1974 年初，查克·佩德尔 (Chuck Peddle) 一直在为大客户举办营销研讨会——他嗅到了机会，并试图说服摩托罗拉为工业控制市场推出一款低成本版本，但他们不感兴趣。

到 8 月，佩德尔制定了一个计划，离开摩托罗拉，前往美国各地加入MOS Technology ，这是一家位于宾夕法尼亚州福吉谷附近的小型集成电路制造商。 Mensch 是与 Peddle 一起进入 MOS 的 6502 设计师之一，他说道：“当时的公司规模很小，Mort Jaffe、John Paivinen 和 Don McLaughlin 这三位创始人组建了由能力超群的计算器芯片和系统设计师组成的小团队、一个快速运转的光罩工厂，以及一支来自 TI 的高产大型芯片制造团队。

因此，你从摩托罗拉（相对而言拥有无限的设计和制造预算）来到一个资金不足、逻辑和晶体管仿真设计工具非常有限的设计团队。我们必须手动/在脑海中模拟/检查逻辑，并使用非常有限的电路模拟。换句话说，预算真的很低。数据表和所有文档都是由设计团队完成的。” Peddle 说服了 Mensch 和其他六位摩托罗拉工程师——Harry Bawcom、Ray Hirt、Terry Holdt、Michael Janes、Wil Mathys 和 Rod Orgill——加入他以及 MOS 的其他几位工程师，共同设计和生产后来成为 MCS 6501/6502 芯片组的芯片。

1975 年 8 月宣布推出 6502 的照片同时拍摄（从左到右：Chuck Peddle、Rod Orgill、Terry Holdt、Ray Hirt，以及坐在后面的 Wil Mathys）

Mensch 说：“在 MOS，John Paivinen、Walt Eisenhower、掩模车间负责人 Don Payne 和掩模设计师 Sydney Anne Holt 组成了设计和制造团队，创造了高良率的 NMOS 耗尽型负载工艺。最终的成果就是 MCS 6501/6502、6530/6532 内存、ROM 定时器和 IO 组合以及 6520/6522 PIA/VIA 微处理器系列。”

从颠覆制造开始

半导体的制造过程有点像印刷报纸。有点像，又不完全像。或许更像制造印刷电路板的过程。不过，无论如何，报纸、印刷电路板和半导体有以下共同点：

• 生产需要一个大型、复杂且包含许多步骤的制造工厂；

• 光刻技术可用于制作原版母版的多个副本；

• 主原件需要创建适合定义区域的内容和布局；

只不过半导体行业几十年来一直在扩张，没有丝毫放缓的迹象，而报业在互联网时代却一直在苦苦挣扎。

半导体制造在制造厂或“晶圆厂”进行。未经封装的原始产品称为裸片（复数为“dice”或“dies”或“die”），而原版母版称为光掩模组或掩模组。工程师将一堆微小的形状塞进掩模组中的光掩模上；每个光掩模都定义了光刻工艺中的一个独立步骤，用于形成各个电路元件（通常是晶体管，有时是电阻器或电容器）的各种特征，或连接它们的导电路径，或称为“焊盘”的扁平方形区域，用于连接到封装芯片的引脚。使用超纯抛光的圆形半导体晶片；这些晶片通常由硅 (Si) 制成，但有时它们由其他半导体晶体组成，例如砷化镓 (GaAs)、氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 或元素周期表右侧某个元素的杂糅：AlGaAsPSnGeInSb。这些晶片是从单晶圆锯成薄片的，单晶圆基本上是一个大而闪亮的圆形半导体香肠，通常是通过使用Czochralski 工艺从熔融材料中向上拉动种子晶体并旋转而形成的，对于我们来说，这个工艺很难正确发音。

晶圆上有一堆芯片排列成阵列，覆盖了晶圆的大部分表面；这些芯片被分成单独的芯片，经过一系列测试和封装步骤，最后被装入带有导电针或球的封装中，通过导电针或球连接到印刷电路板。封装后的半导体是集成电路 (IC) 或“芯片”。晶圆上正常工作的芯片百分比称为器件成品率。芯片尺寸和成品率在半导体行业中至关重要：它们都与制造成本直接相关。如果芯片设计师或工艺工程师可以将芯片面积减少一半，那么在相同成本下，晶圆上可以安装大约两倍的芯片。如果成品率可以从 50% 提高到 100%，那么在相同成本下，可以生产两倍的芯片供最终使用。产量取决于多种加工因素，对于大芯片 IC 来说产量会更差：每个特定的制造工艺都有一个特征缺陷密度（单位面积的缺陷数），因此芯片尺寸越大，任何给定芯片上出现缺陷并导致其失效的可能性就越大。

把缺陷想象成子弹，一碰就死。下图展示了三个模拟圆形晶圆，它们在相同位置有 40 个缺陷，但芯片尺寸不同。较大尺寸的芯片数量较少，而且由于每个芯片的横截面积较大，容易出现缺陷，最终成品率较低。

光刻工艺的各个步骤都是在各种恶劣的环境条件下进行的——1000°C、高压或真空，有时还会用到硅烷或砷化氢等有毒气体，这些气体如果暴露在空气中的氧气中往往会发生剧烈反应——通常分为以下几类：

• 将某种元素的原子沉积到晶圆上

• 用光刻胶涂覆晶圆

• 将光刻胶以特定图案曝光（这时就需要用到光掩模）

• 蚀刻掉材料

• 退火——这是一种加热/冷却过程，使晶圆中的原子“松弛”并降低晶体应力

• 清洁晶圆

通过现代化学的奇迹，我们将一堆晶体管和其他东西连接在一起。

半导体制造中的“工艺”一词通常指精确控制的一系列特定步骤，用于形成具有特定电气特性和几何公差的半导体。集成电路 (IC) 的设计围绕着具有所需特性的特定工艺进行；同一工艺可用于创建许多不同的器件。将集成电路设计从一个工艺迁移到另一个工艺并非易事——这是造成当今供应链困境的一个重要因素。

让我们再看一下那张显微照片：

1975 年生产的原版 6502 包含3510 个晶体管和 1018 个耗尽型负载上拉电阻，封装在一块 0.168 英寸 × 0.183 英寸（≈ 4.27 毫米 × 4.65 毫米）的裸片中，并在 3 英寸硅片上生产。制造 6502 所采用的工艺是 N 沟道硅栅耗尽型 5 伏工艺，又名“019”工艺。该工艺由 MOS 技术公司的Terry Holdt开发，需要七个光掩模，大约包含50 个步骤来制作以下层：

• 扩散

• 耗尽注入

• 埋入式接触（连接 N +和多晶硅）

• 多晶硅

• 预欧姆接触

• 金属（铝）

• 钝化（二氧化硅涂层）

您可以在 6502 的高分辨率显微照片（也称为“芯片照片”）中更仔细地查看这些层。

这些较大的方形区域是键合焊盘，它们通过键合线连接到 6502引线框架的引脚上，键合线两端通过超声波焊接连接，有时还会对焊接接头加热。

小十字和矩形是对准标记，用于对齐掩模版并检查线宽。它们上方的大正方形是测试结构，不连接任何外部引脚，但可以在晶圆探测期间检查其是否正常工作。

在这些图像中，不同的层具有不同的视觉特征（耗尽层除外）：

• 硅基底是无纹理的灰色

• 铝金属具有颗粒状的特性

• 当它被钝化层覆盖时（大部分芯片）会呈现粉红色

• 当未覆盖时，如在键合焊盘和测试焊盘中，它的颜色更呈灰色

• 小绿点代表金属和硅之间的接触

• 扩散区域具有玻璃状外观，边缘周围有变色

• 多晶硅通常呈浅棕色，但当它穿过扩散区时，就会变成绿色，形成MOSFET栅极——Tada！瞬间晶体管！——控制电流能否在相邻扩散区之间流动。

率先采用耗尽负载 NMOS 工艺

对于6502来说，能获得成功的一个关键就在于他们率先采用了耗尽负载 NMOS 工艺（“常规”增强型 N 沟道 MOSFET 用作下拉开关；耗尽型N 沟道 MOSFET 用作负载，其栅极和源极连接在一起用作电流源），从而抢在摩托罗拉之前实现量产，这使设计团队能够在更小的芯片尺寸内实现更高的性能。

6502 的设计大部分是用纸笔完成的，布局部分也借助了计算机辅助。佩德尔是项目负责人，专注于商业方面；他还与Rod Orgill和Wil Mathys合作开发了指令集架构——基本上是程序员对芯片工作原理的抽象模型，包括各种操作码。

为了将其简化为可行的电路设计，6502 团队必须提出一个包含指令解码器、算术/逻辑单元 (ALU)、寄存器和数据路径的数字设计（以寄存器为中心的高级设计），这些设计可以使用由 NMOS 晶体管和耗尽负载组成的独立门来实现（低级电路设计）。Peddle、Orgill、Mathys 和 Mensch 设计了寄存器结构和高级设计的其他部分，其中 Mathys 将每条指令的数据传输序列转换为状态图和逻辑方程。Mensch 和 Orgill 完成了将以寄存器为中心的设计从逻辑方程转换为电路原理图（技术上称为“650X-C 微处理器逻辑图”）的工作，其中包含 NMOS 晶体管和耗尽负载，并标注了尺寸，而 Wil Mathys 则负责验证逻辑。

Mensch 将 Orgill 和他自己描述为“半导体工程师”，负责将逻辑方程式简化为集成电路 (IC) 中的晶体管级实现，以确保其满足速度、尺寸、接口兼容性和功率规格。Orgill 的专长在于高级架构，为 ISA 做出了贡献，“专注于逻辑设计和最小化”，而 Mensch 则偏爱低级细节。Mensch 制定了设计规则，对芯片的各个部分进行了电路仿真（在 MOS 技术公司 1975 年可用的计算设施下，每次只能模拟 100 个左右的组件），并设计了两相时钟发生器，这将成为 6501 和 6502 之间的区别因素。（6501 和 6502 共享除金属层之外的所有掩模，金属层有两个略有不同的版本：6501 将两相时钟发生器断开连接，以便与摩托罗拉 6800 引脚兼容，而 6502 连接了时钟发生器电路，从而破坏了引脚兼容性。1976 年，MOS 技术公司同意停止生产 6501，作为与摩托罗拉达成法律和解的条件。

Orgill 和 Mensch 用可擦除的塑料铅笔在聚酯薄膜上绘制了原理图。这是原理图的一部分，显示了 ALU 的一部分；每条虚线围绕着 ALU 的一位。

原理图也可作为粗略布局，称为平面布置图，显示高级布局，原理图上的各个门大致按照 Mensch 认为它们应该在芯片上的位置排列。 Bawcom、Holt和 Janes 是 6502 芯片组的掩模设计师，他们负责电路设计和布局，并将它们实现为单独的晶体管或电阻器，由在 Stabilene 聚酯薄膜的各个层上绘制的矩形特征制成。

取得成功背后的创新

但摩托罗拉和 MOS 科技的早期微处理器设计才刚刚开始摆脱纯手工的束缚。这时，计算机辅助技术开始发挥作用：对于 6502，MOS 的某个人使用Calma GDS 工作站和数字化仪捕获了 Stabilene 胶片上的每个单元。（Bawcom 将此人称为“Calma 操作员”，但表示他“没有在 MOS 科技亲眼目睹这一过程”。）在可能的情况下，Calma 工作站被用来复制设计中可以重复的单元。

Micralign 投影对准系统是 6502 团队取得成功的众多原因之一，因为它提高了良率。（记住：芯片尺寸和良率至关重要！）摩托罗拉的 NMOS 工艺良率很低，这给他们带来了成本劣势。Mensch 说，当时摩托罗拉的工艺工程主管 Ed Armstrong 留起了胡子，等到能够在一块晶圆上生产出 10 个合格芯片时才刮掉。 MOS 团队的良率远高于摩托罗拉，部分原因是使用了投影掩模系统：上一代光刻系统使用接触掩模，会接触晶圆，耐用性有限。摩托罗拉曾在 6800 中使用过接触掩模。

6502 良率更高的第二个原因是 MOS 技术所称的“spot-knocking” ，本质上是对掩模中的点缺陷的修饰。

良率更高的第三个原因是 Mensch 的设计规则——对晶体管尺寸和特征间距的限制——这些规则比较保守，对工艺变化的容忍度更高。这是他在摩托罗拉工作期间自学的技巧，同时也让他了解到在该公司什么可以实现，什么不可能实现。

1971年，Mensch 在摩托罗拉的第一年，在四个不同的部门轮岗：应用部门、电路设计部门、工艺设计和市场营销部门。在市场营销部门，他的主管迪克·加洛韦（Dick Galloway）要求他为IBM整理一份内存芯片的报价单，报价将持续七年，价格会随着时间的推移而降低——这是一份相当复杂的文件，包含大量必须准确输入的数字。因此，他决定，与其让秘书打印出来，费力地查找和纠正错误，不如在摩托罗拉大型计算机上编写一个FORTRAN程序，接收参数，将数字代入公式中，然后用热敏打印机在终端上打印出报价单，然后再将其复印到更好的纸张上。市场营销人员问他是怎么做到的，当他告诉他们之后，加洛韦说：“比尔，我们想让你去设计组工作。”“为什么？”“他们的芯片都坏了。我们想让你去那里工作。我想如果你在那里工作，芯片就会恢复正常。”

作为 IC 设计小组中一位经验不足的新工程师，Bill Mensch 的上任涉及很多其他工程师称之为苦差事的工作。其中一些工作是研究摩托罗拉在各种 MOS 工艺中的标准单元库，以及用于存储器和微控制器设计的过程控制监视器。

过程控制监视器 (PCM) 是一组特殊的测试结构，用于测量晶体管、电阻器、电容器和反相器等基本电路元件的参数——不仅可以确保制造过程按预期运行并检查统计变化，还可以为模拟目的描述这些元件的特性。

如今，通常将这些测试结构放置在 IC 之间的划线中，因为它们可以非常小，但在早期的 IC 设计中，PCM 位于晶圆上的几个位置代替产品，通常形成由五个 PCM 组成的加号图案。

Ray Hirt 设计了 MOS 6502 的 PCM ；此处展示的 Rockwell PCM 几乎可以肯定不是 Hirt 在 1974-1975 年设计的，但总体概念是相同的。Rockwell R6502 有两种不同的类型，其中一种类型的三个位于晶圆的中间排，另一种类型的两个位于晶圆的顶部和底部。

一颗高举高打的芯片

与摩托罗拉不同的是，MOS Technology在开发低成本、最先进的微处理器方面没有任何障碍，也不需要担心其他设计团队或客户是否需要避免利益冲突。

从“叛逆者”们第一天被派往宾夕法尼亚州的 MOS 公司领工资开始——1974 年 8 月 19 日，他们从笨重的厚皮动物手中解放出来，满怀成功的斗志——到 MCS 6502 芯片投入生产、准备销售，只用了一年多的时间。

6502 的目标是在基于微处理器的控制系统市场上与英特尔 4040进行价格竞争，但在技术规格上却击败了它：4040 是一个 4 位处理器，最大时钟频率较慢，需要 15V 电源。

1975 年夏天，MOS Technology公司正准备在 9 月于旧金山举行的 WESCON 75 上进行产品介绍，并发布了以 6501 为重点的广告：

故事在这里发生了传奇性的转折。史蒂夫·沃兹尼亚克一直在围绕摩托罗拉 6800 设计 Apple I，但他看到了 MOS 科技的广告，意识到他可以获得更优惠的价格，于是他去了 WESCON，从佩德尔那里买了几块芯片。佩德尔将这些芯片放在附近一家酒店的套房里的一个罐子里卖，因为 WESCON 不允许他们在会上出售产品。6502 很快就出现在 Apple I 的设计中。1976 年只生产了 200 台 Apple I 电脑，但到那时，沃兹尼亚克已经在考虑1977 年推出的Apple II，这款产品将像火箭一样迅速腾飞，并轰动地开始使用 6502 个人电脑。

6501/6502 在印刷版和 Wescon 上的推出取得了成功。媒体报道引起了摩托罗拉的注意，引发了定价调整和诉讼。1975 年 10 月，摩托罗拉将单个 6800 微处理器的价格从 175 美元降至 69 美元 。300 美元的系统设计套件降至 150 美元 ，现在配有印刷电路板。1975 年 11 月 3 日，摩托罗拉向联邦法院寻求禁令，阻止 MOS Technology 制造和销售微处理器产品。他们还提起诉讼，声称侵犯专利权和盗用商业秘密。摩托罗拉声称，七名前员工加入 MOS Technology 创建该公司的微处理器产品。

摩托罗拉是一家价值数十亿美元的公司，拥有合理的案件和昂贵的律师。1974 年 10 月 30 日，摩托罗拉就微处理器系列提交了多项专利申请，并获得了 25 项专利。第一次是在 1976 年 6 月，第二次是在 1976 年 7 月 6 日给 Bill Mensch，用于 6820 PIA 芯片布局。这些专利涵盖了 6800 总线以及外围芯片如何与微处理器连接。

摩托罗拉于 1950 年开始制造晶体管，并拥有一系列半导体专利。Allen-Bradley 决定不打这个官司，并将他们在 MOS Technology 的权益卖回给创始人。诉讼中提到了四名前摩托罗拉工程师：Chuck Peddle, Will Mathys, Bill Mensch和Rod Orgill。在 6800 项专利申请中，他们都被命名为发明人。

在发现过程中，摩托罗拉发现一位名叫Mike Janes的工程师无视Peddle的指示，将他的 6800 份设计文件带到了 MOS Technology 公司。1976 年 3 月，独立的 MOS Technology 资金耗尽，不得不和解此案。他们同意放弃 6501 处理器，向摩托罗拉支付 200,000 美元 ，并归还摩托罗拉声称是机密的文件。两家公司都同意交叉许可微处理器专利。同年 5 月，摩托罗拉将单个 6800 微处理器的价格降至 35 美元。到 11 月，Commodore 收购了 MOS Technology。

这个轰轰烈烈的公司，就此结束了独立征程。

现在回看，6502 的构思故事引人入胜，讲述了早期微处理器行业的巨头们如何着手应对这些新机器。20 世纪 70 年代初期，查克·佩德尔 (Chuck Peddle) 就职于摩托罗拉公司，该公司的 6800 微处理器于 1974 年上市。6800 在当时复杂、昂贵且制造困难，而佩德尔对此的回应是一款简单得多的设备，配备了精简的指令集，他与客户的接触让他确信，这正是市场所需要的：6502。

据说摩托罗拉曾正式勒令他停止这个想法，他后来声称这相当于放弃了这项技术，以至于他可以声称自己拥有这项知识产权。1974年夏天，他和一群摩托罗拉6800芯片的同事一起跳槽到MOS技术公司继续进行这项设计。最初推出的是6501芯片，一款与6800引脚兼容的芯片；不久之后，6502芯片也问世了，两者核心相同，但内置了时钟振荡器。

如果你是 20 世纪 80 年代初那一小群真正使用家用电脑而非仅仅玩游戏的极客，那么你很可能是有史以来唯一一代在处理器架构上比别人更胜一筹的人。我们这些拥有 Sinclair Z80 处理器的人会提到更高的时钟速度，而 Commodore 用户则会谈论 6502 的流水线架构和更小的指令集。

事后看来，几十年过去了，他们的说法确实有道理，而这一点是 Z80 能够在极短时间内在两组寄存器之间切换的能力无法弥补的。6502 速度很快，制造工艺可靠，而且由于 MOS Technology 以出奇合理的价格将其出售给所有用户，而不是局限于高价工业客户，因此它或其众多衍生产品自然而然地成为了第一代家用电脑和游戏机的首选。如果你拥有一台 Acorn、Atari、Commodore、Oric 或 Apple 的 8 位电脑，你就会拥有一台；如果你拥有一台任天堂游戏机，你也会加入 6502 俱乐部。

总而言之，这是一颗值得纪念的芯片。

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4116期内容，欢迎关注。

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