home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Loadstar 242 / 242.d81 / t.mos3 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2004-01-01  |  14.2 KB  |  474 lines

  1. u
  2.             MOS Technology
  3.  
  4.                  from
  5.              On The Edge:
  6.        The Spectacular Rise and
  7.           Fall of Commodore
  8.            by Brian Bagnall
  9.  
  10.                Part III
  11.  
  12. Making Chips
  13.  
  14.     Chuck Peddle, Will Mathis, and Rod
  15. Orgill would collaborate to design the
  16. initial architecture for the new
  17. microprocessor. "It was just the
  18. perfect product, the perfect time, the
  19. perfect team," says Peddle.
  20.  
  21.     The architects' task was similar
  22. to designing a small city, except the
  23. streets in this city would be paved
  24. with metal. Electrons would inhabit
  25. their city, traveling the streets
  26. until they reached a transistor.
  27. Timing within this little city would
  28. be critical, otherwise traffic would
  29. halt, causing the chip to lock up.
  30.  
  31.     Peddle and his group intentionally
  32. numbered their chips starting with
  33. 6500, so it would sound similar to the
  34. Motorola 6800. "It was a cheaper
  35. version of the 6800 and there was
  36. intended to be a whole string of
  37. them," he explains. "In hindsight,
  38. with many years and lawsuits behind us
  39. now, it was designed to sound like the
  40. 6800."
  41.  
  42.     The first chip in the series was
  43. the 6501, which could drop into a 6800
  44. slot. "It was definitely not a clone,"
  45. says Peddle. "Architecturally it's a
  46. 6502. The only difference is it plugs
  47. into Motorola socket."
  48.  
  49.     Peddle explains the 6501 strategy.
  50. "We were competing in a market where
  51. we were selling to people who might
  52. have bought the 6800," he says.
  53. "Having a plug-in compatible version
  54. was just a marketing game."
  55. Unfortunately, socket compatibility
  56. would later provoke Motorola.
  57.  
  58.     The centerpiece of their project
  59. was the 6502 microprocessor. "The 6502
  60. was what we were driving for," he
  61. says.
  62.  
  63.     To create the architecture of the
  64. chip, the three engineers created a
  65. simple diagram to represent the
  66. structure of the chip. "We would start
  67. with a basic block diagram," says
  68. Peddle.
  69.  
  70.     Some of the most important design
  71. work took place away from MOS
  72. Technology. "We put some of the more
  73. significant stuff in while drinking
  74. booze at Orgill's house one night,"
  75. says Peddle. "The way to do really
  76. creative work is to work on it and
  77. then sometimes you've got to let it
  78. alone. If somebody gets a bright idea
  79. at a party, you take time out and you
  80. go argue about it. We actually came up
  81. with a really nice way of dealing with
  82. the buses that came out of a
  83. discussion at Orgill's."
  84.  
  85.     Al Charpentier was one of the
  86. calculator chip designers at MOS
  87. Technology. He witnessed Peddle
  88. driving his team to build the new
  89. processor. "Chuck was an interesting
  90. character," he recalls. "He could be a
  91. bit pompous, but he had a vision and
  92. he was pushing that vision. Chuck was
  93. the visionary."
  94.  
  95.     Peddle created a concept called
  96. pipelining, which handled data in a
  97. conveyor belt fashion. Instead of
  98. stopping while the microprocessor
  99. performed the arithmetic, the chip was
  100. ready to accept the next piece of data
  101. right away, while internally it
  102. continued processing data. This
  103. feature would make the chip faster
  104. than anything produced by Intel or
  105. Motorola at the time. A one-megahertz
  106. 6502 was equivalent to a four-
  107. megahertz Intel 8080.
  108.  
  109.     The semiconductor team not only
  110. developed a microprocessor, they also
  111. developed the supporting chips. The
  112. first was the 6520 PIA chip, which was
  113. a clone of the Motorola 6820 PIA. One
  114. chip, called the 6530, contained 1
  115. kilobyte of ROM, 256 bytes of RAM, a
  116. timer, and two IO ports. This allowed
  117. engineers to assemble a complete
  118. computer using only two chips. The
  119. team also developed 128-byte 6532 RAM
  120. chips.
  121.  
  122.     One by one, the architects passed
  123. their designs to the layout people.
  124.  
  125.     The layout team consisted of two
  126. main engineers: Bill Mensch and Rod
  127. Orgill. A third engineer, Harry
  128. Bawcum, aided the layout artists. It
  129. was their task to turn an abstract
  130. block diagram into a large-scale
  131. representation of the surface of the
  132. microprocessor. Orgill was responsible
  133. for the 6501 chip, Mensch the 6502.
  134.  
  135.     Chuck Peddle originally hired
  136. Mensch at Motorola after Mensch
  137. graduated from the University of
  138. Arizona. "Mensch was literally right
  139. out of school," says Peddle. One of
  140. eight children, Mensch grew up in a
  141. small farming community in
  142. Pennsylvania. According to Mensch, "I
  143. lived on a dairy farm, got up at 4:30,
  144. milked the cows, and went off to
  145. school."(4)
  146.  
  147.     At Motorola, Peddle was impressed
  148. with Mensch's natural talent. "He was
  149. just spectacular doing N-channel
  150. design and layout. He was the worlds
  151. best layout guy," raves Peddle.
  152.  
  153.     Mensch was dependable, which made
  154. him a favorite with MOS engineers.
  155. "Bill was a good guy," says
  156. Charpentier. "He was very
  157. knowledgeable and knew what he was
  158. doing."
  159.  
  160.     Rod Orgill, the youngest member of
  161. the team, worked at Motorola on the
  162. fabrication process of the 6800. Out
  163. of everyone on the team, Orgill had
  164. the most diverse set of abilities.
  165. Peddle relates, "Rod was a combination
  166. of chip designer and architect." For
  167. the first time in his life, Orgill
  168. would acquire layout abilities as an
  169. understudy to Mensch.
  170.  
  171.     Peddle claims the 6501 was a
  172. marketing game, but Rod Orgill
  173. believed the 6501 would be more
  174. successful than the 6502. According to
  175. Mensch, "We made a bet and said who's
  176. going to have the highest volume and
  177. Rod says, 'There's no question:
  178. following Motorola's marketing, the
  179. 6501 will surpass your (6502) design
  180. and yours won't even have a chance.'"
  181.  
  182.     The small group of young engineers
  183. worked in a small room on the second
  184. floor containing several large art
  185. tables. Here, Mensch and Orgill
  186. brooded over thick sheets of vellum
  187. paper. The layout consisted of
  188. thousands of polygons, each a specific
  189. size and shape. Thin lines called
  190. traces connected the polygons,
  191. creating a complex circuit.
  192. Incredibly, the engineers created the
  193. layout in pencil, one component at a
  194. time. The task was formidable, with a
  195. completed diagram containing
  196. approximately 4,300 transistors.(5)
  197.  
  198.     Near the end of the design
  199. process, disaster struck. The
  200. engineers realized their architecture
  201. would not fit within the allotted area
  202. of the microchip. "When we sat down to
  203. optimize the system, we discovered we
  204. were 10 mills too wide," says Peddle.
  205. "The design was almost done. Mathis
  206. and I put a big piece of paper down on
  207. a table and sat there and optimized
  208. every line until we got rid of 10
  209. mills."
  210.  
  211.     The engineers were on a tight
  212. deadline to have the product ready for
  213. the upcoming Wescon show in September.
  214. They obsessively searched for ways to
  215. recycle lines in the schematic, thus
  216. reducing the area. Peddle grimly
  217. recalls, "Mathis and I had to keep
  218. redoing the architecture to make sure
  219. they stayed within that area."
  220.  
  221.     To print the microchips, the
  222. engineers used a process called Metal
  223. Oxide Semiconductor, or simply MOS.
  224. This process used six layers of
  225. different materials, printed one on
  226. top of the other, to build the tiny
  227. components on the surface of a silicon
  228. wafer. This meant the layout artists
  229. had to create six different diagrams,
  230. one on top of the other.
  231.  
  232.     The process required incredible
  233. precision because the layers had to
  234. line up exactly. The surface of the
  235. chip was necessarily dense in order to
  236. fit everything into a small area, so
  237. the artists squeezed transistors and
  238. pathways close to each other. If a
  239. single layer deviated by more than a
  240. few microns, it could touch another
  241. pathway and create a short circuit.
  242.  
  243.     After the layout was completed,
  244. the engineers faced the soul-draining
  245. task of rechecking their design. The
  246. most sophisticated tool in this
  247. process was a small metal ruler, or
  248. more accurately, a scale. Herd
  249. recalls, "They would take their scales
  250. out of their pocket - don't call them
  251. a ruler V and they would measure for
  252. months! They would measure each
  253. transistor and make sure it was two
  254. millimeters by point seven."
  255.  
  256.     Mensch, Orgill and Bawcum sat
  257. bleary-eyed over their drawings,
  258. sometimes for 12 hours a day,
  259. painstakingly measuring every point on
  260. the layout. They measured the size of
  261. components, the distance between
  262. components, the distance between
  263. traces, and the distance between
  264. traces and components. With a touch of
  265. sympathy in his voice, Herd explains,
  266. "You could be a really talented
  267. designer but if you couldn't check
  268. your design with the mind-numbing
  269. repetitiveness, your stuff didn't work
  270. and you would get a bad reputation."
  271.  
  272.     Mensch and Orgill kept small cots
  273. in the room so they could work for
  274. long uninterrupted periods followed by
  275. a few hours rest. "With the
  276. semiconductor guys, that tends to be
  277. something you do when you are doing
  278. that at a certain level of design,"
  279. recalls Peddle. "You tend to just keep
  280. going."
  281.  
  282.     Even today, Peddle is still in awe
  283. of Mensch's ability as a layout
  284. engineer. "Bill has this unique
  285. ability to look at the requirements
  286. for a circuit, and he can see how it
  287. is going to layout in his head," he
  288. says. "He's just totally unique.
  289. Nobody matches Mensch."
  290.  
  291.     In June 1975, the chip design was
  292. ready. It was up to the process
  293. engineers to imprint the design onto
  294. tiny silicon wafers. Months earlier,
  295. Pavinen promised Peddle he would have
  296. the N-channel process ready. Pavinen
  297. was true to his word. "He gave me
  298. everything I wanted," says Peddle.
  299.  
  300.     The procedure to shrink a large,
  301. dense design onto something smaller
  302. than a thumbtack is both mysterious
  303. and under-appreciated. In many ways,
  304. it is also the most important step
  305. and, if intelligently planned, it can
  306. reduce the cost of a microchip
  307. dramatically. Engineers simply call
  308. this step "the process."
  309.  
  310.     When Pavinen and his two partners
  311. founded MOS Technology, it was their
  312. explicit goal to be the best process
  313. company in the business. "MOS
  314. Technology's business premise when
  315. they started was that they knew how to
  316. process better than other people,"
  317. says Peddle. Engineers at the time
  318. documented very little of what they
  319. did, and most process engineers stored
  320. the process in their heads.
  321.  
  322.     In order to print the transistors
  323. and other components to a silicon
  324. chip, the engineers had to create a
  325. mask. The mask blocks out everything
  326. except for the parts of the chip they
  327. want, much like a stencil blocks spray
  328. paint to produce letters. The mask
  329. relied on the principles of
  330. photography and light.
  331.  
  332.     To transform the circuit diagram
  333. into a mask, the engineers used a
  334. material borrowed from the graphics
  335. industry called Rubylith. Rubylith is
  336. a sheet of acetate film with a red
  337. base covering the surface. Since the
  338. semiconductor industry was in an early
  339. stage of development, the tools to
  340. transfer the diagram were outrageously
  341. primitive.
  342.  
  343.     According to Bil Herd, "They were
  344. doing chips by cutting Rubylith with
  345. razor blades. They would kick their
  346. shoes off, push some tables together,
  347. and jump up on them." It was up to
  348. engineers Mike James and Harry Bawcum
  349. to perform the tedious task of cutting
  350. out pieces from the Rubylith to form
  351. the mask.
  352.  
  353.     According to Bob Yannes, who
  354. arrived at MOS just after the Rubylith
  355. years, "I can't imagine using that
  356. stuff. You're looking at this huge red
  357. plastic thing in front of you and
  358. you're supposed to peel off the parts
  359. that are supposed to stay and leave
  360. the parts that are supposed to go
  361. away. Unless you were very careful,
  362. you got the two confused and you ended
  363. up peeling off the stuff that is
  364. supposed to go away. Then you start
  365. taping it back down again."
  366.  
  367.     With engineers crawling all over
  368. the huge sheets of acetate film, it
  369. was vital sharp toenails were not
  370. exposed; otherwise they would drag
  371. over the surface and slice into the
  372. acetate. Engineers were not known for
  373. their attention to appearance and it
  374. became vital to keep pairs of fresh
  375. socks available. "Everyone would wear
  376. fresh socks with no holes in the toes
  377. for getting on the table," explains
  378. Herd with some amusement.
  379.  
  380.     Orgill and Bawcum created six
  381. Rubylith masks for the 6502 chip, one
  382. for each layer. Once completed, the
  383. engineers photographically reduced
  384. each of the large sheets of Rubylith
  385. to create a smaller negative.
  386. Engineers chemically etched a tiny
  387. metal mask using this negative. The
  388. technicians would eventually use this
  389. mask, almost like a rubber stamp, to
  390. create thousands of microprocessors.
  391.  
  392.     Precise robotic machines used the
  393. tiny metal mask to duplicate the
  394. pattern over the entire surface of the
  395. silicon wafer. In the early seventies,
  396. the metal mask made contact with the
  397. surface of the silicon so the
  398. electrons could flow through the mask,
  399. imprinting the design to the surface.
  400. "People used to have what they call
  401. contact masks, which were pretty
  402. destructive on the mask," recalls
  403. Peddle. "They actually put the mask on
  404. the chip and it got worn out very
  405. quickly." Every time a mask wore out,
  406. the designers had to go through the
  407. laborious process of making a new
  408. mask.
  409.  
  410.     At MOS Technology, John Pavinen
  411. pioneered a new way to fabricate
  412. microprocessors. "They were one of the
  413. first companies to use non-contact
  414. mask liners," says Peddle. "At that
  415. time everybody was using contact
  416. masks."
  417.  
  418.     With non-contact masks, the metal
  419. die did not touch the wafer. Once the
  420. engineers worked out all the flaws in
  421. the mask, it would last indefinitely.
  422.  
  423.     Pavinen and Holt handed off the
  424. completed mask to the MOS technicians,
  425. who began fabricating the first run of
  426. chips. Bil Herd summarizes the
  427. situation. "No chip worked the first
  428. time," he states emphatically. "No
  429. chip. It took seven or nine revs
  430. (revisions), or if someone was real
  431. good they would get it in five or
  432. six."
  433.  
  434.     Normally, a large number of flaws
  435. originate from the layout design.
  436. After all, there are six layers (and
  437. six masks) that have to align with
  438. each other perfectly. Imagine
  439. designing a town with every
  440. conceivable layer of infrastructure
  441. placed one on top of another. Plumbing
  442. is the lowest layer, followed by the
  443. subway system, underground walkways,
  444. buildings, overhead walkways, and
  445. finally telephone wires. These
  446. different layers have to connect to
  447. each other perfectly; otherwise, the
  448. town will not function. The massive
  449. complexity of such a system makes it
  450. likely that human errors will creep
  451. into the design.
  452.  
  453.     After fabricating a run of chips
  454. and probing them, the layout engineers
  455. usually have to make changes to their
  456. original design and the process
  457. repeats from the Rubylith down. "Each
  458. run is a couple of hundred thousand
  459. (dollars)," says Herd.
  460.  
  461.     Implausibly, the engineers
  462. detected no errors in Mensch's layout.
  463. "He built seven different chips
  464. without ever having an error," says
  465. Peddle with disbelief in his voice.
  466. "Almost all done by hand. When I tell
  467. people that, they don't believe me,
  468. but it's true. This guy is a unique
  469. person. He is the best layout guy in
  470. world."
  471.  
  472.      [Continued in MOS - Part IV]
  473.  
  474.  
  475.