這顆芯片，開啟蘋果帝國

當一個胖乎乎的極客將一個特定的芯片塞進一個特定的計算機電路板並啟動它時，宇宙突然停頓了一下。這個極客就是Steve Wozniak，這臺電腦就是 Apple I，芯片就是MOS Technology開發的 8 位微處理器 6502。

該芯片及其變體后來成為 Apple II、 Commodore PET、Commodore 64和BBC Micro等開創性計算機的主腦，更不用説任天堂娛樂系統和雅達利 2600（也稱為雅達利VCS）等遊戲系統了。

芯片的創造者之一Chuck Peddle回憶起 1975 年在貿易展上推出 6502 時的情景。「我們有兩個裝滿芯片的玻璃罐，」他説，「我讓我的妻子坐在那里賣它們。」 （2016 年，佩德爾承認，當時他只有足夠多的處理器裝在罐子的上層——里面大部分都裝着無法工作的芯片。）大批人蜂擁而至。原因是：6502 不僅比競爭對手速度快，而且價格便宜得多，售價 25 美元，而英特爾 8080 和摩托羅拉 6800 的售價都接近 200 美元。

與佩德爾共同研發出 6502 的Bill Mensch表示，實現成本降低的關鍵在於精簡的指令集，以及「良率比競爭對手高出 10 倍」的製造工藝。6502 幾乎憑一己之力推動了處理器價格的下降，從而推動了個人電腦革命。

到了今年，這顆芯片已經面世50年，我們回顧一下其輝煌過去。

一顆革命性的芯片

6502 於 1975 年 9 月首次交付給客户。它是 20 世紀 70 年代末和 80 年代初少數幾個標誌性的微處理器之一。要了解這款芯片的影響有多大，只需看看它在當時數百萬台 8 位系統中的出現：

• 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)

基於 6502 的個人計算機最終的普及是一個漫長過程的最終結果，這個過程始於摩托羅拉在6800處理器的價格上不妥協，以及查克·佩德爾 (Chuck Peddle)和比爾·門施 (Bill Mensch)對摩托羅拉感到失望。

1974 年 3 月，摩托羅拉發佈了 6800，但直到 1974 年 11 月才投入生產，最初以每台處理器 360美元的價格小批量銷售該芯片。1974 年初，查克·佩德爾 (Chuck Peddle) 一直在為大客户舉辦營銷研討會——他嗅到了機會，並試圖説服摩托羅拉為工業控制市場推出一款低成本版本，但他們不感興趣。

到 8 月，佩德爾制定了一個計劃，離開摩托羅拉，前往美國各地加入MOS Technology ，這是一家位於賓夕法尼亞州福吉谷附近的小型集成電路製造商。 Mensch 是與 Peddle 一起進入 MOS 的 6502 設計師之一，他説道：「當時的公司規模很小，Mort Jaffe、John Paivinen 和 Don McLaughlin 這三位創始人組建了由能力超羣的計算器芯片和系統設計師組成的小團隊、一個快速運轉的光罩工廠，以及一支來自 TI 的高產大型芯片製造團隊。

因此，你從摩托羅拉（相對而言擁有無限的設計和製造預算）來到一個資金不足、邏輯和晶體管仿真設計工具非常有限的設計團隊。我們必須手動/在腦海中模擬/檢查邏輯，並使用非常有限的電路模擬。換句話説，預算真的很低。數據表和所有文檔都是由設計團隊完成的。」 Peddle 説服了 Mensch 和其他六位摩托羅拉工程師——Harry Bawcom、Ray Hirt、Terry Holdt、Michael Janes、Wil Mathys 和 Rod Orgill——加入他以及 MOS 的其他幾位工程師，共同設計和生產后來成為 MCS 6501/6502 芯片組的芯片。

1975 年 8 月宣佈推出 6502 的照片同時拍攝（從左到右：Chuck Peddle、Rod Orgill、Terry Holdt、Ray Hirt，以及坐在后面的 Wil Mathys）

Mensch 説：「在 MOS，John Paivinen、Walt Eisenhower、掩模車間負責人 Don Payne 和掩模設計師 Sydney Anne Holt 組成了設計和製造團隊，創造了高良率的 NMOS 耗盡型負載工藝。最終的成果就是 MCS 6501/6502、6530/6532 內存、ROM 定時器和 IO 組合以及 6520/6522 PIA/VIA 微處理器系列。」

從顛覆製造開始

半導體的製造過程有點像印刷報紙。有點像，又不完全像。或許更像製造印刷電路板的過程。不過，無論如何，報紙、印刷電路板和半導體有以下共同點：

• 生產需要一個大型、複雜且包含許多步驟的製造工廠；

• 光刻技術可用於製作原版母版的多個副本；

• 主原件需要創建適合定義區域的內容和佈局；

只不過半導體行業幾十年來一直在擴張，沒有絲毫放緩的跡象，而報業在互聯網時代卻一直在苦苦掙扎。

半導體制造在製造廠或「晶圓廠」進行。未經封裝的原始產品稱為裸片（複數為「dice」或「dies」或「die」），而原版母版稱為光掩模組或掩模組。工程師將一堆微小的形狀塞進掩模組中的光掩模上；每個光掩模都定義了光刻工藝中的一個獨立步驟，用於形成各個電路元件（通常是晶體管，有時是電阻器或電容器）的各種特徵，或連接它們的導電路徑，或稱為「焊盤」的扁平方形區域，用於連接到封裝芯片的引腳。使用超純拋光的圓形半導體晶片；這些晶片通常由硅 (Si) 製成，但有時它們由其他半導體晶體組成，例如砷化鎵 (GaAs)、氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 或元素周期表右側某個元素的雜糅：AlGaAsPSnGeInSb。這些晶片是從單晶圓鋸成薄片的，單晶圓基本上是一個大而閃亮的圓形半導體香腸，通常是通過使用Czochralski 工藝從熔融材料中向上拉動種子晶體並旋轉而形成的，對於我們來説，這個工藝很難正確發音。

晶圓上有一堆芯片排列成陣列，覆蓋了晶圓的大部分表面；這些芯片被分成單獨的芯片，經過一系列測試和封裝步驟，最后被裝入帶有導電針或球的封裝中，通過導電針或球連接到印刷電路板。封裝后的半導體是集成電路 (IC) 或「芯片」。晶圓上正常工作的芯片百分比稱為器件成品率。芯片尺寸和成品率在半導體行業中至關重要：它們都與製造成本直接相關。如果芯片設計師或工藝工程師可以將芯片面積減少一半，那麼在相同成本下，晶圓上可以安裝大約兩倍的芯片。如果成品率可以從 50% 提高到 100%，那麼在相同成本下，可以生產兩倍的芯片供最終使用。產量取決於多種加工因素，對於大芯片 IC 來説產量會更差：每個特定的製造工藝都有一個特徵缺陷密度（單位面積的缺陷數），因此芯片尺寸越大，任何給定芯片上出現缺陷並導致其失效的可能性就越大。

把缺陷想象成子彈，一碰就死。下圖展示了三個模擬圓形晶圓，它們在相同位置有 40 個缺陷，但芯片尺寸不同。較大尺寸的芯片數量較少，而且由於每個芯片的橫截面積較大，容易出現缺陷，最終成品率較低。

光刻工藝的各個步驟都是在各種惡劣的環境條件下進行的——1000°C、高壓或真空，有時還會用到硅烷或砷化氫等有毒氣體，這些氣體如果暴露在空氣中的氧氣中往往會發生劇烈反應——通常分為以下幾類：

• 將某種元素的原子沉積到晶圓上

• 用光刻膠塗覆晶圓

• 將光刻膠以特定圖案曝光（這時就需要用到光掩模）

• 蝕刻掉材料

• 退火——這是一種加熱/冷卻過程，使晶圓中的原子「松弛」並降低晶體應力

• 清潔晶圓

通過現代化學的奇蹟，我們將一堆晶體管和其他東西連接在一起。

半導體制造中的「工藝」一詞通常指精確控制的一系列特定步驟，用於形成具有特定電氣特性和幾何公差的半導體。集成電路 (IC) 的設計圍繞着具有所需特性的特定工藝進行；同一工藝可用於創建許多不同的器件。將集成電路設計從一個工藝遷移到另一個工藝並非易事——這是造成當今供應鏈困境的一個重要因素。

讓我們再看一下那張顯微照片：

1975 年生產的原版 6502 包含3510 個晶體管和 1018 個耗盡型負載上拉電阻，封裝在一塊 0.168 英寸 × 0.183 英寸（≈ 4.27 毫米 × 4.65 毫米）的裸片中，並在 3 英寸硅片上生產。製造 6502 所採用的工藝是 N 溝道硅柵耗盡型 5 伏工藝，又名「019」工藝。該工藝由 MOS 技術公司的Terry Holdt開發，需要七個光掩模，大約包含50 個步驟來製作以下層：

• 擴散

• 耗盡注入

• 埋入式接觸（連接 N +和多晶硅）

• 多晶硅

• 預歐姆接觸

• 金屬（鋁）

• 鈍化（二氧化硅塗層）

您可以在 6502 的高分辨率顯微照片（也稱為「芯片照片」）中更仔細地查看這些層。

這些較大的方形區域是鍵合焊盤，它們通過鍵合線連接到 6502引線框架的引腳上，鍵合線兩端通過超聲波焊接連接，有時還會對焊接接頭加熱。

小十字和矩形是對準標記，用於對齊掩模版並檢查線寬。它們上方的大正方形是測試結構，不連接任何外部引腳，但可以在晶圓探測期間檢查其是否正常工作。

在這些圖像中，不同的層具有不同的視覺特徵（耗盡層除外）：

• 硅基底是無紋理的灰色

• 鋁金屬具有顆粒狀的特性

• 當它被鈍化層覆蓋時（大部分芯片）會呈現粉紅色

• 當未覆蓋時，如在鍵合焊盤和測試焊盤中，它的顏色更呈灰色

• 小綠點代表金屬和硅之間的接觸

• 擴散區域具有玻璃狀外觀，邊緣周圍有變色

• 多晶硅通常呈淺棕色，但當它穿過擴散區時，就會變成綠色，形成MOSFET柵極——Tada！瞬間晶體管！——控制電流能否在相鄰擴散區之間流動。

率先採用耗盡負載 NMOS 工藝

對於6502來説，能獲得成功的一個關鍵就在於他們率先採用了耗盡負載 NMOS 工藝（「常規」增強型 N 溝道 MOSFET 用作下拉開關；耗盡型N 溝道 MOSFET 用作負載，其柵極和源極連接在一起用作電流源），從而搶在摩托羅拉之前實現量產，這使設計團隊能夠在更小的芯片尺寸內實現更高的性能。

6502 的設計大部分是用紙筆完成的，佈局部分也藉助了計算機輔助。佩德爾是項目負責人，專注於商業方面；他還與Rod Orgill和Wil Mathys合作開發了指令集架構——基本上是程序員對芯片工作原理的抽象模型，包括各種操作碼。

爲了將其簡化為可行的電路設計，6502 團隊必須提出一個包含指令解碼器、算術/邏輯單元 (ALU)、寄存器和數據路徑的數字設計（以寄存器為中心的高級設計），這些設計可以使用由 NMOS 晶體管和耗盡負載組成的獨立門來實現（低級電路設計）。Peddle、Orgill、Mathys 和 Mensch 設計了寄存器結構和高級設計的其他部分，其中 Mathys 將每條指令的數據傳輸序列轉換為狀態圖和邏輯方程。Mensch 和 Orgill 完成了將以寄存器為中心的設計從邏輯方程轉換為電路原理圖（技術上稱為「650X-C 微處理器邏輯圖」）的工作，其中包含 NMOS 晶體管和耗盡負載，並標註了尺寸，而 Wil Mathys 則負責驗證邏輯。

Mensch 將 Orgill 和他自己描述為「半導體工程師」，負責將邏輯方程式簡化為集成電路 (IC) 中的晶體管級實現，以確保其滿足速度、尺寸、接口兼容性和功率規格。Orgill 的專長在於高級架構，為 ISA 做出了貢獻，「專注於邏輯設計和最小化」，而 Mensch 則偏愛低級細節。Mensch 制定了設計規則，對芯片的各個部分進行了電路仿真（在 MOS 技術公司 1975 年可用的計算設施下，每次只能模擬 100 個左右的組件），並設計了兩相時鍾發生器，這將成為 6501 和 6502 之間的區別因素。（6501 和 6502 共享除金屬層之外的所有掩模，金屬層有兩個略有不同的版本：6501 將兩相時鍾發生器斷開連接，以便與摩托羅拉 6800 引腳兼容，而 6502 連接了時鍾發生器電路，從而破壞了引腳兼容性。1976 年，MOS 技術公司同意停止生產 6501，作為與摩托羅拉達成法律和解的條件。

Orgill 和 Mensch 用可擦除的塑料鉛筆在聚酯薄膜上繪製了原理圖。這是原理圖的一部分，顯示了 ALU 的一部分；每條虛線圍繞着 ALU 的一位。

原理圖也可作為粗略佈局，稱為平面佈置圖，顯示高級佈局，原理圖上的各個門大致按照 Mensch 認為它們應該在芯片上的位置排列。 Bawcom、Holt和 Janes 是 6502 芯片組的掩模設計師，他們負責電路設計和佈局，並將它們實現為單獨的晶體管或電阻器，由在 Stabilene 聚酯薄膜的各個層上繪製的矩形特徵製成。

取得成功背后的創新

但摩托羅拉和 MOS 科技的早期微處理器設計纔剛剛開始擺脫純手工的束縛。這時，計算機輔助技術開始發揮作用：對於 6502，MOS 的某個人使用Calma GDS 工作站和數字化儀捕獲了 Stabilene 膠片上的每個單元。（Bawcom 將此人稱為「Calma 操作員」，但表示他「沒有在 MOS 科技親眼目睹這一過程」。）在可能的情況下，Calma 工作站被用來複制設計中可以重複的單元。

Micralign 投影對準系統是 6502 團隊取得成功的眾多原因之一，因為它提高了良率。（記住：芯片尺寸和良率至關重要！）摩托羅拉的 NMOS 工藝良率很低，這給他們帶來了成本劣勢。Mensch 説，當時摩托羅拉的工藝工程主管 Ed Armstrong 留起了胡子，等到能夠在一塊晶圓上生產出 10 個合格芯片時才刮掉。 MOS 團隊的良率遠高於摩托羅拉，部分原因是使用了投影掩模系統：上一代光刻系統使用接觸掩模，會接觸晶圓，耐用性有限。摩托羅拉曾在 6800 中使用過接觸掩模。

6502 良率更高的第二個原因是 MOS 技術所稱的「spot-knocking」 ，本質上是對掩模中的點缺陷的修飾。

良率更高的第三個原因是 Mensch 的設計規則——對晶體管尺寸和特徵間距的限制——這些規則比較保守，對工藝變化的容忍度更高。這是他在摩托羅拉工作期間自學的技巧，同時也讓他了解到在該公司什麼可以實現，什麼不可能實現。

1971年，Mensch 在摩托羅拉的第一年，在四個不同的部門輪崗：應用部門、電路設計部門、工藝設計和市場營銷部門。在市場營銷部門，他的主管迪克·加洛韋（Dick Galloway）要求他為IBM整理一份內存芯片的報價單，報價將持續七年，價格會隨着時間的推移而降低——這是一份相當複雜的文件，包含大量必須準確輸入的數字。因此，他決定，與其讓祕書打印出來，費力地查找和糾正錯誤，不如在摩托羅拉大型計算機上編寫一個FORTRAN程序，接收參數，將數字代入公式中，然后用熱敏打印機在終端上打印出報價單，然后再將其複印到更好的紙張上。市場營銷人員問他是怎麼做到的，當他告訴他們之后，加洛韋説：「比爾，我們想讓你去設計組工作。」「為什麼？」「他們的芯片都壞了。我們想讓你去那里工作。我想如果你在那里工作，芯片就會恢復正常。」

作為 IC 設計小組中一位經驗不足的新工程師，Bill Mensch 的上任涉及很多其他工程師稱之為苦差事的工作。其中一些工作是研究摩托羅拉在各種 MOS 工藝中的標準單元庫，以及用於存儲器和微控制器設計的過程控制監視器。

過程控制監視器 (PCM) 是一組特殊的測試結構，用於測量晶體管、電阻器、電容器和反相器等基本電路元件的參數——不僅可以確保製造過程按預期運行並檢查統計變化，還可以為模擬目的描述這些元件的特性。

如今，通常將這些測試結構放置在 IC 之間的劃線中，因為它們可以非常小，但在早期的 IC 設計中，PCM 位於晶圓上的幾個位置代替產品，通常形成由五個 PCM 組成的加號圖案。

Ray Hirt 設計了 MOS 6502 的 PCM ；此處展示的 Rockwell PCM 幾乎可以肯定不是 Hirt 在 1974-1975 年設計的，但總體概念是相同的。Rockwell R6502 有兩種不同的類型，其中一種類型的三個位於晶圓的中間排，另一種類型的兩個位於晶圓的頂部和底部。

一顆高舉高打的芯片

與摩托羅拉不同的是，MOS Technology在開發低成本、最先進的微處理器方面沒有任何障礙，也不需要擔心其他設計團隊或客户是否需要避免利益衝突。

從「叛逆者」們第一天被派往賓夕法尼亞州的 MOS 公司領工資開始——1974 年 8 月 19 日，他們從笨重的厚皮動物手中解放出來，滿懷成功的鬥志——到 MCS 6502 芯片投入生產、準備銷售，只用了一年多的時間。

6502 的目標是在基於微處理器的控制系統市場上與英特爾 4040進行價格競爭，但在技術規格上卻擊敗了它：4040 是一個 4 位處理器，最大時鍾頻率較慢，需要 15V 電源。

1975 年夏天，MOS Technology公司正準備在 9 月於舊金山舉行的 WESCON 75 上進行產品介紹，併發布了以 6501 為重點的廣告：

故事在這里發生了傳奇性的轉折。史蒂夫·沃茲尼亞克一直在圍繞摩托羅拉 6800 設計 Apple I，但他看到了 MOS 科技的廣告，意識到他可以獲得更優惠的價格，於是他去了 WESCON，從佩德爾那里買了幾塊芯片。佩德爾將這些芯片放在附近一家酒店的套房里的一個罐子里賣，因為 WESCON 不允許他們在會上出售產品。6502 很快就出現在 Apple I 的設計中。1976 年只生產了 200 台 Apple I 電腦，但到那時，沃茲尼亞克已經在考慮1977 年推出的Apple II，這款產品將像火箭一樣迅速騰飛，並轟動地開始使用 6502 個人電腦。

6501/6502 在印刷版和 Wescon 上的推出取得了成功。媒體報道引起了摩托羅拉的注意，引發了定價調整和訴訟。1975 年 10 月，摩托羅拉將單個 6800 微處理器的價格從 175 美元降至 69 美元 。300 美元的系統設計套件降至 150 美元 ，現在配有印刷電路板。1975 年 11 月 3 日，摩托羅拉向聯邦法院尋求禁令，阻止 MOS Technology 製造和銷售微處理器產品。他們還提起訴訟，聲稱侵犯專利權和盜用商業祕密。摩托羅拉聲稱，七名前員工加入 MOS Technology 創建該公司的微處理器產品。

摩托羅拉是一家價值數十億美元的公司，擁有合理的案件和昂貴的律師。1974 年 10 月 30 日，摩托羅拉就微處理器系列提交了多項專利申請，並獲得了 25 項專利。第一次是在 1976 年 6 月，第二次是在 1976 年 7 月 6 日給 Bill Mensch，用於 6820 PIA 芯片佈局。這些專利涵蓋了 6800 總線以及外圍芯片如何與微處理器連接。

摩托羅拉於 1950 年開始製造晶體管，並擁有一系列半導體專利。Allen-Bradley 決定不打這個官司，並將他們在 MOS Technology 的權益賣回給創始人。訴訟中提到了四名前摩托羅拉工程師：Chuck Peddle, Will Mathys, Bill Mensch和Rod Orgill。在 6800 項專利申請中，他們都被命名為發明人。

在發現過程中，摩托羅拉發現一位名叫Mike Janes的工程師無視Peddle的指示，將他的 6800 份設計文件帶到了 MOS Technology 公司。1976 年 3 月，獨立的 MOS Technology 資金耗盡，不得不和解此案。他們同意放棄 6501 處理器，向摩托羅拉支付 200,000 美元 ，並歸還摩托羅拉聲稱是機密的文件。兩家公司都同意交叉許可微處理器專利。同年 5 月，摩托羅拉將單個 6800 微處理器的價格降至 35 美元。到 11 月，Commodore 收購了 MOS Technology。

這個轟轟烈烈的公司，就此結束了獨立征程。

現在回看，6502 的構思故事引人入勝，講述了早期微處理器行業的巨頭們如何着手應對這些新機器。20 世紀 70 年代初期，查克·佩德爾 (Chuck Peddle) 就職於摩托羅拉公司，該公司的 6800 微處理器於 1974 年上市。6800 在當時複雜、昂貴且製造困難，而佩德爾對此的迴應是一款簡單得多的設備，配備了精簡的指令集，他與客户的接觸讓他確信，這正是市場所需要的：6502。

據說摩托羅拉曾正式勒令他停止這個想法，他后來聲稱這相當於放棄了這項技術，以至於他可以聲稱自己擁有這項知識產權。1974年夏天，他和一羣摩托羅拉6800芯片的同事一起跳槽到MOS技術公司繼續進行這項設計。最初推出的是6501芯片，一款與6800引腳兼容的芯片；不久之后，6502芯片也問世了，兩者核心相同，但內置了時鍾振盪器。

如果你是 20 世紀 80 年代初那一小羣真正使用家用電腦而非僅僅玩遊戲的極客，那麼你很可能是有史以來唯一一代在處理器架構上比別人更勝一籌的人。我們這些擁有 Sinclair Z80 處理器的人會提到更高的時鍾速度，而 Commodore 用户則會談論 6502 的流水線架構和更小的指令集。

事后看來，幾十年過去了，他們的説法確實有道理，而這一點是 Z80 能夠在極短時間內在兩組寄存器之間切換的能力無法彌補的。6502 速度很快，製造工藝可靠，而且由於 MOS Technology 以出奇合理的價格將其出售給所有用户，而不是侷限於高價工業客户，因此它或其眾多衍生產品自然而然地成爲了第一代家用電腦和遊戲機的首選。如果你擁有一臺 Acorn、Atari、Commodore、Oric 或 Apple 的 8 位電腦，你就會擁有一臺；如果你擁有一臺任天堂遊戲機，你也會加入 6502 俱樂部。

總而言之，這是一顆值得紀念的芯片。