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NEC µPD7220

µPD7220

Der NEC µPD7220 ist ein Grafikprozessor, der ein Display mit einer Auflösung von bis zu 1024 x 1024 Pixeln mit bis zu 16 Farben bedienen kann. Der µPD7720 war 1982 der weltweit erste Grafikprozessor. Er wurde im Rahmen eines Technologieaustausches mit Intel entwickelt. Intel nahm später den vergleichbaren D82720 in das eigene Portfolio auf. Der µPD7220 war in drei Varianten mit den Taktfrequenzen 4MHz, 5Mhz und 5,5MHz verfügbar. Höchstwahrscheinlich handelt es sich bei den Varianten um Sortierungen, die je nach Fertigungsqualität unterschiedlich schnell betrieben werden konnten.

 

µPD7220 Blockschaltbild

Das Datenblatt zeigt die Computerarchitektur, in die der µPD7220 üblicherweise eingebettet ist.

 

µPD7220 Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält außerdem ein Blockschaltbild des µPD7220. Neben den zu erwartenden Funktionsblöcken wurde auch die Auswertung eines sogenannten Light-Pens integriert. Dabei handelt es sich um einen Stift mit einem integrierten Fototransistor, der auf einen Röhrenbildschirm aufgelegt wird. Passiert der vom Grafikprozessor gesteuerte Elektronenstrahl diesen Punkt, so wird der Fototransistor leitend und der Grafikprozessor kann an das Computersystem zurückmelden, wo der Anwender den Stift platziert hat.

 

µPD7220 Package

Der Deckel scheint auf dem Keramikgehäuse aufgeschweißt worden zu sein, da es sich auch mit hohen Temperaturen nicht entfernen lässt.

 

µPD7220 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 5,3mm x 5,2mm. Laut Datenblatt wurde der µPD7220 mit einem NMOS-Prozess gefertigt.

 

µPD7220 Die IEEE

Im Rahmen der IEEE International Solid-State Circuits Conference 1981 wurde der µPD7220 unter dem Titel "A Single-Chip Graphic Display Controller" vorgestellt. In den zugehörigen Unterlagen findet sich das obige Abbild des µPD7220. Es stimmt oberflächlich betrachtet exakt mit dem Die des µPD7220 überein. In den Konferenzunterlagen wird die Größe des Dies mit 7mm x 7mm angegeben. Der vorliegende µPD7220 ist allerdings nur 5,2mm x 5,3mm groß. Die Seite www.oguchi-rd.com erklärt, dass die ersten Entwicklungsvarianten des Grafikprozessors mit einem 4µm-Prozess gefertigt wurden, während die Serienproduktion mit einem 3µm-Prozess erfolgte (Ablauf der Entwicklung). Das Verhältnis der beiden Prozesse stimmt mit dem Verhältnis der Abmessungen überein. Anscheinend beziehen sich die 7mm x 7mm auf die Entwicklungsvarianten.

Laut den IEEE-Konferenzunterlagen befinden sich mehr als 13.000 Transistoren auf dem Die.

 

µPD7220 Blockschaltbild IEEE

In den IEEE-Konferenzunterlagen ist auch eine Grafik abgebildet, die zeigt an welcher Stelle des Dies welche Funktionsblöcke integriert sind.

 

µPD7220 Die Detail

Das Design stammt aus dem Jahr 1980. Das stimmt mit dem Zeitplan von www.oguchi-rd.com überein.

 

µPD7220 Die Detail

Die Buchstaben GDC stehen vermutlich für "Graphics Display Controller". Auf dem Abbild in den IEEE-Konferenzunterlagen sind diese Buchstaben noch nicht vorhanden.

 

µPD7220 Die Detail

Hier scheinen die verwendeten Masken dargestellt zu sein. Demnach kamen vermutlich sechs Masken zum Einsatz.

 

µPD7220 Die Detail

Neben dem Maskensatz sind die Zahlen 052 abgebildet, was sich nicht weiter zuordnen lässt.

 

µPD7220 Die Detail

An der oberen Kante des Dies finden sich einige Strukturen, über die sich die einzelnen Herstellungsprozesse überwachen lassen.

 

µPD7220 Die Teststrukturen

µPD7220 Die Teststrukturen

Es wurden auch einige Teststrukturen integriert.

 

µPD7220 Die Detail

An der unteren Kante des Dies ist eine Schaltung integriert, die abgesehen von den Versorgungsleitungen mit keinem anderen Schaltungsteil verbunden ist. Rechts und links der Schaltung befinden sich Flächen, die an Testpads erinnern. Einen Großteil der Fläche nimmt ein Kondensator ein. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um einen Bias-Generator, eine Ladungspumpe, die dafür sorgt, dass das Substrat ein negatives Potential annimmt. Dieses negative Potential verbessert die Eigenschaften der integrierten Transistoren. Die kleineren Strukturen im rechten Bereich stellen dann einen Ringoszillator und mehrere Dioden dar. Die Metallfläche, auf der sich das Die befindet sollte das gleiche negative Potential annehmen wie das Substrat. Dort lässt sich allerdings keine Spannung bestimmen. Die Fläche ist niederohmig mit dem Massepotential verbunden.

 

µPD7220 Die Detail

Die Bondpads sind durchnummeriert.

 

µPD7220 Die Detail

Neben dem Eingang für den Arbeitstakt befinden sich sehr große Transistoren, die höchstwahrscheinlich das Taktsignal aufbereiten und puffern.

 

µPD7220 Die Detail

Auf den Takteingang folgen mehrere Ausgänge mit entsprechend großen Strukturen. Die kleineren Strukturen dienen der Ansteuerung der großen Transistoren.

 

µPD7220 Die Detail

Eingänge sind mit den üblichen Schutzstrukturen ausgestattet.

 

µPD7220 Die Speicherbereiche

In der unteren rechten Ecke ist der Parameter-RAM und der FIFO-Puffer deutlich zu erkennen. Der untere FIFO-Puffer ist etwas größer (16x9) als der obere Parameter-RAM (16x8).

Der linke Block stellt den ROM dar, der die Steuerbefehle enthält. Da eine ROM-Zelle sehr viel weniger komplex ist als eine RAM-Zelle, belegt der Steuerungs-ROM trotz seiner Größe von 128x14 nur verhältnismäßig wenig Fläche. Man kann erkennen, dass die tatsächliche Aufteilung des ROMs nicht 128x14 sondern 65x32 ist.

 

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