[Chip Hall of Fame]เรื่องราวของชิปธรรมดาตัวหนึ่ง ที่มีใช้กันในหลายวงจร : Signetics NE555
NE 555 – เป็นไอซีตัวแรกๆ ในชีวิต ที่ผมรู้จักเลยก็ว่าได้ เพราะมันมักจะถูกใช้ในวงจรพื้นฐานมากมาย ชนิดที่มองไปทางไหนก็เจอ จากความสามารถในการสร้างสัญญาณนาฬิกาที่เราสามารถกำหนดความถี่เองได้ มันสามารถสร้างสัญญาณ PWM ง่ายๆ ได้ โดยที่เราสามารถกำหนดอัตราส่วนของสัญญาณ ( Duty Cycle ) จากระดับสัญญาณอนาล็อกได้ และยังมีความสามารถอื่นๆ อีกมากมาย ที่สามารถนำมันไปใช้งานได้ เพราะความหลากหลายในการจัดการกับสัญญาณนาฬิกาของมัน ทำให้นักออกแบบทั้งหน้าใหม่ หน้าเก่า ล้วนเคยใช้มันมาแล้ว วันนี้เป็นเกียรติอย่างยิ่งที่นำเราไปทำความรู้จักกับที่มาที่ไปของมันให้มากขึ้น ในฐานะชิประดับตำนานกันครับ
เรื่องราวนี้เริ่มต้นขึ้นในช่วงฤดูร้อนของปี 1970 ท่ามกลางวิกฤติเศรษฐกิจ นักออกแบบชิป Hans Camenzind ทำงานเป็นที่ปรึกษาให้กับบริษัท Signetics บริษัทผลิตชิปในซิลิคอนแวลลีย์ สภาพย่ำแย่ทางเศรษฐกิจทำให้รายได้ของ Hans Camenzind ที่มีภรรยาและลูกๆ อีก 4 คน มีน้อยกว่า 15,000 USD ต่อปี เขาจำเป็นที่จะต้องสร้างสรรค์อะไรบางอย่างที่เจ๋งๆ ออกมาบ้าง
NE555
และแล้วเขาก็ได้ทำมันออกมา ชิปที่จะมีความสำคัญต่อวงจรมากมายในอนาคต ชิปที่จะทำให้เด็กๆ ได้พบกับความสนุกกับของเล่นของพวกเขา ชิปที่มีส่วนในการพาเราขึ้นสู่ห้วงอวกาศ และมันยังถูกใช้ในอีกหลายๆด้าน ที่มีบทบาทต่อเราอย่างมากมาตลอดจนถึงปัจจุบัน ชิป 555 เป็นชิปที่ใช้งานในฐานะตัวสร้างสัญญาณนาฬิกา หรือกำหนดเวลา ( Timer และ Oscillator )
“มันเกือบจะไม่เกิดขึ้นแล้ว” Hans Camenzind ผู้ออกแบบชิป 555 บอกกับ IEEE Spectrum ไม่นานก่อนที่เขาจะเสียชีวิตในปี 2012
จุดเริ่มต้นของ ชิป 555 มันเกิดขึ้นเมื่อ Hans Camenzind กำลังทำงานกับวงจร Phase-Locked Loops ( PLLs ) ( รายละเอียดของ Phase-Lock Loops ) ซึ่งในการปรับเปลี่ยนบางอย่างทำให้วงจรสามารถทำงานในรูปแบบตัวกำเนิดสัญญาณนาฬิกาแบบง่ายๆได้ เพียงแค่เริ่มด้วยสัญญาณทริกเท่านั้น มันก็จะสามารถทำงานไปหนึ่งช่วงคาบเวลาได้
First IC 555 Timer ‘s Die
ในตอนแรกนั้น แผนกวิศวกรรมของ Signetics ปฏิเสธที่จะพัฒนาชิปตัวนี้ เพราะบริษัทสามารถขายอุปกรณ์ที่ลูกค้านั้นสามารถนำมาประกอบกันเป็น Timers ได้อยู่แล้ว และนั่นก็น่าจะเป็นจุดสิ้นสุดของชิปตัวนี้แล้ว แต่ Camenzind ยังคงยืนยันที่จะเดินต่อ เขาเข้าไปหา Art Fury ผู้จัดการฝ่ายการตลาดของ Signetics และ Fury ก็สนใจมัน
Camenzind ใช้เวลาเกือบ 1 ปี ในการพัฒนาและทดสอบมันบนบอร์ดทดลอง วาดวงจรลงบนแผ่นกระดาษ และตัดแผ่นฟิล์มไวแสง Rubylith ด้วยมือ** ทุกๆ ส่วนของชิปนี้มาจากมือของเขา ไม่มีการใช้ระบบคอมพิวเตอร์ สำหรับการออกแบบ ชิป 555 ที่ประกอบไปด้วย ทรานซิสเตอร์จำนวน 23 ตัว ตัวต้านทาน 16 ตัว และไดโอดอีก 2 ตัว
IC 555 Timer ‘s Internal Circuit
เมื่อชิป 555 ประสบความสำเร็จอย่างงดงามในการทำตลาดเมื่อปี 1971 ต่อมาในปี 1975 Signetics ก็ถูกซื้อกิจการโดย Philips Semiconductors ซึ่งในปัจจุบันคือ NXP มีชิป 555 ถูกจำหน่ายไปแล้วหลายพันล้านตัว ในปัจจุบันมันยังถูกใช้ในงานต่างๆ แม้กระทั่งงานที่ดูจะใช้อะไรไม่ได้แต่ฮิตอย่างไฟวิ่งของ “Knight Rider” แต่นับตั้งแต่ชิปนี้ถูกผลิตเพื่อจำหน่ายครั้งแรกเมื่อปี 1971 Camenzind ก็ไม่ได้ปรับปรุงชิปตัวนี้เพิ่มอีกเลย จนกระทั่งในปี 1997 Camenzind จึงมีการแก้ไขแบบใหม่ ให้ชิป 555 ของเขาสามารถทำงานที่แรงดันไฟขนาด 4.5 โวลต์ได้ และสำหรับผู้ที่ประทับใจกับชิป 555 นี้อย่างหนัก เราสามารถสร้างมันเองด้วยมือเราแบบเท่ๆได้ เพียงทำตามลิงก์นี้เท่านั้นเอง
**ในช่วงยุคปี 1970 นั้น การผลิตชิปยังคงใช้แผ่นฟิล์มไวแสงอย่าง Rubylith ( Ruby มาจากสีแดงของมัน )
ในกระบวนการ Photolithography โดยจะต้องวาดลายของวงจรลงบนแผ่นกระดาษ ซึ่งนิยมใช้กระดาษกราฟ เพื่อความแม่นยำ จากนั้นจึงฉายแสง UV ผ่านกระดาษและเลนส์ เพื่อย่อขนาดของภาพลายวงจรแต่ละชั้นลงไปยังแผ่นซิลิกอนที่ผ่านการโด๊ปสารมาก่อนแล้ว ทีละชั้น จนครบทุกชั้น
ศึกษาเพิ่มเติมตามลิงค์อ้างอิงข้างล่างครับ
อ้างอิง
https://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/chip-hall-of-fame-signetics-ne555
รูป Die IC 555 Timer และ Internal Circuit
https://en.wikipedia.org/wiki/555_timer_IC
กระบวนการอออกแบบ และผลิต IC
http://www.computerhistory.org/revolution/digital-logic/12/287
Photolithography
https://en.wikipedia.org/wiki/Photolithography
http://www.tomshardware.com/reviews/semiconductor-production-101,1590-5.html
**บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของบทความชุด Chip Hall of Fame ซึ่งแปลมากจาก IEEE Spectrum คุณสามารถดูตอนอื่นๆได้ที่หน้ารวมบทความ
[Chip Hall of Fame] ชิปวงจรรวมในตำนาน #เกริ่นนำ หรือ แท็ก Chip Hall of Fame