К началу 1970-х годов маски ПЗУ стали узким местом. Каждый раз, когда менялась прошивка, разработчикам приходилось ждать новых литографических масок, что приводило к задержкам и удорожанию. Intel 1702, представленный в 1971 году, стал настоящим прорывом, представив первую стираемую программируемую постоянную память (EPROM) на основе транзисторов с плавающим затвором, которые можно было сбросить ультрафиолетовым излучением. Однако 1702 представлял собой устройство с PMOS-структурой, медленно считывалось, было сложно программировать и плохо подходило для развивающегося мира быстрых NMOS-микропроцессоров, таких как 8080
Ситуация изменилась с появлением Intel 2708, первой NMOS-памяти с ППЗУ, предназначенной для передачи данных побайтового типа непосредственно в 8-битные микрокомпьютеры. Представленная около 1975 года, микросхема 2708 имела ёмкость 8 килобит (1 КБ) в керамическом 24-контактном DIP-корпусе и могла программироваться электронным способом, а затем стираться оптически с помощью ультрафиолетового излучения. Она стала первой микросхемой с ППЗУ, достаточно практичной для того, чтобы как любители, так и профессиональные инженеры могли записывать прошивку и устанавливать её непосредственно на плату микропроцессора.
Хотя 2708 представлял собой скачок вперед в функциональности, он предъявлял и серьезные электрические требования. В эпоху, когда большинство систем ТТЛ и NMOS работали от простой шины +5 В, 2708 требовал трех вещей:
+5 В (VCC) для стандартных логических операций; +12 В (VDD) для смещения массива EPROM; –5 В (VBB) для смещения подложки. А для программирования требовался импульс ~25–26 В (VPP) на программном выводе со строгими требованиями к синхронизации для сигналов адреса, данных и включения кристалла.
Эти ограничения делали поддержку 2708 довольно сложной. Микрокомпьютерные системы, такие как основанные на Intel 8080 или Motorola 6800, часто требовали специальных источников питания или адаптерных плат только для надежной работы EPROM. Во время программирования инженерам приходилось подавать высоковольтный импульс точно заданной длительности. Слишком короткий — и бит не защелкивался; Слишком долго плавающий затвор мог перезарядиться или выйти из строя.
Тем не менее, конструкция 2708 имела важные преимущества по сравнению с более ранними СППЗУ, такими как 1702. В нём использовались МОП-транзисторы с лавинной инжекцией и плавающим затвором (FAMOS), которые обеспечивали более быстрое чтение (~450 нс) и более тесную интеграцию, чем ячейки PMOS. Его организация 1024 x 8 соответствовала естественной разрядности слова 8-битных микропроцессоров, что упрощало реализацию хранения прошивки и ввода-вывода с отображением в памяти.
Внутри EPROM
2708, как и все СППЗУ, был построен на основе концепции МОП-транзистора с плавающим затвором. В отличие от обычных МОП-транзисторов, имеющих один вывод затвора, управляющий проводимостью, структура FAMOS имеет встроенный второй, электрически изолированный затвор, расположенный под управляющим затвором.
Во время программирования высоковольтный импульс заставляет электроны туннелировать через оксидный слой затвора и захватываться плавающим затвором. Этот захваченный заряд изменяет пороговое напряжение транзистора, фактически сохраняя цифровой сигнал «0» или «1» в зависимости от его наличия.
Поскольку плавающий затвор изолирован, заряд сохраняется годами, если его намеренно не удалить. Именно здесь и появляется кварцевое окно в верхней части корпуса 2708. При воздействии на кристалл ультрафиолетового света с длиной волны 253,7 нм захваченные электроны получают достаточно энергии, чтобы вырваться из оксида затвора и разрядиться обратно в состояние равновесия. После стирания чип можно было перепрограммировать.
Этот механизм делал EPROM гибкими и многоразовыми, хотя и с некоторыми особенностями. Стирание осуществлялось по принципу «всё или ничего»; нельзя было захватить отдельные биты или байты. Время стирания было длительным, обычно от 10 до 30 минут под УФ-лампой, с напоминанием дать чипу «отдохнуть» перед перепрограммированием.
Тем не менее, это сочетание электронного программирования и оптического стирания давало 2708 беспрецедентные возможности: теперь прошивку можно было менять в полевых условиях, дорабатывать в процессе разработки или использовать совместно между системами без переделки кремния.
Важное переходное устройство
Микросхема 2708 выпускалась недолго, но впервые предложила энергонезависимую, электрически программируемую, побайтовую память в формате, который проектировщики систем могли реально использовать для создания схем. Она быстро стала предпочтительным носителем прошивки для ранних компьютеров S-100, одноплатных комплектов и встраиваемых контроллеров.
Тем не менее, требование трёх напряжений питания постоянно вызывало инженерное разочарование. По мере того, как системное напряжение стандартизировалось на уровне +5 В, рынок требовал более простых схем питания. Всего через пару лет Intel и другие компании начали выпускать её преемников, таких как 2716, в котором ёмкость была удвоена до 2 КБ и были устранены линии –5 В и +12 В для операций чтения, что позволило использовать только одно напряжение +5 В в обычном режиме, а напряжение +25 В оставалось только для программирования.
Эти новые EPROM практически в одночасье сделали 2708 устаревшим. Были разработаны адаптеры для преобразования сокетов 2708 в 2716, и программисты отказались от поддержки старых трёхканальных компонентов.
Тем не менее, его наследие неоспоримо. 2708 показал, какими могут быть прошивки, когда разработчики не были заперты в ПЗУ с масками или громоздких диодных матрицах. Он предоставил перепрограммируемую память в руки инженеров, преподавателей и любителей и задал стандарты расположения выводов и корпусирования, которым EPROM следовали десятилетиями.