Waffer scale integration a Sinclair

Nejlepší světová věda se tehdy prostě dělala v britské Cambridgi a to by bylo, aby Sinclair nebyl u toho.

Doba 80. let pro Cambridge představovala období, kdy se univerzitní akademické projekty a studentské nápady prostě dostávaly do praxe. Na práci studentů byl založen operační systém počítačů od Acornu a vůbec všechny úspěchy počítačů této firmy. Z akademického prostředí vyšla tvorba procesoru ARM, který přešlapujícímu a nedůvěřivému počítačovému průmyslu ukázal, že RISC opravdu může fungovat a může fungovat i dobře.

Pokud se měl k podobnému projektu připojit někdo další, pak největší šance měl Clive Marles Sinclair.
Excentrický vynálezce oplýval netradičními nápady nejen technickými, ale i manažerskými.

Jako jeden z prvních se začal zabývat konstrukcemi s tranzistory, ale nejen to – on se stal jedním z největších prodejců tranzistorů. Jak to?
Když zjistil, že publikací svých konstrukcí zaujal (Sinclairovi vyšly během prvních let jeho činnosti desítky knížek!), rozhodl se poskytovat zájemcům potřebné součástky zásilkovou službou.
Tehdejší výroba tranzistorů byla ovšem zatížena poměrně velkou zmetkovitostí, spousta tranzistorů neprošla testy kvality a proto tranzistory, které šly z výroby do prodeje, byly drahé.
Sinclair proto využil dvou ne zcela zřejmých věcí.
První, která se u něj opakovala několikrát, byl nákup v ohromném množství, aby získal množstevní slevy a mohl pak prodávat levněji, než obchodníci. Navíc velkými objednávkami budil dojem velké a solidní firmy. Ti, kdo znali Sinclairovy začátky, říkali, že Clive se musí buď rychle položit, nebo velmi výrazně uspět. A my dnes víme, že většinou mu vycházelo to druhé.
Tranzistory začal nakupovat hned po statisících a brzy po miliónech, za takovou objednávkou by nikdo nečekal firmu skládající se zhruba z jednoho člověka.

Zadruhé, Sinclair jako člověk pracující s tranzistory musel vědět, že konstruované zařízení má určitou toleranci, co se vlastností tranzistorů týče, a ne vždy musí tranzistor splňovat kriteria stanovená výrobcem.
Jak ale mezi zmetky poznat tranzistor, který je ještě vyhovující a který už ne?
Sinclair vypracovat metodu a testovací zařízení, na kterém si charakteristiky tranzistorů sám ověřoval.
Pak už zbývalo jen objednat obrovskou zásilku zmetků z výroby. Získal tak statisíce tranzistorů za babku.
Stačilo je pak jen proměřovat, rozdělit do několika kategorií podle kvantifikace charakteristik, a podle příslušné toleranční kategorie je pak rozesílat zájemcům o elektronické stavebnice.
Sinclairův odběr tranzistorů byl tak velký, že podle jednoho z inženýrů zaměstnaných u britského výrobce tranzistorů v obdobích  malého zájmu o tranzistory býval Sinclair i jediným odběratelem a jen díky výrobě “zmetků” pro něj měli jistotu odbytu a zaměstnání.

Motiv odběru zmetků pak můžeme znovu najít třeba u ZX Spectra, kde Sinclair vykupoval vadné paměti RAM a montoval je do počítačů.
Trik spočíval v tom, že u většiny čipů byla chyba jen v jedné polovině paměťového prostoru čipu a druhá polovina zůstávala intaktní. Opět stačilo jen rozdělit čipy do skupin podle toho, která polovina byla ta funkční, a takto “zachráněnou” polovinu celkové kapacity čipu používat.

Objevil se však další způsob snižování výrobních nákladů.
Jak známo, čipy se vyrábějí z křemíku. Na křemíkovou placičku odkrojenou z křemíkového válce se (v tehdejší době fotocestou) nanesou matice jednotlivých čipů. Samozřejmě, i při pečlivém dodržování technologických postupů, existuje určitá zmetkovitost a část čipů na placičce bývá proto nefunkční.
Placička, zvaná waffer, se pak rozkrájí na kostičky jednotlivých čipů, které se pak vsazují do pouzder, testují, a ty nefunkční se zahazují.
Cena celého wafferu proti hotovým zapouzdřeným čipům  je ovšem setinová.

 Existovaly proto pokusy ušetřit náklady za rozdělování wafferu na jednotlivé čipy, ušetřit za pouzdra, a ušetřit za testování tím, že by se waffer použil jako funkční celek s vynecháním nefunkčních čipových částí.
Většinou troskotaly na tom, že vyžadovaly složitá propojení jednotlivých částí nebo velmi mnoho vývodů, aby bylo možné jednotlivé části testovat (jako bylo řešení Gene Ahmdala a Trilogy Systems, kde 2.5″ waffer měl 1200 vývodů).

Sinclair se už v roce 1983, když chystal Sinclair QL, spojil s technikem jménem Ivor Catt, který vycházel z myšlenky vzdáleně ne nepodobné technologii transputerů a přišel s něčím, co se jmenovalo Cattova spirála.

Jednotlivé prvky na wafferu měly mít schopnost provádět testování sebe sama a být schopny komunikovat se čtyřmi svými sousedy. Princip Cattovy spirály spočívá v tom, že po komunikační lince s prvním krajním prvkem (a za předpokladu, že jsou prvky stejné a rovnocenné, to může být libovolný krajní prvek) provedeme jeho otestování, a pokud je funkční, pokusí se spojit se svým sousedem.
Pokud se spojení podaří, po stejné lince (skrz už otestovaný provek) otestujeme i tohoto jeho souseda.
Pokud ke spojení nedojde (pro nefunkčnost souseda nebo proto, že už byl otestován, byl funkční a zapojil se), nebo je soused vyhodnocen jako nefunkční, vyzkouší se spojení s dalším z jeho sousedů.
Postupně tak vzniká jednorozměrné pole, řetězec, vzájemně propojených prvků, kde po společné lince lze komunikovat s kterýmkoliv z nich.
Místo mnoha vývodů tak stačí teoreticky dvoudrátová komunikační linka.
Navazování spojení se ukončí ve chvíli, kdy prvek nedokáže najít dosud neotestovaného funkčního souseda.
Cattova spirála obvykle pokrývá plochu wafferu odpovídající podílu zdravých prvků. Neúspěch nebo snížení pokrytí plochy wafferu je možné zaznamenat v praxi jen když se při vytváření spirály příliš brzy narazí na prvek, který má rozbité všechny tři otestovatelné sousedy, nebo když je nefunkční sám vstupní prvek.

Teorie je hezká, ale byla zpočátku provázena skepsí – velcí průmysloví hráči neuspěli, jako Trilogic s investicemi 240 milionů dolarů, tak proč by měl být Catt se Sinclairem a odhadovanou investicí 50 milionů liber úspěšnější?
Sinclair ale s podporou výrobců paměťových čipů (jako Fujitsu) spoluzaložil firmu Anamartic a začal pracovat na prototypech.
Aby demonstroval svou důvěru ve výsledek, oznámil půlmegovou RAM pro Sinclair QL realizovanou pomocí waffer scale integration (větší paměťové rozšíření nebylo na QL oficiálně podporováno, i když je s využitím různých triků možné) a dokonce začal připravovat celý počítačový systém na wafferech založený.
Údajně jim bylo jasné, že využití wafferu jako RAM nebude dlouhodobě výhodné a bude potřeba na waffery přenést i jiné funkce. Podle Catta sázel Sinclair i na to, že tehdejší harddisky byly předražené a že bude mít čas přijít na trh se SSD disky dřív, než cena harddisků poklesne.

V roce 1985 ovšem dochází ke krizi mikropočítačů. Ceny padají dolů, mnoho výrobců osmibitů to balí. Acorn se zachraňuje vývojem procesoru ARM, Atari a Amiga přechází úspěšně na mnohobity.
Cena pamětí na trhu klesá pod výrobní cenu.
Navíc se Hitachi daří vylepšením technologie přejít na výrobu klasických pměťových čipů s větší kapacitou.
Takže, ve výsledku akutní potřeba uspokojit poptávku po větší paměti a větší kapacitě výpočetní poklesá, waffery se přesouvají mimo oblast aktuálního zájmu.

Anamartic to ale nezabalil úplně a nezpochybnitelně v roce 1989 vyráběl solid state disky (opravdu fungující jako dnešní SSD) se SCSI rozhraním kapacit 80, 160 a 240 MB, založené na wafferech po 40 MB.

Údajně při tom stále používali technologii původní Cattovy spirály, i když sám Catt mezitím rozpracovat princip tak, aby bylo možné použít rozvětvenější strukturu vícerozměrného pole (Cattův kernel). Catt navrhnul i wafferový “Kernel Machine” s miliónem procesorů a výkonem jednoho teraflopu, který ovšem realizován nebyl.
U Fujitsu ještě původní technologií vytvořili waffer složený z procesorů SPARC s pamětí, podle dostupných pramenů s odpovídajícím navýšením výkonu.