苹果公司的第一个产品是苹果I计算机，是在46年前，即1976年4月11日推出。这台早期的微型计算机使用了一种不同寻常的存储方式：移位寄存器存储器。数据不是存储在RAM（随机存取存储器）中，而是存储在一个1024位的移位寄存器中。你把一个比特放入移位寄存器，1024个时钟周期后，比特从另一端跳出。在随机存取存储器芯片的早期，移位寄存器存储器比较便宜，所以许多系统都使用它。当然，缺点是你必须在比特可用时使用它们，而不是访问任意的内存位置。
上面的照片显示了显微镜下的芯片。底层的硅是灰色的，上面有白色的金属线。最厚的金属线为芯片提供电源。芯片也有布线和晶体管，由一种叫做多晶硅的硅构成；多晶硅在照片中呈现红色。芯片的大部分被移位寄存器占据，排列成行，来回蜿蜒。芯片边缘的方块是键合垫，键合线将芯片与芯片的外部引脚连接起来。
苹果I的显示屏
苹果I在电视显示器上显示24行40个字符。与当时的大多数计算机一样，苹果I存储的是字符而不是像素，以减少内存需求。一个字符生成ROM在显示时将每个字符转换成5×7的像素矩阵。为了进一步减少内存，显示器不存储全字节，而是存储6位字符，支持大写字母、数字和一些符号。
六位显示字符被保存在六个1024位移位寄存器中。第七个移位寄存器跟踪光标的位置。
下图显示了苹果-1电路板上的移位寄存器和时钟驱动器。这些芯片采用8引脚封装，因此两个芯片可以放入一个普通的TTL芯片的空间。
下图显示了2504移位寄存器芯片在苹果-1原理图上的表现。这些芯片只使用6个引脚。每个芯片都有一个用于输入位的连接和一个用于输出位的连接。其余的引脚提供两个时钟信号和±5伏的电源。与RAM芯片不同，这些芯片不接受地址。
PMOS集成电路
这个移位寄存器芯片是在1970年左右创造的，这是MOS集成电路发展中一个有趣的时期。早期的集成电路使用一种被称为双极的晶体管。然而，金属氧化物半导体（MOS）晶体管有可能制造出更便宜、高密度的集成电路。第一个商用MOS集成电路是一个20位移位寄存器，由一家名为通用微电子的公司在1964年创造。
下图显示了一个MOS晶体管的结构。底部是硅，它被掺入了杂质，形成p型硅。两个导电的p型区域被称为晶体管的源极和漏极。通道作为源极和漏极之间的开关，由上面的金属栅极的电压开启。一层薄薄的绝缘氧化层将金属栅极与底层硅隔开。这三层—金属、氧化物、半导体—是MOS晶体管的名称。在20世纪60年代末，芯片开始使用多晶硅制成的栅极，这是一种特殊类型的硅，比金属栅极产生更好的晶体管。这就是2504移位寄存器使用的技术：”P-MOS硅门工艺”。
然而，到了1970年代中期，集成电路又在两个方面发生了变化。首先，P-MOS晶体管被具有更好性能的N-MOS晶体管所取代。第二，离子注入机的引入使晶体管的特性得以调整，”耗尽模式 “晶体管。
导致了更快、更低功率的电路。这些变化迎来了流行的微处理器时代，如Zilog Z80、MOS技术6502和英特尔8085。这些处理器的性能比早期的PMOS处理器如英特尔8008好得多。当然，6502是苹果-1（和苹果II）的处理器。
移位寄存器
接下来，我将看一下移位寄存器的构造细节。移位寄存器的概念是，比特从一个阶段传到另一个阶段，由时钟脉冲控制。有了1024级，移位寄存器就可以容纳1024个比特。每个移位寄存器阶段使用两个晶体管和两个反相器，如下图所示。在第一个时钟阶段，第一个晶体管打开，允许输入位通过它和第一个反相器。在第二个时钟阶段，第二个晶体管打开，允许反相值通过它和第二个反相器，产生输出。因此，一个比特需要两个时钟相位来移动通过移位寄存器阶段。
在第一个时钟阶段，输入通过第一个晶体管。在第二个时钟阶段，输入被门电容保持，并通过输出。
这个电路是一个动态移位寄存器，由于电路的电容而工作。当第一个晶体管关闭时，数值保持在第一个反相器的输入端，由电路的电容保持。(因为MOSFET的栅极几乎不使用任何电流，所以位值在耗尽之前会保持几毫秒左右。(这与DRAM使用的原理相同，通过电容保持比特。)只要时钟继续运行，比特就会被每级刷新。
每个反相器是用两个MOS晶体管实现的。其概念如下图左侧所示。高电平输入打开晶体管，将输出拉到低电平。低输入关闭晶体管，允许上拉电阻将输出拉高。因此，该电路将其输入倒置。
从概念上讲，变频器使用的是左边的电路。实现时使用的是右边的电路。
如右图所示，该电路实际上是用一个晶体管代替电阻来实现的，因为晶体管比电阻更紧凑。上层晶体管的高电平输入使其导通，导致上拉电流的流动。在一个标准的反相器中，晶体管将被连接为始终处于开启状态。
然而，反相器的输出只在一个时钟阶段使用。为了降低功耗，晶体管被连接到时钟上，所以它只在需要时才作为上拉电流。
模具上的一个移位寄存器阶段
下图显示了移位寄存器级在芯片上的物理结构。图片的第一部分显示了电路在显微镜下的样子，一个由硅、多晶硅和金属电路组成的复杂杂物。在中间，我用绿色强调了掺杂的硅，用红色强调了多晶硅。在多晶硅与硅相交的地方形成了一个晶体管门（黄色），源极和漏极在两侧。(注意多晶硅和晶体管的复杂、优化形状。最后，一个黑点表示一个连接两层的触点。在图片的下半部分，比特被移到了右边，而在上半部分，比特被移到了左边。
在右下方，移位寄存器的一个阶段由底层电路上面的示意图表示。如前所述，该级由六个晶体管实现。请注意，到Vdd的上拉晶体管又长又细，减少了它们的电流。另一方面，通往Vcc的反相晶体管很宽，所以它们提供了大量的电流。图片上半部分的电路是相同的，但旋转了180°。请注意，两排移位寄存器共享时钟相位线和Vdd，使布局更加有效。
芯片的拓扑结构
你可能期望该芯片由1024个移位寄存器级组成，排列成一个链。然而，该芯片有一个不寻常的拓扑结构，允许它以双倍的速度运行：每个时钟阶段一个比特，而不是每个完整的时钟周期一个比特。它通过一个简单的技巧实现了这一点：它实际上是两个并行运行的512位移位寄存器。第一个移位寄存器运行在时钟相位1，相位2，相位1，…，而第二个则相反：相位2，相位1，相位2，…。其结果是，一半产生相位1的比特，而另一半产生相位2的比特。输出电路将这些比特合并成一个单一的输出流。从外观上看，它就像一个1024位的移位寄存器，运行速度是原来的两倍。
另一个复杂的问题是，Signetics公司用相同的硅布局生产了三个1024位移位寄存器芯片：2502（组织为四个256位移位寄存器），2503（512×2），以及苹果-1的2504（1024×1）。不同的芯片是在制造过程中通过改变芯片的金属线路而产生的，这比制造完全不同的芯片要容易得多。为了支持这一点，移位寄存器被分成了8个128位段，如下图所示。在1024×1芯片中，两条由四个128位段组成的链平行运行（在相反的时钟相位上）以产生1024位移位寄存器。第一条链使用浅色的段A、B、C、D，而第二条链使用深色的段。这些段是由沿芯片侧面的金属线连接的。芯片边缘的焊盘上有标签；灰色的焊盘在这个芯片中没有使用。输出引脚上方的大块电路将两条链合并为一个输出。
该芯片的其他变体以不同方式连接移位寄存器段，并使用额外的输入和输出引脚。512×2的2503芯片使用了四条256位的链子以及两个输入和输出电路。2502B芯片使用所有8个128位链并联形成一个256×4的移位寄存器，有四个输入和输出电路。
下面的图片显示了其中一个未连接的输出：红色多晶硅线的一端没有连接。只要对金属层稍作改动，就可以将两段之间的金属线断开，而将这段金属线连接到这个输出端。芯片版本之间的其他变化是类似的。
时钟驱动器
最后，我将简要提及驱动移位寄存器的时钟驱动芯片。由于PMOS电路的原因，移位寄存器芯片需要高电流和不寻常电压的时钟脉冲：从+5伏到-11伏。这些脉冲是由一个特殊的芯片提供的，即DS0025两相MOS时钟驱动器。下面的芯片照片显示了这个芯片。该芯片由四个功率晶体管主导，产生1.5安培的脉冲。如果你想了解更多细节，我写了一篇关于时钟驱动芯片的博文）。
总结
苹果I现在是一个收藏家的物品，板子卖到了几十万美元。然而，当它在1976年推出时，它并不是一台特别重要的计算机，只卖出了大约200台，价格为666.66美元。一年后的1977年推出的苹果II是一台更有影响力的电脑，销售量达数百万，成为那个时代典型的家用电脑之一。苹果II使用RAM芯片进行所有的存储，说明移位寄存器存储器已迅速过时。
移位寄存器芯片说明了内存价格的惊人下降，这一点在摩尔定律中得到了体现。这个1千兆位的移位寄存器的成本约为60美元（按目前的美元计算），而一个16千兆位的DRAM芯片现在的成本约为6美元。因此，现在的存储器大约便宜了1.6亿倍，下降幅度惊人。
文章来源：http://www.righto.com/2022/04/inside-apple-1s-shift-register-memory.html