Escalonamento de cristal: como a Intel reduziu a escala do processador 8086

Há 42 anos, em 8 de junho de 1978, surgiram os revolucionários microprocessadores Intel 8086. Em homenagem a isso, estudei os cristais 8086. Encontrei dois cristais 8086 de tamanhos diferentes e eles mostram como funciona o dimensionamento do cristal. O conceito de dimensionamento da matriz é que, à medida que a tecnologia é aprimorada, os fabricantes podem diminuir o tamanho da matriz de silício, reduzindo custos e aumentando o desempenho. No entanto, não se trata apenas de dimensionar todo o cristal. Embora todos os circuitos internos possam ser reduzidos, as características externas não são facilmente reduzidas. Por exemplo, as almofadas de solda devem ser dimensionadas para acomodar condutores e as trilhas de distribuição de energia devem ser grandes o suficiente para transportar a corrente necessária.Como resultado, a Intel redimensionou o interior do 8086 sem alterações e redesenhou os circuitos e almofadas ao longo das bordas do chip.



Vale ressaltar que as estruturas MOS ainda funcionam, sendo bastante reduzidas, enquanto a maioria das coisas não pode ser reduzida simplesmente assim. Por exemplo, você não pode dimensionar um motor 10 vezes e esperar que ele funcione. A maioria dos objetos físicos sofre com a lei do cubo quadrado : a área de um objeto cresce como um quadrado de tamanho linear e seu volume cresce como um cubo. No entanto, no caso de estruturas MOS, a maioria dos componentes durante o dimensionamento permanecem inalterados ou melhoram (por exemplo, frequência e consumo de energia). Para obter mais detalhes sobre dimensionamento, consulte o livro de Mead e Conway, Introdução aos Sistemas VLSI.... Ironicamente, o livro de 1978 afirma que o dimensionamento tem uma limitação fundamental de um quarto de mícron (250 nm) no comprimento do canal devido às propriedades físicas da matéria. Essa limitação acabou sendo incrivelmente falha - agora os transistores estão mudando para o tamanho característico de 5 nm, graças a tecnologias como FinFET.



A foto abaixo mostra o chip 8086 de 1979, bem como sua versão com um dado claramente menor de 1986. As tampas de cerâmica foram removidas dos chips para que os cristais possam ser vistos. No 8086 atualizado, os circuitos internos foram reduzidos em 64% em comprimento em comparação com o original, ocupando 40% da área original. O cristal em si não é muito reduzido; ocupa 54% da área original. Carcaça do processador não é alterado, o DIP de 40 pinos, embora frequentemente usado para microprocessadores.



O chip antigo diz '78, '79 na caixa e 1979 no cristal, e o código da data é 7947 (47ª semana de 1979) na parte inferior. 1978 está escrito na caixa do novo chip e 1986 está escrito no cristal, não há código de data. Portanto, deve ser fabricado em 1986 ou um pouco mais tarde. Não está claro por que o novo chip no case tem uma data mais antiga.





Comparação de dois chips 8086. A parte inferior do novo chip tem uma matriz muito menor. O retângulo no canto superior direito é a ROM do firmware.



O 8086 é um dos chips mais influentes já fabricados. Ele marcou o início da arquitetura x86 que ainda domina os computadores desktop e servidores. Ao contrário dos processadores CMOS modernos, o 8086 foi construído com transistores N-MOS como o 6502, Z-80 e outros processadores anteriores. O primeiro chip foi feito com a tecnologia HMOS, como a Intel chamou esse processo. Em 79, a Intel introduziu uma versão avançada dele, o HMOS-II, e em 82, mudou para o HMOS-III, o processo usado para fazer o mais novo dos meus dois chips. Cada versão sucessiva do HMOS diminui o tamanho dos componentes do chip e aumenta a eficiência.



Um MOSFET de canal N é um tipo específico de MOSFET. Sua eficiência é muito melhor do que a estrutura MOS do canal P usada nos primeiros microprocessadores, como o Intel 4004. Os processadores modernos usam os transistores dos canais N e P juntos para reduzir o consumo de energia - isso é chamado de CMOS... As válvulas MOS de canal N requerem um resistor pull-up, que é um transistor. Os transistores de carga de exaustão são um tipo de transistor introduzido em meados dos anos 1970. Transistores desse tipo são mais adequados para o papel de resistores pull-up e não precisam de tensão de alimentação adicional. Finalmente, os MOSFETs originalmente usavam metal para criar portões (a letra M nos MOSFETs). No entanto, no final dos anos 1960, Fairchild desenvolveu polissilício para substituir o metal. Como resultado, os chips são mais eficientes e fáceis de fabricar. Como resultado, do final dos anos 1960 até meados dos anos 1970, várias mudanças radicais ocorreram na produção de estruturas MOS, levando ao sucesso do 6502, Z-80, 8085, 8086 e outros processadores iniciais. Na década de 1980, os processadores CMOS assumiram o controle porque eram mais rápidos e consumiam menos energia.



Estranhamente, o que exatamente o H na sigla HMOS significa não está totalmente claro. Eu não encontrei uma transcrição dessa sigla da Intel. A especificação diz " Processo de fabricação de portas HMOS de canal N avançado da Intel" ou "HMOS é um processo MOS de canal n altamente eficiente." Mais tarde, a Intel descreveu o CHMOS como Complementary High Speed ​​Metal Oxide Semiconductor [semicondutor complementar de óxido metálico de alta velocidade]. A Motorola identificou o HMOS como MOS de alta densidade. Outras fontes o descrevem como um MOS de alta velocidade ou MOS de alta densidade com canais curtos. Intel tem uma patentepara "Processo MOS e dispositivo de alta densidade e alta velocidade", então talvez H signifique "alta densidade" e "alta velocidade".



Curiosamente, a Intel usou 4K RAM estática para desenvolver cada um dos processos HMOS antes de usar o processo para microprocessadores e outros chips. Ela usou um chip de RAM, provavelmente porque tem circuitos muito densos, mas também é relativamente fácil de projetar, já que a mesma célula de memória é repetida continuamente. Depois de desenvolver todas as regras de layout de circuito, ela foi capaz de começar a construir processadores muito mais complexos.





Duas versões do cristal 8086 na mesma escala. Os condutores de entrada são conectados às almofadas localizadas ao redor do perímetro do cristal.



A foto acima mostra duas versões do cristal 8086 na mesma escala. Os dois chips têm o mesmo layout dos componentes internos, embora à primeira vista possam parecer diferentes. O chip à direita no meio tem muitas linhas escuras que o chip da esquerda não tem, mas este é apenas um artefato de tiro. Essas linhas são uma camada de polissilício localizada sob o metal. No lado esquerdo do cristal, todos os condutores estão localizados da mesma forma, só que na foto eles estão bem claros. Acho que o novo chip tem uma camada de metal mais fina, por isso o polissilício é visto melhor.



Escalei fotos de alta resolução dos dois chips para compará-los e descobri que as partes principais dos chips são completamente iguais, exceto por algumas diferenças triviais. A única questão é se houve mudanças no microcódigo. Visto de fora, eles parecem idênticos, mas não os comparei pouco a pouco.



A foto ampliada abaixo mostra cadeias idênticas de dois cristais. Você pode ver a correspondência exata entre os componentes, o que prova que o circuito foi apenas reduzido em tamanho, e não refeito. Na foto, a camada de metal está no topo do chip. A foto da direita mostra algum polissilício.





O mesmo enredo em dois chips diferentes, na mesma escala



Mas ao longo do perímetro dos cristais, as diferenças são significativas. As placas de contato estão mais próximas, especialmente na parte inferior direita. Há duas razões para isso. Em primeiro lugar, as almofadas de contato não podem ser reduzidas significativamente, uma vez que precisam ser conectadas a fios de conexão. Em segundo lugar, as trilhas de distribuição de energia são alargadas nas bordas para manter a corrente necessária. Por exemplo, observe o canto inferior direito da foto, à direita do microcódigo RAM. Em particular, isso é feito porque os rastreamentos de energia no meio do circuito são reduzidos junto com todo o resto, de modo que os rastreamentos externos precisam compensar essas perdas. Além disso, a camada de metal mais fina no novo chip não pode suportar a mesma corrente, a menos que seja expandida.





Placa de contato e transistores relacionados no chip antigo (à esquerda) e no novo (à direita). O "6" na data do copyright tem uma parte superior anormalmente plana - parece que o "5" mudou para "6".



A foto acima mostra uma almofada com um fio de jumper soldado. Os transistores estão localizados acima do bloco. O local do novo chip é quase do mesmo tamanho, mas os transistores foram reduzidos e reprojetados. Observe os condutores de metal muito mais grossos no novo chip. O logotipo da Intel foi movido da direita para a esquerda, possivelmente porque havia espaço livre.

Vamos dar uma olhada mais de perto nos cristais

Primeiro, um pouco da história da produção de MOSs de canal n usados ​​no 8086 e em outros chips daquela época. Esses chips consistiam em um substrato de silício ao qual impurezas de arsênio ou boro eram adicionadas para formar os transistores. A camada de polissilício no topo cria portas para os transistores e torna possível conectar componentes com condutores. Finalmente, uma camada de metal no topo une todos os componentes.



O processo de fabricação de semicondutores (por exemplo, HMOS-III) tem certas regras para o tamanho mínimo e distância entre componentes - silício, polissilício e camadas de metal. Se você der uma olhada nos chips, verá como esses parâmetros diferiam para o HMOS I e o HMOS III. A placa (retirada da Tecnologia HMOS III) resumiu as características de vários processos HMOS. Com cada versão, o tamanho da característica diminuiu e o desempenho aumentou. Ao mudar do HMOS-II para o HMOS-III, a Intel obteve uma melhoria de desempenho de 40%.







A foto abaixo, tirada com um microscópio, mostra o complexo arranjo dos transistores no antigo chip 8086. As áreas escuras são silício com impurezas, os retângulos claros são portas de transistores. A foto mostra cerca de 21 transistores. A dimensão principal é o comprimento do canal, o comprimento da válvula da fonte ao dreno (este é o lado menor dos retângulos de luz). Para estes, medi um comprimento de 3 µm, o que está de acordo com as especificações publicadas do HMOS I. Isso sugere que o chip foi fabricado usando o processo de 3 µm; para comparação, hoje os processadores estão mudando para 5 nm, que é 600 vezes menor.



Você deve ter notado que os três transistores na foto têm portas muito maiores. Esses transistores operam como resistores pull-up, o que é típico do NMOS. Aumentar seu tamanho enfraquece o transistor, então a corrente pull-up é fraca.





8086. . – , .



A foto abaixo mostra os transistores do 8086 mais recente na mesma escala; você pode ver que os transistores já são muito menores. As dimensões lineares são 64% do original, portanto os transistores ocupam 40% da área em comparação com os anteriores. Eu processei este cristal de forma diferente, então polissilício permaneceu nele - essas são linhas amareladas. O silício com impurezas parece rosado e é menos visível do que na foto anterior. Eu determinei que o comprimento da válvula era de 1,9 mícron, que é 64% dos 3 mícrons anteriores. Observe que o HMOS-III mantém um comprimento de canal significativamente menor de 1,5 µm; no entanto, como tudo é reduzido pelo mesmo número de vezes, o comprimento do canal é maior do que o necessário. Isso mostra que uma diminuição uniforme leva à perda de certas vantagens do novo processo, mas isso é muito mais fácil de fazer.do que projetar um novo chip do zero.





Os transistores no novo chip 8086. Existem muitos fios de passagem entre o silício ou polissilício e a camada de metal (removida aqui).



Também estudei o passo entre os pneus na camada de metal. A foto abaixo mostra os condutores metálicos horizontais e verticais do chip antigo. Eu determinei o passo dos pneus de metal em 11 mícrons, que coincide com as características publicadas do HMOS I. Reduzindo para 64% dá uma etapa de 7 mícrons no novo chip, embora o processo HMOS III também suporte 6,4 mícrons. Como antes, o mesmo fator de redução impede que você aproveite todos os benefícios do novo processo.





A camada de metal do antigo chip 8086. Condutores de polissilício avermelhados são visíveis sob o metal.



Por fim, estudei o passo dos condutores de polissilício. A foto abaixo mostra o antigo 8086; o polissilício foi removido e apenas linhas brancas esmaecidas são visíveis. Essas linhas paralelas de polissilício provavelmente formaram um barramento que enviava sinais de uma parte do chip para outra. Para polissilício, medi um passo de 7 mícrons, que corresponde à documentação. Curiosamente, devido às propriedades do HMOS, os condutores de polissilício podem ser compactados mais próximos do que os condutores metálicos. O novo chip tem um pitch de 4,5 mícrons, embora seja possível torná-lo 4 mícrons de tamanho.





Faixas de polissilício no antigo chip 8086

Conclusões.

O dimensionamento do cristal permite aumentar a velocidade do processador e reduzir seu custo, sem perder esforços para projetar do zero. No entanto, uma comparação dos dois chips mostra que dimensionar uma matriz é mais complexo do que simplesmente encolher a matriz inteira. A maior parte do circuito apenas encolhe, mas os pads não encolhem tanto quanto o resto, então eles precisam ser reorganizados. A distribuição de energia também foi alterada e mais condutores de energia foram adicionados ao redor do chip.



Os microprocessadores modernos ainda usam a tecnologia de dimensionamento de cristal. Em 2007, a Intel mudou para um modelo tick-tock, no qual a escala dos chips existentes (tick) alterna com o lançamento de uma nova microarquitetura ("tock").

Veja também:

• " Intel 8086 - o processador que abriu a era "
• " Engenharia reversa do microprocessador Intel 8086 "
• " Olhando dentro do coprocessador Intel 8087 "