Foto ampliada do chip 8086; matriz de silício e fiação visível O
revolucionário microprocessador Intel 8086, lançado em 1978, gerou uma família inteira de processadores x86 que ainda são usados em computadores desktop e servidores hoje. O chip é construído em circuitos digitais, mas também contém circuitos analógicos: geradores de bomba de carga que transformam a fonte de alimentação de 5 V do processador em uma tensão negativa para aumentar o desempenho. Estou fazendo a engenharia reversa de um 8086 com base em uma foto do cristal e, neste post, descrevo o design desses geradores de bomba de carga e como eles funcionam.
A rigor, é claro, todo o chip é feito de componentes analógicos. Como diz o velho ditado, "os computadores digitais são feitos de componentes analógicos". Seu autor é o engenheiro DEC, Don Vonada, e seus aforismos foram publicados na revista Computer Engineering em 1978.
Aforismos de engenharia de Vonada
- Não existe “terra”.
- Os computadores digitais são feitos de componentes analógicos.
- Os protótipos de circuito sempre funcionam.
- Primeiro, as condições temporárias aprovadas são desenvolvidas e, em seguida, as não aprovadas são encontradas.
- Se todos menos um comutam em um grupo de condutor, ele também comuta.
- Se todos os interruptores do grupo de portas, exceto um, forem alternados, ele também alternará.
- Cada picofarad tem sua própria nanogenia.
- Capacitores convertem falhas de tensão em falhas de corrente (lei de conservação de energia).
- – , , .
- .
- – , .
- .
- , .
- 95% . 5% — .
Foto do cristal do microprocessador 8086. À esquerda estão a ALU e os registros. Inferior direito - ROM com microcódigo. O link com a foto abre uma foto maior. Siga este link - a foto original (10.000 × 10.000 px, 24 MB - não cabe no habrastorage).
A foto acima mostra um minúsculo chip 8086 sob um microscópio. Uma camada de metal é visível no topo do chip, sob a qual o silício está escondido. Ao longo da borda externa, você pode ver os fios de solda conectando as almofadas de contato do cristal com 40 contatos externos do chip. Mas, se você olhar de perto, verá que o cristal tem 42 locais. Por que ele precisa de dois extras?
Um circuito integrado é construído em um substrato de silício no qual os transistores são aplicados. Para CIs de alta velocidade, é útil aplicar uma tensão de polarização negativa "ao substrato.“Para isso, muitos chips da década de 1970 possuem um contato externo, que é fornecido com 5 V, mas era inconveniente para os engenheiros usarem uma fonte de alimentação adicional. No final da década de 1970, foram desenvolvidos circuitos para um gerador de bomba de carga diretamente no chip, o que possibilitou a obtenção tensão negativa em vigor. Esses chips usam o conveniente
suprimento único de + 5 V , e todos os engenheiros estão satisfeitos. Há várias vantagens em fornecer tensão de polarização negativa. Isso reduz a capacitância parasita, o que torna o chip mais rápido, torna a tensão de limiar dos transistores mais previsível e reduz o vazamento de corrente.
Os primeiros chips de DRAM e microprocessador freqüentemente exigiam três tensões de alimentação: +5 V (Vcc), +12 V (Vdd) e -5 V (Vbb). No final da década de 1970, melhorias na tecnologia de chip possibilitaram o uso de uma única voltagem. Por exemplo, o MK4116 (DRAM de 16K bits da Mostek de 1977) exigia três tensões e o MK4516 (1981) aprimorado operava com um único + 5V, o que simplificou o projeto do circuito. É engraçado que alguns dos chips mais recentes tinham pinos Vbb e Vcc não conectados a nada para compatibilidade com versões anteriores.
Os chips de memória da Intel seguiram um caminho semelhante: DRAM 2116 (16 KB, 1977) usava três voltagens, enquanto o 2118 aprimorado (1979) usava apenas uma. Da mesma forma, o famoso microprocessador Intel 8080 (1974) usava MOSFETs de canal induzido e exigia três tensões para operar. O microprocessador Motorola 6800 (1974) adotou uma abordagem diferente, operando com uma única tensão de alimentação; embora o 6800 tenha sido construído com um transistor antigo, ele não precisava de alimentação externa de + 12V, pois implementou um dobrador de tensão no lugar.
Os dois blocos extras no chip 8086 são necessários para aplicar a tensão de polarização ao substrato. A foto no início do artigo mostra a localização do cristal de silício no chip, com fios de jumper conectando-o à almofada de contato que forma os contatos externos. A foto mostra dois pequenos quadrados cinza acima e abaixo. Cada um deles está conectado a um dos sites "extras". A bomba de carga no chip 8086 gera uma voltagem negativa passando pelos fios de dessoldagem a esses quadrados e, em seguida, pela placa de metal sob o substrato 8086.
Como funciona o Charge Booster
Na foto abaixo, dois geradores de bomba de carga do processador 8086 estão destacados. Vamos considerar o primeiro; o inferior funciona da mesma maneira, é simplesmente organizado de forma diferente para caber no espaço disponível. Cada gerador possui um circuito acionador, um grande capacitor e uma almofada com um fio conectando-o ao substrato. Cada gerador está localizado próximo a uma das duas bases de aterramento do 8086, provavelmente para minimizar o ruído elétrico.
Foto de um chip 8086 com geradores de tensão de polarização superdimensionados
Você pode estar se perguntando como a bomba de carga transforma uma tensão positiva em uma tensão negativa. O truque para usar um capacitor "voador", cujo diagrama está abaixo. À esquerda, o capacitor está carregado com 5 V. Desconecte-o e conecte o lado positivo ao terra. O capacitor ainda tem uma carga de 5 V, portanto, a parte inferior do capacitor deve fornecer -5 V. Ao alternar rapidamente o capacitor entre os dois estados, a bomba de carga gera uma tensão negativa.
A bomba de carga 8086 usa um MOSFET e diodos para alternar o capacitor entre os estados e um gerador para acionar o transistor, conforme mostrado no diagrama abaixo. O gerador de anel consiste em três inversores conectados em um loop (anel). Como o número de inversores é ímpar, o sistema fica instável e oscila. Se tivesse um número par de inversores, seria estável em um de dois estados. Esta técnica é usada nos registradores 8086 - um par de inversores armazena um bit.
Por exemplo, se o primeiro inversor receber 0, ele dará saída 1, a segunda saída será 0 e a terceira saída 1. Isso alterna o primeiro inversor e essa comutação se move em um loop, resultando em oscilações. Para diminuir a velocidade da oscilação, dois circuitos RC são inseridos no anel... Como leva algum tempo para carregar e descarregar o capacitor, a oscilação fica mais lenta, dando tempo para a bomba de carga operar.
Tentei medir a frequência da bomba de carga estudando a corrente do chip em busca de oscilações. Medi a flutuação a 90 MHz, mas suspeito que consegui medir o ruído.
Circuito de um gerador de bomba de carga no Intel 8086, fornecendo tensão de polarização negativa no substrato
As saídas do capacitor vêm para o driver do capacitor do transistor. A primeira etapa liga o transistor superior, que força o capacitor a carregar através do primeiro diodo a 5 V em relação ao terra. Na segunda etapa, toda a mágica acontece. O transistor inferior liga e conecta a parte superior do capacitor ao aterramento. Como o capacitor ainda está carregado com 5 V, a parte inferior deve fornecer -5 V, o que nos dá a tensão negativa que queremos. A corrente flui através do segundo diodo e do fio de solda para o substrato. Quando o oscilador muda novamente, o transistor superior liga e o ciclo se repete. A bomba de carga é assim chamada porque bombeia a carga da saída para o solo. Os diodos são semelhantes às válvulas de isolamento da bomba de água, pois movem a carga na direção certa.
Claro, simplifiquei um pouco o esquema de trabalho. Devido à queda de tensão no transistor, a tensão do substrato será -3 V, não -5 V. Se o chip precisar de uma queda de tensão maior, você pode fazer uma cascata de vários geradores de bomba de carga. Quando falo sobre a direção do gerador, me refiro à direção da corrente. Se você imaginar o bombeamento de elétrons, suponha que os elétrons com carga negativa são bombeados na direção oposta ao substrato.
Implementação em silício
A foto abaixo mostra a implementação do gerador de bomba de carga no chip. A foto acima mostra os condutores de metal, sob os quais existe um polissilício avermelhado. Abaixo está o silicone bege. No centro está o capacitor principal, com condutores em forma de H conectando-o ao circuito à esquerda. Parte do capacitor está oculto sob o amplo caminho de alimentação de metal na parte superior. À direita, o fio do jumper é conectado ao bloco. Há um padrão de teste sob o bloco - um quadrado para cada máscara usada para aplicar a próxima camada ao chip.
Bomba de carga de camada de metal
Após remover a camada de metal, o diagrama se torna mais visível. A metade direita da foto é ocupada por um grande capacitor de bomba de carga. É, claro, microscópico, mas enorme para os padrões de chip - quase comparável a um registrador de 16 bits. O capacitor consiste em polissilício acima do silício com um óxido isolante imprensado entre eles. Polissilício e silício formam as placas do capacitor. À esquerda estão um capacitor menor e resistores que dão ao gerador um atraso RC. Abaixo deles está o circuito do gerador e os transistores.
O gerador é montado com 13 transistores. Sete transistores formam 3 inversores (um transistor tem um inversor adicional para corrente de saída adicional). Dos seis transistores de driver, dois estão aumentando a saída e quatro para baixo. O circuito é estranhamente diferente de um circuito inversor normal porque os requisitos de corrente são diferentes da lógica digital normal.
Componentes principais da bomba de carga 8086. A camada de metal foi removida e as camadas de polissilício e de silício são visíveis.
Uma característica interessante da bomba de carga é que existem dois diodos, cada um com oito transistores espaçados em intervalos regulares. O diagrama abaixo mostra a estrutura do transistor. Um transistor pode ser visto como uma chave que permite que a corrente flua entre suas duas seções, a fonte e o dreno. O transistor é controlado por uma porta feita de um tipo especial de silício, polissilício. Uma alta tensão de porta permite que a corrente flua entre a fonte e o dreno, enquanto uma porta baixa bloqueia a corrente. Esses minúsculos transistores podem ser combinados para formar portas lógicas - componentes de microprocessadores e outros chips digitais. No entanto, neste caso, os transistores são usados como diodos.
A estrutura dos transistores implementada no IC
A foto abaixo mostra uma vista superior do transistor no gerador da bomba de carga. Como no diagrama, o polissilício forma uma porta entre as regiões dopadas com silício em ambos os lados. Um diodo pode ser feito de uma estrutura MOS conectando a porta e drenando através da junção silício / polissilício localizada na parte inferior da foto. O silício também pode ser ligado à camada de metal por meio de contatos. Para esta foto, a camada de metal foi removida, mas os círculos esmaecidos restantes indicam a localização dos contatos diretos.
Um transistor em um circuito gerador de bomba de carga. Uma porta de polissilício separa a fonte e o dreno do transistor.
O diagrama abaixo mostra como dois diodos são montados a partir de 16 transistores. Para suportar uma corrente relativamente grande do gerador da bomba de carga, 8 transistores paralelos são usados em cada diodo. Observe que os transistores vizinhos têm uma fonte e dreno comuns, e é por isso que foram embalados de forma tão compacta. Linhas azuis marcam onde os fios de metal estavam - eles foram removidos para esta foto. As olheiras são lugares onde havia contatos entre o metal e o silício.
A bomba de carga tem dois diodos, cada um feito de 8 transistores. A fonte, o portão e o dreno são identificados pelas letras S, G e D.
Como resultado, as origens dos oito transistores superiores são conectadas ao aterramento por um fio de metal. Suas portas e ralos são conectados por polissilício sob os transistores, como resultado dos quais diodos são obtidos deles. Eles são conectados ao capacitor com um fio de metal. Os oito transistores inferiores formam o segundo diodo. Seus portões e ralos são conectados por um anel de metal inferior. Observe como o layout dos elementos foi otimizado; por exemplo, os calções são dobrados de forma a não tocar nos contatos diretos.
Conclusão
O gerador de tensão de polarização no chip 8086 é uma combinação interessante de um circuito digital (um gerador de anel feito de inversores) e uma bomba de carga analógica. Pode parecer um dispositivo há muito esquecido da história dos computadores na década de 1970, mas na verdade também está presente nos CIs modernos. Em chips modernos, este é um circuito muito mais complexo, cuidadosamente ajustado para fornecer várias tensões de polarização ajustáveis em áreas com fontes de alimentação separadas. Em alguns aspectos, é semelhante à arquitetura x86, que começou nos anos 1970 e se tornou ainda mais popular hoje, mas como parte da constante melhoria na eficiência, sua complexidade cresceu incrivelmente.
Os geradores de polarização são comercializados hoje como ideias proprietárias prontas para uso- você pode comprar um circuito de tal gerador e inseri-lo em seu projeto de chip (ver links 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ). Existe até um padrão de energia IEEE 1801 em que as ferramentas de design de IC podem gerar os circuitos necessários.
O coprocessador matemático Intel 8087 conectado ao 8086 também tem seu próprio gerador de tensão de polarização. Funciona com os mesmos princípios, porém, curiosamente, usa um circuito diferente com 5 inversores.