[Перевод] Масштабирование кристалла: как Intel уменьшала масштаб процессора 8086
8 июня 1978 года исполнилось 42 года с того момента, как первые появились революционные микропроцессоры Intel 8086. В честь этого я изучал кристаллы 8086. Мне попались два кристалла 8086 разного размера, и на их примере видно, как работает масштабирование кристалла. Концепция масштабирования кристалла состоит в том, что с улучшением технологий производители могли уменьшать размер кремниевого кристалла, снижая стоимость и увеличивая быстродействие. Однако тут дело заключается не только в масштабировании кристалла целиком. Хотя все внутренние цепи можно уменьшить, внешние характеристики так легко не уменьшаются. К примеру, площадки для припаивания должны быть определённого размера, чтобы к ним можно было подвести проводники, а дорожки распределения питания должны быть достаточно большими для того, чтобы проводить необходимый ток. В итоге в Intel масштабировали внутреннюю часть 8086 без изменений, а цепи и площадки по краям чипа переделали.
Примечательно, что МОП-структуры всё ещё работают, будучи сильно уменьшенными, в то время, как большинство вещей нельзя просто так уменьшить. К примеру, нельзя масштабировать двигатель в 10 раз и ожидать, что он будет работать. Большинство физических объектов страдают от закона квадрата — куба: площадь объекта растёт как квадрат линейного размера, а объём — как куб. Однако в случае МОП-структур большинство составляющих при масштабировании либо остаётся без изменений, либо улучшается (к примеру, частота и энергопотребление). Больше деталей по масштабированию ищите в книге Мида и Конвея Introduction to VLSI Systems. Забавно, что в книге 1978 года утверждается, что у масштабирования есть фундаментальное ограничение в четверть микрона (250 нм) для длины канала из-за физических свойств материи. Это ограничение оказалось неимоверно ошибочным — сейчас транзисторы переходят на характерный размер 5 нм, благодаря таким технологиям, как FinFET.
На фото ниже показан чип 8086 из 1979 года, а также его версия с явно меньшим по размеру кристаллом от 1986. С чипов сняты керамические крышки, чтобы было видно кристаллы. В обновлённом 8086-м внутренние цепи уменьшили на 64% по длине по сравнению с оригиналом, поэтому он занимает 40% от первоначальной площади. Сам кристалл не очень сильно уменьшен; он занимает 54% от первоначальной площади. Корпус процессора не изменялся, DIP с 40 выводами в то время часто использовали для микропроцессоров.
На старом чипе написано '78, '79 на корпусе и 1979 на кристалле, а снизу проставлен код даты 7947 (47-я неделя 1979 года). На корпусе нового чипа написано 1978, а на кристалле — 1986, кода даты нет. Поэтому он должен быть изготовлен в 1986 или чуть позже. Непонятно, почему у нового чипа на корпусе стоит более старая дата.
Сравнение двух чипов 8086. У нового чипа снизу кристалл значительно меньше. Прямоугольник в правом верхнем углу — это ROM с микрокодом.
8086 — один из наиболее влиятельных чипов из всех, когда-либо созданных. Он положил начало архитектуре х86, которая до сих пор доминирует как в настольных, так и в серверных компьютерах. В отличие от современных КМОП-процессоров, 8086 был построен на N-МОП транзисторах, как 6502, Z-80, и другие первые процессоры. Первый чип сделали по технологии HMOS, как называли этот процесс в Intel. В 79 году Intel представила продвинутую его версию, HMOS-II, а в 82-м перешла на HMOS-III — процесс, использовавшийся при изготовлении более нового из двух моих чипов. Каждая следующая версия HMOS ужимала размер компонентов чипа и повышала эффективность.
N-канальная МОП-структура — это определённый тип МОП-транзистора. Их эффективность значительно превосходит P-канальный МОП-структуру, использовавшийся в ранних микропроцессорах, таких, как Intel 4004. Современные процессоры используют N-канальные и P-канальные транзисторы совместно для понижения энергопотребления — это называется КМОП. Вентилям, созданным из N-канальных МОП, требуется притягивающий резистор, роль которого играет транзистор. Depletion load-транзисторы — это тип транзисторов, представленный в середине 1970-х. Транзисторы этого типа лучше подходят на роль притягивающих резисторов и им не нужно дополнительное напряжение питания. Наконец, МОП-транзисторы изначально использовали металл для создания вентилей (буква М в МОП). Однако в конце 1960-х в Fairchild разработали поликремний, которым можно заменить металл. В итоге эффективность чипов повысилась, а производить их стало проще. В итоге, с конца 1960-х до середины 1970-х в производстве МОП-структур произошло несколько радикальных изменений, приведших к успеху 6502, Z-80, 8085, 8086 и других ранних процессоров. В 1980-е их место заняли КМОП- процессоры, поскольку они работали быстрее, а потребляли меньше энергии.
Странно, но что именно означает буква H в акрониме HMOS, не совсем ясно. Я не нашёл расшифровки этого акронима от Intel. В спецификациях пишут «передовой процесс изготовления кремниевых N-канальных вентилей HMOS от Intel», или говорят » HMOS — это высокоэффективный n-канальный МОП-процесс». Позднее Intel описывала CHMOS как Complementary High Speed Metal Oxide Semiconductor [комплементарный высокоскоростной метал-оксидный полупроводник]. Motorola определила HMOS как High-density MOS [МОП высокой плотности]. В других источниках её описывают, как высокоскоростную МОП или МОП высокой плотности с короткими каналами. У Intel есть патент на «МОП-процесс и устройство высокой плотности и высокой скорости», так что, возможно, H обозначает одновременно и «high density» и «high speed».
Интересно, что Intel использовала статическое ОЗУ на 4К для разработки каждого из HMOS-процессов до того, как начала использовать этот процесс для микропроцессоров и других чипов. Она использовала чип ОЗУ, вероятно, потому, что у него цепи расположены очень плотно, но при этом его относительно легко разрабатывать, поскольку там снова и снова повторяется одна и та же ячейка памяти. Как только она разработала все правила компоновки схем, она смогла начать создание гораздо более сложных процессоров.
Две версии кристалла 8086 в одинаковом масштабе. Входящие проводники соединяются с площадками, расположенными по периметру кристалла.
На фото выше показаны две версии кристалла 8086 в одинаковом масштабе. У двух чипов идентичная схема расположения компонентов внутри, хотя на первый взгляд они могут показаться разными. У чипа справа в середине есть много тёмных линий, которых нет у чипа слева, но это просто артефакт съёмки. Эти линии — слой поликремния, расположенного под металлом. У кристалла слева все проводники расположены точно так же, только на фото они очень бледные. Думаю, что у нового чипа металлический слой тоньше, из-за чего поликремний видно лучше.
Я масштабировал фотографии двух чипов, сделанные в высоком разрешении, чтобы сравнить их, и оказалось, что основные части у чипов полностью совпадают, за исключением некоторых тривиальных отличий. Вопрос только в том, были ли изменения в микрокоде. Снаружи они выглядят идентично, но побитово я их не сравнивал.
На увеличенном фото ниже показаны одинаковые цепи двух кристаллов. Видно точное соответствие между компонентами, что доказывает, что схему только уменьшили в размере, и не переделывали. На фото металлический слой находится сверху чипа. На правом фото видно немного поликремния.
Один и тот же участок на двух разных чипах, в одном масштабе
А вот по периметру кристаллов различия значительные. Контактные площадки расположены ближе друг к другу, особенно справа внизу. Тому есть две причины. Во-первых, контактные площадки нельзя значительно уменьшить, поскольку к ним нужно прикрепить соединительные проводники. Во-вторых, дорожки распределения питания по краям делаются шире, чтобы поддерживать ток необходимой силы. К примеру, посмотрите на правую нижнюю часть фото, справа от ОЗУ микрокода. В частности это сделано потому, что дорожки питания в середине схемы уменьшены в масштабе вместе со всем остальным, поэтому внешним дорожкам нужно компенсировать эти потери. Кроме того, более тонкий металлический слой в новом чипе не сможет поддерживать такой же ток, если его не расширить.
Контактная площадка и сопутствующие транзисторы на старом чипе (слева) и новом (справа). У цифры »6» в дате копирайта верхняя часть необычно плоская — такое впечатление, что это »5», исправленная на »6».
На фото выше показана контактная площадка с припаянным соединительным проводником. Транзисторы находятся над площадкой. Площадка нового чипа имеет почти такой же размер, однако транзисторы уменьшены и переделаны. Обратите внимание на гораздо более толстые металлические проводники у нового чипа. Логотип Intel передвинули справа налево, возможно, потому, что там было свободное место.
Приглядимся к кристаллам поближе
Сначала немного истории о производстве n-канальных МОП, использовавшихся в 8086 и других чипах той эпохи. Эти чипы состояли из кремниевой подложки, к которой добавляли примеси мышьяка или бора, формировавшие транзисторы. Находящийся сверху слой поликремния создаёт вентили для транзисторов и даёт возможность соединять компоненты проводниками. Наконец, один металлический слой наверху связывает все компоненты.
У процесса производства полупроводников (к примеру, HMOS-III) есть определённые правила по минимальному размеру и расстоянию между компонентами — кремнием, поликремнием и металлическими слоями. Если тщательно рассмотреть чипы, то станет видно, как эти параметры различались для HMOS I и HMOS III. В табличке (взятой из документа HMOS III Technology) сведены характеристики различных процессов HMOS. С каждой версией характерные размеры уменьшались, а быстродействие увеличивалось. При переходе от HMOS-II к HMOS-III Intel достигла улучшения быстродействия на 40%.
На фото ниже, сделанном через микроскоп, видно сложное расположение транзисторов в старом 8086 чипе. Тёмные участки — это кремний с примесями, светлые прямоугольники — вентили транзисторов. На фото показано около 21 транзистора. Ключевой размер — длина канала, длина вентиля от истока до стока (это меньшая сторона светлых прямоугольников). Для них я измерил длину в 3 мкм, что соответствует опубликованным характеристикам HMOS I. Это говорит о том, что чип был произведён по техпроцессу 3 мкм; для сравнения, сегодня процессоры переходят на размеры в 5 нм, что в 600 раз меньше.
Вы могли заметить, что у трёх транзисторов на фото вентили гораздо больше. Эти транзисторы работают притягивающими резисторами, что типично для NMOS. Увеличение их размера ослабляет транзистор, поэтому подтягивающий ток получается слабым.
Транзисторы на старом чипе 8086. Для получения фото поликремний и металл были удалены. Кружочки — это сквозные проводники, соединяющие их с металлическим слоем.
На фото ниже показаны транзисторы в более новом 8086 в том же масштабе; видно, что транзисторы уже гораздо меньше по размеру. Линейные размеры составляют 64% от первоначальных, поэтому транзисторы занимают 40% площади по сравнению с предыдущими. Этот кристалл я обрабатывал по-другому, поэтому на нём остался поликремний — это желтоватые линии. Кремний с примесями выглядит розоватым, и его видно хуже, чем на предыдущем фото. Длину вентиля я определил в 1,9 мкм, что составляет 64% от предыдущих 3 мкм. Заметьте, что HMOS-III поддерживает значительно меньшую длину канала в 1,5 мкм, однако поскольку всё уменьшается в одно и то же количество раз, длина канала оказывается больше необходимой. Это показывает, что однородное уменьшение приводит к потере определённых преимуществ нового процесса, однако это делать гораздо проще, чем проектировать новый чип с нуля.
Транзисторы в новом чипе 8086. Между кремнием или поликремнием и металлическим слоем (здесь он убран) есть множество сквозных проводников.
Также я изучил шаг между шинами на металлическом слое. На фото ниже показаны горизонтальные и вертикальные металлические проводники старого чипа. Шаг металлических шин я определил в 11 мкм, что совпадает с опубликованными характеристиками HMOS I. Уменьшение до 64% даёт шаг в 7 мкм на новом чипе, хотя процесс HMOS III поддерживал и 6,4 мкм. Как и ранее, одинаковый коэффициент уменьшения не даёт пользоваться всеми преимуществами нового процесса.
Металлический слой старого чипа 8086. Под металлом видны красноватые проводники из поликремния.
Наконец, я изучил шаг поликремниевых проводников. На фото ниже показан старый 8086; поликремний удалён, и видны только бледные белые дорожки. Эти параллельные поликремниевые линии, вероятно, формировали шину, направляющую сигналы от одной части чипа к другой. Для поликремния я измерил шаг в 7 мкм, что совпадает с документацией. Интересно, что из-за свойств HMOS проводники из поликремния могут располагаться плотнее, чем металлические проводники. У нового чипа шаг составляет 4,5 мкм, хотя есть возможность делать его размером в 4 мкм.
Поликремниевые дорожки на старом 8086 чипе
Заключения
Масштабирование кристалла даёт возможность увеличить быстродействие процессора и уменьшить его стоимость, не тратя усилий на проектирование с нуля. Однако сравнение двух чипов показывает, что масштабирование кристалла — это более сложный процесс, чем простое уменьшение всего кристалла целиком. Большая часть схемы просто уменьшается, однако контактные площадки уменьшаются не так сильно, как всё остальное, поэтому их приходится переставлять. Изменено и распределение питания, вокруг чипа добавлено больше проводников для питания.
Современные микропроцессоры всё ещё используют технологию масштабирования кристалла. В 2007 году Intel перешла на модель «тик-так», в которой масштабирование существующих чипов («тик») чередуется с выпуском новой микроархитектуры («так»).
