Penskalaan kristal: cara Intel menurunkan skala prosesor 8086

42 tahun yang lalu, pada 8 Juni 1978, mikroprosesor revolusioner Intel 8086 pertama kali muncul. Untuk menghormati ini, saya mempelajari kristal 8086. Saya menemukan dua kristal 8086 dengan ukuran berbeda, dan mereka menunjukkan cara kerja penskalaan kristal. Konsep penskalaan mati adalah seiring dengan peningkatan teknologi, produsen dapat mengecilkan ukuran cetakan silikon, mengurangi biaya dan meningkatkan kinerja. Namun, ini bukan hanya masalah penskalaan seluruh kristal. Meskipun semua sirkuit internal dapat dikurangi, karakteristik eksternal tidak mudah dikurangi. Misalnya, bantalan solder harus berukuran untuk mengakomodasi konduktor, dan jalur distribusi daya harus cukup besar untuk membawa arus yang diperlukan.Hasilnya, Intel mengubah ukuran bagian dalam 8086 tanpa perubahan, dan mendesain ulang sirkuit dan bantalan di sepanjang tepi chip.



Patut dicatat bahwa struktur MOS masih berfungsi, sangat berkurang, sementara kebanyakan hal tidak dapat direduksi begitu saja. Misalnya, Anda tidak dapat menskalakan motor 10 kali dan mengharapkannya berfungsi. Kebanyakan benda fisik menderita hukum kubus-kuadrat : luas suatu benda tumbuh sebagai persegi dengan ukuran linier, dan volumenya sebagai kubus. Namun, dalam kasus struktur MOS, sebagian besar komponen saat penskalaan tetap tidak berubah atau meningkat (misalnya, frekuensi dan konsumsi daya). Untuk detail selengkapnya tentang penskalaan, lihat buku Mead dan Conway Pengantar Sistem VLSI.... Ironisnya, buku tahun 1978 menyatakan bahwa penskalaan memiliki batasan seperempat mikron (250 nm) fundamental pada panjang saluran karena sifat fisik materi. Batasan ini ternyata sangat cacat - sekarang transistor beralih ke ukuran karakteristik 5 nm, berkat teknologi seperti FinFET.



Foto di bawah ini menunjukkan chip 8086 dari tahun 1979, serta versinya dengan cetakan yang lebih kecil dari tahun 1986. Penutup keramik telah dilepas dari keripik sehingga kristal dapat terlihat. Dalam 8086 yang diperbarui, sirkuit internal telah dikurangi 64% panjangnya dibandingkan dengan aslinya, sehingga menempati 40% dari area aslinya. Kristal itu sendiri tidak banyak berkurang; itu menempati 54% dari luas asli. Rumah prosesor tidak diubah, sedangkan DIP 40-pin sering digunakan untuk mikroprosesor.



Chip lama bertuliskan '78, '79 pada casing dan 1979 pada kristal, dan kode tanggal 7947 (minggu ke-47 1979) di bagian bawah. 1978 ditulis pada kasus chip baru, dan 1986 ditulis pada kristal, tidak ada kode tanggal. Oleh karena itu, harus diproduksi pada tahun 1986 atau lebih lambat. Tidak jelas mengapa chip baru pada case memiliki tanggal yang lebih lama.





Perbandingan dua chip 8.086. Chip baru memiliki die yang jauh lebih kecil di bagian bawah. Persegi panjang di sudut kanan atas adalah ROM firmware.



8086 adalah salah satu chip paling berpengaruh yang pernah dibuat. Ini menandai awal dari arsitektur x86 yang masih mendominasi komputer desktop dan server. Tidak seperti prosesor CMOS modern, 8086 dibangun di atas transistor N-MOS seperti 6502, Z-80, dan prosesor awal lainnya. Chip pertama dibuat dengan menggunakan teknologi HMOS, demikian Intel menyebut proses ini. Pada 79, Intel memperkenalkan versi lanjutannya, HMOS-II, dan pada 82, ia beralih ke HMOS-III, proses yang digunakan untuk membuat yang lebih baru dari dua chip saya. Setiap versi HMOS yang berurutan memperkecil ukuran komponen chip dan meningkatkan efisiensi.



MOSFET saluran-N adalah jenis MOSFET khusus. Efisiensi mereka jauh lebih baik daripada struktur MOS saluran-P yang digunakan pada mikroprosesor awal seperti Intel 4004. Prosesor modern menggunakan transistor saluran-N dan saluran-P bersama-sama untuk mengurangi konsumsi daya - ini disebut CMOS... Katup MOS saluran-N membutuhkan resistor pull-up, yang merupakan transistor. Transistor beban deplesi adalah jenis transistor yang diperkenalkan pada pertengahan tahun 1970-an. Transistor jenis ini lebih cocok untuk peran resistor pull-up dan tidak membutuhkan tegangan suplai tambahan. Akhirnya, MOSFET awalnya menggunakan logam untuk membuat gerbang (huruf M dalam MOSFET). Namun, pada akhir 1960-an, Fairchild mengembangkan polysilicon untuk menggantikan logam. Hasilnya, keripik lebih efisien dan lebih mudah dibuat. Akibatnya, dari akhir 1960-an hingga pertengahan 1970-an, beberapa perubahan radikal terjadi dalam produksi struktur MOS, yang mengarah pada keberhasilan 6502, Z-80, 8085, 8086, dan prosesor awal lainnya. Pada 1980-an, prosesor CMOS menggantikannya karena berjalan lebih cepat dan mengonsumsi lebih sedikit daya.



Anehnya, apa sebenarnya H dalam akronim HMOS tidak sepenuhnya jelas. Saya belum menemukan transkrip akronim ini dari Intel. The Spec mengatakan " Intel silikon canggih N-channel HMOS gerbang proses manufaktur," atau "HMOS adalah proses MOS yang sangat efisien n-channel." Intel kemudian menggambarkan CHMOS sebagai Semikonduktor Oksida Logam Berkecepatan Tinggi Pelengkap [semikonduktor oksida logam kecepatan tinggi pelengkap]. Motorola telah mengidentifikasi HMOS sebagai MOS Densitas Tinggi. Sumber lain menggambarkannya sebagai MOS kecepatan tinggi atau MOS kepadatan tinggi dengan saluran pendek. Intel memiliki patenuntuk "proses MOS dan kepadatan tinggi dan perangkat kecepatan tinggi", jadi mungkin H berarti "kepadatan tinggi" dan "kecepatan tinggi".



Menariknya, Intel menggunakan RAM statis 4K untuk mengembangkan setiap proses HMOS sebelum menggunakan proses untuk mikroprosesor dan chip lainnya. Dia menggunakan chip RAM, mungkin karena sirkuitnya sangat padat, tetapi juga relatif mudah untuk merancangnya, karena sel memori yang sama diulang terus menerus. Setelah dia mengembangkan semua aturan tata letak sirkuit, dia dapat mulai membangun prosesor yang jauh lebih kompleks.





Dua versi kristal 8086 pada skala yang sama. Konduktor yang masuk terhubung ke bantalan yang terletak di sekeliling kristal.



Foto di atas menunjukkan dua versi kristal 8086 pada skala yang sama. Kedua chip tersebut memiliki tata letak yang sama dari komponen di dalamnya, meski sekilas terlihat berbeda. Chip di kanan tengah memiliki banyak garis gelap yang tidak dimiliki chip di sebelah kiri, tetapi ini hanyalah artefak pembuatan film. Garis-garis ini merupakan lapisan polysilicon yang terletak di bawah logam. Di sisi kiri kristal, semua konduktor ditempatkan dengan cara yang sama, hanya di foto sangat pucat. Saya pikir chip baru ini memiliki lapisan logam yang lebih tipis, itulah sebabnya polisilikon terlihat lebih baik.



Saya menskalakan foto resolusi tinggi dari kedua chip untuk membandingkannya, dan ternyata bagian utama chip sama sekali, kecuali untuk beberapa perbedaan yang sepele. Satu-satunya pertanyaan adalah apakah ada perubahan dalam kode mikro. Dari luar, mereka terlihat sama, tapi saya tidak membandingkannya sedikit demi sedikit.



Foto yang diperbesar di bawah ini menunjukkan rantai identik dari dua kristal. Anda dapat melihat korespondensi yang tepat antara komponen, yang membuktikan bahwa rangkaian hanya berkurang ukurannya, dan tidak dibuat ulang. Dalam foto tersebut, lapisan logam berada di atas chip. Foto kanan menunjukkan beberapa polysilicon.





Plot yang sama pada dua chip berbeda, pada skala yang sama



Tetapi di sepanjang garis luar kristal, perbedaannya signifikan. Bantalan kontak lebih rapat, terutama di kanan bawah. Ada dua alasan untuk ini. Pertama, bantalan kontak tidak dapat dikurangi secara signifikan, karena bantalan tersebut harus dipasang dengan kabel penghubung. Kedua, jalur distribusi daya diperlebar di tepinya untuk menjaga arus yang dibutuhkan. Misalnya, lihat di kanan bawah foto, di sebelah kanan RAM microcode. Secara khusus, ini dilakukan karena jejak daya di tengah sirkuit diperkecil bersama dengan yang lainnya, sehingga jejak luar perlu mengkompensasi kerugian ini. Selain itu, lapisan logam yang lebih tipis pada chip baru tidak dapat mendukung arus yang sama kecuali jika diperluas.





Panel kontak dan transistor terkait pada chip lama (kiri) dan baru (kanan). Angka "6" pada tanggal hak cipta memiliki bagian atas datar yang tidak biasa - sepertinya "5" dikoreksi menjadi "6".



Foto di atas menunjukkan bantalan dengan kabel jumper yang disolder. Transistor terletak di atas bantalan. Situs chip baru ini berukuran hampir sama, tetapi transistor diperkecil dan didesain ulang. Perhatikan konduktor logam yang jauh lebih tebal pada chip baru. Logo Intel dipindahkan dari kanan ke kiri, kemungkinan karena ada ruang kosong.

Mari kita lihat lebih dekat pada kristal

Pertama, sedikit sejarah produksi MOS n-channel yang digunakan pada 8086 dan chip lain dari era itu. Chip ini terdiri dari substrat silikon yang ditambahkan pengotor arsen atau boron untuk membentuk transistor. Lapisan polysilicon di atas menciptakan gerbang untuk transistor dan memungkinkan untuk menghubungkan komponen dengan konduktor. Akhirnya, satu lapisan logam di bagian atas mengikat semua komponen menjadi satu.



Proses pembuatan semikonduktor (misalnya, HMOS-III) memiliki aturan tertentu untuk ukuran dan jarak minimum antara komponen - lapisan silikon, polisilikon, dan logam. Jika Anda melihat lebih dekat pada chip, Anda akan melihat bagaimana parameter ini berbeda untuk HMOS I dan HMOS III. Plat (diambil dari Teknologi HMOS III) meringkas karakteristik berbagai proses HMOS. Dengan setiap versi, ukuran karakteristik menurun, dan kinerja meningkat. Intel mencapai peningkatan kinerja 40% dalam transisi dari HMOS-II ke HMOS-III.







Foto di bawah ini, diambil melalui mikroskop, menunjukkan pengaturan kompleks transistor dalam chip 8086 yang lama. Area gelap adalah silikon dengan kotoran, persegi panjang terang adalah gerbang transistor. Foto menunjukkan sekitar 21 transistor. Dimensi kuncinya adalah panjang saluran, panjang katup dari sumber ke saluran pembuangan (ini adalah sisi persegi panjang yang lebih kecil). Untuk ini saya mengukur panjang pada 3 µm, yang sejalan dengan spesifikasi HMOS I yang dipublikasikan. Hal ini menunjukkan bahwa chip tersebut dibuat dengan menggunakan teknologi proses 3 µm; sebagai perbandingan, prosesor saat ini beralih ke 5 nm, yang 600 kali lebih kecil.



Anda mungkin telah memperhatikan bahwa tiga transistor di foto memiliki gerbang yang jauh lebih besar. Transistor ini beroperasi sebagai resistor pull-up, yang merupakan tipikal NMOS. Meningkatkan ukurannya akan melemahkan transistor, sehingga arus pull-up menjadi lemah.





8086. . – , .



Foto di bawah ini menunjukkan transistor di 8086 yang lebih baru pada skala yang sama; terlihat bahwa transistor sudah jauh lebih kecil ukurannya. Dimensi liniernya 64% dari aslinya, sehingga transistor menempati 40% area dibandingkan dengan yang sebelumnya. Saya memproses kristal ini secara berbeda, jadi polisilikon tetap di atasnya - ini adalah garis kekuningan. Silikon dengan kotoran terlihat merah muda, dan kurang terlihat dari pada foto sebelumnya. Saya menentukan panjang katup menjadi 1,9 mikron, yang merupakan 64% dari 3 mikron sebelumnya. Perhatikan bahwa HMOS-III mempertahankan panjang saluran yang secara signifikan lebih pendek yaitu 1,5 µm, namun, karena semuanya dikurangi dengan jumlah yang sama, panjang saluran lebih panjang dari yang diperlukan. Ini menunjukkan bahwa penurunan seragam menyebabkan hilangnya keuntungan tertentu dari proses baru, tetapi ini jauh lebih mudah dilakukan.daripada mendesain chip baru dari awal.





Transistor dalam chip baru 8086. Ada banyak konduktor tembus antara silikon atau polisilikon dan lapisan logam (dilepas di sini).



Saya juga mempelajari jarak antara ban pada lapisan logam. Foto di bawah ini menunjukkan konduktor logam horizontal dan vertikal dari chip lama. Saya menentukan pitch ban logam pada 11 mikron, yang bertepatan dengan karakteristik HMOS I. Pengurangan menjadi 64% memberikan langkah 7 mikron pada chip baru, meskipun proses HMOS III juga mendukung 6,4 mikron. Seperti sebelumnya, faktor reduksi yang sama mencegah Anda menikmati semua manfaat dari proses baru.





Lapisan logam dari chip lama 8086. Konduktor polisilikon kemerahan terlihat di bawah logam.



Akhirnya, saya mempelajari tinggi nada dari konduktor polisilikon. Foto di bawah ini menunjukkan 8086 tua; polysilicon telah dilepas dan hanya garis putih samar yang terlihat. Garis polysilicon paralel ini kemungkinan besar membentuk bus yang mengirim sinyal dari satu bagian chip ke bagian lain. Untuk polysilicon, saya mengukur langkah 7 mikron, yang cocok dengan dokumentasi. Menariknya, karena sifat HMOS, konduktor polysilicon dapat dikemas lebih padat daripada konduktor logam. Chip baru ini memiliki pitch 4,5 mikron, meskipun dimungkinkan untuk membuatnya berukuran 4 mikron.





Trek polysilicon pada chip 8086 lama

Kesimpulan.

Penskalaan kristal memungkinkan untuk meningkatkan kecepatan prosesor dan mengurangi biayanya, tanpa menyia-nyiakan upaya untuk mendesain dari awal. Namun, perbandingan kedua chip menunjukkan bahwa penskalaan dadu lebih kompleks daripada sekadar menyusutkan seluruh dadu. Sebagian besar sirkuit hanya menyusut, tetapi bantalan tidak menyusut sebanyak yang lain, sehingga harus diatur ulang. Distribusi daya juga telah diubah, dengan lebih banyak konduktor daya ditambahkan di sekitar chip.



Mikroprosesor modern masih menggunakan teknologi penskalaan kristal. Pada tahun 2007, Intel beralih ke model tick-tock, di mana penskalaan chip yang ada (tick) bergantian dengan rilis mikroarsitektur baru ("tock").

Lihat juga:

• " Intel 8086 - prosesor yang membuka era "
• " Rekayasa balik mikroprosesor Intel 8086 "
• " Melihat ke dalam koprosesor Intel 8087 "