Foto yang diperbesar dari chip 8086; silikon mati dan kabel terlihat
Mikroprosesor Intel 8086 revolusioner, diperkenalkan pada tahun 1978, melahirkan seluruh keluarga prosesor x86 yang masih digunakan sampai sekarang di komputer desktop dan server. Chip ini dibangun di atas sirkuit digital, tetapi juga berisi sirkuit analog: generator pompa pengisian daya yang mengubah catu daya 5 V prosesor menjadi tegangan negatif untuk meningkatkan kinerja. Saya merekayasa balik 8086 berdasarkan foto kristal, dan dalam posting ini saya menjelaskan desain generator pompa pengisian daya ini dan cara kerjanya.
Tegasnya, tentunya seluruh chip tersebut terbuat dari komponen analog. Seperti kata pepatah lama, "komputer digital dibuat dari komponen analog." Pengarangnya adalah insinyur DEC, Don Vonada, dan kata-katanya diterbitkan di majalah Teknik Komputer pada 1978.
Kata Mutiara Teknik Vonada
- Tidak ada “tanah”.
- Komputer digital dibuat dari komponen analog.
- Prototipe sirkuit selalu berfungsi.
- Pertama, kondisi sementara yang disetujui dikembangkan, dan kemudian kondisi yang tidak disetujui ditemukan.
- Jika semua kecuali satu sakelar dalam kelompok konduktor, itu juga beralih.
- Jika semua kecuali satu sakelar dalam grup gerbang diaktifkan, maka sakelar juga.
- Setiap picofarad memiliki nanogenry sendiri.
- Kapasitor mengubah gangguan tegangan menjadi gangguan arus (hukum kekekalan energi).
- – , , .
- .
- – , .
- .
- , .
- 95% . 5% — .
Foto kristal mikroprosesor 8086. Di sebelah kiri adalah ALU dan register. Kanan bawah - ROM dengan microcode. Tautan dengan foto membuka foto yang lebih besar. Ikuti tautan ini - foto asli (10.000 × 10.000 piksel, 24 MB - tidak muat di habrastorage).
Foto di atas menunjukkan chip 8086 kecil di bawah mikroskop. Lapisan logam terlihat di atas chip, di mana silikon disembunyikan. Di sepanjang tepi luar, Anda dapat melihat kabel solder yang menghubungkan bantalan kontak kristal dengan 40 kontak eksternal chip. Tetapi jika Anda melihat lebih dekat, Anda dapat melihat bahwa kristal tersebut memiliki 42 situs. Mengapa dia membutuhkan dua tambahan?
Sirkuit terintegrasi dibangun di atas substrat silikon tempat transistor diterapkan. Untuk IC kecepatan tinggi, akan berguna untuk menerapkan tegangan panjar "negatif ke substrat."Untuk ini, banyak chip dari tahun 1970-an memiliki kontak eksternal, yang disuplai - 5 V, tetapi tidak nyaman bagi para insinyur untuk menggunakan catu daya tambahan. Pada akhir 1970-an, sirkuit untuk generator pompa pengisian daya dikembangkan langsung pada chip, yang memungkinkan untuk memperoleh tegangan negatif di tempat Chip semacam itu menggunakan
suplai tunggal + 5V yang nyaman , dan semua insinyur senang.Menambahkan bias negatif memiliki beberapa keuntungan: mengurangi kapasitansi parasit, yang membuat chip lebih cepat, membuat tegangan ambang transistor lebih dapat diprediksi, dan mengurangi kebocoran arus.
Chip DRAM dan mikroprosesor awal sering kali membutuhkan tiga tegangan suplai: +5 V (Vcc), +12 V (Vdd), dan -5 V (Vbb). Pada akhir 1970-an, peningkatan teknologi chip memungkinkan penggunaan tegangan tunggal. Misalnya, MK4116 (DRAM 16K bit dari Mostek dari 1977) membutuhkan tiga voltase, dan MK4516 (1981) yang ditingkatkan beroperasi dengan satu + 5V, yang menyederhanakan desain sirkuit. Lucu bahwa beberapa chip yang lebih baru memiliki pin Vbb dan Vcc yang tidak terhubung ke apa pun untuk kompatibilitas ke belakang.
Chip memori Intel mengambil jalur yang sama: DRAM 2116 (16 KB, 1977) menggunakan tiga voltase, sedangkan 2118 yang ditingkatkan (1979) hanya menggunakan satu voltase. Demikian pula, mikroprosesor Intel 8080 yang terkenal (1974) menggunakan MOSFET saluran induksi dan membutuhkan tiga voltase untuk beroperasi. Mikroprosesor Motorola 6800 (1974) mengambil pendekatan yang berbeda, beroperasi dengan tegangan suplai tunggal; meskipun 6800 dibangun dengan transistor gaya lama, ia tidak membutuhkan daya eksternal + 12V karena ia menerapkan pengganda tegangan pada tempatnya.
Dua bantalan tambahan pada chip 8086 diperlukan untuk menerapkan tegangan bias ke media. Foto di awal artikel menunjukkan lokasi kristal silikon pada chip, dengan kabel jumper menghubungkannya ke bantalan kontak yang membentuk kontak eksternal. Foto menunjukkan dua kotak abu-abu kecil di atas dan di bawah. Masing-masing terhubung ke salah satu situs "ekstra". Pompa pengisian daya pada chip 8086 menghasilkan tegangan negatif yang melewati kabel pematrian ke kotak-kotak ini, dan kemudian melalui pelat logam di bawah substrat 8086.
Cara Kerja Charge Booster
Pada foto di bawah ini, dua generator untuk memompa muatan prosesor 8086 disorot. Kami akan mempertimbangkan yang paling atas; yang lebih rendah berfungsi dengan cara yang sama, hanya diatur secara berbeda agar sesuai dengan ruang yang tersedia. Setiap generator memiliki sirkuit penggerak, kapasitor besar, dan bantalan dengan kabel yang menghubungkannya ke substrat. Setiap generator terletak berdekatan dengan salah satu dari dua bantalan arde 8086, mungkin untuk meminimalkan gangguan listrik.
Foto chip 8086 dengan generator tegangan bias yang diperbesar
Anda mungkin bertanya-tanya bagaimana pompa pengisian daya mengubah tegangan positif menjadi tegangan negatif. Trik dalam menggunakan kapasitor "terbang", diagramnya ada di bawah. Di sebelah kiri, kapasitor diisi daya hingga 5 V. Putuskan sambungannya dan hubungkan sisi positif ke arde. Kapasitor masih memiliki muatan 5V, jadi bagian bawah kapasitor harus menghasilkan -5V. Dengan mengganti kapasitor secara cepat antara dua kondisi, pompa pengisian menghasilkan tegangan negatif.
Pompa pengisian daya 8086 menggunakan MOSFET dan dioda untuk mengalihkan kapasitor antar kondisi, dan generator untuk menggerakkan transistor seperti yang ditunjukkan pada diagram di bawah ini. Generator cincin terdiri dari tiga inverter yang terhubung dalam satu lingkaran (cincin). Karena jumlah inverter ganjil, sistem tidak stabil dan berfluktuasi. Jika memiliki jumlah inverter genap, itu akan stabil di salah satu dari dua kondisi. Teknik ini digunakan dalam register 8086 - sepasang inverter menyimpan sedikit.
Misalnya, jika inverter pertama menerima 0, maka akan mengeluarkan 1, keluaran kedua akan menjadi 0, dan keluaran ketiga adalah 1. Ini mengganti inverter pertama, dan sakelar ini bergerak dalam satu lingkaran, menghasilkan osilasi. Untuk memperlambat kecepatan osilasi, dua rangkaian RC dimasukkan ke dalam ring... Karena membutuhkan beberapa waktu untuk mengisi dan melepaskan kapasitor, osilasi melambat, memberikan waktu pompa pengisian untuk beroperasi.
Saya mencoba mengukur frekuensi pompa pengisian daya dengan melihat arus chip untuk osilasi. Saya mengukur fluktuasi pada 90 MHz, tetapi saya rasa saya benar-benar dapat mengukur kebisingan.
Sirkuit generator pompa muatan di Intel 8086 yang menghasilkan tegangan bias negatif pada substrat
Output dari kapasitor masuk ke driver kapasitor transistor. Langkah pertama menyalakan transistor atas, yang memaksa kapasitor untuk mengisi melalui dioda pertama ke 5V sehubungan dengan ground. Pada langkah kedua, semua keajaiban terjadi. Transistor bawah menyala, dan menghubungkan bagian atas kapasitor ke ground. Karena kapasitor masih terisi hingga 5V, bagian bawahnya harus memberikan -5V, yang memberi kita tegangan negatif yang kita inginkan. Arus mengalir melalui dioda kedua dan kabel solder ke substrat. Ketika osilator beralih lagi, transistor atas menyala dan siklus berulang. Disebut pompa muatan karena memompa muatan dari stopkontak ke tanah. Dioda mirip dengan katup isolasi pompa air karena mereka menggerakkan muatan ke arah yang benar.
Tentu saja, saya telah sedikit menyederhanakan skema kerja. Karena penurunan tegangan pada transistor, tegangan substrat akan menjadi -3 V, bukan -5 V. Jika chip membutuhkan penurunan tegangan yang lebih tinggi, Anda dapat membuat kaskade dari beberapa generator pompa pengisian daya. Ketika saya berbicara tentang arah generator, yang saya maksud adalah arah arus. Jika Anda membayangkan memompa elektron, maka asumsikan bahwa elektron bermuatan negatif dipompa ke arah yang berlawanan ke dalam substrat.
Implementasi di silikon
Foto di bawah ini menunjukkan implementasi generator pompa muatan pada chip. Foto di atas menunjukkan konduktor logam, di mana terdapat polisilikon kemerahan. Di bawah ini adalah silikon krem. Di tengah adalah kapasitor utama, dengan konduktor berbentuk H yang menghubungkannya ke sirkuit di sebelah kiri. Bagian dari kapasitor tersembunyi di bawah jalur daya logam lebar di bagian atas. Di sebelah kanan, kabel jumper terhubung ke bantalan. Ada pola uji di bawah bantalan - persegi untuk setiap topeng yang digunakan untuk menerapkan lapisan berikutnya ke chip.
Pompa muatan lapisan logam
Setelah menghilangkan lapisan logam, diagram menjadi lebih terlihat. Separuh kanan foto ditempati oleh kapasitor pompa pengisian daya yang besar. Ini, tentu saja, mikroskopis, tetapi sangat besar menurut standar chip - kira-kira sebanding dengan register 16-bit. Kapasitor terdiri dari polysilicon di atas silikon, yang di antaranya disisipkan oksida isolasi. Polysilicon dan silikon membentuk pelat kapasitor. Di sebelah kiri adalah kapasitor dan resistor yang lebih kecil yang memberi generator penundaan RC. Di bawahnya adalah rangkaian generator dan transistor.
Generator dirakit dari 13 transistor. Tujuh transistor membentuk 3 inverter (satu transistor memiliki inverter tambahan untuk arus keluaran tambahan). Dari enam transistor driver, dua menarik output ke atas dan empat ke bawah. Rangkaian ini secara aneh berbeda dari rangkaian inverter normal karena persyaratan arusnya berbeda dari logika digital normal.
Komponen kunci Pompa Pengisian 8086. Lapisan logam telah dilepas dan lapisan polisilikon dan silikon terlihat.
Salah satu fitur menarik dari pompa pengisian daya adalah adanya dua dioda, masing-masing dengan delapan transistor berjarak secara berkala. Diagram di bawah menunjukkan struktur transistor. Transistor dapat dianggap sebagai sakelar yang memungkinkan arus mengalir di antara dua bagiannya, sumber dan saluran. Transistor dikendalikan oleh gerbang yang terbuat dari silikon jenis khusus, polysilicon. Tegangan gerbang tinggi memungkinkan arus mengalir antara sumber dan drain, sementara gerbang rendah memblokir arus. Transistor kecil ini dapat digabungkan untuk membentuk gerbang logika - komponen mikroprosesor dan chip digital lainnya. Namun, dalam hal ini, transistor digunakan sebagai dioda.
Struktur transistor diimplementasikan dalam IC
Foto di bawah ini menunjukkan tampilan atas transistor di generator pompa muatan. Seperti pada diagram, polysilicon membentuk gerbang antara daerah doped silikon di kedua sisi. Dioda dapat dibuat dari struktur MOS dengan menghubungkan gerbang dan mengalir melalui sambungan silikon / polisilikon yang terletak di bagian bawah foto. Silikon juga dapat diikat ke lapisan logam melalui kontak. Untuk foto ini, lapisan logam telah dihilangkan, tetapi lingkaran samar yang tersisa menunjukkan lokasi kontak tembus.
Sebuah transistor dalam rangkaian generator pompa muatan. Gerbang polysilicon memisahkan sumber dan drain dari transistor.
Diagram di bawah menunjukkan bagaimana dua dioda dirangkai dari 16 transistor. Untuk mendukung arus yang relatif besar dari generator pompa pengisian, 8 transistor paralel digunakan di setiap dioda. Perhatikan bahwa transistor tetangga memiliki sumber dan drain yang sama, itulah sebabnya mereka dikemas begitu rapat. Garis-garis biru menandai tempat kabel logam itu - mereka dilepas untuk foto ini. Lingkaran hitam adalah tempat melalui kontak antara logam dan silikon.
Pompa pengisian daya memiliki dua dioda, masing-masing terbuat dari 8 transistor. Sumber, gerbang dan saluran pembuangan diidentifikasi dengan huruf S, G dan D.
Akibatnya, delapan transistor teratas dihubungkan ke ground dengan kabel logam. Gerbang dan salurannya dihubungkan oleh polysilicon di bawah transistor, sebagai akibatnya dioda diperoleh darinya. Mereka terhubung ke kapasitor dengan kabel logam. Delapan transistor bawah membentuk dioda kedua. Gerbang dan saluran pembuangannya dihubungkan oleh loop logam yang lebih rendah. Perhatikan bagaimana tata letak elemen telah dioptimalkan; misalnya, celana dalam ditekuk agar tidak menyentuh kontak tembus pandang.
Kesimpulan
Generator tegangan bias pada chip 8086 adalah kombinasi menarik dari rangkaian digital (generator cincin yang terbuat dari inverter) dan pompa pengisian analog. Ini mungkin tampak seperti perangkat yang sudah lama terlupakan dari sejarah komputer di tahun 1970-an, tetapi sebenarnya ini hadir di IC modern. Dalam chip modern, ini adalah sirkuit yang jauh lebih kompleks, disetel dengan cermat untuk menyediakan beberapa tegangan bias yang dapat disesuaikan di area dengan catu daya terpisah. Dalam beberapa hal, ini mirip dengan arsitektur x86, yang dimulai pada tahun 1970-an dan menjadi lebih populer saat ini, tetapi sebagai bagian dari peningkatan efisiensi yang konstan, kompleksitasnya telah berkembang pesat.
Generator bias dipasarkan hari ini sebagai gagasan eksklusif yang siap dijual- Anda dapat membeli sirkuit generator semacam itu dan memasukkannya ke dalam proyek chip Anda (lihat tautan 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ). Bahkan ada standar daya IEEE 1801 yang alat desain IC dapat menghasilkan sirkuit yang diperlukan. Koprosesor
matematika Intel 8087 yang dipasang pada 8086 juga memiliki generator tegangan biasnya sendiri. Ia bekerja pada prinsip yang sama, namun anehnya, ia menggunakan sirkuit yang berbeda dengan 5 inverter.