Es ist bemerkenswert, dass MOS-Strukturen immer noch funktionieren und stark reduziert sind, während die meisten Dinge nicht einfach so reduziert werden können. Beispielsweise können Sie einen Motor nicht zehnmal skalieren und erwarten, dass er funktioniert. Die meisten physischen Objekte leiden unter dem Quadratwürfelgesetz : Die Fläche eines Objekts wächst als Quadrat linearer Größe und sein Volumen als Würfel. Bei MOS-Strukturen bleiben die meisten Komponenten beim Skalieren jedoch entweder unverändert oder verbessern sich (z. B. Frequenz und Stromverbrauch). Weitere Informationen zur Skalierung finden Sie in Mead und Conways Buch Einführung in VLSI-Systeme.... Ironischerweise behauptet das Buch von 1978, dass die Skalierung aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Materie eine grundlegende Begrenzung der Kanallänge um ein Viertelmikron (250 nm) aufweist. Diese Einschränkung stellte sich als unglaublich fehlerhaft heraus - jetzt bewegen sich Transistoren dank Technologien wie FinFET auf die charakteristische Größe von 5 nm.
Das Foto unten zeigt den 8086-Chip von 1979 sowie seine Version mit einem deutlich kleineren Chip von 1986. Die Keramikabdeckungen wurden von den Spänen entfernt, damit die Kristalle sichtbar sind. Im aktualisierten 8086 wurden die internen Schaltkreise im Vergleich zum Original um 64% in der Länge reduziert, sodass sie 40% der ursprünglichen Fläche einnehmen. Der Kristall selbst ist nicht stark reduziert; es nimmt 54% der ursprünglichen Fläche ein. Das Prozessorgehäuse wird nicht verändert, der DIP 40-polig wird zwar häufig für Mikroprozessoren verwendet.
Auf dem alten Chip steht '78, '79 auf dem Gehäuse und 1979 auf dem Kristall, und der Datumscode lautet unten 7947 (47. Woche von 1979). 1978 ist auf den Fall des neuen Chips geschrieben, und 1986 ist auf den Kristall geschrieben, es gibt keinen Datumscode. Daher sollte es 1986 oder etwas später hergestellt werden. Es ist nicht klar, warum der neue Chip auf dem Gehäuse ein älteres Datum hat.
Vergleich zweier 8086-Chips. Der Boden des neuen Chips hat einen viel kleineren Chip. Das Rechteck oben rechts ist das Mikrocode-ROM.
Der 8086 ist einer der einflussreichsten Chips, die jemals hergestellt wurden. Es war der Beginn der x86-Architektur, die immer noch sowohl Desktop- als auch Servercomputer dominiert. Im Gegensatz zu modernen CMOS-Prozessoren wurde der 8086 auf N-MOS-Transistoren wie dem 6502, dem Z-80 und anderen frühen Prozessoren aufgebaut. Der erste Chip wurde mit HMOS-Technologie hergestellt, wie Intel diesen Prozess nannte. Im Jahr 79 führte Intel eine erweiterte Version davon ein, HMOS-II, und im Jahr 82 wechselte es zu HMOS-III, dem Verfahren, mit dem der neuere meiner beiden Chips hergestellt wurde. Jede nachfolgende Version von HMOS verkleinert die Größe der Chipkomponenten und erhöht die Effizienz.
Ein N-Kanal-MOSFET ist ein spezifischer MOSFET-Typ. Ihre Effizienz ist viel besser als die der P-Kanal-MOS-Struktur, die in frühen Mikroprozessoren wie dem Intel 4004 verwendet wird. Moderne Prozessoren verwenden N-Kanal- und P-Kanal-Transistoren zusammen, um den Stromverbrauch zu senken - dies wird als CMOS bezeichnet... Gates aus N-Kanal-MOSFETs erfordern einen Pull-up-Widerstand, bei dem es sich um einen Transistor handelt. Verarmungslasttransistoren sind Transistortypen, die Mitte der 1970er Jahre eingeführt wurden. Transistoren dieses Typs eignen sich besser für die Rolle von Pull-up-Widerständen und benötigen keine zusätzliche Versorgungsspannung. Schließlich verwendeten MOSFETs ursprünglich Metall, um Gates zu erzeugen (der Buchstabe M in MOSFETs). In den späten 1960er Jahren entwickelte Fairchild jedoch Polysilicium als Ersatz für Metall. Dadurch sind die Chips effizienter und einfacher herzustellen. Infolgedessen kam es von Ende der 1960er bis Mitte der 1970er Jahre zu mehreren radikalen Veränderungen bei der Herstellung von MOS-Strukturen, die zum Erfolg der 6502, Z-80, 8085, 8086 und anderer früher Prozessoren führten. In den 1980er Jahren übernahmen CMOS-Prozessoren, weil sie schneller waren und weniger Strom verbrauchten.
Seltsamerweise ist nicht ganz klar, wofür genau das H im Akronym HMOS steht. Ich habe keine Abschrift dieses Akronyms von Intel gefunden. In der Spezifikation heißt es: " Intels fortschrittlicher Herstellungsprozess für N-Kanal-HMOS-Gates aus Silizium" oder "HMOS ist ein hocheffizienter N-Kanal-MOS-Prozess". Intel beschrieb CHMOS später als komplementären Hochgeschwindigkeits-Metalloxid-Halbleiter [komplementärer Hochgeschwindigkeits-Metalloxid-Halbleiter]. Motorola hat HMOS als MOS mit hoher Dichte identifiziert . Andere Quellen beschreiben es als Hochgeschwindigkeits-MOS oder MOS mit hoher Dichte und kurzen Kanälen. Intel hat ein Patentzu "MOS-Prozess und Vorrichtung mit hoher Dichte und hoher Geschwindigkeit", so dass H vielleicht sowohl für "hohe Dichte" als auch für "hohe Geschwindigkeit" steht.
Interessanterweise verwendete Intel statischen 4K-RAM, um jeden der HMOS-Prozesse zu entwickeln, bevor der Prozess für Mikroprozessoren und andere Chips verwendet wurde. Sie verwendete einen RAM-Chip, wahrscheinlich weil er sehr dichte Schaltkreise hat, aber er ist auch relativ einfach zu entwerfen, da dieselbe Speicherzelle immer wieder wiederholt wird. Nachdem sie alle Regeln für das Schaltungslayout entwickelt hatte, konnte sie mit dem Bau viel komplexerer Prozessoren beginnen.
Zwei Versionen des 8086-Kristalls im gleichen Maßstab. Eingehende Leiter werden mit Pads verbunden, die sich um den Umfang des Kristalls befinden.
Das Foto oben zeigt zwei Versionen des 8086-Kristalls im gleichen Maßstab. Die beiden Chips haben das gleiche Layout der Komponenten im Inneren, obwohl sie auf den ersten Blick unterschiedlich erscheinen können. Der Chip rechts in der Mitte hat viele dunkle Linien, die der Chip links nicht hat, aber dies ist nur ein Schießartefakt. Diese Linien sind eine Schicht aus Polysilicium, die sich unter dem Metall befindet. Auf der linken Seite des Kristalls befinden sich alle Leiter auf die gleiche Weise, nur auf dem Foto sind sie sehr blass. Ich denke, dass der neue Chip eine dünnere Metallschicht hat, weshalb Polysilicium besser gesehen wird.
Ich habe hochauflösende Fotos der beiden Chips skaliert, um sie zu vergleichen, und es stellte sich heraus, dass die Hauptteile der Chips bis auf einige geringfügige Unterschiede völlig gleich sind. Die Frage ist nur, ob sich der Mikrocode geändert hat. Von außen sehen sie identisch aus, aber ich habe sie nicht Stück für Stück verglichen.
Das vergrößerte Foto unten zeigt die identischen Ketten zweier Kristalle. Sie können die genaue Entsprechung zwischen den Komponenten sehen, was beweist, dass die Schaltung nur verkleinert und nicht erneuert wurde. Auf dem Foto befindet sich die Metallschicht oben auf dem Chip. Das rechte Foto zeigt etwas Polysilicium.
Das gleiche Diagramm auf zwei verschiedenen Chips im gleichen Maßstab
Entlang des Umfangs der Kristalle sind die Unterschiede jedoch signifikant. Die Kontaktflächen sind näher beieinander, insbesondere unten rechts. Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens können die Kontaktflächen nicht wesentlich reduziert werden, da sie mit Verbindungsdrähten befestigt werden müssen. Zweitens werden die Stromverteilungsschienen an den Rändern verbreitert, um den erforderlichen Strom aufrechtzuerhalten. Schauen Sie sich beispielsweise unten rechts auf dem Foto rechts neben dem Mikrocode-RAM an. Dies liegt insbesondere daran, dass die Leistungsspuren in der Mitte der Schaltung zusammen mit allem anderen verkleinert werden, sodass die äußeren Spuren diese Verluste kompensieren müssen. Außerdem kann die dünnere Metallschicht im neuen Chip nicht denselben Strom unterstützen, wenn sie nicht expandiert wird.
Kontaktfläche und zugehörige Transistoren auf dem alten Chip (links) und dem neuen (rechts). Die Zahl "6" im Copyright-Datum hat eine ungewöhnlich flache Oberseite - es sieht so aus, als wäre "5" auf "6" korrigiert.
Das Foto oben zeigt ein Pad mit einem gelöteten Überbrückungsdraht. Die Transistoren befinden sich über dem Pad. Die Stelle des neuen Chips ist fast gleich groß, aber die Transistoren sind verkleinert und neu gestaltet. Beachten Sie die viel dickeren Metallleiter auf dem neuen Chip. Das Intel-Logo wurde von rechts nach links verschoben, möglicherweise weil freier Speicherplatz vorhanden war.
Schauen wir uns die Kristalle genauer an
Zunächst eine kleine Geschichte der Herstellung von n-Kanal-MOSs, die im 8086 und anderen Chips aus dieser Zeit verwendet wurden. Diese Chips bestanden aus einem Siliziumsubstrat, dem Arsen- oder Borverunreinigungen zugesetzt wurden, um Transistoren zu bilden. Die darüber liegende Polysiliciumschicht erzeugt Gates für die Transistoren und ermöglicht das Verbinden von Bauteilen mit Leitern. Schließlich bindet eine Metallschicht oben alle Komponenten zusammen.
Der Halbleiterherstellungsprozess (zum Beispiel HMOS-III) hat bestimmte Regeln für die Mindestgröße und den Mindestabstand zwischen Komponenten - Silizium-, Polysilizium- und Metallschichten. Wenn Sie sich die Chips genauer ansehen, werden Sie sehen, wie sich diese Parameter für HMOS I und HMOS III unterschieden. Die Platte (aus der HMOS III-Technologie) fassten die Eigenschaften verschiedener HMOS-Prozesse zusammen. Mit jeder Version nahm die charakteristische Größe ab und die Leistung nahm zu. Intel erzielte beim Übergang von HMOS-II zu HMOS-III eine Leistungsverbesserung von 40%.
| HMOS I. | HMOS II | HMOS III | |
|---|---|---|---|
| Diffusionsschritt (µ) | 8.0 | 6.4 | 5.0 |
| Polysiliciumabstand (µ) | 7.0 | 5.6 | 4.0 |
| Metallstufe (µ) | 11.0 | 8.0 | 6.4 |
| Ventiloxiddicke (Å) | 700 | 400 | 250 |
| Kanallänge (µ) | 3.0 | 2.0 | 1.5 |
| Idsat (mA) | 8.0 | 14.0 | 27.0 |
| Minimale Ventilverzögerung (ps) | 1000 | 400 | 200 |
| Verzögerung des Wärmeableitungsventils (pJ) | 1.0 | 0,5 | 0,25 |
| Lineare Reduktionsrate | 1.0 | 0,8 | 0,64 |
Das Foto unten, aufgenommen durch ein Mikroskop, zeigt die komplexe Anordnung der Transistoren im alten 8086-Chip. Dunkle Bereiche sind Silizium mit Verunreinigungen, helle Rechtecke sind Transistorgatter. Das Foto zeigt ungefähr 21 Transistoren. Die Schlüsseldimension ist die Kanallänge, die Länge des Ventils von der Quelle bis zum Abfluss (dies ist die kleinere Seite der Lichtrechtecke). Für diese habe ich eine Länge von 3 um gemessen, was den veröffentlichten Spezifikationen von HMOS I entspricht. Dies legt nahe, dass der Chip unter Verwendung der 3 um-Prozesstechnologie hergestellt wurde; Zum Vergleich: Heute schalten Prozessoren auf 5 nm um, was 600-mal kleiner ist.
Möglicherweise haben Sie bemerkt, dass die drei Transistoren auf dem Foto viel größere Gates haben. Diese Transistoren arbeiten als Pull-up-Widerstände, was typisch für NMOS ist. Durch Erhöhen ihrer Größe wird der Transistor geschwächt, sodass der Pull-up-Strom schwach ist.
8086. . – , .
Das Foto unten zeigt die Transistoren im neueren 8086 im gleichen Maßstab. Sie können sehen, dass die Transistoren bereits viel kleiner sind. Die linearen Abmessungen betragen 64% des Originals, sodass die Transistoren im Vergleich zu den vorherigen 40% der Fläche einnehmen. Ich habe diesen Kristall anders verarbeitet, also blieb Polysilicium darauf - das sind gelbliche Linien. Silizium mit Verunreinigungen sieht rosa aus und ist weniger sichtbar als auf dem vorherigen Foto. Ich habe die Ventillänge auf 1,9 Mikrometer festgelegt, was 64% der vorherigen 3 Mikrometer entspricht. Beachten Sie, dass das HMOS-III eine deutlich kürzere Kanallänge von 1,5 µm beibehält. Da jedoch alles um die gleiche Anzahl von Malen reduziert wird, ist die Kanallänge länger als erforderlich. Dies zeigt, dass eine gleichmäßige Abnahme zum Verlust bestimmter Vorteile des neuen Verfahrens führt, dies ist jedoch viel einfacher.als einen neuen Chip von Grund auf neu zu entwerfen.
Die Transistoren im neuen 8086-Chip. Zwischen Silizium oder Polysilizium und der Metallschicht (hier entfernt) befinden sich viele Durchgangsdrähte.
Ich habe auch die Steigung zwischen den Reifen auf der Metallschicht untersucht. Das Foto unten zeigt die horizontalen und vertikalen Metallleiter des alten Chips. Ich habe die Steigung der Metallreifen bei 11 Mikrometern bestimmt, was mit den veröffentlichten Eigenschaften von HMOS I übereinstimmt. Eine Reduzierung auf 64% ergibt einen Schritt von 7 Mikrometern auf dem neuen Chip, obwohl das HMOS III-Verfahren auch 6,4 Mikrometer unterstützt. Der gleiche Reduktionsfaktor verhindert nach wie vor, dass Sie alle Vorteile des neuen Verfahrens nutzen können.
Die Metallschicht des alten 8086-Chips. Rötliche Polysiliciumleiter sind unter dem Metall sichtbar.
Schließlich untersuchte ich die Tonhöhe der Polysiliciumleiter. Das Foto unten zeigt den alten 8086; Das Polysilicium wurde entfernt und nur schwache weiße Linien sind sichtbar. Diese parallelen Polysiliciumleitungen bildeten wahrscheinlich einen Bus, der Signale von einem Teil des Chips zu einem anderen sendete. Für Polysilicium habe ich einen Schritt von 7 Mikrometern gemessen, der der Dokumentation entspricht. Interessanterweise können Polysiliciumleiter aufgrund der Eigenschaften von HMOS enger zusammengepackt werden als metallische Leiter. Der neue Chip hat einen Abstand von 4,5 Mikrometern, obwohl es möglich ist, ihn auf 4 Mikrometer zu bringen.
Polysiliciumspuren auf dem alten 8086-Chip
Schlussfolgerungen.
Durch Skalieren des Kristalls kann die Geschwindigkeit des Prozessors erhöht und seine Kosten gesenkt werden, ohne dass der Aufwand für ein neues Design verschwendet werden muss. Ein Vergleich der beiden Chips zeigt jedoch, dass das Skalieren eines Chips komplexer ist als das einfache Schrumpfen des gesamten Chips. Der größte Teil der Strecke schrumpft nur, aber die Pads schrumpfen nicht so stark wie die anderen, sodass sie neu angeordnet werden müssen. Die Stromverteilung wurde ebenfalls geändert, und um den Chip wurden weitere Stromleiter hinzugefügt.
Moderne Mikroprozessoren verwenden immer noch die Kristallskalierungstechnologie. 2007 wechselte Intel zu einem Tick-tock-Modell, bei dem die Skalierung vorhandener Chips (Tick) mit der Veröffentlichung einer neuen Mikroarchitektur ("tock") abwechselt.
Siehe auch: