Es de destacar que las estructuras MOS aún funcionan, se reducen en gran medida, mientras que la mayoría de las cosas no se pueden reducir así. Por ejemplo, no puede escalar un motor 10 veces y esperar que funcione. La mayoría de los objetos físicos sufren de la ley del cubo cuadrado : el área de un objeto crece como un cuadrado de tamaño lineal y su volumen como un cubo. Sin embargo, en el caso de las estructuras MOS, la mayoría de los componentes al escalar permanecen sin cambios o mejoran (por ejemplo, frecuencia y consumo de energía). Para obtener más detalles sobre el escalado, consulte el libro Introducción a los sistemas VLSI de Mead y Conway .... Irónicamente, un libro de 1978 afirma que la escala tiene una limitación fundamental de un cuarto de micrón (250 nm) en la longitud del canal debido a las propiedades físicas de la materia. Esta limitación resultó ser increíblemente defectuosa: ahora los transistores se están moviendo al tamaño característico de 5 nm, gracias a tecnologías como FinFET.
La foto de abajo muestra el chip 8086 de 1979, así como su versión con un troquel claramente más pequeño de 1986. Se han quitado las cubiertas de cerámica de las virutas para que se puedan ver los cristales. En el 8086 actualizado, los circuitos internos se han reducido en un 64% de longitud respecto al original, por lo que ocupa el 40% del área original. El cristal en sí no se reduce mucho; ocupa el 54% del área original. La carcasa del procesador no se cambia, el DIP de 40 pines se usa a menudo para microprocesadores.
El chip antiguo dice 78, 79 en la caja y 1979 en el cristal, y el código de fecha es 7947 (semana 47 de 1979) en la parte inferior. 1978 está escrito en la caja del nuevo chip y 1986 está escrito en el cristal, no hay código de fecha. Por tanto, debería fabricarse en 1986 o un poco más tarde. No está claro por qué el nuevo chip de la carcasa tiene una fecha anterior.
Comparación de dos chips 8086. La parte inferior del nuevo chip tiene una matriz mucho más pequeña. El rectángulo en la esquina superior derecha es la ROM del firmware.
El 8086 es uno de los chips más influyentes jamás fabricados. Marcó el comienzo de la arquitectura x86 que aún domina las computadoras de escritorio y servidores. A diferencia de los procesadores CMOS modernos, el 8086 se construyó sobre transistores N-MOS como el 6502, Z-80 y otros procesadores anteriores. El primer chip se fabricó con tecnología HMOS, como Intel llamó a este proceso. En 79, Intel introdujo una versión avanzada, HMOS-II, y en 82, cambió a HMOS-III, el proceso utilizado para fabricar el más nuevo de mis dos chips. Cada versión sucesiva de HMOS reduce el tamaño de los componentes del chip y aumenta la eficiencia.
Un MOSFET de canal N es un tipo específico de MOSFET. Su eficiencia es mucho mejor que la de la estructura MOS de canal P utilizada en los primeros microprocesadores como el Intel 4004. Los procesadores modernos utilizan transistores de canal N y canal P juntos para reducir el consumo de energía; esto se llama CMOS... Las válvulas MOS de canal N requieren una resistencia pull-up, que es un transistor. Los transistores de carga de agotamiento son un tipo de transistor introducido a mediados de la década de 1970. Los transistores de este tipo son más adecuados para el papel de resistencias pull-up y no necesitan voltaje de suministro adicional. Finalmente, los MOSFET originalmente usaban metal para crear puertas (la letra M en los MOSFET). Sin embargo, a fines de la década de 1960, Fairchild desarrolló polisilicio para reemplazar el metal. Como resultado, los chips son más eficientes y fáciles de fabricar. Como resultado, desde finales de la década de 1960 hasta mediados de la de 1970, se produjeron varios cambios radicales en la producción de estructuras MOS, que llevaron al éxito de los procesadores 6502, Z-80, 8085, 8086 y otros primeros. En la década de 1980, los procesadores CMOS tomaron su lugar porque funcionaban más rápido y consumían menos energía.
Curiosamente, lo que significa exactamente la H en el acrónimo HMOS no está del todo claro. No he encontrado una transcripción de este acrónimo de Intel. La especificación dice " el proceso de fabricación de puertas HMOS de canal N de silicio avanzado de Intel" o "HMOS es un proceso MOS de canal n altamente eficiente". Intel luego describió CHMOS como Semiconductor de óxido metálico de alta velocidad complementario [semiconductor de óxido metálico de alta velocidad complementario]. Motorola ha identificado HMOS como MOS de alta densidad. Otras fuentes lo describen como un MOS de alta velocidad o MOS de alta densidad con canales cortos. Intel tiene una patentea "proceso MOS y dispositivo de alta densidad y alta velocidad", por lo que quizás H significa "alta densidad" y "alta velocidad".
Curiosamente, Intel usó 4K RAM estática para desarrollar cada uno de los procesos HMOS antes de usar el proceso para microprocesadores y otros chips. Usó un chip de RAM, probablemente porque tiene circuitos muy densos, pero también es relativamente fácil de diseñar, ya que la misma celda de memoria se repite una y otra vez. Una vez que desarrolló todas las reglas de diseño de circuitos, pudo comenzar a construir procesadores mucho más complejos.
Dos versiones del cristal 8086 a la misma escala. Los conductores entrantes están conectados a almohadillas ubicadas alrededor del perímetro del cristal.
La foto de arriba muestra dos versiones del cristal 8086 a la misma escala. Los dos chips tienen la misma disposición de los componentes en su interior, aunque a primera vista pueden parecer diferentes. El chip de la derecha en el medio tiene muchas líneas oscuras que el chip de la izquierda no tiene, pero esto es solo un artefacto de filmación. Estas líneas son una capa de polisilicio ubicada debajo del metal. En el lado izquierdo del cristal, todos los conductores están ubicados de la misma manera, solo que en la foto son muy pálidos. Creo que el nuevo chip tiene una capa de metal más delgada, por lo que el polisilicio se ve mejor.
Escale las fotos de alta resolución de los dos chips para compararlos, y resultó que las partes principales de los chips son completamente iguales, excepto por algunas diferencias triviales. La única pregunta es si hubo cambios en el microcódigo. Desde fuera parecen idénticos, pero no los comparé poco a poco.
La foto ampliada a continuación muestra las cadenas idénticas de dos cristales. Puede ver la correspondencia exacta entre los componentes, lo que demuestra que el circuito solo se redujo en tamaño y no se rehizo. En la foto, la capa de metal está encima del chip. La foto de la derecha muestra algo de polisilicio.
La misma trama en dos chips diferentes, en la misma escala
Pero a lo largo del perímetro de los cristales, las diferencias son significativas. Las almohadillas de contacto están más juntas, especialmente en la parte inferior derecha. Hay dos razones para esto. Primero, las almohadillas de contacto no se pueden reducir significativamente, ya que deben conectarse con cables de conexión. En segundo lugar, las pistas de distribución de energía se ensanchan en los bordes para mantener la corriente requerida. Por ejemplo, mire la parte inferior derecha de la foto, a la derecha de la RAM del microcódigo. En particular, esto se debe a que las pistas de potencia en el medio del circuito se reducen junto con todo lo demás, por lo que las pistas exteriores deben compensar estas pérdidas. Además, la capa de metal más delgada en el nuevo chip no puede soportar la misma corriente a menos que se expanda.
Almohadilla de contacto y transistores relacionados en el chip antiguo (izquierda) y el nuevo (derecha). El número "6" en la fecha de derechos de autor tiene una parte superior inusualmente plana - parece que es "5" corregido a "6".
La foto de arriba muestra una almohadilla con un cable de puente soldado. Los transistores están ubicados encima de la almohadilla. El sitio del nuevo chip es casi del mismo tamaño, pero los transistores se han reducido y rediseñado. Tenga en cuenta los conductores de metal mucho más gruesos en el nuevo chip. El logotipo de Intel se movió de derecha a izquierda, posiblemente porque había espacio libre.
Echemos un vistazo más de cerca a los cristales.
Primero, un poco de historia de la producción de MOS de canal n utilizados en el 8086 y otros chips de esa época. Estos chips consistían en un sustrato de silicio al que se añadían impurezas de arsénico o boro para formar transistores. Una capa de polisilicio en la parte superior crea puertas para transistores y hace posible conectar componentes con conductores. Finalmente, una capa de metal en la parte superior une todos los componentes.
El proceso de fabricación de semiconductores (por ejemplo, HMOS-III) tiene ciertas reglas para el tamaño mínimo y la distancia entre los componentes: capas de silicio, polisilicio y metal. Si observa más de cerca los chips, verá cómo estos parámetros difieren para HMOS I y HMOS III. La placa (tomada de la tecnología HMOS III) resumió las características de varios procesos HMOS. Con cada versión, el tamaño característico disminuyó y el rendimiento aumentó. Al pasar de HMOS-II a HMOS-III, Intel logró una mejora del rendimiento del 40%.
| HMOS I | HMOS II | HMOS III | |
|---|---|---|---|
| Paso de difusión (µ) | 8.0 | 6.4 | 5,0 |
| Paso de polisilicio (µ) | 7.0 | 5.6 | 4.0 |
| Paso de metal (µ) | 11,0 | 8.0 | 6.4 |
| Espesor de óxido de válvula (Å) | 700 | 400 | 250 |
| Longitud del canal (µ) | 3,0 | 2.0 | 1,5 |
| Idsat (mA) | 8.0 | 14.0 | 27,0 |
| Retardo mínimo de la válvula (ps) | 1000 | 400 | 200 |
| Retardo de la válvula de disipación de calor (pJ) | 1.0 | 0,5 | 0,25 |
| Tasa de reducción lineal | 1.0 | 0,8 | 0,64 |
La foto de abajo, tomada a través de un microscopio, muestra la compleja disposición de los transistores en el antiguo chip 8086. Las áreas oscuras son silicio con impurezas, los rectángulos claros son puertas de transistores. La foto muestra unos 21 transistores. La dimensión clave es la longitud del canal, la longitud de la válvula desde la fuente hasta el drenaje (este es el lado más pequeño de los rectángulos de luz). Para estos medí una longitud de 3 µm, que está en línea con las especificaciones publicadas de HMOS I. Esto sugiere que el chip se fabricó utilizando el proceso de 3 µm; a modo de comparación, hoy los procesadores están cambiando a 5 nm, que es 600 veces más pequeño.
Es posible que haya notado que los tres transistores de la foto tienen puertas mucho más grandes. Estos transistores funcionan como resistencias pull-up, lo que es típico de NMOS. El aumento de su tamaño debilita el transistor, por lo que la corriente de activación es débil.
8086. . – , .
La foto de abajo muestra los transistores en el 8086 más nuevo a la misma escala; puede ver que los transistores ya son mucho más pequeños. Las dimensiones lineales son el 64% del original, por lo que los transistores ocupan el 40% del área en comparación con los anteriores. Procesé este cristal de una manera diferente, por lo que el polisilicio permaneció en él: estas son líneas amarillentas. El silicio con impurezas se ve rosado y es menos visible que en la foto anterior. Determiné que la longitud de la válvula era de 1,9 micrones, que es el 64% de los 3 micrones anteriores. Tenga en cuenta que el HMOS-III mantiene una longitud de canal significativamente más corta de 1,5 µm, sin embargo, dado que todo se reduce en el mismo número de veces, la longitud del canal es más larga de lo necesario. Esto muestra que una disminución uniforme conduce a la pérdida de ciertas ventajas del nuevo proceso, pero esto es mucho más fácil de hacer.que diseñar un nuevo chip desde cero.
Los transistores en el nuevo chip 8086. Hay muchos cables pasantes entre el silicio o polisilicio y la capa de metal (quitado aquí).
También estudié el paso entre los neumáticos en la capa de metal. La foto de abajo muestra los conductores de metal horizontales y verticales del chip antiguo. Determiné el paso de los neumáticos de metal en 11 micrones, que coincide con las características publicadas de HMOS I. Reducir al 64% da un paso de 7 micrones en el nuevo chip, aunque el proceso HMOS III también soportó 6.4 micrones. Como antes, el mismo factor de reducción le impide disfrutar de todos los beneficios del nuevo proceso.
La capa de metal del viejo chip 8086. Los conductores de polisilicio rojizos son visibles debajo del metal.
Finalmente, estudié el tono de los conductores de polisilicio. La foto de abajo muestra el viejo 8086; se ha eliminado el polisilicio y solo se ven tenues líneas blancas. Estas líneas paralelas de polisilicio probablemente formaron un bus que envió señales de una parte del chip a otra. Para el polisilicio, medí un paso de 7 micrones, que coincide con la documentación. Curiosamente, debido a las propiedades del HMOS, los conductores de polisilicio pueden empaquetarse más juntos que los conductores metálicos. El nuevo chip tiene un tono de 4,5 micrones, aunque es posible que tenga un tamaño de 4 micrones.
Pistas de polisilicio en el antiguo chip 8086
Conclusiones.
Escalar el cristal permite aumentar la velocidad del procesador y reducir su costo, sin desperdiciar esfuerzos para diseñar desde cero. Sin embargo, una comparación de los dos chips muestra que escalar un dado es más complejo que simplemente encoger todo el dado. La mayor parte del circuito se está reduciendo, pero las almohadillas no se encogen tanto como el resto, por lo que deben reorganizarse. También se ha cambiado la distribución de energía y se han agregado más conductores de energía alrededor del chip.
Los microprocesadores modernos todavía utilizan tecnología de escala de cristal. En 2007, Intel cambió a un modelo de tic-tac, en el que el escalado de chips existentes (tic) se alterna con el lanzamiento de una nueva microarquitectura ("toc").
Ver también: