Foto ampliada del chip 8086; Matriz de silicio y cables visibles El
revolucionario microprocesador Intel 8086, introducido en 1978, generó una familia completa de procesadores x86 que todavía se utilizan en computadoras de escritorio y servidores en la actualidad. El chip está construido sobre circuitos digitales, pero también contiene circuitos analógicos: generadores de bombas de carga que convierten la fuente de alimentación de 5 V del procesador en voltaje negativo para aumentar el rendimiento. Estoy realizando ingeniería inversa en un 8086 basado en una foto del cristal, y en esta publicación describo el diseño de estos generadores de bombas de carga y cómo funcionan.
Estrictamente hablando, por supuesto, todo el chip está hecho de componentes analógicos. Como dice el viejo refrán, "las computadoras digitales están hechas de componentes analógicos". Su autor es el ingeniero del DEC Don Vonada, y sus aforismos fueron publicados en la revista Computer Engineering en 1978.
Aforismos de ingeniería de Vonada
- No hay "tierra".
- Las computadoras digitales están hechas de componentes analógicos.
- Los prototipos de circuitos siempre funcionan.
- Primero, se desarrollan las condiciones temporales aprobadas y luego se encuentran las no aprobadas.
- Si todos menos uno cambian en un grupo de conductores, también cambia.
- Si todos los interruptores del grupo de puertas excepto uno están conmutados, también conmuta.
- Cada picofaradio tiene su propia nanogeneración.
- Los condensadores convierten las fallas de voltaje en fallas de corriente (ley de conservación de energía).
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Foto del cristal del microprocesador 8086. A la izquierda están la ALU y los registros. Abajo a la derecha: ROM con microcódigo. El enlace con la foto abre una foto más grande. Siga este enlace - la foto original (10,000 × 10,000 px, 24 MB - no cabe en habrastorage).
La foto de arriba muestra un pequeño chip 8086 bajo un microscopio. Se ve una capa de metal en la parte superior del chip, debajo de la cual se oculta el silicio. A lo largo del borde exterior, puede ver los cables de soldadura que conectan las almohadillas de contacto del cristal con 40 contactos externos del chip. Pero si miras de cerca, puedes ver que el cristal tiene 42 sitios. ¿Por qué necesita dos extra?
Un circuito integrado está construido sobre un sustrato de silicio sobre el que se aplican transistores. Para circuitos integrados de alta velocidad, puede resultar útil aplicar un voltaje de polarización negativo al sustrato."Para esto, muchos chips de la década de 1970 tienen un contacto externo, que se suministra con 5 V, pero era inconveniente para los ingenieros usar una fuente de energía adicional. A fines de la década de 1970, los circuitos para un generador de bomba de carga se desarrollaron directamente en el chip, lo que hizo posible obtener voltaje negativo en su lugar. Dichos chips utilizan el conveniente
suministro único de + 5V , y todos los ingenieros están contentos. Agregar un voltaje de polarización negativo tiene varias ventajas. Reduce la capacitancia parásita, lo que hace que el chip sea más rápido, hace que el voltaje de umbral de los transistores sea más predecible y reduce la corriente de fuga.
Los primeros chips de DRAM y microprocesador a menudo requerían tres voltajes de suministro: +5 V (Vcc), +12 V (Vdd) y -5 V (Vbb). A fines de la década de 1970, las mejoras en la tecnología de los chips hicieron posible el uso de un solo voltaje. Por ejemplo, el MK4116 (DRAM de 16K bits de Mostek de 1977) requería tres voltajes, y el MK4516 (1981) mejorado operaba con un solo + 5V, lo que simplificó el diseño del circuito. Es curioso que algunos de los chips más nuevos tengan pines Vbb y Vcc no conectados a nada para compatibilidad con versiones anteriores.
Los chips de memoria de Intel tomaron un camino similar: DRAM 2116 (16 KB, 1977) usó tres voltajes, mientras que el mejorado 2118 (1979) usó solo uno. De manera similar, el famoso microprocesador Intel 8080 (1974) usó MOSFET de canal inducido y requirió tres voltajes para operar. El microprocesador Motorola 6800 (1974) adoptó un enfoque diferente, operando con una única tensión de alimentación; aunque el 6800 fue construido con un transistor de estilo antiguo, no necesitó alimentación externa de + 12V ya que implementó un duplicador de voltaje en su lugar.
Las dos almohadillas adicionales en el chip 8086 son necesarias para aplicar voltaje de polarización al sustrato. La foto al comienzo del artículo muestra la ubicación del cristal de silicio en el chip, con cables de puente que lo conectan a la almohadilla de contacto que forma los contactos externos. La foto muestra dos pequeños cuadrados grises arriba y abajo. Cada uno de ellos está conectado a uno de los sitios "extra". La bomba de carga en el chip 8086 genera un voltaje negativo que pasa a través de los alambres de desoldar hacia estos cuadrados y luego a través de la placa de metal debajo del sustrato 8086.
Cómo funcionan los generadores de bombas de carga
En la foto de abajo, se destacan dos generadores para bombear la carga del procesador 8086. el inferior funciona de la misma manera, simplemente está dispuesto de manera diferente para encajar en el espacio disponible. Cada generador tiene un circuito controlador, un condensador grande y una almohadilla con un cable que lo conecta al sustrato. Cada generador está ubicado junto a una de las dos plataformas de tierra del 8086, probablemente para minimizar el ruido eléctrico.
Foto de un chip 8086 con generadores de voltaje de polarización de gran tamaño
Quizás se pregunte cómo la bomba de carga convierte un voltaje positivo en un voltaje negativo. El truco para usar un condensador "volador", cuyo diagrama se encuentra a continuación. A la izquierda, el condensador se carga a 5 V. Desconecte y conecte el lado positivo a tierra. El condensador todavía tiene una carga de 5 V, por lo que su parte inferior debe entregar -5 V. Al cambiar rápidamente el condensador entre los dos estados, la bomba de carga genera voltaje negativo.
La bomba de carga 8086 usa un MOSFET y diodos para cambiar el condensador entre estados y un generador para impulsar el transistor como se muestra en el diagrama a continuación. El generador de anillos consta de tres inversores conectados en un bucle (anillo). Dado que el número de inversores es impar, el sistema es inestable y fluctúa. Si tuviera un número par de inversores, sería estable en uno de dos estados. Esta técnica se utiliza en los registros 8086: un par de inversores almacenan un bit.
Por ejemplo, si el primer inversor recibe 0, emitirá 1, la segunda salida será 0 y la tercera salida 1. Esto conmuta el primer inversor, y esta conmutación se mueve en un bucle, lo que da como resultado una oscilación. Para ralentizar la velocidad de oscilación, se insertan dos circuitos RC en el anillo... Dado que se necesita algo de tiempo para cargar y descargar el condensador, la oscilación se ralentiza, dando tiempo a la bomba de carga para que funcione.
Traté de medir la frecuencia de la bomba de carga mirando la corriente del chip en busca de oscilación. Medí las fluctuaciones a 90 MHz, pero sospecho que en realidad podría medir el ruido.
Circuito de un generador de bomba de carga en un Intel 8086 que produce un voltaje de polarización negativo en el sustrato
Las salidas del condensador llegan al controlador del condensador del transistor. El primer paso enciende el transistor superior, lo que obliga al condensador a cargarse a través del primer diodo a 5 V con respecto a tierra. En el segundo paso, ocurre toda la magia. El transistor inferior se enciende y conecta la parte superior del condensador a tierra. Dado que el condensador todavía está cargado a 5 V, la parte inferior debe entregar -5 V, lo que nos da el voltaje negativo que queremos. La corriente fluye a través del segundo diodo y el alambre de soldadura al sustrato. Cuando el oscilador cambia de nuevo, el transistor superior se enciende y el ciclo se repite. La bomba de carga se llama así porque bombea la carga desde la salida al suelo. Los diodos son similares a las válvulas de aislamiento de las bombas de agua en que mueven la carga en la dirección correcta.
Por supuesto, he simplificado un poco el esquema de trabajo. Debido a la caída de voltaje en el transistor, el voltaje del sustrato será de -3 V, no de -5 V. Si el chip necesita una caída de voltaje más alta, puede hacer una cascada de varios generadores de bombas de carga. Cuando hablo de la dirección del generador, me refiero a la dirección de la corriente. Si imagina bombear electrones, entonces asuma que los electrones cargados negativamente se bombean en la dirección opuesta al sustrato.
Implementación en silicio
La foto de abajo muestra la implementación del generador de bomba de carga en el chip. La foto de arriba muestra los conductores metálicos, debajo de los cuales hay un polisilicio rojizo. A continuación se muestra el silicio beige. En el centro está el condensador principal, con conductores en forma de H que lo conectan al circuito de la izquierda. Parte del condensador está oculto debajo de la amplia ruta de alimentación de metal en la parte superior. A la derecha, el cable de puente está conectado a la almohadilla. Hay un patrón de prueba debajo de la almohadilla: un cuadrado para cada máscara que se usa para aplicar la siguiente capa al chip.
Bomba de carga de capa metálica
Después de quitar la capa de metal, el diagrama se vuelve más visible. La mitad derecha de la foto está ocupada por un condensador de bomba de carga grande. Es, por supuesto, microscópico, pero enorme para los estándares de los chips, más o menos comparable a un registro de 16 bits. El condensador consta de polisilicio por encima del silicio, entre el cual se interpone un óxido aislante. El polisilicio y el silicio forman las placas del condensador. A la izquierda hay un condensador más pequeño y resistencias que le dan al generador un retardo RC. Debajo de ellos está el circuito generador y los transistores.
El generador se ensambla a partir de 13 transistores. Siete transistores forman 3 inversores (un transistor tiene un inversor adicional para corriente de salida adicional). De los seis transistores del controlador, dos están elevando la salida y cuatro hacia abajo. El circuito es extrañamente diferente de un circuito inversor normal porque los requisitos de corriente son diferentes de la lógica digital normal.
Componentes clave de la bomba de carga 8086. La capa de metal se ha eliminado y las capas de polisilicio y silicio son visibles.
Una característica interesante de la bomba de carga es que hay dos diodos, cada uno con ocho transistores espaciados a intervalos regulares. El siguiente diagrama muestra la estructura del transistor. Se puede pensar en un transistor como un interruptor que permite que la corriente fluya entre sus dos secciones, la fuente y el drenaje. El transistor está controlado por una puerta hecha de un tipo especial de silicio, polisilicio. Un voltaje de puerta alto permite que la corriente fluya entre la fuente y el drenaje, mientras que una puerta baja bloquea la corriente. Estos diminutos transistores se pueden combinar para formar puertas lógicas: componentes de microprocesadores y otros chips digitales. Sin embargo, en este caso, los transistores se utilizan como diodos.
La estructura de transistores implementada en IC
La foto de abajo muestra una vista superior del transistor en el generador de bomba de carga. Como en el diagrama, el polisilicio forma una puerta entre las regiones de silicio dopado en ambos lados. Se puede hacer un diodo a partir de una estructura MOS conectando la puerta y el drenaje a través de la unión de silicio / polisilicio ubicada en la parte inferior de la foto. El silicio también se puede unir a la capa de metal a través de contactos. Para esta foto, se eliminó la capa de metal, pero los círculos débiles restantes indican la ubicación de los contactos pasantes.
Un transistor en un circuito generador de bomba de carga. Una puerta de polisilicio separa la fuente y el drenaje del transistor.
El siguiente diagrama muestra cómo se ensamblan dos diodos a partir de 16 transistores. Para soportar una corriente relativamente grande del generador de la bomba de carga, se utilizan 8 transistores en paralelo en cada diodo. Tenga en cuenta que los transistores vecinos tienen una fuente y un drenaje comunes, razón por la cual estaban tan apretados. Las líneas azules marcan dónde estaban los cables de metal; se quitaron para esta foto. Las ojeras son los lugares donde hubo contactos a través del metal y el silicio.
La bomba de carga tiene dos diodos, cada uno compuesto por 8 transistores. La fuente, la puerta y el drenaje se identifican con las letras S, G y D.
Como resultado, los orígenes de los ocho transistores principales están conectados a tierra mediante un cable metálico. Sus puertas y desagües están conectados por polisilicio debajo de los transistores, como resultado de lo cual se obtienen diodos de ellos. Están conectados al condensador con un cable metálico. Los ocho transistores inferiores forman el segundo diodo. Sus puertas y desagües están conectados por un lazo metálico inferior. Observe cómo se ha optimizado el diseño de los elementos; por ejemplo, los calzones están doblados para no tocar los contactos pasantes.
Conclusión
El generador de polarización en el chip 8086 es una combinación interesante de un circuito digital (un generador de anillo compuesto por inversores) y una bomba de carga analógica. Puede parecer un dispositivo olvidado de la historia de las computadoras en la década de 1970, pero de hecho también está presente en los circuitos integrados modernos. En los chips modernos, este es un circuito mucho más complejo, cuidadosamente ajustado para proporcionar varios voltajes de polarización ajustables en áreas con fuentes de alimentación independientes. De alguna manera, es similar a la arquitectura x86, que comenzó su camino en la década de 1970 y se ha vuelto aún más popular en la actualidad, pero como parte de la mejora constante en la eficiencia, su complejidad ha crecido increíblemente.
Los generadores de sesgos se comercializan hoy como ideas patentadas listas para usar- puede comprar un circuito de dicho generador e insertarlo en su proyecto de chip (ver enlaces 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ). Incluso existe un estándar de potencia IEEE 1801 en el que las herramientas de diseño de CI pueden generar los circuitos necesarios.
El coprocesador matemático Intel 8087 conectado al 8086 también tiene su propio generador de voltaje de polarización. Funciona con los mismos principios, sin embargo, curiosamente, utiliza un circuito diferente con 5 inversores.