Os diodos de antena do processador Pentium
(righto.com)- A região quadrada de silício dopado no die do Pentium original, lançado em 1993, que parecia não ter relação com o circuito era na verdade um diodo de antena usado para drenar a carga de interconexões longas durante a fabricação
- O óxido de porta do CMOS tem apenas algumas centenas de átomos de espessura, então a carga acumulada nas interconexões durante a corrosão por plasma pode causar danos ao óxido de porta
- O efeito antena é mais perigoso nas etapas intermediárias da fabricação do que no chip concluído, e a condição central é a presença de interconexões metálicas longas ligadas apenas à porta, ainda sem caminho de descarga
- O Pentium evitou o problema com divisão de interconexões, uso de camadas metálicas superiores e inserção de diodos, mas como os diodos consomem área, eles foram colocados apenas em algumas interconexões necessárias
- Circuitos integrados modernos também verificam metal, polissilício e vias com as regras de antena do PDK, e violações podem causar danos ao chip e baixo rendimento
Uma conexão suspeita vista no die do Pentium
- Foi encontrada no die de silício do Pentium uma estrutura em que uma interconexão metálica se conecta a uma pequena região quadrada de silício dopado
- Essa região estava separada do restante do circuito, então seu propósito não era claro, mas tratava-se de um diodo de antena para evitar danos durante a fabricação
- A Intel lançou o processador Pentium em 1993, e o Pentium original analisado aqui tem 3,1 milhões de transistores
- O modelo em questão é o Pentium 80501, codinome P5, depois substituído pelo 80502 (P54C), mais rápido e com menor consumo de energia
Transistores CMOS e o frágil óxido de porta
- Processadores modernos são compostos por circuitos CMOS que usam dois tipos de transistores: NMOS e PMOS
- O transistor NMOS funciona como uma chave entre a fonte e o dreno, e a porta controla esse funcionamento
- A porta é feita de polissilício, e entre o silício e a porta há um óxido isolante extremamente fino
- Em 1993, a espessura do óxido de porta estava na faixa de 100 a 300 Å, fina o bastante para ser facilmente danificada por sobretensão
- A sensibilidade dos chips CMOS à eletricidade estática também está relacionada à fragilidade desse óxido
Estrutura em camadas e interconexões do Pentium
- O Pentium tem uma estrutura em que interconexões de polissilício e três camadas de interconexões metálicas são empilhadas sobre os transistores de silício na parte inferior
- O polissilício forma as portas dos transistores e também é usado em interconexões curtas
- As três camadas metálicas conectam vários circuitos dentro do chip
- A camada metálica inferior se conecta ao silício e ao polissilício e é responsável pela composição das portas lógicas
- As camadas metálicas superiores são usadas para sinais em distâncias maiores
- Uma camada é usada principalmente para sinais na direção horizontal, e outra principalmente para sinais na direção vertical
- A conexão entre as camadas metálicas é feita por vias de tungstênio
- No projeto de chips, um desafio importante é o roteamento, que faz os sinais passarem por várias camadas de interconexão enquanto posiciona os circuitos da forma mais densa possível
Corrosão por plasma e o efeito antena
- Na fabricação de circuitos integrados, cada camada metálica é primeiro formada de maneira uniforme e depois a fotolitografia e a corrosão deixam apenas o padrão de interconexões desejado
- No início, usava-se corrosão úmida com ácidos líquidos, mas como ela corroía até o metal sob as bordas da máscara, era desfavorável para circuitos densos
- Depois, passou-se a usar corrosão seca com plasma, permitindo uma corrosão mais controlada na direção vertical
- A corrosão por plasma também gerou danos ao óxido induzidos por plasma, chamados metaforicamente de efeito antena
- Quando interconexões metálicas longas acumulam carga no plasma, pode surgir uma tensão elevada
- Essa tensão pode perfurar o óxido de porta
- Também pode aprisionar carga dentro do óxido e degradar o desempenho do transistor
- O mecanismo de dano é explicado pelo tunelamento de Fowler-Nordheim, o mesmo usado na operação de apagamento da memória flash
Que interconexões são perigosas
- O efeito antena não ocorre como problema em toda interconexão; ele só se torna perigoso sob certas condições durante a fabricação
- A parte sensível à tensão induzida é a porta do transistor
- Isso porque o fino óxido sob a porta pode ser danificado
- Interconexões ligadas à fonte ou ao dreno são seguras, pois a carga pode escoar para o substrato
- No chip concluído, todas as portas ficam ligadas à fonte ou ao dreno de outros transistores, então o risco desaparece
- O problema surge durante a fabricação, quando um lado da linha metálica já está conectado à porta, mas a outra extremidade ainda não foi conectada
- Como a tensão induzida é proporcional ao comprimento da interconexão metálica, interconexões curtas têm pouco risco
- Apenas a camada metálica que está sendo corroída naquele momento é perigosa
- As camadas inferiores ficam isoladas por óxidos intercamadas espessos e não recebem carga
- A camada metálica superior é tratada como segura, porque nesse estágio as conexões já estão estabelecidas
Como evitar o problema de antena
- Há três formas principais de reduzir o problema de antena
- Interconexões longas podem ser divididas em segmentos curtos e religadas com jumpers em camadas metálicas mais altas
- Mover uma interconexão longa para a camada metálica superior pode eliminar o problema
- Se um diodo for adicionado à interconexão, a carga pode escoar para o substrato; esse é o diodo de antena
- Quando o chip está em operação, o diodo de antena fica em polarização reversa e não afeta eletricamente o circuito
- Durante a fabricação, ele permite que a carga escoe para o substrato antes que surja um problema
A estrutura do diodo de antena no Pentium
- No Pentium, o diodo de antena aparece no die como uma pequena região quadrada de silício dopado
- À primeira vista, ele pode ser confundido com um well tap
- O well tap é uma estrutura que conecta o substrato ou o poço à alimentação positiva do chip
- Os transistores PMOS do Pentium são fabricados dentro de poços de silício tipo N
- Como esse poço precisa ser elevado à tensão positiva do chip, muitas regiões quadradas de silício dopado N+ são distribuídas nele
- O diodo de antena também usa silício dopado N+, mas é colocado em silício tipo P para formar uma junção P-N e atuar como diodo
- Em vez de colocar diodos em todo o circuito, o Pentium usava uma abordagem de dynamic diode dropping, adicionando diodos de antena apenas quando necessário
- Também foram observados casos em que, sem espaço para inserir o diodo no local, uma interconexão estendida o conectava a um diodo em uma posição mais distante
Frequência de uso no Pentium e dúvidas restantes
- No Pentium, os diodos de antena são usados apenas em uma pequena fração de todas as interconexões
- Como os diodos ocupam área extra no die, eles são colocados apenas quando necessário
- A maioria dos problemas de antena parece ter sido resolvida por roteamento
- Os diodos de antena são relativamente raros, mas aparecem com frequência suficiente para chamar atenção na observação do die
- Alguns diodos de antena estavam ligados diretamente de M1, passando por M2, a interconexões longas em M3
- Sabe-se que o roteamento na camada metálica superior evita violações de antena
- Nesses casos, parece que as conexões de fonte e dreno já estavam estabelecidas naquele ponto, de modo que o diodo parece redundante, deixando algumas dúvidas em aberto
Regras de antena nos processos modernos
- O efeito antena continua sendo um problema que precisa ser considerado em circuitos integrados modernos
- As foundries fornecem, como parte do PDK (Process Design Kit), regras sobre o tamanho permitido das interconexões sujeitas a antena em cada processo de fabricação
- O software de projeto verifica violações das regras de antena e, se necessário, ajusta o roteamento ou insere diodos
- Além das interconexões metálicas, polissilício e vias também podem causar danos por antena, por isso essas camadas também têm regras
- Como interconexões de polissilício têm alta resistência e normalmente são limitadas a curtas distâncias, os problemas de antena são relativamente menos frequentes nelas
- Violações das regras de antena podem causar chips danificados e rendimento extremamente baixo, portanto não se trata apenas de um problema teórico
1 comentários
Comentários do Hacker News
Estou acompanhando essa discussão desde que o Ken publicou no subreddit /r/chipdesign alguns dias atrás, e gostei de ver que naquele tópico ele citou a fonte e colocou o link
Sou engenheiro de projeto físico, faço layout de chips com bilhões de blocos de células padrão usando software da Cadence e da Synopsys, e no nosso fluxo os diodos de antena são inseridos automaticamente em todos os pinos de entrada dos blocos
A fiação interna costuma ser tratada bem o suficiente pelas ferramentas, que normalmente evitam problemas de antena quebrando a rota ao alternar entre camadas metálicas
Parte da carga também surge no processo de CMP, e os chips modernos têm cerca de 20 camadas de metal, além de muitas camadas de via e das camadas-base onde ficam os transistores de verdade, então é importante planarizar o wafer antes de construir a próxima camada
https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical-mechanical_polishing
Sou o autor. Sei que é um tema bem incomum, mas espero que tenha sido interessante para alguém. Se tiverem perguntas, me avisem
Essas restrições colaterais ortogonais que quase não aparecem para quem está fora da indústria tornam todos os setores muito mais difíceis do que parecem
Isso me lembrou de um projeto recente e pequeno de data warehouse, no qual pela primeira vez precisei me preocupar não só com o desempenho teórico das consultas, como a presença ou ausência de índices, mas também com condições separadas como o tempo necessário para regravar terabytes de dados em disco durante jobs noturnos de ETL e a taxa de mudança dos dados de origem
Este texto também mostra bem um problema semelhante, conhecido só por especialistas da área: já é uma otimização difícil apenas fazer o roteamento lógico das conexões, e ao mesmo tempo ainda é preciso satisfazer otimizações físicas concorrentes
Em segundo lugar, queria saber se depois o chip usa esses diodos para outra finalidade. Se eles chegam a ter alguma função real além de simplesmente oferecer proteção durante a fabricação
Por exemplo, se carga se acumula, seria possível usar esse próprio acúmulo como uma espécie de comunicação remota ou canal entre diferentes partes do chip? Talvez o diodo, ao descarregar, pudesse funcionar como algum tipo de transmissão de comunicação
Durante a fabricação eles servem como dispositivo de segurança, mas depois da fabricação seria possível algum uso múltiplo, como vibrar a região onde a carga se acumula, carregá-la intencionalmente ou usá-la como ponto de descarga por outro motivo?
Um diodo emissor de luz também é, pelo nome, um diodo, então fiquei pensando se algo assim poderia ter um uso de comunicação por piscar, em que a carga colapsa e emite luz, e essa luz é usada para transmitir dados
Também sem entrar muito a fundo, me vieram à cabeça usos como sintonizar receptores de rádio e TV, como no diodo varicap, ou gerar oscilações de radiofrequência, como nos diodos de túnel, Gunn e IMPATT
Em resumo, queria saber se eles têm alguma utilidade além de serem um dispositivo de segurança de fabricação
Foi incrível ver a análise de die avançando ano após ano para chips cada vez mais complexos, e o Pentium é um alvo especialmente bom porque representa um grande ponto de virada na arquitetura x86 rumo aos chips modernos de hoje
Nunca dá para ficar entediado seguindo links do righto
Ler um livro-texto ou a Wikipedia é uma coisa; ver o silício cortado e fotografado de perto é totalmente diferente. É um texto muito interessante e muito bem apresentado
A frase “quando o chip é concluído, todos os gates dos transistores estão conectados ao source ou drain de outro transistor” é bem interessante. De início pareceu errada, mas pensando de novo talvez esteja certa
Pensei em “pinos de entrada puros”, mas talvez até esses pinos tenham resistores de pull-up ou pull-down, e no silício isso deva ser implementado na prática como diodos ou FETs sem gate
Um fato curioso sobre “antena” na fabricação de chips: não tem relação nenhuma com antenas de verdade
Durante a fabricação, carga pode se acumular em fios longos porque os produtos químicos envolvidos não são neutros e interagem com a fiação exposta
Essa carga precisa escoar para algum lugar para proteger o restante do circuito, e isso não tem nenhum componente de radiofrequência
Em nós de processo posteriores, especialmente em 28 nm ou menos, há muitas regras de projeto para evitar o efeito de “antena”
É interessante ver que, mesmo estudando uma tecnologia de 31 anos, ainda se fica surpreso com a complexidade dela
A maioria das pessoas quase não faz ideia de quanto esforço intelectual foi necessário para chegar ao nível tecnológico atual
As discussões sobre a estrutura do circuito integrado são obviamente interessantes, mas também quero elogiar as fotos do circuito mostradas nesta página e em outras páginas desse site
Além de ajudarem na compreensão, as cores são realmente ótimas e agradáveis
Os diodos de antena servem só para reduzir danos durante a fabricação ou também têm algum efeito em tempo de execução em ambientes com muito ruído eletromagnético?
Já os diodos ESD protegem as entradas contra descarga eletrostática durante o uso do chip
Ainda assim, esses diodos são considerados no cálculo de timing
Isso me fez rir e trouxe boas lembranças. Trabalhei na Intel antes e durante a era do Pentium, e lembro de quanto esforço foi gasto para ajustar as ferramentas de EDA para lidar com esse tipo de coisa
Entrei no bonde da lei de Moore na transição de 180 nm para 130 nm e desci na passagem de 65 nm para 45 nm, e acho que foi uma boa decisão
Nem consigo imaginar o que as ferramentas de EDA de hoje precisam suportar
Hoje peguei um Pentium-75 numa recicladora local, e foi muito legal abrir a primeira página e ver justamente este artigo. O chip é um SX969
É muito legal poder olhar para o chip na mão e procurar as fotos do die do Ken
O encapsulamento cerâmico desses Pentiums também é bem peculiar: quando você coloca a CPU sobre a mesa, ela faz um som como se estivesse pousando um pedaço de vidro
Se quiser ver o die interno, dá para tirar a tampa do encapsulamento com facilidade usando um formão
Existe alguma técnica tipo OCR que leia automaticamente um chip aberto e reconstrua a lógica? Parece bem difícil se for preciso lidar com todos esses detalhes estranhos
Agora quero ver também por que os diodos de antena são necessários em tecnologia SOI
Como o substrato deixa de ser um refúgio seguro, muito mais óxidos podem ficar expostos a grandes tensões diferenciais durante a fabricação