- O processador Intel 386 foi lançado em 1985 como o primeiro chip x86 de 32 bits
- Nos resultados do 3D CT scan da Lumafield, foram encontradas seis camadas de fiação complexas e fios de contato metálico lateral quase invisíveis, escondidos dentro do encapsulamento cerâmico
- Foi aplicada uma estrutura de duas redes de alimentação independentes para I/O e lógica, aumentando a estabilidade do chip
- Na fabricação, foram usados fios laterais pequenos conectados ao exterior para fazer a placagem com ouro de cada pino
- A complexidade do pacote 386 é considerada um avanço técnico significativo, mesmo quando comparada a pacotes de processadores modernos
Análise da estrutura interna do encapsulamento cerâmico do processador 386
Introdução ao processador 386 e aparência externa
- O processador 386 lançado pela Intel em 1985 foi o primeiro chip de 32 bits da linha x86
- O chip vem em um encapsulamento cerâmico quadrado com 132 pinos de ouro salientes na parte inferior
- O aspecto externo parece simples, mas internamente existe uma estrutura surpreendentemente complexa
Descobertas da estrutura interna por CT scan
- Por meio de uma tomografia computadorizada 3D realizada pela Lumafield, confirmou-se que há 6 camadas de fiação complexas dentro do encapsulamento cerâmico
- Há um quase imperceptível fio metálico com conexão lateral escondido no interior do espaço do chip
- Internamente, foi configurada uma rede de alimentação e aterramento separada para I/O e lógica da CPU
Encapsulamento cerâmico, pads e fiação
- O pacote do 386 possui contatos metálicos de 2 níveis (2-tier) posicionados em torno do die
- O diâmetro dos bond wires é de cerca de 35 μm, mais fino que um fio de cabelo
- Os bond wires conectam die-pad-pin-placa-mãe de forma hierárquica para sinais e energia
- O interior tem uma estrutura semelhante à de uma placa de circuito de 6 camadas em material cerâmico
Fabricação cerâmica e estrutura dos eletrodos
- A produção começa com uma folha verde cerâmica flexível (mistura com adesivo), passando por furação de furos de via e formação de fios
- Várias camadas são empilhadas e sinterizadas em alta temperatura para formar uma estrutura robusta
- Após a metalização de pinos e contatos internos, estes são conectados ao die com bond wires de ouro e o encapsulamento é finalizado com soldagem do cap metálico
- Depois de testes e rotulagem, é enviado ao mercado
Estrutura das camadas de fiação (camada de sinais/camada de alimentação)
- Camada de sinal: os pads do invólucro e os pinos do pacote são conectados por trilhas metálicas e ao die por bond wires
- Camada de alimentação: composta por uma única superfície condutora (plano), com vários furos de via e pinos-vidos
- Entre as camadas de alimentação e de sinal existem diversas ligações por vias, formando uma interface de fiação hierárquica
Fios laterais para contatos de eletrodeposição (Electroplating Contacts)
- Para a placagem com ouro de todos os pinos, cada pino é ligado individualmente a um pequeno fio estendido até a lateral do encapsulamento
- Esse fio é praticamente visível apenas perto da borda do lado do encapsulamento, e o CT scan permite visualizar internamente a estrutura de conexão
Duplicação da rede de alimentação
- O 20 pinos (Vcc) e 21 pinos (Vss) do 386 se conectam respectivamente a +5V e ao terra
- A separação de alimentação e aterramento entre I/O e lógica evita que variações de tensão durante operações de I/O entrem no circuito lógico
- Na placa-mãe, usa-se a mesma alimentação, mas capacitores de desacoplamento atenuam picos de tensão, garantindo a estabilidade do circuito lógico
Função dos pinos No Connect (NC)
- O pacote 386 tem 8 pinos NC (Not Connected)
- O die tem pads de conexão, mas alguns não possuem bond wires reais
- Esses pads NC podem ser usados durante testes para acessar sinais internos
- Um dos pinos NC está realmente conectado, e por ele pode ser possível observar sinais específicos
Mapeamento de pinos dos pads do die
- Ao contrário da estrutura DIP, no caso de PGA (pin grid array), o mapeamento de pinos e pads não é claro
- Com análise dos dados de CT, foram rastreadas as relações entre cada pad do die e os pinos externos
- Essas informações quase não foram divulgadas ao público
História e evolução do encapsulamento da Intel
- Os primeiros processadores da Intel tinham limitações de desempenho devido ao número de pinos e ao tamanho reduzido do pacote
- No 386, com o encapsulamento cerâmico de 132 pinos, houve melhora de escalabilidade, desempenho e desempenho térmico
- Porém, quando o custo do pacote cerâmico ficou maior que o custo do die, foi introduzida a versão em encapsulamento plástico (PQFP), mais barata e fácil de produzir em massa
- Processadores modernos têm 2049 bolas de solda (BGA) ou 7529 contatos (LGA), com um número de conexões muito maior
Conclusão
- O pacote 386 parece simples por fora, mas aplica tecnologias bastante complexas como contatos de metalização, fiação de 6 camadas e rede dupla de alimentação
- Dentro de processadores modernos existem ainda mais estruturas ocultas e segredos técnicos
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