İşte ejderhalar: 386'da statik hasarı, mandallamayı ve metastabiliteyi önlemek

Intel 386 işlemcisine (1985'ten itibaren) tersine mühendislik uyguluyorum ve bazı ilginç sonuçlarla karşılaştım çipin giriş/çıkış (I/O) pinleri için devreler. Bu pinler dış dünyayla iletişim kurduğu için özel tehlikelerle karşı karşıyadırlar: Statik elektrik ve mandallanma çipe zarar verebilirken metastabilite ciddi arızalara neden olabilir. Bu G/Ç devreleri 386'daki mantık devrelerinden tamamen farklıdır ve ben buraya geldim. daha önce tanımlanmamış bir flip-flop devresi boyunca, bu yüzden keşfedilmemiş bölgelere girmeyi göze alıyor. Bu makalede I/O devresinin 386'yı nasıl koruduğuna yakından bakacağım. onu yok edebilecek "ejderhalar".

Yukarıdaki fotoğraf 386'nın kalıbını mikroskop altında göstermektedir. Dikdörtgen bölgelerde düzenlenmiş koyu, karmaşık desenler, 386 çipindeki devreleri birbirine bağlayan iki metal katmanından ortaya çıkıyor. Silikon ve polisilikondan oluşan ve metalin altına gizlenmiş transistörler görünmüyor. Bu tırnak büyüklüğündeki silikon kalıbın çevresi boyunca 141 kare bağ yastığı, aralarındaki bağlantıları sağlar. çip ve dış dünya; minik altın bağ telleri bağ pedlerini pakete bağlar. Her bir I/O pedinin yanındaki özel devre, I/O pad'leri arasındaki elektriksel arayüzü sağlar. Çipi korurken çip ve harici bileşenler. İlgili G/Ç devreleriyle birlikte bu bağ pedlerinin üç grubunu yakınlaştırdım. Üstteki (veri pinleri için) ve soldaki (adres pinleri için) devreler tamamen farklıdır. alt kısımdaki kontrol pimi devreleri, nasıl çalıştığını gösteriyor Devre, pimin işlevine göre değişir.

Statik elektrik

386'yı tehdit eden ilk ejderha, çipte bir delik açabilen statik elektriktir. MOS transistörleri ince bir yalıtkan oksit tabakasından yapılmıştır transistörün kapısının altında. 386'daki bu kırılgan, cam benzeri oksit tabakası yalnızca 250 nm kalınlığında, yani bir virüsün kalınlığında. Statik elektrik, çok küçük bir miktar bile olsa, bu oksit tabakasında bir delik açabilir ve çipi yok edin. Eğer bir halının üzerinde yürüdüyseniz ve kapı koluna dokunduğunuzda bir kıvılcım hissettiyseniz, en az 3000 volt elektrik üretmişsiniz demektir. çipleri yok eden statik elektrik.Intel, bir işlemci takarken anti-statik bir paspas ve topraklama bilekliği kullanılmasını önerir. Elektrostatik Deşarj veya ESD olarak da bilinen statik elektrik tehlikesinden kaçının.1

ESD hasarı riskini azaltmak için çiplerin G/Ç devrelerinde koruma diyotları ve diğer bileşenler bulunur. Aşağıdaki şema tipik bir 386 girişi için devreyi göstermektedir. Amaç, invertörün transistörlerine zarar verebilecek statik deşarjın invertöre ulaşmasını önlemektir. Pedin yanındaki diyotlar ilk koruma katmanını sağlar; aşırı voltajı +5 raya veya toprağa yönlendirirler. Daha sonra direnç, invertöre ulaşabilecek akımı azaltır. Üçüncü diyot son bir koruma katmanı sağlar. (Bu girişin ESD ile ilgisi olmayan sıra dışı bir özelliği, girişin 20kΩ'luk bir direnç gibi davranan bir transistör ile uygulanan bir çekme özelliğine sahip olmasıdır.2)

Aşağıdaki resim bu devrenin kalıpta nasıl göründüğünü göstermektedir. Bu fotoğraf için metal katmanları asitlerle çözdüm, transistörleri görünür kılmak için kalıbı silikona kadar sıyırdım. Diyotlar ve çekme direnci transistörlerle uygulanır.3Büyük transistör ızgaraları ped tarafındaki diyotları oluştururken üçüncü diyot üsttedir. Akım sınırlama koruma direnci, metal kablolamaya göre daha yüksek direnç sağlayan polisilikon ile uygulanmıştır. Kapasitör, ince bir oksit tabakasıyla ayrılmış, silikon üzerine polisilikon plaka ile uygulanmıştır. Gördüğünüz gibi koruma devresi, sinyali işleyen invertörlerden çok daha fazla alan kaplıyor.

Mandallama

386'daki transistörler, silikonun özelliklerini değiştirmek için safsızlıklarla katkılanarak, bölgeleri yaratılarak oluşturulur. "N tipi" ve "P tipi" silikon. Çoğu işlemci gibi 386 yongası da CMOS teknolojisinden üretilmiştir, dolayısıyla iki tür transistör kullanır: NMOS ve PMOS. 386, N tipi silikon levhadan başlar ve PMOS transistörleri, alttaki N tipi silikonun içine gömülü P tipi silikon oluşturmak için küçük bölgelerin katkılanmasıyla oluşturulur. NMOS transistörleri bunun tersidir; P tipi silikonun içine N tipi silikon gömülüdür. NMOS transistörlerini tutmak için, aşağıdaki kesit diyagramında gösterildiği gibi P tipi silikondan "kuyular" oluşturulur. Böylece 386 çipi, 285.000 transistörünü oluşturan karmaşık P tipi ve N tipi silikon desenlerini içerir.

Ama yüzeyin altında tehlikeli bir şey gizleniyor, ateş püskürten mandal ejderhası çipi yakmayı bekliyor. Sorun, N-tipi ve P-tipi silikonun bu bölgelerinin, altlarında istenmeyen, "parazit" transistörler oluşturmasıdır. İstenilen transistörler. Normal şartlarda bu parazitik NPN ve PNP transistörleri aktif değildir ve göz ardı edilebilir. Ancak yüzeyin altından, silikon alt katmandan bir akım akarsa, parazitik bir transistörü çalıştırabilir ve korkunç gecikmeyi uyandırabilir.4 Parazit transistörler bir geri besleme döngüsü oluşturur, yani eğer bir transistör açılmaya başlarsa, diğer transistörü açar ve her iki transistör de tamamen açılıncaya kadar bu şekilde devam eder, bu durum mandallanma olarak adlandırılır.5 Üstelik geri besleme döngüsü, çipin gücü kesilene kadar mandallamayı sürdürecek.6 Kilitleme sırasında çipin gücü ve topraklama parazitik transistörler aracılığıyla kısa devre yapar ve bu da yüksek akım akışına neden olur. çipi aşırı ısıtarak veya hatta bağ tellerini eriterek yok edebilir.

Kilitleme, güç kaynağının aşırı voltajından radyasyona kadar birçok yolla tetiklenebilir, ancak Bir çipin I/O pinleri birincil risktir çünkü dış dünyadan gelen sinyaller tahmin edilemez. Örneğin, 386'ya bir disket sürücünün bağlı olduğunu ve sürücünün 386'dan daha yüksek voltajda bir sinyal gönderdiğini varsayalım. 386'nın 5 voltluk beslemesi. (Bu, sürücüdeki voltaj dalgalanmasından, sinyal hattındaki yansımadan ve hatta bir kablonun bağlanmasından kaynaklanabilir.) Akım, önceki bölümde açıklanan diyotlar olan 386'nın koruma diyotlarından akacaktır.7 Eğer bu akım çipin silikon alt tabakasından geçerse, mandallamayı tetikleyebilir ve işlemciye zarar verebilir.

Bu tehlike nedeniyle 386'nın I/O pedleri mandallamayı önleyecek şekilde tasarlanmıştır. Bir çözüm, esas olarak transistörlerin etrafına çitler koyarak, alt tabakadaki istenmeyen akımları engellemektir. Kötü niyetli akımların alt tabakaya kaçmasını önlemek için. 386'da bu çit, G/Ç transistörleri ve diyotların etrafındaki "koruma halkalarından" oluşur. Bu halkalar, istenmeyen akım akışını engelleyerek ve onu güvenli bir şekilde güce veya toprağa yönlendirerek mandallamayı önler.

Yukarıdaki şemada tipik bir G/Ç pedi için çift koruma halkaları gösterilmektedir.8 Ayrı koruma halkaları NMOS transistörlerini ve PMOS transistörlerini korur. NMOS transistörleri, toprağa (mavi) bağlı P tipi silikondan bir iç koruma halkasına ve N tipi silikondan bir dış koruma halkasına sahiptir. +5'e (kırmızı) bağlı. PMOS transistörleri için halkalar ters çevrilmiştir. Koruma halkaları kalıp üzerinde önemli bir yer kaplar, ancak halkalar çipi mandallanmaya karşı koruduğu için bu alan boşa harcanmaz.

Metastabilite

Son ejderha metastabilitedir: (muhtemelen) çipi yok etmeyecek, ancak ciddi arızalar.9Metastabilite, dijital bir sinyalin yerleşmesinin sınırsız miktarda zaman alabileceği tuhaf bir sorundur. sıfır ya da bir. Başka bir deyişle, devre geçici olarak dijital olarak hareket etmeyi reddeder ve temeldeki analog doğasını gösterir.10Metastabilite 1960'larda ve 1970'lerde tartışmalıydı; pek çok elektrik mühendisi bunun var olduğuna inanmıyordu ya da alakasız olduğunu düşünüyor. Günümüzde metastabilite, bunu önleyen özel devrelerle iyice anlaşılmıştır, ancak metastabilite asla tamamen ortadan kaldırılacaktır.

Bir işlemcide her şey saatine göre senkronize edilir. Modern bir işlemcinin saat hızı birkaç gigahertz iken, 386'nın saati 12 ila 33 megahertz arasında çalışıyordu. İşlemcinin içinde sinyaller saate göre değişecek şekilde dikkatle düzenlenir; bu nedenle bilgisayar daha yüksek saat hızıyla daha hızlı çalışır. Sorun, harici sinyallerin CPU saatinden bağımsız olabilmesidir. Örneğin, bir disk sürücüsü, veri hazır olduğunda bilgisayara bir kesinti gönderebilir; bu, zamanlamaya bağlıdır. dönen diskin. Bu kesinti yanlış zamanda gelirse metastabiliteyi tetikleyebilir.

Daha ayrıntılı olarak, işlemciler sinyalleri saatin kontrolü altında tutmak için flip-flop'ları kullanır. "Kenar tetiklemeli" bir flip-flop onu yakalar saatin yükseldiği anda ("yükselen kenar") giriş yapılır ve bu değer bir sonraki saat döngüsüne kadar tutulur. Saat değiştiğinde değer sabitse her şey yolundadır: Eğer giriş sinyali saat sınırından önce düşükten yükseğe değişirse, flip-flop bu yüksek değeri tutacaktır. Ve giriş sinyali düşükten yükseğe değişirsesonrasındasaat kenarında, flip-flop düşük değeri tutacaktır, çünkü giriş saat kenarında düşüktü. Peki saatin değiştiği anda giriş düşükten yükseğe değişirse ne olur? Genellikle flip-flop ya düşük ya da yüksek olanı seçecektir. Ancak çok nadiren, belki milyarda birkaç kez, flip-flop ne düşük ne de yüksek arasında tereddüt edecektir. Flip-flop'un düşük veya yüksek bir değere "karar vermesi" birkaç nanosaniye sürebilir ve değer orta düzeyde olacaktır. sen...