Intel выпустила процессор 386 в 1985 году, он стал первым 32-битным чипом линейки x86. Этот чип упаковывался в керамический квадрат с торчащими снизу 132 позолоченными ножками, которые вставляются в разъём на материнской плате. Хоть эта конструкция может показаться скучной, внутри неё происходит гораздо больше, чем можно было бы ожидать. По моей просьбе компания Lumafield выполнила компьютерную 3D-томографию чипа, обнажившую шесть слоёв сложных соединений, сокрытых внутри керамического корпуса. Более того, оказалось, что в чипе есть почти невидимые металлические проводники, соединённые с боковыми сторонами корпуса (см. показанные выше полосы). Снимок также показал, что у 386 есть две отдельных сети питания и заземления: один для ввода-вывода, второй — для логики процессора.

Показанный ниже корпус не даёт никакого представления о сложных соединениях, расположенных внутри керамики. В обычном состоянии кремниевый чип невидим, но я снял закрывающую его металлическую крышку¹. Благодаря этому можно увидеть и два ряда золотых контактов, окружающих кремниевый чип.

Intel выбрала керамическую конструкцию с 132 ножками, потому что стремилась к обеспечению большого количества контактов, хороших тепловых характеристик и низкой степени шума при подаче питания на чип². Однако стандартные конструкции неспособны предоставить достаточную мощность, поэтому Intel спроектировала собственный корпус с «однострочной двойной площадкой, соединяющейся с двумя сигнальными слоями и четырьмя плоскостями питания и заземления». Иными словами, проводные соединения кристалла подключены к двум площадкам контактов, окружающих кристалл. Внутри процессор выглядит как изготовленная из керамики шестиуровневая печатная плата.

На фотографии ниже показаны два ряда контактных площадок с прикреплёнными к ним крошечными соединительными проводами: по моим замерам, диаметр этих проводов составляет 35 мкм, то есть тоньше среднего человеческого волоса. К некоторым площадкам подсоединено до пяти проводников, чтобы стала возможной подача большего тока на площадки питания и заземления. Эту конструкцию можно считать своего рода иерархическим интерфейсом между крошечными цепями на кристалле и гораздо бóльшими элементами материнской платы компьютера. В частности, размер элементов кристалла составляет 1 мкм, а расстояние между металлическими проводниками в верхней части кристалла равно 6 мкм. Проводники чипа соединяются с контактными площадками чипа, расстояние между которыми составляет 0,01 дюйма (0,25 мм). Проводники соединяются с площадками корпуса, расстояние между которыми равно 0,02 дюйма (0,5 мм); расстояние удвоенное, потому что площадки выстроены в два ряда. Корпус соединяет эти площадки с матрицей ножек, имеющей шаг 0,1 дюйма (2,54 мм). Таким образом, масштабы размеров по пути от микроскопической цепи кристалла до ножек чипа возрастают примерно в 2500 раз.

Производство керамического корпуса — это сложный процесс⁴. Он начинается с гибких керамических «зелёных пластин», состоящих из керамического порошка, смешанного со связующим агентом. После проделывания в пластине переходных отверстий на неё при помощи шелкографии наносится образующая дорожки вольфрамовая паста. Пластины собираются в сэндвичи, соединяются под давлением, а затем спекаются при высоких температурах (от 1500ºC до 1600ºC), образуя жёсткую керамику. Дальше к нижней части чипа крепятся контактные ножки. Ножки и внутренние контакты кристалла гальванически покрываются золотом³. Затем монтируется кристалл, прикрепляются его проводники и поверх кристалла припаивается крышка. В конце чип в корпусе тестируется и маркируется, после чего чип готов к продаже.

На схеме ниже показан сигнальный слой внутри корпуса. Ножки соединяются с площадками корпуса металлическими дорожками, очень красиво выглядящими на компьютерной томограмме. (Эти дорожки на удивление широкие и разнообразные по форме; я ожидал, что для снижения ёмкостного сопротивления их делали более узкими.) Проводники кристалла соединяют контактные площадки с площадками на кремниевом кристалле. (Показанное в нижней части изображение кристалла добавлено на схему для наглядности, оно не входило в томограмму.) Большие красные отверстия — это переходные отверстия от ножек. Некоторые переходные отверстия соединены с этим сигнальным слоем, а другие проходят насквозь к другим слоям. Красные круги поменьше — соединения со слоем питания; так как контактные площадки есть только на двух сигнальных слоях, у шести плоскостей питания есть соединения с сигнальными слоями. Проводники кристалла соединены только с сигнальными слоями, поэтому слоям питания нужны соединения с площадками на сигнальных слоях.

На схеме ниже показана соответствующая часть слоя питания. Слой питания совершенно отличается от сигнального слоя; это единая проводящая плоскость с отверстиями. Сетка из отверстий меньшего размера обеспечивает связь с керамикой над и под этим слоем, образуя прочный керамический сэндвич. Отверстия большего размера, окружающие переходные отверстия ножек (красные точки) позволяют ножкам соединяться с другим слоем. В контактирующих с пластиной красных точках с этим слоем соединяются ножки питания. Так как с кристаллом соединены только сигнальные слои, слои питания имеют соединения с сигнальными слоями; это мелкие точки рядом с проводниками кристалла, которые являются или переходными отверстиями питания, соединёнными с другим слоем, или переходными отверстиями, соединёнными с этим слоем.

Под спойлером можно послойно изучить корпус. Наблюдая за путём ножки через слои, можно понять, где она заканчивается. Например, левая верхняя ножка проходит через несколько слоёв, пока верхний сигнальный слой не соединит её с кристаллом. Ножка справа от неё проходит через все слои, пока не достигнет логической плоскости Vcc наверху. (Vcc — это 5 В, питающих чип; она называется Vcc по историческим причинам.)

Слои

В центре плоскости Vcc логики можно увидеть яркий пятнистый квадрат. Я думаю, это не сам кристалл, а адгезив, крепящий кристалл к корпусу, эпоксидная смола с серебром, обеспечивающим тепло- и электропроводимость. Так как серебро блокирует рентгеновские лучи, оно хорошо заметно на изображении.

Боковые контакты для гальванизации

В снимках меня больше всего удивили торчащие по бокам корпуса проводники. Эти проводники использовались в производстве при гальваническом золочении ножек⁵. Для гальванизации каждая ножка должна быть подключена к отрицательному напряжению, чтобы она могла быть катодом. Для этого к каждой ножке присоединён проводник, выведенный к краю корпуса.

На схеме ниже томограмма (вверху) сравнивается с фотографией корпуса (внизу). Проводники почти невидимы, но заметны в виде тёмных пятен. Стрелками показано соответствие этих пятен томограмме; другие пятна вы можете сопоставить сами⁶.

Две сети питания

Согласно спецификации, 20 ножек процессора 386 подключены к питанию +5 В (Vcc), а 21 ножка — к заземлению (Vss). В процессе изучения кристалла я заметил, что цепь ввода-вывода 386 имеет отдельные от цепи логики соединения питания и заземления. Причина этого в том, что выходным ножкам требуются схемы возбуждения с повышенным током. Когда ножка переключается с 0 на 1 или наоборот, может произойти всплеск на проводниках питания и заземления. Если этот всплеск будет слишком большим, то он может вносить помехи в логику процессора, вызывая сбои. Решение заключается в использовании внутри чипа отдельных проводников питания для цепи ввода и для цепи логики, соединённых с разными ножками. На плате все эти ножки подключены к одному питанию и заземлению, но разделительные конденсаторы поглощают всплески ввода-вывода до того, как они будут поданы на логику чипа.

На схеме ниже показано, как на кристалле выглядят сети питания и заземления с отдельными контактными площадками и проводниками. Квадратные контактные площадки кристалла находятся сверху, к ним присоединены тёмные проводники. Белые линии — это два слоя металлизации, а тёмные области — это цепь. Под каждой ножкой ввода-вывода есть схема возбуждения, состоящая из относительно крупных транзисторов, подтягивающих ножку вверх или вниз. Эта цепь питается от двух горизонтальных линий Vcc ввода-вывода (светло-красная) и заземления ввода-вывода (Vss, голубая). Под каждой схемой возбуждения ввода-вывода есть небольшая логическая цепь, питаемая более тонкой Vcc (тёмно-красная) и Vss (тёмно-синяя). Более толстые проводники Vss и Vcc идут к логике в остальной части чипа. Таким образом, если цепь ввода-вывода вызывает колебания питания, они никак не влияют на цепь логики, защищённую отдельным питанием.

В спецификации ничего не говорится об отдельных сетях питания ввода-вывода и логики, но при помощи снимков я определил, какие ножки подают питание на ввод-вывод, а какие — на логику. На схеме ниже светло-красным и голубым помечены ножки питания и заземления ввода-вывода, а тёмно-красным и синим — ножки питания и заземления логики. Ножки распределены по всему корпусу, что позволяет подавать питание ко всем четырём сторонам кристалла.

Ножки «No Connect»

Как видно из показанной выше диаграммы, у 386 есть восемь ножек, помеченных как «NC» (No Connect) — при монтаже чипа в компьютер материнская плата должна оставлять эти ножки неподключёнными. Можно подумать, что у 132-контактного корпуса просто есть восемь лишних ножек, но на самом деле история сложнее. На фото ниже показаны пять площадок в нижней части кристалла процессора 386. К трём площадкам присоединены проводники кристалла, а к двум нет: они соответствуют ножкам No Connect. Обратите внимание на чёрные отметины в центрах площадок: они оставлены щупами, которые прикладывали к кристаллу при испытаниях⁷. Предположительно, площадки No Connect играли важную роль на этапе испытаний, предоставляя доступ к важному внутреннему сигналу.

Семь из восьми площадок No Connect почти подключены: в корпусе есть место для проводника кристалла в полости кристалла, а также внутренние соединения с ножкой No Connect. Не хватает только проводника кристалла между площадкой и полостью в кристалле. Таким образом, добавив проводники кристалла, Intel с лёгкостью могла изготавливать специальные чипы, где эти ножки подключены, например, для отладки самого процесса испытаний.

Удивительно то, что одна из площадок No Connect всё-таки имеет проводник, обеспечивая полное соединение с внешней ножкой. (На показанной выше схеме ножек я выделил эту ножку зелёным цветом). Судя по цепям на кристалле, эта ножка должна быть выводом. Возможно, если подключить ножку чипа 386 к осциллографу, получится увидеть что-то интересное.

Функции площадок кристалла

Более ранние процессоры, например, 8086, имеют корпус DIP (Dual-Inline Package) с двумя рядами ножек. Благодаря этому очень легко разобраться, какая ножка (а значит, и какая функция) связана с каждой из площадок кристалла. Однако поскольку в 386 используется двухмерная матрица ножек, соотнести их с площадками не так просто. Можно предположить, что ножки подключены к ближайшей площадке, но неопределённость всё равно сохраняется. Без знания функции каждой площадки мне было сложнее выполнить реверс-инжиниринг кристалла.

На самом деле, главной причиной сканирования корпуса 386 для меня было определение связи ножек и площадок, а значит, и функции каждой площадки⁸. Получив данные компьютерной томографии, я смог отследить каждое скрытое соединение между площадками и внешними ножками. На изображении ниже показана часть моей разметки; крупное, полностью размеченное изображение можно посмотреть здесь. Насколько я знаю, эта информация за пределами Intel ещё ни разу не публиковалась.

Заключение

Первые процессоры Intel страдали от плохо продуманного корпуса, но к моменту разработки 386 компания осознала важность его конструкции. В начале пути Intel руководство компании почему-то было уверено, что у чипов не должно быть больше 16 контактов, хотя другие компании производили корпуса с 40 ножками. Поэтому первый микропроцессор Intel 4004 (1971 года) засунули в 16-контактный корпус, что ограничило его производительность. К 1972 году увеличение размеров чипов памяти вынудило Intel крайне неохотно перейти на 18-контактные корпуса⁹. Этот чуть больший корпус обеспечил преимущество для восьмибитного процессора 8008 (1972 год), но производительность всё равно страдала, потому что сигналам приходилось делить между собой ножки. При проектировании процессора 8080 (1974 год) Intel наконец-то перешла к стандартному 40-контактному корпусу, что привнесло свой вклад в успех чипа. К 1980-м годам в отрасли стали популярны двухмерные матрицы ножек, потому что чипам требовалось всё большее количество контактов. При разработке процессоров 186 и 286 (1982 год) Intel использовала керамический корпус с матрицей выводов (pin grid array, PGA) с 68 ножками, за которым последовал 132-контактный корпус процессора 386 (1985 год).

Главным недостатком керамического корпуса была его стоимость. Согласно рассказам разработчиков 386, цена кристалла 386 постепенно снижалась, дойдя до точки, когда корпус чипа стал стоить столько же, сколько кристалл. Для решения этой проблемы Intel внедрила для 386 дешёвый пластмассовый корпус Plastic Quad Flat Package (PQFP), стоивший в производстве всего доллар (подробности).

В последующих процессорах количество соединений росло экспоненциально. В современном ноутбучном процессоре используется Ball Grid Array с 2049 шариками из припоя; чип припаивается непосредственно на плату. В других процессорах Intel используется Land Grid Array (LGA): чип имеет плоские контакты, называемые land, а у сокетов есть ножки. У некоторых процессоров Xeon 7529 контактов — сравните это с 16 ножками Intel 4004.

Снаружи корпус 386 выглядит, как обычный кусок керамики, однако компьютерная томограмма раскрыла его на удивление сложное внутреннее устройство: от множества контактов для гальванизации ножек до шести слоёв соединений. Наверно, в корпусах современных процессоров таится ещё больше секретов.

Благодарю Джона Брунера и Lumafield за сканирование чипа. Интерактивный скан корпуса 386 Lumafield находится здесь, можете изучить его самостоятельно. Lumafield также выполнила для нас компьютерную томографию триггера 1960-х годов программы «Аполлон» и советского космического навигационного инструмента «Глобус». Выражаю благодарностью Джону Макмастеру за 2D-рентгенограммы.

Примечания и ссылки

1. Я снял металлическую крышку при помощи стамески, температуры термофена оказалось недостаточно, чтобы отпаять её. В процессе я погнул несколько ножек, но мне удалось более-менее распрямить их.

2. Корпус 386 описан в «High Performance Technology, Circuits and Packaging for the 80386», Proceedings, ICCD Conference, Oct. 1986. (См. также Design and Test of the 80386 бывшего CEO Intel Пэта Гелсингера.)

   В статье приведены следующие требования к корпусу 386:

   1. Большое количество ножек для отдельной работы с 32-битными шинами данных и адресов.

   2. Тепловые характеристики, обеспечивающие температуры в местах соединений не более 110°.

   3. Питание для чипа и ввода-вывода, способное обеспечить 600 мА/нс с уровнями шума не выше 0,4 В (чип) и не выше 0,8 В (ввод-вывод).

   Первый и второй критерий стали причиной выбора 132-контактного керамического pin grid array (PGA). Для достижения третьего критерия был разработан специальный шестислойный корпус. Утверждается, что индуктивность сети питания составляет 4,5 нГн для каждой площадки (для стандартного корпуса она равна 12-14 нГн, то есть в три раза лучше).

   В статье говорится, что для Vcc логики, Vss логики, Vcc ввода-вывода и Vss ввода-вывода выделено по 10 ножек. Любопытно, что, согласно спецификации, процессор 386 имеет 20 ножек Vcc и 21 ножку Vss, то есть здесь присутствует некое несоответствие. Из своего исследования я сделал вывод, что «лишняя» ножка привязана к Vss логики, имеющему 11 ножек.

3. По моим оценкам, в корпусе 386 содержится примерно 0,16 граммов золота, то есть где-то $16 по текущему курсу. Сложно определить, сколько золота в процессоре, потому что информация в Интернете очень противоречивая. Многие люди занимаются извлечением золота из чипов, но количество, которое можно извлечь, зависит от используемого техпроцесса. Кроме того, люди склонны скрывать точные числа, чтобы зарабатывать самим. Но после исследований я пришёл к неким оценкам. Один человек сообщил об извлечённых из килограмма чипов 9,69 граммов золота, и другие источники примерно согласуются с этим. Керамический 386 весит 16 граммов. То есть получается, что в 386 содержится 160 миллиграммов золота.

4. У меня нет информации о процессе производства корпусов конкретно Intel. Это описание основано на других описаниях керамических корпусов, поэтому не гарантирую полной точности для 386. В патенте Fujitsu Package for enclosing semiconductor elements подробно описывается процесс производства керамических корпусов для чипов LSI. Техпроцесс производства керамических многочиповых модулей компании IBM описан в Multi-Layer Ceramics Manufacturing, но, вероятно, он менее похож на техпроцесс Intel.

5. В патенте IBM Method for shorting pin grid array pins for plating описываются предыдущий уровень гальванического покрытия ножек никелем и/или золотом. В частности, там говорится об использовании выводов для соединения всех входных/выходных ножек к общей шине с края корпуса, из-за чего в структуре оставались длинные выводы. Именно это я и наблюдал в чипе 386. В патенте упоминается недостаток такого подхода: выводы могут вести себя, как антенны и создавать помехи сигналам. В патенте Fujitsu Package for enclosing semiconductor elements тоже описываются проводники, выведенные на боковые поверхности. В этом патенте описываются способы предотвращения вывода процессора из строя статическим электричеством через эти проводники. (Кажется, что брать 386 за бока корпуса безопасно, но существует риск повреждения статикой.)

   Стоит отметить, что каждой ножке ввода/вывода требуется отдельный проводник на краю корпуса. Однако многие ножки каждой плоскости питания или заземления соединены внутри корпуса, поэтому им не нужны индивидуальные соединения по краям, достаточно одного-двух.

6. Чтобы убедиться, что проводники от ножек к краям чипа существуют и выведены, я взял мультиметр и обнаружил соединение между ножками и крошечными пятнами по бокам чипа.

7. Для снижения затрат каждый кристалл тестируется, когда он всё ещё находится в кремниевой пластине, и каждый неисправный кристалл помечается чернильным пятном. Пластина нарезается на отдельные кристаллы и в корпусы упаковываются только рабочие, непомеченные кристаллы, что позволяет избежать затрат на упаковку неисправного кристалла. Разумеется, после упаковывания проводятся дополнительные испытания.

8. Чтобы определить связи между площадками и ножками до использования компьютерной томографии, я попробовал множество разных способов. Я пытался прозвонить соединения между ножками и площадками мультиметром, но площадки такие крошечные, что это был сложный и подверженный ошибкам процесс, к тому же повреждавший корпус.

   Также я изучал назначение выводов 386 в пластмассовом корпусе (спецификация). Так как ножки пластмассового корпуса расположены одним кольцом вокруг границы, сопоставить их с кристаллом было очень просто. К сожалению, ко времени выпуска пластмассовых корпусов конструкция кристалла 386 немного изменилась, поэтому некоторые площадки переместились и появились новые ножки, например, FLT#. Оказалось, что схема ножек пластмассового чипа почти (но не полностью) совпадает со схемой исследованного мной кристалла.

9. В своём интервью проектировщик процессоров 4004, 8008 и Z80 Федерико Фаджин рассказал о зацикленности руководства Intel на 16-контактных корпусах. Когда оказалось, что чипу памяти требуется не 16, а 18 ножек, «как будто небо упало на землю. Я никогда не видел в компании такого количества расстроенных людей. В те времена для Intel было религией то, что всё должно иметь 16 ножек. Это абсолютно глупое требование». В этот период другие производители использовали 40- и 48-контактные корпуса, то есть технических ограничений здесь не было, дело было просто в небольшой экономии денег благодаря меньшему размеру корпуса.