Микропроцессоры

Методы Laser Probe и Time-Resolved Emission широко применяются для обнаружения единичных отказов логики, сбоев из-за паразитных емкостных, индуктивных и резистивных перекрестных связей и из-за шума источника питания. Третий метод более эффективен при дефектах типа всплесков dI/dt, низковольтных колебаний и нестабильности питания (то есть там, где КМОП-ячейка недостаточно надежно фиксирует уровни логических 0 или 1). Разумеется, в дополнение к этим новейшим методам применяются и более традиционные, разрушающие способы диагностики структур -- см. врезку.

Кремниевая нанохирургия

Для устранения обнаруженных дефектов на предварительном этапе отладки кристаллов в Intel широко используется так называемая кремниевая нанохирургия (nanosurgery). Дело в том, что на чипах микросхем предусматривается некоторое место (в различных областях по всей площади кристалла) для размещения «свободных», то есть незадействованных в основной схеме транзисторов. Точнее даже не транзисторов, а функциональных КМОП элементов -- вентилей, линий задержки, триггеров и пр. Если, например, в процессе диагностики обнаружился дефект и моделирование на компьютере показывает, что этот дефект можно устранить, внедрив дополнительный элемент в схему (скажем, простейшую линию задержки, состоящую из двух логических инверторов), то далее для проверки этого предположения «в железе» применяется нанохирургия, которая позволяет «вставить» резервный элемент прямо в основную схему на кристалле, разрезав соединения, где это потребуется. Это подобно тому, как при лабораторной отладке радиоэлектронных схем (материнских плат, видеокарт и пр.) нужные радиоэлементы (транзисторы, резисторы и даже микросхемы) впаиваются в нужные участки -- порой, «в навал» на уже готовую плату, если заранее места для них не предусмотрено. Но в кремниевой нанохирургии эти операции, разумеется, имеют многократно большую сложность и до недавнего времени были практически невозможны -- для исправления каждого бага (или группы багов) приходилось изготавливать новую партию дорогостоящих фотомасок, выпускать пробную партию кристаллов (а это занимает несколько недель) и повторять все это снова и снова, если проблемы оставались.

Рисунок 14 - Операция исправления багов

Итак, для проведения «нанохирургии» с обратной стороны кремниевого кристалла (в подложке) ступенчато вытравливаются углубления в форме квадратных обратных пирамид (рисунок 14). Для селективного травления используется сфокусированный ионный пучок и специальный газ-реагент. Точное место травления -- прямо «под» нужным элементом -- определяется оптическими методами, описанными выше, причем в процессе травления положение ямки постоянно уточняется и корректируется с тем, чтобы на финальной стадии небольшое (диаметром в единицы микрон и даже меньше) углубление попало точно в нужный металлический контакт (с обратной его стороны). После того как ямка «прорыта» до контакта со схемой, в нее «заливается» металл (например, вольфрам) -- до образования надежного электрического контакта со схемой. После этого полученные металлические контакты к разным участкам схемы можно соединить между собой в нужной последовательности, осаждая (напыляя) перемычки с тыльной стороны кремниевой пластины (см. фото) -- прямо как напайка дополнительных проводков на печатную плату.

Модифицированная таким способом электронная схема кристалла тщательно проверяется заново (включая оперативную бесконтактную диагностику), и если исправление дефектов первоначального проекта прошло успешно, разрабатываются новые фотошаблоны, учитывающие опробованные изменения. Если же процедура исправления не дала удовлетворительных результатов, «нанохирургическую» операцию можно повторять снова и снова (и занимает она, кстати, всего несколько часов) -- до тех пор, пока не найдется надежный путь исправления дефекта. Таким образом, экономится уйма времени и средств, которые бы ушли на исправление, если действовать традиционными методами (через новые фотомаски и кристаллы). Более того, этим способом можно быстро исправлять целую последовательность проблем, каждая из которых может быть обнаружена только после исправления предыдущей. И экономия тут будет просто колоссальная.

Кстати, для проведения подобных процедур прямо на готовых, помещенных в корпус кристаллах очень удобна именно та упаковка, которая применяется микропроцессорной индустрией последние несколько лет -- Flip-Chip (FC-BGA). В ней кристалл расположен подложкой кверху и все операции с обратной стороны чипа легко проводить даже при включенной в тестовый стенд микросхеме (а порой -- тут же установить исправленный кристалл в материнскую плату и запустить Windows -- это не шутка).

Описанный способ широко применяется при устранении проблем трех уровней:

· ошибки функционирования

· недостаточная производительность

· проблемы с энергопотреблением

В частности, удается достаточно оперативно повысить рабочие частоты кристаллов (после чего выпускается, например, новый степпинг процессора по новым фотошаблонам), снизить потребляемую мощность, увеличить выход годных кристаллов с заданными параметрами. Например, для анализа и устранения проблем энергопотребления применяется так называемый инфракрасный микроскоп IREM (InfraRed Emission Microscope), который позволяет наблюдать участки повышенного нагрева кристалла в работе (вплоть до отдельных транзисторов или логических блоков).

Полученные термомикрограммы используются для поиска мест повышенных утечек в кристалле, наиболее разогревающихся элементов при высокой частоте работы, и для выработки нужных решений по улучшению кристаллов.

Заключение

В работе были рассмотрены некоторые аспекты, связанные с развитием микропроцессорной техники.

Специалисты компании Intel оценивают возможность дальнейшей миниатюризации весьма оптимистично. Дальнейшее совершенствование технологий ИС связано с большими трудностями и финансовыми затратами, но разработки в этой области активно ведутся и, скорее всего. Это процесс будет продолжаться еще несколько десятков лет.

Список используемых источников

1. Сергей Пахомов. Экспансия закона Мура//Компьютер пресс. - 2003. - №1. - С.16-22.

2. Сергей Пахомов. Эра трехмерных транзисторов//Компьютер пресс. - 2003. - №1. - С.34-38.

3. Александр Карабуто. Отладка кристаллов микросхем//Компьютера. - №37. - 2004.