من الجدير بالذكر أن هياكل MOS لا تزال تعمل ، ويتم تقليلها بشكل كبير ، في حين لا يمكن اختزال معظم الأشياء بهذه الطريقة. على سبيل المثال ، لا يمكنك قياس محرك 10 مرات وتتوقع أن يعمل. تعاني معظم الأشياء المادية من قانون المكعب المربع : تنمو مساحة الجسم كمربع حجم خطي وحجمه كمكعب. ومع ذلك ، في حالة هياكل MOS ، تظل معظم المكونات عند القياس دون تغيير أو تتحسن (على سبيل المثال ، استهلاك التردد والطاقة). لمزيد من التفاصيل حول القياس ، راجع كتاب Mead and Conway مقدمة إلى أنظمة VLSI.... ومن المفارقات أن كتاب 1978 يدعي أن القياس له حدود ربع ميكرون (250 نانومتر) أساسية على طول القناة بسبب الخصائص الفيزيائية للمادة. تبين أن هذا القيد معيب بشكل لا يصدق - الآن تنتقل الترانزستورات إلى الحجم المميز البالغ 5 نانومتر ، وذلك بفضل تقنيات مثل FinFET.
تُظهر الصورة أدناه شريحة 8086 من عام 1979 ، بالإضافة إلى نسختها بموت أصغر بشكل واضح من عام 1986. تمت إزالة الأغطية الخزفية من الرقائق حتى يمكن رؤية البلورات. في 8086 المحدث ، تم تقليص طول الدوائر الداخلية بنسبة 64٪ مقارنة بالأصل ، لذا فهي تحتل 40٪ من المساحة الأصلية. لا يتم تقليل البلورة نفسها بشكل كبير ؛ تحتل 54٪ من المساحة الأصلية. لم يتم تغيير غلاف المعالج ، DIP 40 سنًا أثناء استخدامه غالبًا للمعالجات الدقيقة.
تظهر الرقاقة القديمة 78 و 79 على العلبة و 1979 على الكريستال ، ورمز التاريخ هو 7947 (الأسبوع 47 من 1979) في الأسفل. 1978 مكتوب على علبة الرقاقة الجديدة ، و 1986 مكتوب على الكريستال ، ولا يوجد كود للتاريخ. لذلك ، يجب تصنيعها في عام 1986 أو بعد ذلك بقليل. ليس من الواضح سبب وجود تاريخ أقدم للشريحة الجديدة الموجودة في العلبة.
مقارنة بين شريحتين 8086. تحتوي الرقاقة الجديدة على قالب أصغر بكثير في الأسفل. المستطيل الموجود في الزاوية اليمنى العليا هو ROM الخاص بالبرامج الثابتة.
8086 هي واحدة من أكثر الرقائق نفوذاً على الإطلاق. لقد كانت بداية هندسة x86 التي لا تزال تهيمن على كل من أجهزة كمبيوتر سطح المكتب والخادم. على عكس معالجات CMOS الحديثة ، تم بناء 8086 على ترانزستورات N-MOS مثل 6502 و Z-80 وغيرها من المعالجات المبكرة. تم تصنيع الشريحة الأولى باستخدام تقنية HMOS ، كما أطلقت إنتل على هذه العملية. في عام 79 ، قدمت Intel إصدارًا متقدمًا منها ، HMOS-II ، وفي عام 82 ، تحولت إلى HMOS-III ، وهي العملية المستخدمة لصنع أحدث من شريحتي. كل نسخة متتالية من HMOS تقلص حجم مكونات الرقاقة وتزيد من الكفاءة.
N-channel MOSFET هو نوع معين من MOSFET. كفاءتها أفضل بكثير من بنية P-channel MOS المستخدمة في المعالجات الدقيقة المبكرة مثل Intel 4004. تستخدم المعالجات الحديثة ترانزستورات N-channel و P-channel معًا لتقليل استهلاك الطاقة - وهذا ما يسمى CMOS... تتطلب صمامات MOS ذات القناة N مقاومة سحب ، وهو ترانزستور. ترانزستورات حمل النضوب هي نوع من الترانزستور تم تقديمه في منتصف السبعينيات. تعتبر الترانزستورات من هذا النوع مناسبة بشكل أفضل لدور مقاومات السحب ولا تحتاج إلى جهد إمداد إضافي. أخيرًا ، استخدمت MOSFETs المعدن في الأصل لإنشاء بوابات (الحرف M في MOSFETs). ومع ذلك ، في أواخر الستينيات ، طور فيرتشايلد البولي سيليكون ليحل محل المعدن. ونتيجة لذلك ، أصبحت الرقائق أكثر كفاءة وأسهل في التصنيع. نتيجة لذلك ، من أواخر الستينيات إلى منتصف السبعينيات ، حدثت العديد من التغييرات الجذرية في إنتاج هياكل MOS ، مما أدى إلى نجاح المعالجات 6502 و Z-80 و 8085 و 8086 وغيرها من المعالجات المبكرة. في الثمانينيات ، حلت معالجات CMOS مكانها لأنها تعمل بشكل أسرع وتستهلك طاقة أقل.
من الغريب أن ما يرمز إليه H بالضبط في اختصار HMOS ليس واضحًا تمامًا. لم أجد نسخة من هذا الاختصار من Intel. و المواصفات وتقول " صناديق المرضى السيليكون المتقدمة N-قناة بوابات إنتل عملية تصنيع" أو "صناديق المرضى هي عملية MOS ذات كفاءة عالية قناة ن." وصفت إنتل فيما بعد CHMOS بأنه أشباه الموصلات التكميلية عالية السرعة بأكسيد المعادن [أشباه الموصلات ذات أكسيد المعدن عالي السرعة التكميلي]. حددت موتورولا HMOS على أنه MOS عالي الكثافة. تصفها مصادر أخرى بأنها MOS عالية السرعة أو MOS عالية الكثافة مع قنوات قصيرة. إنتل لديها براءة اختراعإلى "عملية MOS وجهاز عالي الكثافة وعالي السرعة" ، لذلك ربما يرمز H إلى كل من "الكثافة العالية" و "السرعة العالية".
ومن المثير للاهتمام أن Intel استخدمت ذاكرة RAM ثابتة بدقة 4K لتطوير كل عملية من عمليات HMOS قبل استخدام العملية للمعالجات الدقيقة والرقائق الأخرى. لقد استخدمت شريحة ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ، ربما لأنها تحتوي على دوائر كثيفة للغاية ، ولكن من السهل أيضًا تصميمها نسبيًا ، حيث يتم تكرار خلية الذاكرة نفسها مرارًا وتكرارًا. بمجرد أن طورت جميع قواعد تخطيط الدائرة ، تمكنت من البدء في بناء معالجات أكثر تعقيدًا.
نسختان من الكريستال 8086 بنفس المقياس. يتم توصيل الموصلات الواردة إلى منصات موجودة حول محيط البلورة.
تُظهر الصورة أعلاه نسختين من الكريستال 8086 بنفس المقياس. تحتوي الشريحتان على نفس تصميم المكونات الداخلية ، على الرغم من أنها قد تبدو مختلفة للوهلة الأولى. تحتوي الشريحة الموجودة على اليمين في المنتصف على العديد من الخطوط المظلمة التي لا توجد بها الشريحة الموجودة على اليسار ، ولكن هذه مجرد قطعة أثرية للتصوير. هذه الخطوط عبارة عن طبقة من البولي سيليكون تقع تحت المعدن. على الجانب الأيسر من البلورة ، توجد جميع الموصلات بنفس الطريقة ، فقط في الصورة تكون شاحبة للغاية. أعتقد أن الشريحة الجديدة بها طبقة معدنية أرق ، وهذا هو سبب رؤية البولي سيليكون بشكل أفضل.
قمت بتحجيم الصور عالية الدقة للشريحتين لمقارنتها ، واتضح أن الأجزاء الرئيسية للرقائق متشابهة تمامًا ، باستثناء بعض الاختلافات التافهة. السؤال الوحيد هو ما إذا كانت هناك تغييرات في الرمز الصغير. تبدو متطابقة من الخارج ، لكنني لم أقارن بينهما شيئًا فشيئًا.
تُظهر الصورة المكبرة أدناه السلاسل المتطابقة لبلورتين. يمكنك رؤية المراسلات الدقيقة بين المكونات ، مما يثبت أن الدائرة تم تقليل حجمها فقط ، وليس إعادة بنائها. في الصورة ، توجد الطبقة المعدنية أعلى الشريحة. تظهر الصورة الصحيحة بعض البولي سيليكون.
نفس الحبكة على شريحتين مختلفتين بنفس المقياس
لكن الاختلافات كبيرة على طول محيط البلورات. وسادات التلامس أقرب من بعضها ، خاصة في أسفل اليمين. هناك سببان لهذا. أولاً ، لا يمكن تقليل وسادات التلامس بشكل كبير ، حيث يجب توصيلها بأسلاك توصيل. ثانيًا ، يتم توسيع مسارات توزيع الطاقة عند الحواف للحفاظ على التيار المطلوب. على سبيل المثال ، انظر إلى أسفل يمين الصورة ، على يمين ذاكرة الوصول العشوائي للرمز الصغير. على وجه الخصوص ، يتم ذلك لأن آثار الطاقة في منتصف الدائرة يتم تصغيرها جنبًا إلى جنب مع كل شيء آخر ، لذلك يجب أن تعوض الآثار الخارجية عن هذه الخسائر. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن للطبقة المعدنية الرقيقة في الشريحة الجديدة أن تدعم نفس التيار ما لم يتم توسيعها.
لوحة التلامس والترانزستورات المصاحبة لها على الشريحة القديمة (يسار) والجديدة (على اليمين). الرقم "6" في تاريخ حقوق الطبع والنشر له سطح مسطح بشكل غير عادي - يبدو أنه تم تصحيح الرقم "5" إلى "6".
تُظهر الصورة أعلاه وسادة بسلك توصيل ملحوم. تقع الترانزستورات فوق اللوحة. يكون موقع الشريحة الجديدة بنفس الحجم تقريبًا ، ولكن يتم تصغير حجم الترانزستورات وإعادة تصميمها. لاحظ الموصلات المعدنية السميكة الموجودة على الشريحة الجديدة. تم نقل شعار Intel من اليمين إلى اليسار ، ربما بسبب وجود مساحة خالية.
دعونا نلقي نظرة فاحصة على البلورات
أولاً ، القليل من تاريخ إنتاج MOSs ذات القنوات n المستخدمة في 8086 والرقائق الأخرى من تلك الحقبة. تتكون هذه الرقائق من ركيزة من السيليكون أضيف إليها الزرنيخ أو شوائب البورون لتكوين ترانزستورات. طبقة من البولي سيليكون في الأعلى تخلق بوابات للترانزستورات وتجعل من الممكن توصيل المكونات بالموصلات. أخيرًا ، تربط طبقة معدنية واحدة في الأعلى جميع المكونات معًا.
عملية تصنيع أشباه الموصلات (على سبيل المثال ، HMOS-III) لها قواعد معينة للحد الأدنى من الحجم والمسافة بين المكونات - السيليكون والبولي سيليكون والطبقات المعدنية. إذا ألقيت نظرة فاحصة على الرقائق ، فسترى كيف كانت هذه المعلمات مختلفة بالنسبة إلى HMOS I و HMOS III. اللوحة (مأخوذة من تقنية HMOS III) تلخيص خصائص عمليات HMOS المختلفة. مع كل إصدار ، انخفض حجم الخاصية ، وزاد الأداء. بالانتقال من HMOS-II إلى HMOS-III ، حققت إنتل تحسنًا في الأداء بنسبة 40٪.
| HMOS أنا | HMOS II | HMOS الثالث | |
|---|---|---|---|
| خطوة الانتشار (µ) | 8.0 | 6.4 | 5.0 |
| الملعب البولي سيليكون (µ) | 7.0 | 5.6 | 4.0 |
| خطوة معدنية (µ) | 11.0 | 8.0 | 6.4 |
| سمك أكسيد الصمام (Å) | 700 | 400 | 250 |
| طول القناة (µ) | 3.0 | 2.0 | 1.5 |
| إدسات (مللي أمبير) | 8.0 | 14.0 | 27.0 |
| الحد الأدنى لتأخير الصمام (ps) | 1000 | 400 | 200 |
| تأخير صمام تبديد الحرارة (pJ) | 1.0 | 0.5 | 0.25 |
| معدل التخفيض الخطي | 1.0 | 0.8 | 0.64 |
تُظهر الصورة أدناه ، المأخوذة من خلال المجهر ، الترتيب المعقد للترانزستورات في رقاقة 8086 القديمة. المناطق المظلمة عبارة عن سيليكون به شوائب ، والمستطيلات الفاتحة عبارة عن بوابات ترانزستور. تظهر الصورة حوالي 21 ترانزستور. البعد الرئيسي هو طول القناة ، طول الصمام من المصدر إلى الصرف (هذا هو الجانب الأصغر من المستطيلات الخفيفة). بالنسبة إلى هذه ، قمت بقياس الطول عند 3 ميكرومتر ، وهو ما يتماشى مع المواصفات المنشورة لـ HMOS I. وهذا يشير إلى أن الشريحة تم تصنيعها باستخدام تقنية المعالجة 3 ميكرومتر للمقارنة ، تتحول المعالجات اليوم إلى 5 نانومتر ، وهو أصغر بمقدار 600 مرة.
ربما لاحظت أن الترانزستورات الثلاثة في الصورة لها بوابات أكبر بكثير. تعمل هذه الترانزستورات كمقاومات سحب ، وهو ما يميز NMOS. زيادة حجمها يضعف الترانزستور ، وبالتالي فإن تيار السحب ضعيف.
8086. . – , .
تُظهر الصورة أدناه الترانزستورات في 8086 الأحدث بنفس المقياس ؛ يمكنك أن ترى أن حجم الترانزستورات أصغر بكثير. الأبعاد الخطية هي 64٪ من الأصل ، لذا فإن الترانزستورات تشغل 40٪ من المساحة مقارنة بالأبعاد السابقة. لقد عالجت هذه البلورة بشكل مختلف ، لذلك بقي البولي سيليكون عليها - هذه خطوط صفراء. يبدو السيليكون مع الشوائب ورديًا ، وهو أقل وضوحًا مما في الصورة السابقة. لقد حددت طول الصمام ليكون 1.9 ميكرون ، أي 64٪ من الـ 3 ميكرون السابقة. لاحظ أن HMOS-III يحافظ على طول قناة أقصر بشكل ملحوظ يبلغ 1.5 ميكرومتر ، ولكن نظرًا لأن كل شيء يتم تقليله بنفس عدد المرات ، فإن طول القناة أطول من اللازم. وهذا يدل على أن الانخفاض المنتظم يؤدي إلى فقدان بعض مزايا العملية الجديدة ، ولكن هذا أسهل بكثير.من تصميم شريحة جديدة من الصفر.
الترانزستورات في رقاقة 8086 الجديدة.هناك الكثير من خلال الأسلاك بين السيليكون أو البولي سيليكون والطبقة المعدنية (تمت إزالتها هنا).
لقد درست أيضًا الملعب بين الإطارات على الطبقة المعدنية. تُظهر الصورة أدناه الموصلات المعدنية الأفقية والعمودية للرقاقة القديمة. لقد حددت درجة ميل الإطارات المعدنية عند 11 ميكرون ، وهو ما يتزامن مع الخصائص المنشورة لـ HMOS I. ويعطي التخفيض إلى 64٪ خطوة 7 ميكرون على الشريحة الجديدة ، على الرغم من أن عملية HMOS III تدعم أيضًا 6.4 ميكرون. كما في السابق ، يمنعك عامل التخفيض نفسه من الاستمتاع بجميع مزايا العملية الجديدة.
الطبقة المعدنية للرقاقة القديمة 8086. تظهر موصلات البولي سيليكون المائل للحمرة تحت المعدن.
أخيرًا ، درست نغمة موصلات البولي سيليكون. تظهر الصورة أدناه 8086 القديم ؛ تمت إزالة البولي سيليكون ولا تظهر سوى الخطوط البيضاء الباهتة. من المحتمل أن تكون خطوط البولي سيليكون المتوازية هذه بمثابة ناقل يرسل إشارات من جزء من الشريحة إلى جزء آخر. بالنسبة إلى البولي سيليكون ، قمت بقياس خطوة 7 ميكرون ، والتي تتطابق مع الوثائق. ومن المثير للاهتمام ، نظرًا لخصائص HMOS ، يمكن تجميع موصلات البولي سيليكون بشكل أقرب من الموصلات المعدنية. يبلغ حجم الشريحة الجديدة 4.5 ميكرون ، على الرغم من أنه من الممكن جعلها بحجم 4 ميكرون.
مسارات البولي سيليكون على رقاقة 8086 القديمة
الاستنتاجات.
إن تحجيم الكريستال يجعل من الممكن زيادة سرعة المعالج وتقليل تكلفته ، دون إضاعة جهود التصميم من الصفر. ومع ذلك ، فإن المقارنة بين الشريحتين تظهر أن تحجيم قالب أكثر تعقيدًا من مجرد تقليص القالب بالكامل. تتقلص معظم الدوائر فقط ، لكن الحشوات لا تتقلص بقدر البقية ، لذا يجب إعادة ترتيبها. تم أيضًا تغيير توزيع الطاقة ، وتمت إضافة المزيد من موصلات الطاقة حول الرقاقة.
لا تزال المعالجات الدقيقة الحديثة تستخدم تقنية القياس البلوري. في عام 2007 ، تحولت Intel إلى نموذج tick-tock ، حيث يتم تغيير حجم الرقائق الموجودة ("التجزئة") مع إصدار معمارية دقيقة جديدة ("tock").
أنظر أيضا: