Los diodos de antena del procesador Pentium
(righto.com)- En el die del Pentium original lanzado en 1993, unas áreas cuadradas de silicio dopado que parecían no tener relación con el circuito eran diodos de antena que drenaban la carga de interconexiones largas durante la fabricación
- En CMOS, el óxido de compuerta tiene apenas unos cientos de átomos de espesor, por lo que la carga acumulada en las interconexiones durante el grabado con plasma puede provocar daño en el óxido de compuerta
- El efecto antena es más peligroso en etapas intermedias de fabricación que en el chip terminado, y la condición clave son interconexiones metálicas largas conectadas solo a una compuerta y sin una ruta de descarga todavía
- Pentium evitaba el problema dividiendo interconexiones, usando capas metálicas superiores e insertando diodos, pero como los diodos tienen un costo en área, solo se colocaban en algunas interconexiones que los necesitaban
- Los circuitos integrados modernos también verifican metalizaciones, polisilicio y vías mediante reglas de antena del PDK; violarlas puede derivar en chips dañados y bajo rendimiento de fabricación
Conexiones sospechosas vistas en el die de Pentium
- En el die de silicio de Pentium se encontró una estructura en la que una interconexión metálica estaba conectada a una pequeña región cuadrada de silicio dopado
- Como esta región estaba aislada del resto del circuito, su propósito no era claro, pero resultó ser un diodo de antena para evitar daños durante la fabricación
- Intel lanzó el procesador Pentium en 1993, y el Pentium original analizado tenía 3,1 millones de transistores
- El modelo tratado es el Pentium 80501, con nombre clave P5, que luego fue reemplazado por el 80502 (P54C), más rápido y de menor consumo
Transistores CMOS y el vulnerable óxido de compuerta
- Los procesadores modernos están formados por circuitos CMOS, que usan dos tipos de transistores: NMOS y PMOS
- Un transistor NMOS funciona como un interruptor entre la fuente y el drenaje, y la compuerta lo controla
- La compuerta está hecha de polisilicio, y entre el silicio y la compuerta hay un óxido aislante extremadamente delgado
- En 1993, el espesor del óxido de compuerta era del orden de 100 a 300 Å, tan delgado que podía dañarse fácilmente por sobretensión
- La sensibilidad de los chips CMOS a la electricidad estática también está relacionada con la fragilidad de este óxido
Estructura de capas e interconexiones en Pentium
- Pentium tenía una estructura en la que, sobre los transistores de silicio de la parte inferior, se apilaban interconexiones de polisilicio y tres capas de interconexiones metálicas
- El polisilicio se usaba para formar las compuertas de los transistores y también para interconexiones de corta distancia
- Las tres capas metálicas conectaban diversos circuitos dentro del chip
- La capa metálica inferior se conectaba con el silicio y el polisilicio, y se encargaba de formar las compuertas lógicas
- Las capas metálicas superiores se usaban para interconexiones de señales de mayor distancia
- Se organizaban de modo que una capa se usara principalmente para señales en dirección horizontal y otra principalmente para señales en dirección vertical
- Las conexiones entre capas metálicas estaban a cargo de vías de tungsteno
- En el diseño de chips, el enrutamiento, que consiste en pasar señales por varias capas de interconexión mientras se colocan los circuitos lo más densamente posible, es una tarea clave
Grabado con plasma y efecto antena
- En la fabricación de circuitos integrados, primero se forma cada capa metálica de manera uniforme y luego, mediante fotolitografía y grabado, se deja solo el patrón de interconexiones deseado
- Al principio se usaba grabado húmedo con ácidos líquidos, pero tenía el problema de remover también metal por debajo de los bordes de la máscara, lo que era desfavorable para circuitos densos
- Más adelante, con el uso de grabado seco mediante plasma, fue posible un grabado más controlado en dirección vertical
- El grabado con plasma también producía daño del óxido inducido por plasma, llamado metafóricamente efecto antena
- Si una interconexión metálica larga acumula carga del plasma, puede generarse un voltaje alto
- Ese voltaje puede perforar el óxido de compuerta
- También puede atrapar carga dentro del óxido y degradar el rendimiento del transistor
- El mecanismo de daño se explica mediante tunelamiento Fowler-Nordheim, el mismo tipo de tunelamiento que se usa en la operación de borrado de la memoria flash
Qué interconexiones son peligrosas
- El efecto antena no es un problema que ocurra en todas las interconexiones, sino que se vuelve peligroso solo bajo condiciones específicas durante la fabricación
- La parte sensible al voltaje inducido es la compuerta del transistor
- Esto se debe a que el óxido delgado bajo la compuerta puede dañarse
- Las interconexiones conectadas a la fuente o al drenaje son seguras porque la carga puede escaparse hacia el sustrato
- En el chip terminado, todas las compuertas están conectadas a la fuente o al drenaje de otros transistores, por lo que el riesgo desaparece
- El problema aparece durante la fabricación, cuando un lado de una línea metálica ya está conectado a una compuerta, pero el otro lado aún no está conectado
- Como el voltaje inducido es proporcional a la longitud de la interconexión metálica, las interconexiones cortas tienen poco riesgo
- Solo la capa metálica que se está grabando en ese momento es peligrosa
- Las capas inferiores están aisladas por el óxido grueso entre capas y no reciben carga
- La capa metálica superior se trata como una capa segura porque, en ese momento, las conexiones ya están establecidas
Cómo evitar el problema de antena
- Hay tres formas principales de reducir el problema de antena
- Una interconexión larga puede dividirse en segmentos cortos y luego reconectarse con un puente en una capa metálica superior
- Si una interconexión larga se mueve a la capa metálica superior, el problema puede desaparecer
- Agregar un diodo a la interconexión permite que la carga escape hacia el sustrato; eso es un diodo de antena
- Cuando el chip está en funcionamiento, el diodo de antena queda polarizado en inversa y no afecta eléctricamente al circuito
- Durante la fabricación, permite que la carga fluya hacia el sustrato antes de que surja un problema
Estructura de los diodos de antena en Pentium
- En Pentium, los diodos de antena se ven en el die como pequeñas regiones cuadradas de silicio dopado
- A simple vista, pueden confundirse con un well tap porque son casi iguales
- Un well tap es una estructura que conecta el sustrato o el pozo con la alimentación positiva del chip
- Los transistores PMOS de Pentium se construían dentro de pozos de silicio tipo N
- Como estos pozos debían elevarse al voltaje positivo del chip, se colocaban muchas regiones cuadradas de silicio dopado N+
- Los diodos de antena también usan silicio dopado N+, pero se colocan dentro de silicio tipo P para formar una unión P-N y funcionar como diodos
- Pentium no colocaba diodos en todos los circuitos, sino que usaba un método de dynamic diode dropping, agregando diodos de antena solo cuando era necesario
- También se observaron casos en los que, cuando no había espacio para colocar un diodo, se conectaba mediante una interconexión de extensión a un diodo ubicado más lejos
Frecuencia de uso en Pentium y dudas restantes
- En Pentium, los diodos de antena se usaban solo en una pequeña proporción del total de interconexiones
- Como los diodos ocupan área adicional en el die, se colocaban solo cuando eran necesarios
- Al parecer, la mayoría de los problemas de antena se resolvían mediante enrutamiento
- Aunque los diodos de antena eran relativamente raros, aparecían repetidamente lo suficiente como para llamar la atención al observar el die
- Algunos diodos de antena estaban conectados directamente desde la capa metálica inferior M1, pasando por M2, a una interconexión larga M3
- Se sabe que el enrutamiento en la capa metálica superior evita violaciones de antena
- En ese caso, para ese momento ya parecían existir conexiones de fuente y drenaje, por lo que el diodo parece redundante y quedan algunas dudas
Reglas de antena en procesos modernos
- El efecto antena sigue siendo un problema que debe considerarse en los circuitos integrados modernos
- Las fundiciones proporcionan, como parte del PDK (Process Design Kit), reglas sobre el tamaño permitido de las interconexiones que pueden causar efecto antena en un proceso de fabricación específico
- El software de diseño verifica si hay violaciones de las reglas de antena y, si es necesario, modifica el enrutamiento o inserta diodos
- No solo las interconexiones metálicas, sino también el polisilicio y las vías pueden causar daño por antena, por lo que también existen reglas para esas capas
- Como las interconexiones de polisilicio tienen alta resistencia y normalmente se limitan a distancias cortas, los problemas de antena son relativamente menos frecuentes
- Las violaciones de las reglas de antena pueden producir chips dañados y rendimientos de fabricación muy bajos, así que no son un problema meramente teórico
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Venía siguiendo esta discusión desde que Ken la publicó hace unos días en el subreddit /r/chipdesign, y me gustó ver que en ese hilo citó la fuente y hasta puso el enlace
Soy ingeniero de diseño físico y hago layout de chips con miles de millones de bloques de celdas estándar usando software de Cadence y Synopsys; en nuestro flujo insertamos automáticamente diodos de antena en todos los pines de entrada de los bloques
Para el cableado interno, las herramientas suelen manejarlo lo bastante bien como para evitar problemas de antena, normalmente cortando y pasando entre capas de metal
Parte de la carga también se genera durante el proceso CMP; los chips modernos tienen alrededor de 20 capas de metal, muchas capas de vías entre ellas y también las capas base donde están los transistores reales, así que es importante planarizar la oblea antes de crear la siguiente capa
https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical-mechanical_polishing
Soy el autor. Sé que es un tema bastante poco familiar, pero espero que a alguien le resulte interesante. Si tienen preguntas, avísenme
Estos requisitos secundarios ortogonales, que no se ven mucho desde fuera de la industria, hacen que todas las industrias sean mucho más difíciles de lo que uno imagina
Me recuerda a un pequeño proyecto reciente de data warehouse en el que, por primera vez, tuve que preocuparme no solo por el rendimiento teórico de las consultas, como si había índices o no, sino también por condiciones separadas como el tiempo que toma reescribir terabytes de datos en disco durante los trabajos ETL nocturnos y la tasa de cambios de los datos de origen
Este artículo también muestra muy bien un problema parecido que solo reconocen los expertos de la industria: cablear las conexiones lógicas ya es una optimización difícil, y al mismo tiempo hay que ajustar también una optimización física que compite con ella
En segundo lugar, también me pregunto si el chip usa luego ese diodo para algún otro propósito. Es decir, si se diseña para cumplir alguna función real además de simplemente ofrecer protección durante la fabricación
Por ejemplo, si se acumula carga, ¿se podría usar esa acumulación como una especie de comunicación remota o canal entre distintas partes del chip? Me pregunto si el diodo, al descargarse, podría actuar como algún tipo de transmisión de comunicación
También me pregunto si sería posible darle múltiples propósitos: usarlo como protección durante la fabricación y, después, como punto de descarga de carga, por ejemplo haciendo oscilar la ubicación de acumulación de carga, cargándolo deliberadamente o por otras razones
Los diodos emisores de luz, como su nombre indica, también son diodos; me pregunto si entre estos hay algún uso en el que la carga colapse emitiendo luz y esa luz se reciba para transmitir datos, como una comunicación por parpadeos
Además, sin entrar demasiado en detalle, también se me ocurren usos como sintonizar receptores de radio y TV con diodos de capacitancia variable, o generar oscilaciones de radiofrecuencia con diodos túnel, diodos Gunn o diodos IMPATT
En resumen, me pregunto si tienen algún uso aparte de ser un mecanismo de seguridad durante la fabricación
Ha sido genial ver cómo, año tras año, tu análisis de dies se ha ido extendiendo a chips cada vez más complejos, y el Pentium es un objeto especialmente bueno porque representa un gran punto de inflexión de la arquitectura x86 hacia los chips modernos de hoy
Con los enlaces de righto uno nunca se aburre
Leer un libro de texto o una wiki no es lo mismo que ver el silicio cortado y fotografiado de cerca. Es un artículo muy interesante y muy bien expresado
La frase “cuando el chip está terminado, todas las compuertas de los transistores están conectadas a la fuente o al drenaje de otro transistor” me pareció bastante interesante. Al principio sentí que era incorrecta, pero al pensarlo de nuevo parece que podría ser cierta
Pensé en los “pines de entrada puros”, y me pregunto si incluso esos pines tienen “resistencias” pull-up o pull-down, y si en silicio en realidad habría que verlas como diodos o como FET sin compuerta
Dato curioso sobre la “antena” en la fabricación de chips: no tiene nada que ver con una antena real
Durante la fabricación puede acumularse carga en cables largos, porque las sustancias químicas involucradas no son neutras e interactúan con el cableado expuesto
Esa carga tiene que descargarse hacia algún lado para proteger el resto del circuito, y aquí no hay ningún elemento de radiofrecuencia
En tecnologías de proceso posteriores, especialmente por debajo de 28 nm, hay muchísimas reglas de diseño para prevenir el efecto “antena”
Es interesante que incluso al estudiar una tecnología de hace 31 años uno se sorprenda por su complejidad
La mayoría de la gente apenas tiene idea de cuánto esfuerzo intelectual se invirtió en el nivel tecnológico actual
Por supuesto que la discusión sobre la estructura de los circuitos integrados es interesante, pero también quiero elogiar las fotos de circuitos que se muestran en esta página y en otras páginas del mismo sitio
No solo ayudan a entender, sino que los colores son realmente excelentes y agradables
¿Los diodos de antena son solo para reducir daños durante la fabricación, o también tienen efectos durante la ejecución en entornos con mucho ruido electromagnético?
En cambio, los diodos ESD protegen las entradas contra descargas electrostáticas durante el uso del chip
Eso sí, estos diodos también se tienen en cuenta al calcular el timing
Me sacó una sonrisa y me trajo buenos recuerdos. Trabajé en Intel antes y durante la época del Pentium, y recuerdo cuánto esfuerzo se dedicó a corregir las herramientas EDA para que pudieran manejar estas cosas
Me subí al bus de la ley de Moore cuando pasábamos de 180 nm a 130 nm, y me bajé de nuevo cuando pasábamos de 65 nm a 45 nm; creo que fue una buena decisión
No puedo imaginar qué tienen que soportar hoy las herramientas EDA
Hoy recogí un Pentium-75 en una recicladora local, y justo este artículo apareció en la portada, así que estuvo genial. Este chip es un SX969
Es realmente genial poder mirar el chip que tengo en la mano y buscar las fotos del die de Ken
El paquete cerámico en el que venían estos Pentium también es bastante particular; cuando dejas el CPU sobre el escritorio suena como si dejaras un pedazo de vidrio
Si quieres ver el die interno, puedes quitar fácilmente la tapa del paquete con un cincel
¿Existe alguna tecnología tipo OCR que lea automáticamente un chip destapado y reconstruya la lógica? Parece que sería bastante difícil si tiene que manejar todos estos detalles extraños
Ahora estaría bueno ver por qué también se necesitan diodos de antena en la tecnología SOI
Como el sustrato ya no es un refugio seguro, durante la fabricación puede quedar expuesto mucho más óxido a grandes voltajes diferenciales