Микропроцессоры (стр. 6 из 6)
Другим современным бесконтактным методом анализа полупроводниковых структур является Time-Resolved Emission (спектроскопия с временным разрешением). Дело в том, что современные КМОП-структуры являются к тому же и активными оптоэлектронными приборами. Переключающиеся транзисторы излучают вспышки света, хотя этот свет и очень слаб — один инфракрасный фотон испускается примерно за 10 тысяч переключений транзисторов. Тем не менее, подсчет этих фотонов во времени делает возможным получение осциллограмм работы транзисторов, используя полностью пассивный («неагрессивный») режим (Напомним, что в предыдущем случае использовался облучающий лазер, который мог определенным паразитным образом воздействовать на объект исследования). Здесь также возможно достижение пикосекундного разрешения во времени и субмикронного в пространстве, причем для двумерных карт фрагментов микросхем (на экране можно видеть переключающиеся блоки и транзисторы, см. фото). Кроме того, снимаются и своеобразные электрокардиограммы (Электрокардиограммы — медицинское понятие, осциллограммы электрических импульсов животного организма во времени, снятые в разных его точках) сигналов time-resolved emission для отдельных транзисторов.
Рисунок 13 - «Электрокардиограмма» кристалла
Третьим интересным современным диагностическим методом Silicon Debug является активное воздействие на приборы при помощи лазера (Laser-Assisted Device Alteration). Основная идея метода — лазер сканирует по поверхности кристалла работающей в режиме обычного (электронного) теста микросхемы, и когда луч попадает на элемент (транзистор), работающий в критическом режиме (с малым запасом надежности), тест дает сбой. Тем самым определяются наиболее «слабые» участки чипа, работа которых с наибольшей вероятностью приведет к сбою всей микросхемы. Этот тест можно разнообразить, меняя рабочие напряжения и частоты функционирования микросхемы во время лазерного сканирования.
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.
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.