Центральный процессор – дома с нуля
Если в последние лет 40 для выполнения задачи нужен микропроцессор – единственный рассматриваемый вариант это купить готовый. Ну или в крайне редких случаях «накатить» стандартное конфигурируемое FPGA ядро (например Nios II) с парой дополнительных инструкций. Многие сейчас даже не могут представить, что процессоры могут получаться каким-то другим путем 🙂 Это всё равно что считать что продукты беруться в магазине, а вырастить их самому – абсолютно невозможно.
С одной стороны, зачем помнить основы технологии если все производится промышленно? На мой взгляд – чтобы быть уверенным, что технология не будет утеряна, что даже если случиться ядерная война компьютеры можно будет собирать из подручных материалов (так же как и с продуктами в начале 90 — многим пришлось возвращаться к технологии 100-летней давности из-за краха инфраструктуры производства и доставки).
Оказывается есть такие люди, которые до сих пор в качестве хобби делают центральные процессоры из дискретных компонент(транзисторов, реле) и микросхем низкой степени интеграции (счетчики, регистры). Единственные применяемые микросхемы – память (оперативная и перепрограммируемая).
В этой статье я хочу рассказать кратко об архитектуре и о нескольких реально работающих процессорах, сделаных в домашних условиях.
Почему неон необходим для производства чипов
Современные процессоры изготавливаются методом фотолитографии. Суть данной технологии заключается в получении необходимого рисунка на светочувствительной пленке методом засвета через фотошаблон (маску). Для этого на кремниевую пластину вначале наносится фоторезист, то есть светочувствительная поверхность. Она меняет свои свойства, когда на нее попадает свет определенной волны.
Неон используют не только для изготовления светящихся вывесок, но и при производстве процессоров
Затем эта пленка засвечивается через маску с заданным рисунком при помощи ультрафиолетового газового лазера. В итоге на фоторезисте отпечатывается рисунок. А причем тут неон, спросите вы? Он является основным инертным газом в газовой смеси, которая обеспечивает необходимую длину волны лазера.
Таким образом, без неона не будут работать лазеры, необходимые для производства чипов. Кроме того, неон используется при производстве LCD-мониторов и телевизоров.
Косметические процедуры
Финишная прямая в процессе изготовления заключается в приклеивании подложки к микросхеме. Для этого конструкция направляется в печь, нагретую до 360-градусной температуры. Когда процессор остывает, то на него одевается крышка, чтобы достаточно хрупкий кремень был надежно защищен.
При этом корпус позволяет отводить лишнее тепло от кристалла. Создаются специальные «ножки» или «шарики» в виде определенного количества электрических контактов. Они аккуратно припаиваются к подложке. Теперь чип основательно промывается в водяном растворе с эффективными веществами для удаления оставшейся грязи. Во многих случаях производители дополнительно тестируют готовые процессоры, чтобы выявить дефекты в работе.
Вот так мы получаем микрочипы, благодаря которым функционируют наши смартфоны, ноутбуки, планшеты, компьютеры, телевизоры и многие другие электрические устройства.
Создание базы материнской платы
Всё начинается с печатной платы. Слои очень сложных кусочков стекловолокна складываются / склеиваются вместе со смолой, образуя один твердый слой.
Этот новый единственный стекловолоконный слой будет затем покрыт слоем меди с верхней и нижней сторон. Химическое вещество, называемое фоторезистом, образует на плате медный след при воздействии света, затем наносится поверх слоя меди.
После нанесения меди на фоторезист, поверх него наносится рисунок, покрывающий определенные части слоя, перед тем как подвергнуть всю плату воздействию ультрафиолетового излучения. Затем плату промывают, чтобы удалить непокрытые части медного слоя, обнажая почти полную материнскую плату.
Когда всё закончено, начинается процесс производства материнской платы.
Основные виды современных микросхем
Важно понимать, что прогресс не стоит на месте: с каждым годом список основных видов микросхем терпит значительные изменения, кроме того, расширяется их ассортимент.
Типы микросхем различны, в зависимости от основных критериев оценки.
По назначению:
1. Цифровые. Необходимы для обработки специального сигнала, выраженного в цифровом коде. Имеют значительное количество преимуществ перед другими видами: меньшие затраты на употребление электроэнергии, кроме того, имеют большую устойчивость к возникновениям помех.
Цифровые микросхемы нередко используются в различных вычислительных машинах, таких как: система автоматики, электронно-вычислительная техника и многих других.
2. Аналоговые. Предназначены для обработки и преобразования сигнала, поступающего непрерывно. Аналоговые микросхемы имеют высокие показатели производительности. Часто используются в таких популярных устройствах как:
Преобразователи звуковых частот.
В различных стабилизаторах напряжения.
3. Аналого-цифровые. Являются настоящим гибридом двух, представленных выше, микросхем. Они пользуются большой популярностью из-за повышенных показателей производительности, кроме того, они совмещают положительные характеристики сразу двух видов микросхем. Именно они используются при создании большинства современной техники, такой как:
Модуляторы и демодуляторы.
Генераторы и восстановители частот.
По типу конструкции:
1. Пленочные. Это микросхемы, для изготовления которых используют специальную методику. Кроме того, все соединительные элементы представляют собой специальный пленочный слой. Существуют определенные подразделения на два вида: тонкопленочные и толстопленочные, отличающиеся по толщине пленочного слоя.
2. Полупроводниковые микросхемы используются не так часто, для их изготовления используют пластмассу (чаще всего эпоксидной смолой) со специальными проволочными или ленточными выводами, обеспечивающими производительность устройства.
3. Гибридные. Более сложные по исполнению устройства, для изготовления которых используются не только популярные пленки и подложки, но и менее распространенные навесные материалы (например, различные кристаллы).
По типу корпуса:
1. Корпусные. При таком типе исполнения микросхема помещается в специальный корпус (материал, из которого он изготовлен, может быть выбран производителем). Такой вид не пользуется особой популярностью в повседневной жизни. Чаще всего микросхему помещают в корпус для того, чтобы избежать поломки или деформации отдельных частей при транспортировке.
Корпусные микросхемы используются для транспортировки больших партий товара. В любом другом случае изготовителю дешевле изготовить бескорпусные микросхемы.
2. Бескорпусные микросхемы. Чаще всего используются именно бескорпусные модели. Микросхема не помещается в корпус, в таком случае для защиты все части заливают специальной краской или компаундом. Именно это позволяет защитить кристалл от повреждений или любых других негативных влияний окружающей среды.
Такие конструкции выпускаются специально для установки в гибридную схему или предварительную микросборку.
При выборе микросхемы, следует учитывать все преимущества и недостатки основных видов. Отельные технические приспособления нуждаются в определенных микросхемах, для того, чтобы подобрать необходимую модель, необходимо получить профессиональную консультацию специалистов данной сферы. В таком случае, выбираемое вами устройство прослужит долгое время.
Транзистор
Путь к совмещению производительности и компактности был открыт еще в 1947 году , когда в США был создан первый в истории транзистор . Этот миниатюрный по сравнению с лампами и реле прибор мог тоже выполнять функцию электронного переключателя. По управляющему сигналу он то пропускал, то не пропускал электрический ток.
Что из себя представляет транзистор? Это соединение трех кусочков материалов с особенными свойствами электропроводимости. Такие материалы называются полупроводниками.
Транзисторы совершили настоящую революцию в электронике. Телевизоры и радиоприемники выпускались теперь не на громоздких и потребляющих много энергии лампах, а на транзисторах – компактных и экономичных. Но развитие компьютерной техники даже небольшие по размеру транзисторы не устраивали. Для достижения все более высокой производительности в конструкцию компьютера необходимо встроить не пару десятков транзисторов, как в каком-нибудь радиоприемнике, а десятки и сотни тысяч, миллионы. Чем больше этих транзисторов и чем меньше они по размеру, тем быстрее считает ЭВМ .
Почему из кремния делают процессоры?
Разработка интегральных схем улучшила их положение, поместив различные электронные схемы компьютера в один кусок полупроводникового металла, называемый «микросхемой». Таким образом, интегральные схемы оставили после себя старые и хрупкие электронные лампы и, значительно уменьшив их размер, позволили их массовое производство.
В периодической таблице элементов кремний принадлежит к группе углерода, германия, олова, свинца и флеровия. Обозначенный как «Да», это восьмой по численности элемент в известной вселенной, и даже если мы говорим только о планете Земля, 28.2% земной коры содержит его. Таким образом, можно сделать вывод, что кремний — один из самых распространенных материалов и, следовательно, один из самое простое и дешевое сырье чтобы получить.
Требование заказчика к нашей NAND
Требование заказчика, это такой кусок информации, который содержит список требований к характеристикам и функционалу нашего компонента. Вот, давайте разберём на примере:
Длительность Rise/fall (10%-90%)
от -40 до +125 градусов Цельсия
Совместимость с Place-and-Route инструментами и библиотеками Standard Cell
В соответствии с sky130_fd_sc_hd
▍ Нагрузочный конденсатор
Особенность CMOS логики в том, что входы имеют ёмкость, поэтому для того чтобы провести симуляцию нашей модели, нам нужно подключить конденсаторную ёмкость на выходе нашего компонента. Для этого мы взяли 20 фемтоФарад, поскольку именно такая указана ёмкость, которую наш компонент должен поддерживать.
Обычно в библиотеке у нас есть много вариантов одной логической ячейки. Например, у нас могут быть инверторы, которые могут нести 20 фемтоФарад, 40 фемтоФарад и так до, например, 320 фемтоФарад.
Чтобы не указывать конкретное значение, поскольку само значение ничего не значит, без информации о входной ёмкости каждой ячейки, был придуман параметр «размер» ячейки. Все стандартные ячейки используют стандарт де-факто, в котором размером 1 берут ёмкость четырёх инверторов размера 1.
А размер 1 инвертора берётся так, чтобы идеально иметь два транзистора PMOS/NMOS с конкретным размером диффузий. Если вы попробуйте увеличить размер транзистора, то у вас ничего не получится, поскольку ваша стандартная библиотека имеет заранее продуманные размеры NWELL/PWELL и диффузий, в которые просто физически невозможно поместить больше транзисторов.
Вот, например, инвертор 1 и инвертор 4 рядом, как видим, точки соприкосновения идеально совпадают:
▍ Corner cases, напряжение и температура
После производства чипа, транзисторы могут получиться как слабыми, так и более сильными чем типичный случай. Для того, чтобы произвести симуляцию PDK имеет три варианта моделей։ FF, TT и SS, они расшифровываются вот так։ Fast-Fast, Typical-Typical и Slow-Slow. Первый знак определяет характеристики NMOS, а второй PMOS. Бывают и другие вариации.
Также на характеристики транзистора влияет важный параметр температуры. Выше температура — больше сопротивление, транзисторы медленнее и имеют меньший ток в открытом состоянии.
Я не нашёл информацию о поддерживаемых значениях температуры, поэтому возьмём её от балды -40 до +125. Из документации мы узнаём, что модели некоторых ячеек работают между -50 до +150 градусов, но про остальные ячейки информации ноль. Предположим, что все ячейки будут адекватно работать под наши значения от балды.
В свою очередь, напряжение питания, так же влияет на время перехода выхода из одного состояния в другое. Выше напряжение — переход происходит быстрее, ниже напряжение — медленнее. Для этого проекта, мы возьмём центральное значение 1.8В, поскольку используем транзисторы, типичное рабочее напряжение которого 1.8В. Из документации мы увидим, что модели транзисторов, которые мы будем использовать, поддерживают напряжение до 1.95В. Давайте возьмём границу сверху 1.95В (1.8 + 0.15) и соответственно границу снизу 1.65В (1.8-0.15).
Зачем нам это знать? Чтобы измерить максимальную частоту, время Rise/Fall time и задержку нам нужно использовать самый медленный вариант нашей схемы։ SS, минимальное напряжение и высокую температуру. А чтобы измерить потребляемую мощность нужно использовать низкую температуру, высокое напряжение и вариант FF, поскольку быстрые транзисторы потребляют бОльшую мощность. В этой части мы не будем измерять потребляемую мощность.
▍ Rise time и Fall time
Чтобы понять эти два параметра давайте возьмём обычный инвертор и нарисуем графики его выхода. Мы увидим, что изменение из нуля в единицу и обратно происходит не сразу. Дело в том, что на выходе CMOS логики обычно подключена другая CMOS логика, которая имеет ёмкость, которую нужно зарядить, либо разрядить.
Чтобы подсказать инструменту, насколько быстро происходит переход из одного состояния в другое, используются эти два параметра. Rise time измеряется с момента пересечения выходного сигнала 10% от напряжения питания до момента пересечения 90%. Аналогично Fall Time измеряет обратный процесс.
Зелёным отмечен Fall Time и синим Rise time:
▍ Задержка
Кроме времени перехода, также у ячейки, есть очень важная характеристика: Задержка. Задержка описывает время, необходимое, чтобы изменение на входе вызвали изменения на выходе. Для её измерения мы берём момент, когда вход пересекает 50% от напряжения источника и момент, когда выход преодолевает те же 50%. 50% взято неспроста, это нужно для того, чтобы минимизировать влияние Rise/Fall Time. Для максимальной точности измеряются задержки всех комбинаций переходов.
Не буду вдаваться в подробности, если вас интересует: standard cell delay.
Также стоит отметить, что ячейки имеющие состояния, например, триггеры имеют другие временные параметры: Setup Time, Hold Time, Removal Time, Revoery Timer и другие. Я решил их не освещать в этой статье, хотя это очень часто и остается нераскрытой темой.
▍ Площадь компонента
Это важный параметр, поскольку иногда размер подложки имеет критическое значение. Чтобы измерить этот параметр просто берём рулетку, меряем высоту, меряем длину, умножаем.
Например, 2.72мкм на 1.77 мкм = 4.8144 мкм^2.
▍ Как измерять мощность
У наших компонентов два важных параметра мощности. Активная и мощность утечки (Leakage Power). Но важно учесть, что наши компоненты потребляют наибольшую мощность в FF corner, с максимальным напряжением: 1.95В и при минимальной температуре.
Если наша потребляемая мощность соответствует спецификации при данных условиях, то в других состояниях, потребляемая мощность очевидно будет меньше, а значит тем более будет удовлетворять нашим требованиям.
Мощность утечки, эта та мощность, которую наш компонент потребляет в режиме простоя. Для его подсчёта, мы берём наш компонент и измеряем его мощность, с подачей на вход константных значений.
Вот, например график тока. Умножив его на наше напряжение, которое мы взяли 1.95В мы получаем мощность утечки:
Для измерения активной мощности компонента, на вход подают тестовый паттерн, который постоянно повторяется. Затем считают среднее значение мощности по длине всего паттерна.
Очевидно, что вручную никто эти параметры не считает, для этого есть .measure, который может в автоматическом режиме измерять абсолютно все требуемые параметры.
▍ Функция ячейки
Функция ячейки, это информация о том, как эта ячейка будет себя вести при определённых обстоятельствах. Например, при подаче на оба входа NAND сигнала 0, у нас на выходе будет единица. Обычно она даётся в форме таблицы, либо в виде типа ячейки.
Вот наш результат, сравним с таблицей и видим, что они полностью соответствуют друг другу:
Познакомились с теорией, теперь давайте установим необходимые инструменты, а затем приступим к практике в следующих частях.
Преимущества использования микросхем
Появление микросхем произвело революцию в мире электроники (особенно, в микропроцессорной технике). Компьютеры на лампах, занимающие одну или несколько комнат, вспоминаются как исторический курьез. Но современный процессор содержит около 20 миллиардов транзисторов. Если принять площадь одного транзистора в дискретном исполнении хотя бы в 0,1 кв.см., то площадь, занимаемая процессором в целом, должна будет составлять не менее 200000 квадратных метров – около 2000 трехкомнатных квартир среднего размера.
Также надо предоставить площадь для памяти, звуковой платы, аудиоплаты, сетевого адаптера и других периферийных устройств. Стоимость монтажа такого количества дискретных элементов была бы колоссальной, а надежность работы недопустимо низкой. Поиск неисправности и ремонт заняли бы невероятно много времени. Очевидно, что эпоха персональных компьютеров без микросхем большой степени интеграции не наступила бы никогда. Также без современных технологий не были бы созданы устройства, требующие больших вычислительных мощностей – от бытовых до производственных или научных
Направление развития электроники предопределено на многие годы вперед. Это, в первую очередь, повышение степени интеграции элементов микросхем, что связано с непрерывным развитием технологий. Впереди предстоит качественный скачок, когда возможности микроэлектроники подойдут к пределу, но это вопрос достаточно далекого будущего.
Назначение, характеристики и аналоги транзистора 13001
Описание, характеристики и схема включения стабилизатора напряжения КРЕН 142
Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Что такое светодиод, его принцип работы, виды и основные характеристики
Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики
