Pentium प्रोसेसर के एंटीना डायोड

 (righto.com)
3 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-11-24 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • 1993 में लॉन्च हुए मूल Pentium के die में, सर्किट से असंबंधित दिखने वाले doped silicon के चौकोर क्षेत्र असल में निर्माण के दौरान लंबी wiring से charge निकालने वाले antenna diode थे
  • CMOS का gate oxide सिर्फ कुछ सौ atom जितना मोटा होता है, इसलिए plasma etching के दौरान wiring में जमा charge gate oxide damage का कारण बन सकता है
  • antenna effect तैयार chip की तुलना में निर्माण के बीच के चरणों में अधिक खतरनाक होता है, और इसका मुख्य कारण लंबी metal wiring है जो केवल gate से जुड़ी होती है और जिसके पास अभी discharge path नहीं होता
  • Pentium ने wiring को विभाजित करके, ऊपरी metal layers का उपयोग करके और diode जोड़कर समस्या से बचाव किया, लेकिन diode area cost बढ़ाते हैं, इसलिए इन्हें केवल कुछ जरूरी wirings पर लगाया गया
  • आधुनिक integrated circuits भी PDK के antenna rules से metal wiring, polysilicon और vias की जांच करते हैं; उल्लंघन होने पर chip damage और कम yield हो सकती है

Pentium die में दिखा संदिग्ध connection

  • Pentium silicon die में metal wiring का एक छोटे चौकोर doped silicon region से जुड़ा हुआ structure मिला
  • यह region बाकी circuit से अलग था, इसलिए इसका उद्देश्य अस्पष्ट था, लेकिन यह निर्माण के दौरान नुकसान रोकने वाला antenna diode था
  • Intel ने 1993 में Pentium processor लॉन्च किया था, और विश्लेषण में शामिल मूल Pentium में 31 लाख transistors थे
  • संबंधित model Pentium 80501, codename P5 है, जिसे बाद में अधिक तेज और कम power वाले 80502(P54C) ने replace किया

CMOS transistor और कमजोर gate oxide

  • आधुनिक processors NMOS और PMOS दो तरह के transistors इस्तेमाल करने वाले CMOS circuits से बने होते हैं
  • NMOS transistor source और drain के बीच switch की तरह काम करता है, और gate इसे control करता है
  • gate polysilicon से बनाया जाता है, और silicon और gate के बीच बहुत पतली insulating oxide layer होती है
  • 1993 के हिसाब से gate oxide की मोटाई 100~300 Å के स्तर की थी, जो overvoltage से आसानी से damage हो सकने जितनी पतली है
  • CMOS chips के static electricity के प्रति संवेदनशील होने का कारण भी इसी oxide layer की कमजोरी से जुड़ा है

Pentium की layer structure और wiring

  • Pentium की structure में नीचे silicon transistors के ऊपर polysilicon wiring और metal wiring की तीन layers stacked होती हैं
  • polysilicon transistor gates बनाने और कम दूरी की wiring में भी इस्तेमाल होता है
  • तीन metal layers chip के अंदर अलग-अलग circuits को जोड़ती हैं
    • निचली metal layer silicon और polysilicon से जुड़कर logic gates बनाने में मदद करती है
    • ऊपरी metal layers लंबी दूरी के signal wiring के लिए इस्तेमाल होती हैं
    • व्यवस्था ऐसी होती है कि एक layer मुख्यतः horizontal signals के लिए और दूसरी मुख्यतः vertical signals के लिए इस्तेमाल होती है
  • metal layers के बीच connection tungsten vias करते हैं
  • chip design में कई wiring layers से signals गुजारते हुए circuits को जितना हो सके घना रखना, यानी routing, एक महत्वपूर्ण चुनौती है

Plasma etching और antenna effect

  • integrated circuit manufacturing में हर metal layer को uniform बनाया जाता है, फिर photolithography और etching से केवल desired wiring pattern छोड़ा जाता है
  • शुरुआती दौर में liquid acid वाली wet etching इस्तेमाल होती थी, लेकिन mask के किनारों के नीचे की metal भी कट जाने की समस्या के कारण यह dense circuits के लिए अनुकूल नहीं थी
  • बाद में plasma इस्तेमाल करने वाली dry etching आई, जिससे vertical direction में अधिक controlled etching संभव हुई
  • plasma etching ने plasma-induced oxide damage भी पैदा किया, जिसे metaphorically antenna effect कहा जाता है
  • लंबी metal wiring अगर plasma से charge इकट्ठा करे, तो बड़ा voltage बन सकता है
    • यह voltage gate oxide में holes बना सकता है
    • oxide layer के अंदर charge फंसा कर transistor performance भी घटा सकता है
  • damage mechanism को Fowler-Nordheim tunneling से समझाया जाता है, और flash memory के erase operation में भी यही tunneling इस्तेमाल होती है

कौन-सी wiring खतरनाक है

  • antenna effect हर wiring में होने वाली समस्या नहीं है; यह निर्माण के दौरान खास conditions में ही खतरनाक बनता है
  • induced voltage के प्रति संवेदनशील हिस्सा transistor का gate है
    • क्योंकि gate के नीचे की पतली oxide layer damage हो सकती है
    • source या drain से जुड़ी wiring सुरक्षित होती है, क्योंकि charge substrate में निकल सकता है
  • तैयार chip में सभी gates दूसरे transistors के source या drain से जुड़े होते हैं, इसलिए खतरा खत्म हो जाता है
  • समस्या निर्माण के दौरान तब पैदा होती है जब metal line का एक सिरा gate से जुड़ा हो, लेकिन दूसरा सिरा अभी connected न हो
  • induced voltage metal wiring की length के proportion में होता है, इसलिए छोटी wiring में risk कम होता है
  • केवल वही metal layer खतरनाक होती है जिसकी उस समय etching चल रही हो
    • नीचे की layers interlayer की मोटी oxide से insulated होती हैं, इसलिए charge नहीं लेतीं
    • top metal layer को उस समय तक connections पूरे होने के कारण safe layer माना जाता है

antenna problem से बचने के तरीके

  • antenna problem घटाने के कुल मिलाकर तीन प्रमुख तरीके हैं
  • लंबी wiring को छोटे टुकड़ों में बांटकर, ऊंची metal layer के jumpers से फिर से जोड़ा जा सकता है
  • लंबी wiring को top metal layer पर ले जाने से समस्या खत्म हो सकती है
  • wiring में diode जोड़ने पर charge substrate में निकल जाता है, और यही antenna diode है
  • chip के operation के दौरान antenna diode reverse-biased रहता है, इसलिए electrical impact नहीं डालता
  • निर्माण के दौरान यह charge को समस्या बनने से पहले substrate में बहने देता है

Pentium में antenna diode structure

  • Pentium में antenna diode die पर doped silicon के छोटे चौकोर region के रूप में दिखता है
  • बाहर से यह well tap जैसा ही दिखता है, इसलिए भ्रम हो सकता है
  • well tap substrate या well को chip की positive supply से जोड़ने वाला structure है
    • Pentium के PMOS transistors N-type silicon well के अंदर बनाए जाते हैं
    • इस well को chip के positive voltage तक उठाना होता है, इसलिए कई N+ doped silicon square regions लगाए जाते हैं
  • antenna diode भी N+ doped silicon का उपयोग करता है, लेकिन इसे P-type silicon में रखा जाता है ताकि P-N junction बने और यह diode की तरह काम करे
  • Pentium ने सभी circuits में diode नहीं लगाए, बल्कि केवल जरूरत पड़ने पर antenna diode जोड़ने वाली dynamic diode dropping method इस्तेमाल की
  • जब diode लगाने की जगह नहीं थी, तो extended wiring के जरिए दूर स्थित diode से connection के उदाहरण भी देखे गए

Pentium में उपयोग की frequency और बचे हुए सवाल

  • Pentium में antenna diode पूरी wiring के केवल छोटे हिस्से में इस्तेमाल हुआ
  • diode die area extra घेरते हैं, इसलिए उन्हें केवल जरूरत होने पर लगाया गया
  • ज्यादातर antenna problems routing से हल हो गई लगती हैं
  • antenna diode अपेक्षाकृत rare हैं, लेकिन die observation के दौरान ध्यान में आने लायक बार-बार दिखते हैं
  • कुछ antenna diodes निचली metal layer M1 से M2 होते हुए लंबी M3 wiring से सीधे जुड़े थे
    • top metal layer routing antenna violations रोकती है, ऐसा माना जाता है
    • इस case में उस समय source/drain connections मौजूद थे, इसलिए diode redundant लगता है और कुछ सवाल बाकी रहते हैं

आधुनिक processes के antenna rules

  • antenna effect आधुनिक integrated circuits में भी अब भी ध्यान देने योग्य समस्या है
  • foundry किसी विशेष manufacturing process में अनुमत antenna wiring size rules को PDK(Process Design Kit) के हिस्से के रूप में देती है
  • design software antenna rule violations की जांच करता है, और जरूरत होने पर routing को modify करता है या diode insert करता है
  • सिर्फ metal wiring ही नहीं, polysilicon और vias भी antenna damage कर सकते हैं, इसलिए इन layers के लिए भी rules होते हैं
  • polysilicon wiring का resistance अधिक होता है, इसलिए आमतौर पर इसे कम दूरी तक सीमित रखा जाता है; इस कारण antenna problems अपेक्षाकृत कम होती हैं
  • antenna rule violation damaged chips और बहुत कम yield पैदा कर सकता है, इसलिए यह केवल theoretical problem नहीं है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-11-24
Hacker News की राय

  • /r/chipdesign subreddit पर Ken ने कुछ दिन पहले जब यह पोस्ट किया था, तब से मैं इस चर्चा को follow कर रहा था, और उस thread में source बताकर link तक देना अच्छा लगा
    मैं एक physical design engineer हूँ जो Cadence और Synopsys software से अरबों standard cell blocks के chip layouts करता है; हमारे flow में सभी block input pins पर antenna diodes अपने-आप लगाए जाते हैं
    internal wiring में tools आम तौर पर metal layers के बीच आते-जाते हुए wire को तोड़कर antenna problems से बचने लायक काम अच्छी तरह कर लेते हैं
    कुछ charge CMP process में भी बनता है, और modern chips में करीब 20 metal layers होती हैं, उनके बीच कई via layers भी होती हैं, और actual transistors वाली base layers भी होती हैं, इसलिए अगली layer बनाने से पहले wafer को सपाट करना महत्वपूर्ण होता है
    https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical-mechanical_polishing

  • मैं लेखक हूँ। जानता हूँ कि यह विषय बहुत अपरिचित है, लेकिन उम्मीद है किसी न किसी को यह रोचक लगा होगा। सवाल हों तो बताइए

    • वाकई दिलचस्प
      industry के बाहर कम दिखाई देने वाली ऐसी orthogonal side conditions हर industry को उम्मीद से कहीं ज़्यादा कठिन बना देती हैं
      हाल ही में एक छोटे data warehouse project में पहली बार मुझे query की theoretical performance, जैसे index है या नहीं, के अलावा रात के ETL job के दौरान disk पर terabytes data फिर से लिखने में लगने वाला समय, source data की change rate जैसी अलग conditions पर भी ध्यान देना पड़ा
      यह लेख भी वैसी ही समस्या दिखाता है जिसे केवल industry experts पहचानते हैं: logical रूप से connections को route करना अपने-आप में कठिन optimization है, और साथ-साथ प्रतिस्पर्धी physical optimization भी match करनी पड़ती है
    • पढ़कर लगता है कि यह ज़्यादातर manufacturing की समस्या है, और chip के सचमुच चलना शुरू करने पर गायब हो जाती है। सही है? मेरा मतलब है कि charge buildup खत्म हो जाता है, और उसके बाद antenna diode की ज़रूरत नहीं रहती?
      दूसरा, यह भी जानना चाहूँगा कि chip बाद में इन diodes को किसी और काम में इस्तेमाल करती है या नहीं। क्या इन्हें सिर्फ manufacturing protection देने के अलावा कोई वास्तविक function करने के लिए बनाया जाता है
      उदाहरण के लिए अगर charge जमा होता है, तो क्या उस charge buildup को chip के अलग-अलग हिस्सों के बीच किसी तरह के remote communication method या channel की तरह इस्तेमाल किया जा सकता है? क्या diode के discharge होने पर वह किसी प्रकार के communication transfer जैसा व्यवहार कर सकता है
      क्या manufacturing के दौरान safety device के रूप में इस्तेमाल करके, manufacturing के बाद charge buildup की जगह को oscillate कराना, जानबूझकर charge करना, या किसी और कारण से charge outlet के रूप में इस्तेमाल करना जैसी multiple purposes संभव हैं
      light-emitting diode भी नाम के मुताबिक diode ही है; क्या इनमें से कोई ऐसा use है जिसमें charge collapse होते हुए light निकाले और उस light को receive करके data transmission के लिए blinking communication जैसा कुछ किया जाए
      इसके अलावा, बहुत गहराई में नहीं जाऊँगा, पर varactor diode की तरह radio/TV receiver को tune करने, या tunnel diode, Gunn diode, IMPATT diode की तरह radio-frequency oscillation बनाने जैसे uses भी दिमाग में आते हैं
      कुल मिलाकर, manufacturing safety device के अलावा कोई और use है या नहीं, यह जानना चाहता हूँ
    • Ken, आपके लेख सचमुच दिलचस्प हैं और ऐसे लेखों में आप जो मेहनत लगाते हैं, वह सम्मान के काबिल है
      हर साल die analysis को और जटिल chips तक फैलते देखना शानदार रहा है, और Pentium खास तौर पर अच्छा subject है क्योंकि यह आज के modern chips तक आने वाली x86 architecture का बड़ा turning point दिखाता है
      righto links देखें तो बोर होने की गुंजाइश नहीं रहती
    • तस्वीरें हमें एक बेहद छोटी दुनिया, यानी CPU chip पर मौजूद individual transistors तक झाँकने देती हैं
      textbook या wiki पढ़ना और silicon को काटकर करीब से ली गई तस्वीरें देखना बिल्कुल अलग बात है। बहुत दिलचस्प और अच्छी तरह लिखा गया लेख है
    • अच्छा लेख है
      “chip पूरी हो जाने पर सभी transistor gates किसी दूसरे transistor के source या drain से जुड़े होते हैं” वाला वाक्य काफी रोचक है। पहले लगा कि गलत है, लेकिन फिर सोचने पर लगता है शायद सही है
      “pure input pin” का खयाल आया, पर ऐसे pins में भी pull-up या pull-down “resistor” होता है, और silicon में क्या उसे असल में diode या gate-less FET जैसी चीज़ मानना चाहिए?

  • chip manufacturing में “antenna” के बारे में एक मजेदार बात: इसका actual antenna से कोई लेना-देना नहीं है
    manufacturing के दौरान लंबे wires में charge जमा हो सकता है, क्योंकि संबंधित chemicals neutral नहीं होते और exposed wires से interact करते हैं
    बाकी circuit को बचाने के लिए उस charge को कहीं बाहर निकलना पड़ता है, और इसमें radio frequency element नहीं होता
    बाद की process technologies में, खासकर 28nm और उससे नीचे, “antenna” effect रोकने के design rules बहुत ज़्यादा हो जाते हैं

    • मुझे लगता है यह गलत है। लेख और Wikipedia के antenna effect article में plasma etching को antenna effect का कारण बताया गया है, और plasma बनाने में radio frequency इस्तेमाल होती है

  • 31 साल पुरानी technology का अध्ययन करते हुए भी उसकी complexity से हैरान होना दिलचस्प है

    • सही बात। कभी-कभी सोचता हूँ कि अगर सारी machines एक रात में नष्ट हो जाएँ, लेकिन mines, लोग और books वैसे ही रहें, तो 30 लाख transistor वाले chips फिर से बना सकने लायक industrialization और science level तक पहुँचने में कितना समय लगेगा
      आज के technology level में कितना intellectual effort लगा है, इसका अंदाज़ा ज़्यादातर लोगों को लगभग नहीं है
    • आम लोग शायद हज़ार साल बाद भी इस technology से हैरान होंगे

  • integrated circuit structure पर चर्चा तो स्वाभाविक रूप से दिलचस्प है ही, लेकिन मैं इस page और इसी site के दूसरे pages में दिखाई गई circuit photos की तारीफ करना चाहता हूँ
    वे समझने में मदद करती हैं, और उनके रंग भी सचमुच शानदार और आरामदेह हैं

  • क्या antenna diode सिर्फ manufacturing के दौरान damage कम करने के लिए होता है, या electromagnetic noise वाले environment में runtime effect भी होता है?

    • antenna diode सिर्फ manufacturing के दौरान relevant होता है, जब metal line का एक सिरा जुड़ा होता है और दूसरा सिरा अभी जुड़ा नहीं होता
      वहीं ESD diode chip इस्तेमाल के दौरान inputs को electrostatic discharge से बचाता है
    • antenna diode के reverse-biased junction की वजह से उस wire पर बहुत छोटी extra capacitance जुड़ती है, बस इतना ही
      हालांकि timing calculate करते समय इन diodes को भी ध्यान में रखा जाता है
    • मुझे लगा था इन्हें इसलिए लगाया जाता है ताकि processor state को Van Eck phreaking से पढ़ा जा सके

  • हँसी भी आई और अच्छी यादें भी ताज़ा हो गईं। Pentium era से पहले और उसके दौरान Intel में काम किया था, और याद है कि ऐसी चीज़ों को handle करने के लिए EDA tools को ठीक करने में कितनी मेहनत लगी थी
    180nm से 130nm पर जाते समय Moore’s law वाली bus में चढ़ा था, और 65nm से 45nm पर जाते समय उतर गया; लगता है अच्छा ही किया
    आज EDA tools को क्या-क्या संभालना पड़ता होगा, इसकी कल्पना भी नहीं कर सकता

    • उस दौर के chip development से जुड़ी कोई दिलचस्प stories हैं? यह भी जानना चाहूँगा कि कौन से EDA tools इस्तेमाल होते थे

  • आज local recycler से Pentium-75 उठा लाया, और अभी यही लेख front page पर दिख गया—मज़ेदार संयोग। यह chip SX969 है
    हाथ में पकड़ी chip को देखते हुए Ken की die photos ढूँढ पाना सचमुच शानदार है
    इन Pentium chips वाले ceramic packages भी काफी अनोखे हैं; CPU को desk पर रखने पर ऐसा sound आता है जैसे glass का टुकड़ा रखा हो

    • वह Pentium 80502 है, इसलिए मेरे लेख की chip से लगभग वही है, लेकिन 800nm के बजाय 600nm process पर बनी है और उसमें 200,000 transistors ज़्यादा हैं
      अगर अंदर का die देखना चाहें, तो chisel से package lid आसानी से हटाया जा सकता है

  • क्या कोई ऐसी OCR जैसी तकनीक है जो opened chip को automatically read करके logic restore कर दे? अगर इन सभी अजीब details को handle करना पड़े, तो यह काफी कठिन लगता है

    • ऐसी technology है। हालांकि मुझे कोई free या open version पता नहीं है

  • अब यह भी देखना अच्छा होगा कि SOI technology में antenna diodes की जरूरत क्यों पड़ती है
    substrate के अब safe refuge न रह जाने से, manufacturing के दौरान बहुत अधिक oxide बड़े differential voltage के exposure में आ सकता है