Les diodes d’antenne du processeur Pentium
(righto.com)- La zone carrée de silicium dopé visible sur le die du Pentium original lancé en 1993, qui semblait sans lien avec le circuit, était en fait une diode d’antenne servant à évacuer la charge des longues interconnexions pendant la fabrication
- L’oxyde de grille en CMOS ne fait que quelques centaines d’atomes d’épaisseur, si bien que la charge accumulée sur les interconnexions lors de la gravure plasma peut provoquer une dégradation de l’oxyde de grille
- L’effet d’antenne est plus dangereux aux étapes intermédiaires de fabrication que sur la puce terminée ; la condition clé est une longue interconnexion métallique reliée uniquement à une grille, sans encore disposer de chemin de décharge
- Le Pentium évitait le problème grâce au découpage des interconnexions, à l’usage de couches métalliques supérieures et à l’insertion de diodes, mais celles-ci ont un coût en surface et n’étaient placées que sur certaines interconnexions nécessaires
- Les circuits intégrés modernes vérifient encore les interconnexions métalliques, le polysilicium et les vias à l’aide des règles d’antenne du PDK ; une violation peut entraîner des puces endommagées et un faible rendement
Une connexion suspecte visible sur le die du Pentium
- Sur le die en silicium du Pentium, on a découvert une structure où une interconnexion métallique est reliée à une petite zone carrée de silicium dopé
- Cette zone était isolée du reste du circuit et sa fonction n’était pas claire, mais il s’agissait d’une diode d’antenne destinée à empêcher des dommages pendant la fabrication
- Intel a lancé le processeur Pentium en 1993, et le Pentium original analysé ici contient 3,1 millions de transistors
- Le modèle étudié est le Pentium 80501, nom de code P5, remplacé par la suite par le 80502 (P54C), plus rapide et plus économe en énergie
Transistors CMOS et fragilité de l’oxyde de grille
- Les processeurs modernes sont constitués de circuits CMOS utilisant deux types de transistors, NMOS et PMOS
- Le transistor NMOS agit comme un interrupteur entre la source et le drain, commandé par la grille
- La grille est réalisée en polysilicium, et entre le silicium et la grille se trouve un oxyde isolant extrêmement fin
- En 1993, l’oxyde de grille avait une épaisseur de l’ordre de 100 à 300 Å, assez faible pour être facilement endommagé par une surtension
- La sensibilité des puces CMOS à l’électricité statique est elle aussi liée à la fragilité de cet oxyde
Structure en couches et interconnexions du Pentium
- Le Pentium empile des interconnexions en polysilicium et trois couches de métal au-dessus des transistors en silicium situés en dessous
- Le polysilicium sert à former les grilles des transistors et aussi pour des interconnexions courtes
- Les trois couches métalliques relient les différents circuits internes de la puce
- La couche métallique inférieure est connectée au silicium et au polysilicium et sert à former les portes logiques
- Les couches métalliques supérieures sont utilisées pour des signaux sur de plus longues distances
- Une couche est principalement affectée aux signaux horizontaux, une autre surtout aux signaux verticaux
- Les connexions entre couches métalliques sont assurées par des vias en tungstène
- Dans la conception d’une puce, le routage est une tâche essentielle pour faire passer les signaux à travers plusieurs couches d’interconnexion tout en gardant le circuit aussi dense que possible
Gravure plasma et effet d’antenne
- Dans la fabrication des circuits intégrés, chaque couche métallique est d’abord déposée uniformément, puis seules les interconnexions voulues sont conservées grâce à la photolithographie et à la gravure
- Au départ, on utilisait la gravure humide avec des acides liquides, mais elle attaquait aussi le métal sous les bords du masque, ce qui la rendait peu adaptée aux circuits denses
- L’adoption de la gravure sèche par plasma a ensuite permis une gravure mieux contrôlée dans la direction verticale
- La gravure plasma a aussi introduit des dommages de l’oxyde induits par le plasma, appelés par métaphore effet d’antenne
- Lorsqu’une longue interconnexion métallique collecte de la charge dans le plasma, une tension élevée peut apparaître
- Cette tension peut percer l’oxyde de grille
- Elle peut aussi piéger de la charge dans l’oxyde et dégrader les performances du transistor
- Le mécanisme de dégradation est expliqué par le tunnel de Fowler-Nordheim, le même type de tunnel utilisé lors de l’effacement de la mémoire flash
Quelles interconnexions sont dangereuses ?
- L’effet d’antenne n’apparaît pas sur toutes les interconnexions ; il ne devient dangereux que dans certaines conditions pendant la fabrication
- La partie sensible à la tension induite est la grille du transistor
- parce que le mince oxyde situé sous la grille peut être endommagé
- les interconnexions reliées à la source ou au drain sont sûres, car la charge peut s’évacuer vers le substrat
- Sur une puce terminée, toutes les grilles sont reliées à la source ou au drain d’autres transistors, ce qui supprime le risque
- Le problème survient pendant la fabrication quand une extrémité d’une ligne métallique est reliée à une grille, mais que l’autre extrémité n’est pas encore connectée
- La tension induite est proportionnelle à la longueur de l’interconnexion métallique ; les lignes courtes présentent donc peu de risque
- Seule la couche métallique en cours de gravure est dangereuse
- les couches inférieures sont isolées par l’épais oxyde inter-couches et ne reçoivent pas de charge
- la couche métallique la plus haute est considérée comme sûre, car les connexions sont déjà en place à ce stade
Comment éviter le problème d’antenne
- Il existe essentiellement trois façons de réduire le problème d’antenne
- On peut découper une longue interconnexion en segments plus courts, puis les reconnecter avec des ponts sur une couche métallique plus élevée
- Déplacer une longue interconnexion vers la couche métallique supérieure peut éliminer le problème
- Ajouter une diode sur l’interconnexion permet d’évacuer la charge vers le substrat ; c’est le rôle de la diode d’antenne
- Quand la puce fonctionne, la diode d’antenne est polarisée en inverse et n’a donc pas d’effet électrique
- Pendant la fabrication, elle permet à la charge de s’écouler vers le substrat avant qu’un dommage ne se produise
Structure des diodes d’antenne dans le Pentium
- Dans le Pentium, les diodes d’antenne apparaissent sur le die comme de petites zones carrées de silicium dopé
- À première vue, elles ressemblent presque à des well taps, ce qui peut prêter à confusion
- Un well tap est une structure qui relie le substrat ou le puits à l’alimentation positive de la puce
- les transistors PMOS du Pentium sont fabriqués dans des puits en silicium de type N
- ces puits doivent être portés à la tension positive de la puce, d’où la présence de nombreuses zones carrées de silicium dopé N+
- Les diodes d’antenne utilisent elles aussi du silicium dopé N+, mais placé dans du silicium de type P pour former une jonction P-N et fonctionner comme une diode
- Le Pentium n’insère pas de diode dans tous les circuits ; il utilise une approche de dynamic diode dropping en n’ajoutant des diodes d’antenne qu’en cas de besoin
- Quand il n’y avait pas la place d’ajouter une diode localement, on a aussi observé des cas où une interconnexion prolongée menait vers une diode située plus loin
Fréquence d’utilisation dans le Pentium et questions restantes
- Dans le Pentium, les diodes d’antenne ne sont utilisées que sur une petite fraction de l’ensemble des interconnexions
- Comme elles occupent de la surface supplémentaire sur le die, elles ne sont placées qu’en cas de besoin
- La plupart des problèmes d’antenne semblent avoir été résolus par le routage
- Les diodes d’antenne sont relativement rares, mais elles apparaissent tout de même de façon suffisamment répétée pour être visibles lors de l’observation du die
- Certaines diodes d’antenne étaient reliées directement depuis la couche métallique inférieure M1, via M2, à une longue interconnexion M3
- le routage sur la couche métallique supérieure est réputé éviter les violations d’antenne
- dans ce cas, la connexion à la source ou au drain semble déjà exister à ce stade, ce qui rend la diode redondante en apparence et laisse subsister quelques interrogations
Règles d’antenne dans les procédés modernes
- L’effet d’antenne reste un problème à prendre en compte dans les circuits intégrés modernes
- Les fonderies fournissent, dans le PDK (Process Design Kit), des règles sur la taille admissible des interconnexions d’antenne pour un procédé de fabrication donné
- Les logiciels de conception vérifient les violations des règles d’antenne et, si nécessaire, modifient le routage ou insèrent des diodes
- Outre les interconnexions métalliques, le polysilicium et les vias peuvent eux aussi provoquer des dommages d’antenne, et ces couches ont donc également leurs propres règles
- Les interconnexions en polysilicium ont une résistance élevée et sont généralement limitées à de courtes distances, ce qui rend les problèmes d’antenne relativement moins fréquents
- Une violation des règles d’antenne peut produire des puces endommagées et un rendement très faible ; ce n’est donc pas qu’un simple problème théorique
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Je suivais cette discussion depuis que Ken l’avait publiée il y a quelques jours sur le subreddit /r/chipdesign, et j’ai apprécié qu’il y indique la source et un lien
Je suis ingénieur en conception physique et je fais du layout de puces comportant des milliards de blocs de cellules standard avec les logiciels de Cadence et Synopsys ; dans notre flow, on insère automatiquement des diodes d’antenne sur toutes les broches d’entrée des blocs
Pour le routage interne, les outils gèrent généralement assez bien le problème des antennes en interrompant les pistes lorsqu’elles passent d’une couche métallique à l’autre
Une partie de la charge apparaît aussi pendant le procédé CMP ; les puces modernes ont environ 20 couches métalliques, avec de nombreuses couches de vias entre elles ainsi que les couches de base contenant les transistors réels, il est donc important de planariser la tranche avant de fabriquer la couche suivante
https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical-mechanical_polishing
Je suis l’auteur. Je sais que le sujet est très inhabituel, mais j’espère qu’il intéressera certaines personnes. Si vous avez des questions, dites-le-moi
Ces contraintes annexes orthogonales, peu visibles de l’extérieur d’un secteur, rendent toutes les industries bien plus difficiles qu’on ne l’imagine
Cela me rappelle un petit projet récent de data warehouse où, pour la première fois, j’ai dû me soucier non seulement des performances théoriques des requêtes, comme la présence ou non d’index, mais aussi de contraintes distinctes comme le temps nécessaire pour réécrire des téraoctets de données sur disque pendant les traitements ETL nocturnes, ou le taux de modification des données sources
Cet article met bien en évidence un problème similaire, connu surtout des spécialistes du secteur : câbler les connexions logiques est déjà une optimisation difficile, mais il faut en même temps satisfaire une optimisation physique concurrente
Deuxième question : est-ce que la puce utilise ensuite ces diodes à d’autres fins ? Sont-elles conçues pour avoir une fonction réelle en plus de fournir simplement une protection pendant la fabrication ?
Par exemple, si une charge s’accumule, cette accumulation pourrait-elle servir de sorte de communication à distance, ou de canal, entre différentes parties de la puce ? La décharge via la diode pourrait-elle agir comme une forme de transmission de communication ?
Je me demande aussi s’il est possible d’en faire un usage à plusieurs fins : sécurité pendant la fabrication, puis après fabrication faire osciller l’emplacement d’accumulation de charge, le charger intentionnellement, ou utiliser la diode comme évacuation de charge pour une autre raison
Les diodes électroluminescentes sont, comme leur nom l’indique, aussi des diodes ; je me demande si certaines de celles-ci peuvent émettre de la lumière lorsque la charge s’effondre, et si cette lumière peut être captée pour transmettre des données, comme une communication par clignotement
Et sans entrer davantage dans les détails, je pense aussi à des usages comme l’accord de récepteurs radio ou TV avec des diodes à capacité variable, ou la génération d’oscillations radiofréquence avec des diodes tunnel, des diodes Gunn ou des diodes IMPATT
En bref, je me demande s’il existe d’autres usages que celui de dispositif de sécurité pour la fabrication
C’est formidable de voir l’analyse de dies s’étendre chaque année à des puces de plus en plus complexes, et le Pentium est un sujet particulièrement intéressant, car il représente un grand tournant dans l’architecture x86 menant aux puces modernes d’aujourd’hui
Avec un lien vers righto, impossible de s’ennuyer
Lire un manuel ou un wiki n’a rien à voir avec le fait de voir du silicium découpé et photographié de près. C’est un article très intéressant et très bien présenté
La phrase « une fois la puce terminée, chaque grille de transistor est connectée à la source ou au drain d’un autre transistor » est assez intéressante. Au début, elle m’a semblé fausse, mais en y repensant, elle me paraît peut-être correcte
Je pensais aux « broches d’entrée pures », mais je me demande si même ces broches ont des « résistances » de pull-up ou de pull-down, et si, dans le silicium, il faut en réalité les considérer comme des diodes ou des FET sans grille
Fait amusant à propos des « antennes » dans la fabrication de puces : cela n’a absolument rien à voir avec de vraies antennes
Pendant la fabrication, une charge peut s’accumuler sur de longues pistes, parce que les produits chimiques concernés ne sont pas neutres et interagissent avec les pistes exposées
Cette charge doit s’évacuer quelque part afin de protéger le reste du circuit, et il n’y a là aucun élément de radiofréquence
Dans les technologies de procédé ultérieures, en particulier à 28 nm et en dessous, les règles de conception destinées à éviter l’effet « antenne » sont devenues très nombreuses
Il est intéressant de constater qu’en étudiant une technologie vieille de 31 ans, on reste surpris par sa complexité
La plupart des gens n’ont presque aucune idée de l’ampleur de l’effort intellectuel investi dans notre niveau technologique actuel
Les discussions sur la structure des circuits intégrés sont évidemment intéressantes, mais je voudrais saluer les photos de circuits présentées sur cette page et sur d’autres pages du même site
Elles aident à comprendre, mais en plus les couleurs sont vraiment magnifiques et agréables
Les diodes d’antenne servent-elles seulement à réduire les dommages pendant la fabrication, ou ont-elles aussi un effet en fonctionnement dans des environnements riches en bruit électromagnétique ?
En revanche, les diodes ESD protègent les entrées contre les décharges électrostatiques pendant l’utilisation de la puce
Cela dit, ces diodes sont bien prises en compte dans le calcul du timing
Cela m’a fait sourire et rappelé de bons souvenirs. J’ai travaillé chez Intel avant et pendant l’époque du Pentium, et je me souviens de la quantité d’efforts consacrés à corriger les outils EDA pour qu’ils puissent gérer ce genre de choses
Je suis monté dans le bus de la loi de Moore au moment du passage de 180 nm à 130 nm, puis j’en suis redescendu au moment du passage de 65 nm à 45 nm, et je pense avoir bien fait
Je n’imagine même pas ce que les outils EDA doivent gérer aujourd’hui
Aujourd’hui, j’ai récupéré un Pentium-75 chez un recycleur local, et c’est amusant de voir cet article arriver en première page au même moment. Cette puce est un SX969
C’est vraiment génial de pouvoir regarder la puce que j’ai dans la main tout en consultant les photos de die de Ken
Les boîtiers céramiques qui contenaient ces Pentium sont aussi assez particuliers : quand on pose le CPU sur un bureau, cela fait un bruit comme si l’on posait un morceau de verre
Si tu veux voir le die à l’intérieur, tu peux facilement retirer le couvercle du boîtier avec un burin
Existe-t-il une sorte de technologie de type OCR qui lit automatiquement une puce décapsulée pour en reconstituer la logique ? Avec tous ces détails étranges à gérer, cela doit être assez difficile
Il serait intéressant de voir aussi pourquoi les diodes d’antenne sont nécessaires dans la technologie SOI
Le substrat n’étant plus un refuge sûr, beaucoup plus d’oxyde peut être exposé à de fortes tensions différentielles pendant la fabrication