Транзисторы

Ученые из Высшего технологического института Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology, SAIT) в сотрудничестве с Национальным институтом науки и технологии Ульсана (UNIST) и Кембриджским университетом рассказали об открытии нового материала под названием аморфный нитрид бора (a-BN). Исследование, опубликованное в авторитетном научном журнале Nature, способно ускорить появление полупроводников следующего поколения.

Внутри кратко о сути открытия с комментариями от руководителя SAIT Россия, к.ф-м.н Станислава Полонского.

2D материалы ключ к преодолению проблем масштабируемости

SAIT занимается исследованием и разработкой двумерных (2D) материалов кристаллических веществ, состоящих из одного слоя атомов. В частности, специалисты института работали над изучением и разработкой графена и добились революционных результатов в этой области создали новый графеновый транзистор, а также новый метод производства монокристаллических пластин большой площади из чешуйчатого графена. Помимо этого, ученые SAIT заняты ускорением коммерциализации материала.

Чтобы улучшить совместимость графена с полупроводниковыми процессами на основе кремния, выращивание пленок графена на полупроводниковых подложках должно осуществляться при температуре ниже 400 C, рассказал Хён Чжин Шин, руководитель проекта по разработке графена и главный исследователь SAIT. Мы также постоянно работаем над расширением сферы применения графена, не ограничиваясь полупроводниками.

Трансформированный 2D материал аморфный нитрид бора

Недавно открытый материал под названием аморфный нитрид бора (a-BN) состоит из атомов бора и азота с аморфной структурой молекулы. Несмотря на то, что аморфный нитрид бора получают из белого графена, который включает атомы бора и азота, расположенные в гексагональной структуре, благодаря своей молекулярной структуре новый материал обладает уникальными отличиями от белого графена.

Аморфный нитрид бора имеет лучшую в своем классе сверхнизкую диэлектрическую проницаемость 1,78 с сильными электрическими и механическими свойствами и может использоваться в качестве межсоединительного изоляционного материала для сокращения электрических помех. Также было продемонстрировано, что материал в чешуйчатой форме можно выращивать при низкой температуре, всего 400C. В связи с этим ожидается, что аморфный нитрид бора будет широко применяться в полупроводниках, таких как решения DRAM и NAND, и, особенно, в памяти следующего поколения для крупномасштабных серверов.

Станислав Полонский, начальник управления перспективных исследований и разработок Исследовательского центра Samsung:

Скорость современных полупроводниковых интегральных схем определяется не только скоростью переключения транзисторов, но и скоростью распространения электрических сигналов от одного транзистора до другого. С точки зрения посылающего сигнал транзистора, передающий сигнал другому транзистору провод представляет собой конденсатор, который нужно зарядить. Чем меньше емкость такого конденсатора, тем быстрее он заряжается, тем быстрее передается сигнал. Емкость конденсатора уменьшается вместе с диэлектрической проницаемостью изолятора, окружающего металлический провод. Полученные корейскими учеными рекордно низкие значения этого параметра приведут к рекордным высокой скорости передачи сигналов на микросхеме, увеличивая ее производительность. Все просто!

Кратко о достижениях SAIT последних лет:
2012: графеновый барристор, триодное устройство с барьером Шоттки, управляемым затвором (SAIT, опубликовано в Science)
2014: чешуйчатый рост пластины монокристаллического монослоя графена на многоразовом водородно-терминированном германии (SAIT и Университет Сонгюнгван, опубликовано в Science)
2017: Реализация непрерывного монослоя углерода Захариасен (SAIT и Университет Сонгюнгван, опубликовано в журнале Science Advances)
2020: сверхнизкая диэлектрическая проницаемость аморфного нитрида бора (SAIT, UNIST и Кембриджский университет, опубликовано в журнале Nature)

Источник новости.

В техноиндустрии количество транзисторов и плотность транзисторов часто используют для демонстрации технического достижения и некой вехи в развитии. После выхода нового процессора или системы на чипе многие производители начинают хвастать сложностью своей схемы, измеряя количество транзисторов в ней. Недавний пример: когда компания Apple выпустила iPhone 11 с A13 Bionic внутри, она похвалялась тем, что процессор содержит 8,5 млрд транзисторов. В 2006 Intel сходным образом хвасталась Montecito, первым процессором с миллиардом транзисторов.

По большей части это постоянно увеличивающееся количество транзисторов является следствием закона Мура и мотивацией к дальнейшей миниатюризации. Индустрия переходит на новые техпроцессы, и количество транзисторов на единицу площади продолжает расти. Поэтому количество транзисторов часто считается показателем здоровья закона Мура, хотя это на самом деле и не совсем корректно. Закон Мура в оригинальном виде это наблюдение, согласно которому количество транзисторов экономически оптимального дизайна (т.е. с минимальной стоимостью одного транзистора) удваивается каждые два года. С точки зрения потребителя, закон Мура это на самом деле обещание того, что завтрашние процессоры будут лучше и ценнее сегодняшних.

В реальности плотность транзисторов значительно колеблется в зависимости от типа чипа, и особенно от способа компоновки самого чипа. Что ещё хуже, не существует стандартного способа подсчёта транзисторов, из-за чего для одной и той же схемы эти цифры могут отличаться на 33-37%%. В итоге количество транзисторов и плотность транзисторов это лишь приблизительные метрики, и если замкнуться только на них, можно потерять из виду общую картину.

На компоновку продукта влияет его предназначение

Плотность транзисторов тесно связана с предназначением и стилем разработки продукта. Будет, по меньшей мере, некорректно сравнивать такие сильно отличающиеся друг от друга компоновки, как ASIC с фиксированным быстродействием (к примеру, Broadcom Tomahawk 4 25.6Tb/s или Cisco Silicon One 10.8Tb/s) и высокоскоростной процессор для дата-центров (к примеру, Intel Cascade Lake или Google TPU3).

От ASIC требуется поддержка определенной пропускной способности, а увеличение частоты не приносит ему пользы. К примеру, чип Cisco Silicon One предназначен для высокоскоростных сетей, использующих 400Gbps Ethernet, и от увеличения частоты на 10% он ничего не выиграет. 400Gbps это стандарт IEEE, а следующая ступень скоростей уже 800Gbps. В итоге большинство команд разработки ASIC оптимизируют чипы по минимуму стоимости, автоматизации инструментов разработки, уменьшению количества специальных схем и плотности транзисторов.

И наоборот, чем быстрее серверный чип, тем больше он стоит, и поэтому он всегда будет получать преимущество от увеличения частоты. К примеру, Xeon 8268 и 8260 24-ядерные процессоры, и отличаются в основном базовой частотой (2,9 ГГц и 2,4 ГГц), в результате чего их стоимость отличается на $1600. Поэтому команда разработки серверов будет стремиться к оптимизации по частоте. Высокоскоростные процессоры обычно используют больше специальных схем и более крупные транзисторы. В современных схемах на базе FinFET это даёт увеличение количества транзисторов с 2, 3 плавниками, и даже больше. И наоборот, низкоскоростная логика, типа параллельных GPU или ASIC чаще использует более плотную компоновку транзисторов всего с одним плавником, принося в жертву тактовую частоту для увеличения плотности. Транзисторы с низкой утечкой также обычно имеют больший размер.

Плотность и количество транзисторов определяются балансом разработки

Ещё больше влияет на количество транзисторов и плотность транзисторов реальная компоновка чипа. Каждый современный чип состоит из какой-то комбинации логики для вычислений, памяти (обычно SRAM) для хранения и I/O для передачи данных. Однако по плотности три этих компонента значительно разнятся см. таблицу 1. У Poulson и Tukwila одна платформа, одинаковые цели, связанные с высокой скоростью работы, и высочайший уровень надёжности.


Таблица 1: количество транзисторов и плотность транзисторов основных участков поколений Poulson и Tukwila процессора Itanium

Процессоры состоят из четырёх основных участков: ядра CPU, кэш L3, системный интерфейс и I/O. Судя по раскрытой производителем информации, у Poulson на кристалле есть ещё 18 мм² для других функций. Участок ядер CPU содержит ядра и оптимизированные по быстродействию кэши L1 и L2, и основное место там занимает высокоскоростная логика для операций свыше 1,7 ГГц для Tukwila и 2,5 ГГц для Poulson. Крупные кэши L3 (24 Мб для Tukwila и 32 Мб для Poulson) разработаны для максимальной ёмкости и используют самые плотные ячейки 6T SRAM из возможных. В системном регионе находится большой ассортимент функций матричный переключатель для передачи данных I/O и памяти по кристаллу, QPI и контроллеры памяти, протокол когерентности с использованием справочника и кэши справочника, модули управления питанием. Системный участок обычно не такой плотный, поскольку логика там работает на фиксированной частоте, и во многих из более крупных компонентов высокоскоростные шины, пересекающие кристалл, занимают больше места, чем транзисторы. И, наконец, регион I/O содержит физические интерфейсы для внешних коммуникаций, реализованных через высокоскоростные последовательные связи (QPI links). Связи по-разному передают сигналы, и в сумме у них набирается порядка 600 контактов.

В количественном плане два этих процессора иллюстрируют критически важные тренды, которых придерживаются практически все крупные разработчики чипов. Во-первых, в различных частях чипа плотность транзисторов может отличаться в разы более, чем в 20 раз, что во много раз больше, чем упоминаемое в законе Мура удвоение плотности, связанное с улучшением процессоров на одно поколение. Естественно, самым плотным участком является регион кэша, состоящий из сверхплотной SRAM он и содержит большинство транзисторов. Кэш примерно в 3-5 раз плотнее, чем вычислительная логика в ядрах, что опять-таки больше, чем удвоение. Наименее плотная часть это I/O, поскольку там содержатся деликатные аналоговые схемы типа PLL и DLL, цифровые фильтры, и крупные I/O транзисторы высокого напряжения, которые используются для отправки данных с чипа и получения им данных. Кроме того, многие участки I/O должны занимать достаточно места по краям чипа, чтобы их можно было соединить со всеми контактами, и занимаемая ими площадь определяется количеством контактов, а не плотностью схем.

Данные выше демонстрируют, что плотность транзисторов современных чипов является в основном функцией их предназначения и компоновкой самого чипа. Для экстремального примера представьте себе 32 нм схему, основанную на Poulson, но не имеющую кэша L3 плотность транзисторов такого чипа равнялась бы примерно 2,57 млн/мм², или менее половины реальной плотности Poulson. И в другую сторону гипотетический вариант Poulson, содержащий только вычислительную логику и кэш, без системы I/O, имел бы плотность транзисторов порядка 9 млн/мм².


Таблица 2: количество транзисторов и плотность транзисторов для некоторых чипов на 7 нм и 12 нм, по сообщению производителей

В таблице 2 содержатся подробности о нескольких чипах, произведённых по техпроцессам 7 нм и 12 нм от TSMC, подчёркивающие влияние компоновки чипа на плотность транзисторов. Radeon VII и RX 5700 от AMD похожи по компоновке, используют один техпроцесс, и их плотность транзисторов почти одинаковая. Плотность транзисторов у AMD Renoir и Nvidia A100 в 1,5 раза больше возможно, поскольку это было целью разработчиков, или, возможно, благодаря более современным инструментам разработки. Ещё одно полезное сравнение Nvidia V100 GPU и NVSwitch, 18-портовый коммутатор от NVLink. Техпроцесс у них один, однако последний в основном ориентирован на I/O, и в результате плотность транзисторов у V100 в 1,37 раза больше, чем у NVSwitch.

Наконец, SoC от двух смартфонов в 1,35 2,29 раз плотнее, чем остальные процессоры на 7 нм. Эта впечатляющая плотность достигнута благодаря разным целям оптимизации. SoC смартфонов делают так, чтобы они были подешевле, а их плотность была повыше. Процессоры AMD стремятся к высокой производительности. Кроме того, компании Apple и HiSilicon крупнее и богаче, они могут позволить себе большие команды разработчиков и большие траты на оптимизацию. Однако возможно также, что количество транзисторов и плотность транзисторов у мобильных SoC отличаются потому, что для них транзисторы считают по-другому. Последний столбец таблицы 2 показывает, как именно производитель подсчитывает количество транзисторов мы подробнее обсудим это чуть позже.

Не все транзисторы созданы равными

Ещё одна проблема использования подсчёта количество транзисторов или плотность транзисторов в качестве метрики состоит в том, что эти цифры неоднозначны и могут ввести в заблуждение. Обычно мы представляем себе транзисторы в виде физической реализации логических блоков и схем. При вычислениях этим можно обозначить всё что угодно от ядра процессора или модуля работы с плавающей запятой до инвертера. Для хранения это может быть кэш, регистровый файл, ассоциативное запоминающее устройство (content-addressable-memory, CAM) или битовая ячейка SRAM. Для аналоговых компонентов или I/O это может быть PLL, или передатчик/приёмник, расположенные вне чипа. Транзисторы, физические реализующие эти блоки, называют активными транзисторами (в отличие от схематических транзисторов). Однако в реальности не все транзисторы созданы равными, и современные процессоры производятся со множеством неактивных транзисторов. Транзисторы, формирующиеся в процессе изготовления называют макетными. Макетные транзисторы это описанные выше активные транзисторы, но также среди них есть и фиктивные транзисторы, а также транзисторы, используемые в качестве развязывающих конденсаторов.

Фиктивные транзисторы вставляют в схему для повышения эффективности производственного процесса. К примеру, определённые шаги отжига и травления в процессе производства лучше работают на относительно однородной поверхности, и если вставить дополнительные транзисторы в пустые места, это увеличит однородность. Для многих аналоговых схем такие транзисторы нужны для достижения желаемой эффективности. Ещё пример эффективность современных FinFET зависит от нагрузки на транзисторы, являющейся функцией транзисторов, находящихся поблизости. Для достижения нужной эффективности иногда приходится разместить несколько транзисторов поблизости, чтобы получить нужную нагрузку.

Хотя фиктивные транзисторы повсеместно применяются, их используют не так уж много. А вот развязывающие конденсаторы на основе MOSFET используются повсеместно. В целом логика современного чипа никогда не достигает 100% пространственной эффективности. При всех чудесах современных средств разработки всё равно останутся пустые места между отдельными логическими ячейками (к примеру, между вентилями NAND), между функциональными модулями (кэш L1D), и даже между целыми блоками (например, ядрами CPU). Пустое пространство возникает вследствие того, что инструменты разработки пытаются удовлетворить правилам, гарантирующим эффективное производство и частоту, использовать доступные ресурсы (например, маршрутные слои) и собрать электромеханическую головоломку из логических клеток, функциональных модулей и блоков. Пустое пространство может занять до 10-25% чипа. Для увеличения выхода годных изделий кристаллы должны быть относительно однородными, и пустое пространство не может оставаться реально пустым. Многие схемы заполняют эти места развязывающими конденсаторами, чтобы улучшить обеспечение питанием. Кроме того, в некоторых схемах развязывающие конденсаторы располагают внутри стандартных библиотек ячеек. Транзисторы в роли развязывающих конденсаторов основной источник неактивных макетных транзисторов, однако точные данные по их количеству сложно найти.

Наши друзья из TechInsights провели технический анализ процессора на уровне схемы, в который входил и подсчёт макетных транзисторов на небольшом участке кристалла. Они поделились своими открытиями для небольшого списка SoC на 7 нм. Данные основаны на небольшом количестве избранных мест с каждого из SoC, обычно с GPU, где плотность транзисторов должна быть наибольшей. Они обнаружили, что в изученных ими местах порядка 70-80%% транзисторов были активными, а оставшиеся 20-30%% развязывающими конденсаторами или фиктивными. Однако эти цифры основаны на небольшом количестве выборок, поскольку подобный анализ требует большого количества денег и времени. Чтобы подтвердить эти цифры и развить тему, мы собрали данные по нескольким современным схемам, и обнаружили, что обычно процент активных транзисторов составляет 63-66 от общего количества, а 33-37%% транзисторов развязывающие конденсаторы. Числа у TechInsights получились ниже, вероятно, потому, что они изучали наиболее плотные логические участки SoC, и не учитывали пустое пространство, где могло оказаться больше развязывающих конденсаторов.


Таблица 2: количество транзисторов и плотность транзисторов для некоторых чипов на 7 нм и 12 нм, по сообщению производителей

Из этих данных совершенно ясно следует, что между количеством активных и макетных транзисторов в чипе часто есть большая разница. К сожалению, многие компании обычно не указывают, число каких транзисторов они учитывают. Данные по процессорам от AMD и Nvidia из Таблицы 2 взяты из технических документаций. На основе неформального обсуждения этого вопроса с двумя этими производителями, мы привели число активных транзисторов в последнем столбце. Судя по всему, число транзисторов, указанное для HiSilicon Kirin 990 5G, может означать макетные транзисторы, что может объяснить несоответствие между этими схемами. Непонятно, реализован ли чип Apple A13 с использованием 8,5 млд активных или макетных транзисторов. В первом случае их достижение по плотности было бы впечатляющим.

Кажется неразумным учитывать эти фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы наравне с активными транзисторами. Активные транзисторы реализуют функции и особенности, ценимые пользователями будь то ядра CPU, выборочное отключение питания для улучшения энергопотребления в режиме простоя, ускорители нейросетей или кэш. Однако фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы это просто лишние компоненты, не добавляющие прямой ценности, а в некоторых случаях даже проигрывающие более сложным технологиям. К примеру, траншейные конденсаторы от IBM гораздо эффективнее развязывающих конденсаторов, и позволяют создавать плотные чипы eDRAM, уменьшая стоимость системы. Intel FIVR увеличивает эффективность платформы и полагается на MIM-конденсаторы, практически устраняя необходимость в развязывающих конденсаторах, а также, вероятно, уменьшает количество развязывающих конденсаторов, необходимых на кристалле. В обоих случаях уменьшение количества развязывающих конденсаторов приносит пользу. Суть закона Мура состоит в том, чтобы создавать ценность для потребителей, продуктивно используя дополнительные активные транзисторы, а фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы этой ценности не добавляют.

Дело не в том, сколько там транзисторов, а в том, как вы их используете

Подводя итоги, Становится видно, что количество транзисторов и плотность транзисторов метрики весьма проблемные. На них сильно влияет общая компоновка чипа и объёмы критически важных блоков вычислительной логики, SRAM, I/O. SRAM наиболее плотная из всех трёх, поэтому небольшое изменение размера кэша сильно изменит количество транзисторов, при этом практически не повлияв на быстродействие и ценность. Более того, не все макетные транзисторы созданы равными. Активные транзисторы это фундаментальные строительные блоки таких ценных компонентов, как CPU и GPU. С другой стороны, фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы больше похожи на лишний груз. Надеюсь, что большинство компаний не будут объединять активные и макетные транзисторы, но важно отличать два этих типа при сравнении схем.

Несмотря на все проблемы с количеством транзисторов, эта метрика потенциально полезна в очень редких случаях. Почти всегда процессор с 100 млрд транзисторов будет сложнее и ценнее процессора с 100 млн транзисторов. Вероятно, анализ всё ещё остаётся верным для двукратной разницы в количестве транзисторов особенно для чипов, обрабатывающих задачи параллельно, типа GPU, или для двух очень похожих процессоров (к примеру, двух SoC для смартфонов или двух серверных процессоров). Но сложно поверить, что небольшое различие в количестве транзисторов обязательно приведёт к наличию разницы в ценности. На самом деле отличным примером могут служить Radeon VII и RX 5700 от AMD. У Radeon VII на 28% больше транзисторов, однако быстродействие у него почти такое же, в частности из-за того, что в линейке RX 5700 используется более современная архитектура. Кроме того, RX 5700 оказывается гораздо дешевле, поскольку использует GDDR6 вместо HBM2. Реальная ценность для потребителей заключается не в количестве транзисторов, а в том, как они используются. Небольшие различия в количестве транзисторов не имеют значения по сравнению с хорошей архитектурой, выбором функций и другими факторами.

Многие из этих критических утверждений верны и для плотности транзисторов, и для техпроцессов. Если небольшое увеличение в количестве транзисторов не обязательно влияет на пользовательскую ценность, то вряд ли на это повлияет соответствующее небольшое увеличение в плотности. С другой стороны, такие факторы, как эффективность транзисторов, динамическое питание, энергопотребление в простое, инструменты разработки, доступность подложек и передовые свойства могут придать большую ценность. Плотность всего лишь один из множества аспектов процесса, и если зацикливаться на нём, то можно за деревьями не заметить леса.

Микропроцессор Intel 8086 один из самых влиятельных чипов. Порождённая им архитектура х86 и по сей день доминирует среди настольных и серверных компьютеров. И всё же этот чип ещё достаточно прост для того, чтобы его цепи можно было изучать под микроскопом и разбираться в них. В этой статье я объясню реализацию динамической защёлки [одноступенчатый триггер] схемы, удерживающей один бит. В 8086 есть более 80 защёлок, разбросанных по всему чипу, и удерживающих различные важные биты статуса процессора, но я сконцентрируюсь на восьми из них, реализующих регистр команд и хранящих выполняющуюся команду.

У 8086-го есть более 80 защёлок. Некоторые из них хранят значения контактов AD (address/data) или управляющих контактов. Другие хранят текущий адрес микрокода и микрокоманды, а также адрес возврата из подпрограммы микрокода. В третьих хранятся биты исходного и выходного регистра команд, и АЛУ-операция команды. Во многих хранятся статусы внутреннего состояния, в которых я пока ещё разбираюсь.


Кристалл 86, где показан 8-битный регистр команд

На фото выше показан кремниевый кристалл процессора 8086 под микроскопом. Я удалил металлический и поликремниевый слои, чтобы было видно транзисторы всего их порядка 29 000 штук. На выделенном участке располагается 8-битный буфер команд, состоящий из восьми защёлок. Этот процессор 1978 года был ещё достаточно простым для того, чтобы единственный 8-битный регистр занимал на нём относительно большую площадь. На увеличении показаны кремний и транзисторы, из которых состоит единственная защёлка.

Как работает динамическая защёлка

Защёлка один их важнейших элементов 8086, поскольку защёлки отслеживают то, чем занят процессор. Защёлки можно делать разными способами; в 8086 используется компактная цепь, известная, как динамическая защёлка. Динамическая защёлка зависит от работы двухфазного генератора тактовых импульсов, который часто использовался для управления микропроцессорами той эпохи. Двухфазный генератор тактовых импульсов выдаёт два тактовых сигнала, активных по очереди. В первой фазе основной тактовый сигнал высокий, а сопутствующий тактовый сигнал низкий. Потом они меняются местами. Цикл повторяется на тактовой частоте, к примеру, 5 МГц.

Многие микропроцессоры используют логические элементы И-НЕ (NAND gates) для формирования RS-триггеров. RS-триггер обычно занимает больше места, чем динамическая защёлка, особенно если к нему добавляются дополнительные цепи для поддержки тактовой частоты. Также популярны D-триггеры (триггеры задержки), однако они получаются ещё более сложными и используют шесть затворов. Во многих случаях достаточно проходного транзистора; он может хранить значение в течение одного такта, но длительного хранения не обеспечивает.

Для процессоров всегда выбирают максимально возможную тактовую частоту. Первый 8086 работал на частоте до 5 МГц, а позже 8086-1 поддерживал уже до 10 МГц. Однако из-за использования динамической логики у 8086 есть ещё и минимальная тактовая частота: 2 МГц. Если генератор тактовых импульсов будет работать медленнее, появится риск утечки заряда с проводников до того, как схемы обратятся к нему, что приведёт к ошибкам.


Защёлка в процессоре 8086 состоит из четырёх проходных транзисторов и двух инвертеров. Защёлка работает на перемежающихся тактовых сигналах.

На схеме выше показана типичная защёлка в 8086. Она состоит из двух инвертеров и несколько проходных транзисторов. Для наших целей проходной транзистор можно считать выключателем: если на затвор приходит 1, транзистор передаёт сигнал далее. Если приходит 0, транзистор блокирует сигнал. Проходной транзистор управляются несколькими сигналами: загрузка (load), загружающий бит в защёлку; удержание (hold), удерживающий имеющееся значение бита; тактовый сигнал (clock) первой фазы и тактовый сигнал второй, инвертированной.

На диаграмме ниже показано, как в защёлку загружается значение (в данном случае, это 1). Для сигнала загрузки повышается напряжение, что позволяет входному сигналу (1) пройти через транзистор. Поскольку тактовый сигнал высокий, сигнал проходит через второй транзистор к инвертеру, который выдаёт 0. В этот момент третий (тактовый) транзистор блокирует сигнал.


Входной сигнал загружается в защёлку при высоком уровне сигнала загрузки

В следующей тактовой фазе сигнал генератора тактовых импульсов становится высоким, благодаря чему сигнал 0 достигает второго инвертера, который выдаёт 1. Поскольку сигнал удержание высокий, сигнал возвращается назад, но блокируется транзистором генератора тактовых импульсов. Динамическим эту цепь делает то, что в данный момент на первый инвертер не поступает входящих сигналов. Его вход остаётся 1 (показано серым) из-за имеющейся у цепи ёмкости. Когда-нибудь этот заряд утечёт, значение потеряется, но до этого момента произойдёт новое переключение генератора тактовых импульсов.


Когда сигнал генератора тактовых импульсов становится высоким, значение проходит через второй инвертер. Вход на первый инвертер (серый) поддерживается благодаря ёмкости цепи.

После переключения состояния генератора тактовых импульсов вход на второй инвертер обеспечит ёмкость цепи (см. ниже). Сигнал возвращается назад, перезаряжая и обновляя вход на первый инвертер. При последующих переключениях тактовой частоты защёлка будет переключаться между этой и предыдущей диаграммой, сохраняя хранящееся в ней значение и поддерживая выходной сигнал в стабильном состоянии.

Ключом к работе защёлки служит наличие двух инвертеров, поддерживающих выходной сигнал в стабильном состоянии. Нечётное количество инвертеров вызвало бы осцилляции эта особенность используется генератором подкачки заряда 8086. Также пары инвертеров использует набор регистров 8086 для хранения битов. Однако в наборе регистров два инвертера соединены напрямую, без проходных транзисторов, управляемых генератором тактовых импульсов, что даёт более компактную, но трудную в управлении систему хранения.


Когда сигнал тактовой частоты высокий, значение проходит через первый инвертер.

Реализация в кремнии

8086 и другие процессоры той эры создавались на основе транзисторов типа N-МОП. Они изготавливались из кремниевой подложки, к которой в процессе легирования добавлялись примеси мышьяка или бора, формировавшие транзисторы. Сверху кремния находился поликремний, создававший затворы транзисторов и проводники, связывавшие все компоненты между собой. Ещё один слой, металлический, обеспечивал дополнительные токопроводящие связи. Современные процессоры, для сравнения, используют технологию КМОП, комбинирующую технологии N-МОП и P-МОП, а металлических проводящих слоёв у них больше одного.


Как в ИС реализуется N-МОП транзистор (МОП-структура)

На диаграмме выше показана структура транзистора. Транзистор можно считать выключателем, позволяющим току протекать от одного участка (исток) к другому (сток). Транзистор управляется затвором, сделанным из кремния особого типа поликремния. Подача напряжения на затвор позволяет току течь между истоком и стоком, а подтягивание затвора к 0 В блокирует ток. От кремния затвор отделён изолирующим слоем оксида из-за этого затвор работает как конденсатор, что видно на примере динамической защёлки.

Инвертер (ниже) сделан из N-МОП транзистора и резистора. При низком сигнале транзистор отключён, поэтому подтягивающий резистор подтягивает выходной сигнал наверх. При высоком сигнале транзистор включается, соединяя выход с землёй и подтягивая выход вниз. Таким образом цепь инвертирует входящий сигнал.

Подтягивающий резистор в N-МОП затворе реализуется при помощи транзистора особого типа. Транзистор с собственным каналом [depletion-mode transistor] работает как резистор, но занимает меньше места и имеет большую эффективность.


На схеме показано, как из транзистора и резистора получается инвертер. На фото видно, как схема реализована на чипе. Металлический слой удалён, чтобы было видно поликремний и кремний.

На фото справа показано, как в 8086 физически реализован инвертер. Желтоватые участки это токопроводящий кремний с примесями, а пятнистые это поликремний сверху. Транзистор получается там, где поликремний пересекает кремний с примесью. Поликремний формирует затвор транзистора, а участки кремния с обеих сторон дают исток и сток транзистора. Большой поликремниевый прямоугольник формирует подтягивающий вверх резистор между +5 В и выходом. Можно сопоставить строение этих физических структур со схемой.

На диаграмме ниже показана реализация защёлки на чипе. Отмечены проходной транзистор и два инвертера; первый инвертер описан выше. Поликремниевые проводники соединяют компоненты друг с другом. Дополнительные соединения обеспечивал металлический слой (удалён для фото). Сложная форма транзисторов позволяет наиболее эффективно использовать пространство.


Микроскопическое фото защёлки в процессоре 8086. Металлический слой с проводниками удалён, однако видны его следы в виде красноватых вертикальных линий. Фото повёрнуто на 180, чтобы соответствовать схеме.

В защёлке используются выходные буферы, не отмеченные на схеме, дающие высокотоковые сигналы для выхода и инвертированного выхода. У этих буферов смешное название, супербуферы потому что они выдают ток гораздо выше, чем у типичного N-МОП инвертера. Проблема N-МОП инвертера в том, что он работает медленно при управлении какой-либо цепью с высокой ёмкостью. Поскольку супербуфер даёт больший ток, он переключает сигнал гораздо быстрее. Достигает он этого, заменяя подтягивающий резистор транзистором, дающим больший ток. Минус в том, что подтягивающий транзистор требует инвертер для работы, поэтому схема супербуфера получается сложнее. Поэтому супербуфер используются только по необходимости обычно при отправке сигнала на много затворов или при управлении длинной шиной.


Реализация супербуфера в защёлке 8086. Отметьте, что соединение с +5 В и землёй перенесены на самые правые транзисторы.

На диаграмме выше приведена схема супербуфера в защёлке 8086. В отличие от обычного супербуфера, в этом есть и инвертирующий, и не инвертирующий супербуфер. Чтобы разобраться в схеме, отметьте, что центральный резистор и транзистор формируют инвертер. Выход инвертера соединяется с верхними транзисторами, а не инвертированный вход соединяется с нижними транзисторами. Тогда, если вход 1, включаются нижние транзисторы, а если вход 0, то благодаря инвертеру включаются верхние транзисторы. Тогда, если вход 1, нижние транзисторы притянут выход вверх, а соответствующий ему выход вниз. Если вход 0, тогда верхние транзисторы притянут выход вниз, а соответствующий ему выход вверх.

Проблема N-МОП инвертера в том, что у подтягивающего вверх резистора ток ограничен. Когда на выходе 0, транзистор в инвертере быстро и с относительно большим током подтягивает выход вниз. Однако если на выходе 1, выход подтягивается наверх гораздо более слабым подтягивающим резистором.

Супербуфер похож на КМОП-инвертер, поскольку у него есть подтягивающий вверх транзистор и подтягивающий вниз транзистор. Разница в том, что КМОП использует транзисторы типов P-МОП и N-МОП, а у P-МОП транзистора инвертированный вход затвора. И наоборот, для супербуфера N-МОП требуется отдельный инвертер. Иначе говоря, КМОП инвертер использует два транзистора, а эффективность у супербуфера гораздо меньше, поскольку ему требуется четыре транзистора.

Супербуфер использует транзистор с собственным каналом для подтягивания вверх и транзистор с индуцированным каналом [enhancement mode transistor] для подтягивания вниз. Пороговое напряжение транзистора с собственным каналом ниже нуля, что позволяет подтягивать его выход до 5 В, и не отключаться при менее высоком напряжении. Когда выход низкий, транзистор с собственным каналом всё ещё будет включён, и будет работать как обычный подтягивающий вверх в обычном инвертере, поэтому через него будет течь определённый ток. Подробнее о супербуфере можно почитать по ссылке.

Регистр команд

Как и большинства процессоров, у 8086 есть регистр команд, где хранится текущая выполняемая команда. В 8086 регистр команд хранит первый байт команды (которая может состоять из нескольких байт), поэтому он сделан из восьми защёлок. Можно было бы подумать, что они будут идентичными, однако каждая из них имеет свою форму. Схема расположения элементов процессора 8086 высоко оптимизирована, поэтому форма каждой защёлки сделана такой, чтобы наилучшим образом использовать доступное пространство из-за ограничений окружающих её проводников. В частности отметьте, что некоторые защёлки соединяются вместе, и имеют общее питание и землю. Видимо, по той же причине защёлки идут не подряд.


Все 8 защёлок несколько разной формы, оптимизированной с учётом окружающих проводников. Ранее в статье описывалась защёлка 1, повёрнутая на 180. Красные вертикальные линии следы удалённого слоя металла.

Команда путешествует по 8086 извилистым путём. Процессор использует увеличивающую быстродействие предварительную выборку, загружая команды из памяти перед тем, как они потребуются. Они хранятся в очереди команд, 6-байтной очереди, расположенной в середине набора регистров. У современных процессоров, для сравнения, командный кэш может достигать размера нескольких мегабайт.

При выполнении команды она сохраняется в регистре команд, примерно в центре чипа. Относительно большие расстояния и объясняют необходимость использования супербуфера. Регистр команд скармливает команду в ПЗУ групповой расшифровки. Это ПЗУ определяет высокоуровневые характеристики команды однобайтовая она, или многобайтовая, или это префикс команды. И это лишь небольшая часть сложной системы обработки команд 8086. Другие защёлки хранят части команд, отмечая использования регистра и операции АЛУ, а отдельная цепь управляет движком микрокода но это я буду описывать отдельно.


Кристалл 8086, отмечены ключевые компоненты для обработки команд. По периметру распаечные провода соединяют кристалл с внешними контактами.

Заключение

8086 активно использует динамические защёлки для хранения внутренних состояний. Их видно под микроскопом, и их цепи можно отследить и понять. Кристалл 8086 интересно анализировать, поскольку, в отличие от современных процессоров, его транзисторы достаточно крупные, чтобы их было видно под микроскопом. Для своего времени это был сложный процессор с 29 000 транзисторами, однако всё же достаточно простой для того, чтобы его цепи можно было отследить и понять.