Dioda Antena pada Prosesor Pentium
(righto.com)- Area persegi silikon terdoping yang tampak tidak terkait dengan rangkaian pada die Pentium asli yang dirilis pada 1993 ternyata adalah dioda antena untuk membuang muatan dari jalur interkoneksi panjang selama proses manufaktur
- Oksida gerbang pada CMOS hanya setebal beberapa ratus atom, sehingga muatan yang terkumpul pada interkoneksi selama etsa plasma dapat menyebabkan kerusakan oksida gerbang
- Efek antena lebih berbahaya pada tahap pertengahan manufaktur daripada pada chip yang sudah selesai; kondisi kuncinya adalah interkoneksi logam panjang yang hanya terhubung ke gerbang dan belum memiliki jalur pelepasan muatan
- Pentium menghindari masalah ini dengan memecah interkoneksi, memakai lapisan logam atas, dan menyisipkan dioda, tetapi karena dioda memakan area, dioda hanya ditempatkan pada sebagian interkoneksi yang membutuhkannya
- Sirkuit terpadu modern juga memeriksa interkoneksi logam, polisilikon, dan via dengan aturan antena dalam PDK; pelanggaran dapat berujung pada kerusakan chip dan yield yang rendah
Koneksi Mencurigakan yang Terlihat pada Die Pentium
- Pada die silikon Pentium ditemukan struktur tempat interkoneksi logam terhubung ke area kecil persegi dari silikon terdoping
- Area ini terpisah dari rangkaian lain sehingga tujuannya tidak jelas, tetapi ternyata merupakan dioda antena untuk mencegah kerusakan selama manufaktur
- Intel merilis prosesor Pentium pada 1993, dan Pentium asli yang dianalisis memiliki 3,1 juta transistor
- Model yang dibahas adalah Pentium 80501, bernama kode P5, yang kemudian digantikan oleh 80502(P54C) yang lebih cepat dan berdaya lebih rendah
Transistor CMOS dan Oksida Gerbang yang Rentan
- Prosesor modern tersusun dari rangkaian CMOS yang menggunakan dua jenis transistor, yaitu NMOS dan PMOS
- Transistor NMOS bekerja seperti sakelar antara source dan drain, sementara gerbang mengendalikannya
- Gerbang dibuat dari polisilikon, dan di antara silikon serta gerbang terdapat oksida isolator yang sangat tipis
- Pada 1993, ketebalan oksida gerbang berada di kisaran 100–300 Å, cukup tipis sehingga mudah rusak oleh tegangan berlebih
- Sensitivitas chip CMOS terhadap listrik statis juga terkait dengan kerentanan oksida ini
Struktur Lapisan dan Interkoneksi pada Pentium
- Pentium memiliki struktur berupa interkoneksi polisilikon dan tiga lapisan interkoneksi logam yang ditumpuk di atas transistor silikon di bagian bawah
- Polisilikon digunakan untuk membuat gerbang transistor dan juga untuk interkoneksi jarak pendek
- Tiga lapisan logam menghubungkan berbagai rangkaian di dalam chip
- Lapisan logam bawah terhubung ke silikon dan polisilikon untuk membentuk gerbang logika
- Lapisan logam atas digunakan untuk interkoneksi sinyal jarak lebih jauh
- Susunannya dibuat misalnya satu lapisan terutama untuk sinyal arah horizontal, sedangkan lapisan lain terutama untuk sinyal arah vertikal
- Koneksi antar-lapisan logam ditangani oleh via tungsten
- Dalam desain chip, routing—melewatkan sinyal melalui beberapa lapisan interkoneksi sambil menempatkan rangkaian sepadat mungkin—merupakan tantangan penting
Etsa Plasma dan Efek Antena
- Dalam manufaktur sirkuit terpadu, setiap lapisan logam dibuat seragam terlebih dahulu, lalu hanya pola interkoneksi yang diinginkan yang disisakan melalui fotolitografi dan etsa
- Awalnya digunakan etsa basah dengan asam cair, tetapi ini merugikan untuk rangkaian padat karena logam di bawah tepi mask juga ikut terkikis
- Setelah itu, etsa kering menggunakan plasma memungkinkan etsa yang lebih terkendali secara vertikal
- Etsa plasma juga menimbulkan kerusakan oksida yang diinduksi plasma, yang secara metaforis disebut efek antena
- Jika interkoneksi logam panjang mengumpulkan muatan dari plasma, tegangan besar dapat terbentuk
- Tegangan ini dapat membuat lubang pada oksida gerbang
- Muatan juga dapat tertanam di dalam oksida dan menurunkan kinerja transistor
- Mekanisme kerusakan dijelaskan oleh tunneling Fowler-Nordheim, dan tunneling yang sama juga digunakan dalam operasi penghapusan pada memori flash
Interkoneksi Seperti Apa yang Berbahaya
- Efek antena bukan masalah yang terjadi pada semua interkoneksi, melainkan menjadi berbahaya hanya dalam kondisi tertentu selama manufaktur
- Bagian yang sensitif terhadap tegangan terinduksi adalah gerbang transistor
- Karena oksida tipis di bawah gerbang dapat rusak
- Interkoneksi yang terhubung ke source atau drain aman karena muatan dapat mengalir keluar ke substrat
- Pada chip yang sudah selesai, semua gerbang terhubung ke source atau drain transistor lain, sehingga risikonya hilang
- Masalah terjadi selama manufaktur ketika salah satu ujung jalur logam sudah terhubung ke gerbang, tetapi ujung lainnya belum terhubung
- Tegangan terinduksi sebanding dengan panjang interkoneksi logam, sehingga interkoneksi pendek memiliki risiko kecil
- Hanya lapisan logam yang sedang dietsa saat itu yang berisiko
- Lapisan bawah terisolasi oleh oksida antar-lapisan yang tebal sehingga tidak menerima muatan
- Lapisan logam paling atas diperlakukan sebagai lapisan yang aman karena pada titik itu koneksinya sudah terbentuk
Cara Menghindari Masalah Antena
- Ada tiga cara utama untuk mengurangi masalah antena
- Interkoneksi panjang dapat dipecah menjadi potongan-potongan pendek, lalu disambungkan kembali dengan jumper pada lapisan logam yang lebih tinggi
- Memindahkan interkoneksi panjang ke lapisan logam paling atas dapat menghilangkan masalah
- Jika sebuah dioda ditambahkan ke interkoneksi, muatan akan mengalir keluar ke substrat; inilah dioda antena
- Saat chip beroperasi, dioda antena berada dalam kondisi reverse-bias sehingga tidak memberikan dampak listrik
- Selama manufaktur, dioda ini memungkinkan muatan mengalir ke substrat sebelum menimbulkan masalah
Struktur Dioda Antena pada Pentium
- Pada Pentium, dioda antena terlihat di atas die sebagai area kecil persegi dari silikon terdoping
- Secara tampilan, area ini hampir sama dengan well tap, sehingga bisa membingungkan
- Well tap adalah struktur yang menghubungkan substrat atau well ke catu daya positif chip
- Transistor PMOS pada Pentium dibuat di dalam well silikon tipe-N
- Well ini harus dinaikkan ke tegangan positif chip, sehingga banyak area persegi silikon terdoping N+ ditempatkan
- Dioda antena juga menggunakan silikon terdoping N+, tetapi ditempatkan di dalam silikon tipe-P untuk membentuk sambungan P-N dan bekerja sebagai dioda
- Pentium tidak menempatkan dioda di semua rangkaian, melainkan menggunakan metode dynamic diode dropping yang menambahkan dioda antena hanya saat diperlukan
- Saat tidak ada ruang untuk menempatkan dioda, juga ditemukan contoh yang menghubungkannya ke dioda di lokasi lebih jauh melalui interkoneksi ekstensi
Frekuensi Penggunaan pada Pentium dan Pertanyaan yang Tersisa
- Pada Pentium, dioda antena hanya digunakan pada sebagian kecil dari seluruh interkoneksi
- Dioda memakan area die tambahan, sehingga hanya ditempatkan bila diperlukan
- Sebagian besar masalah antena tampaknya diselesaikan melalui routing
- Dioda antena relatif jarang, tetapi muncul berulang kali hingga cukup terlihat saat mengamati die
- Sebagian dioda antena terhubung langsung dari lapisan logam bawah M1 melalui M2 ke interkoneksi M3 yang panjang
- Routing pada lapisan logam paling atas diketahui dapat mencegah pelanggaran antena
- Pada contoh tersebut, koneksi source/drain tampaknya sudah terbentuk pada titik itu sehingga dioda terlihat redundan, menyisakan beberapa pertanyaan
Aturan Antena pada Proses Modern
- Efek antena tetap menjadi masalah yang harus dipertimbangkan dalam sirkuit terpadu modern
- Foundry menyediakan aturan ukuran interkoneksi antena yang diizinkan untuk proses manufaktur tertentu sebagai bagian dari PDK(Process Design Kit)
- Perangkat lunak desain memeriksa pelanggaran aturan antena dan, bila perlu, memperbaiki routing atau menyisipkan dioda
- Tidak hanya interkoneksi logam, polisilikon dan via juga dapat menyebabkan kerusakan antena, sehingga lapisan-lapisan ini juga memiliki aturan
- Interkoneksi polisilikon memiliki resistansi tinggi sehingga biasanya dibatasi untuk jarak pendek, membuat masalah antena relatif lebih jarang terjadi
- Pelanggaran aturan antena dapat menghasilkan chip yang rusak dan yield yang sangat rendah, sehingga ini bukan sekadar masalah teoretis
1 komentar
Komentar Hacker News
Saya sudah mengikuti diskusi ini sejak Ken mempostingnya beberapa hari lalu di subreddit /r/chipdesign, dan saya senang melihat bahwa dia mencantumkan sumber dan menambahkan tautan di thread tersebut
Saya adalah insinyur desain fisik yang membuat layout chip dengan miliaran blok sel standar menggunakan perangkat lunak Cadence dan Synopsys, dan dalam alur kerja kami, dioda antena otomatis ditambahkan ke semua pin input blok
Untuk pengkabelan internal, tool biasanya cukup baik dalam menghindari masalah antena dengan memutus jalur saat berpindah antar lapisan logam
Sebagian muatan juga muncul dalam proses CMP, dan chip modern memiliki sekitar 20 lapisan logam, banyak lapisan via di antaranya, serta lapisan dasar tempat transistor sebenarnya berada, jadi penting untuk meratakan wafer sebelum membuat lapisan berikutnya
https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical-mechanical_polishing
Saya penulisnya. Saya tahu ini topik yang sangat tidak biasa, tetapi saya harap ada yang menganggapnya menarik. Kalau ada pertanyaan, beri tahu saya
Kondisi sampingan yang ortogonal seperti ini, yang jarang terlihat dari luar industri, membuat semua industri jauh lebih sulit daripada yang dibayangkan
Ini mengingatkan saya pada proyek data warehouse kecil baru-baru ini, ketika untuk pertama kalinya saya harus memikirkan bukan hanya performa teoretis query seperti ada atau tidaknya indeks, tetapi juga kondisi terpisah seperti waktu untuk menulis ulang data disk berskala terabyte selama pekerjaan ETL malam hari, dan tingkat perubahan data sumber
Tulisan ini juga menunjukkan masalah serupa yang hanya disadari para ahli industri: optimasi untuk menghubungkan wiring secara logis saja sudah sulit, dan pada saat yang sama juga harus memenuhi optimasi fisik yang saling bersaing
Kedua, saya juga penasaran apakah chip kemudian menggunakan dioda ini untuk tujuan lain. Apakah dioda ini dibuat untuk menjalankan fungsi nyata selain sekadar memberikan perlindungan saat manufaktur
Misalnya, jika muatan bisa menumpuk, apakah akumulasi muatan itu sendiri bisa digunakan sebagai semacam cara komunikasi jarak jauh atau kanal antara berbagai bagian chip. Apakah saat dioda melepaskan muatan, itu bisa bertindak seperti penyampaian komunikasi dalam bentuk tertentu
Saya juga penasaran apakah mungkin punya multi-tujuan: digunakan sebagai pengaman saat manufaktur, lalu setelah manufaktur dipakai sebagai saluran pelepasan muatan karena alasan lain, seperti menggetarkan lokasi akumulasi muatan atau sengaja mengisinya
LED juga sesuai namanya adalah dioda, jadi saya bertanya-tanya apakah ada penggunaan seperti komunikasi kedipan, di mana muatan runtuh lalu memancarkan cahaya, cahaya itu diterima, dan dipakai untuk mengirim data
Selain itu, tanpa mendalaminya lebih jauh, saya juga teringat penggunaan seperti varactor diode untuk menala penerima radio/TV, atau tunnel diode, Gunn diode, dan IMPATT diode untuk menghasilkan osilasi frekuensi radio
Intinya, saya penasaran apakah ada kegunaan lain selain sebagai pengaman manufaktur
Menyenangkan melihat analisis die dari tahun ke tahun meluas ke chip yang semakin kompleks, dan Pentium adalah subjek yang sangat baik karena mewakili titik balik besar dalam arsitektur x86 yang mengarah ke chip modern masa kini
Melihat tautan righto, tidak pernah terasa membosankan
Membaca buku teks atau wiki sama sekali berbeda dengan melihat silikon yang dipotong dan difoto dari dekat. Tulisan ini sangat menarik dan ditulis dengan baik
Kalimat “setelah chip selesai, semua gerbang transistor terhubung ke source atau drain transistor lain” cukup menarik. Awalnya terasa salah, tetapi setelah dipikir lagi sepertinya memang benar
Saya membayangkan “pin input murni”, tetapi saya penasaran apakah pin seperti itu juga punya pull-up atau pull-down “resistor”, dan dalam silikon sebenarnya harus dianggap sebagai bentuk dioda atau FET tanpa gerbang
Fakta menarik tentang “antena” dalam manufaktur chip: ini sama sekali tidak ada hubungannya dengan antena sungguhan
Selama manufaktur, muatan bisa menumpuk pada kabel yang panjang, karena bahan kimia terkait tidak netral dan berinteraksi dengan kabel yang terekspos
Muatan itu harus dibuang ke suatu tempat untuk melindungi sisa rangkaian, dan tidak ada unsur frekuensi radio di sini
Pada teknologi proses berikutnya, khususnya 28nm ke bawah, aturan desain untuk mencegah efek “antena” menjadi sangat banyak
Menarik bahwa saat mempelajari teknologi berusia 31 tahun pun orang masih terkejut oleh kompleksitasnya
Kebanyakan orang hampir tidak menyadari betapa banyak upaya intelektual yang masuk ke tingkat teknologi kita saat ini
Diskusi tentang struktur sirkuit terpadu tentu menarik, tetapi saya juga ingin memuji foto-foto sirkuit yang ditampilkan halaman ini dan halaman lain di situs yang sama
Bukan hanya membantu pemahaman, warna-warnanya juga sangat bagus dan menenangkan
Apakah dioda antena hanya untuk mengurangi kerusakan selama manufaktur, atau juga punya dampak saat berjalan di lingkungan dengan gangguan elektromagnetik tinggi?
Sebaliknya, dioda ESD melindungi input chip dari pelepasan listrik statis selama penggunaan
Meski begitu, dioda ini juga diperhitungkan saat menghitung timing
Ini membuat saya tertawa sekaligus teringat kenangan baik. Saya bekerja di Intel sebelum dan selama era Pentium, dan saya ingat betapa banyak usaha yang dihabiskan untuk memperbaiki tool EDA agar bisa menangani hal-hal seperti ini
Saya naik ke bus Hukum Moore saat transisi dari 180nm ke 130nm, dan turun lagi saat transisi dari 65nm ke 45nm, dan menurut saya itu keputusan yang tepat
Saya bahkan tidak bisa membayangkan apa yang harus ditangani tool EDA sekarang
Hari ini saya mengambil Pentium-75 dari tempat daur ulang lokal, dan keren sekali karena justru artikel ini muncul di halaman depan. Chip ini adalah SX969
Sangat keren bisa melihat foto die Ken sambil memegang chip itu di tangan
Paket keramik tempat Pentium ini dipasang juga cukup unik; saat CPU diletakkan di atas meja, bunyinya seperti meletakkan pecahan kaca
Kalau ingin melihat die di dalamnya, penutup paketnya bisa dilepas dengan mudah memakai pahat
Apakah ada semacam teknologi seperti OCR yang bisa otomatis membaca chip yang tutupnya sudah dibuka lalu merekonstruksi logikanya? Sepertinya cukup sulit kalau harus menangani semua detail aneh seperti ini
Sekarang saya juga ingin melihat mengapa dioda antena diperlukan dalam teknologi SOI
Karena substrat tidak lagi menjadi tempat berlindung yang aman, jauh lebih banyak oksida bisa terpapar tegangan diferensial besar selama manufaktur