Hal Mengejutkan yang Ditemukan CT Scanner di Dalam Paket Keramik Prosesor 386

• Intel 386 dirilis pada 1985 sebagai chip x86 32-bit pertama
• Hasil pemindaian CT 3D oleh Lumafield menunjukkan adanya enam lapisan jalur kompleks yang tersembunyi di dalam paket keramik dan kawat kontak logam tipis di sisi paket yang hampir tidak terlihat
• Diterapkan dua jaringan daya independen untuk I/O dan sirkuit logika guna meningkatkan stabilitas chip
• Pada proses manufaktur, kabel kecil yang terhubung ke bagian luar digunakan untuk melakukan pelapisan emas (electroplating) pada tiap pin
• Kompleksitas paket 386 dinilai sebagai kemajuan teknis yang berarti, bahkan jika dibandingkan dengan paket prosesor terbaru

---

Analisis Struktur Internal Paket Keramik Prosesor 386

Pengantar dan Bentuk Luar Prosesor 386

• Prosesor 386, yang dirilis Intel pada 1985, adalah chip 32-bit pertama di lini x86
• Chip ini terbungkus dalam paket keramik berbentuk persegi dengan 132 pin berlapis emas yang menonjol ke bawah
• Secara visual terlihat sederhana, tetapi di dalamnya ternyata memiliki struktur yang jauh lebih kompleks dari yang diperkirakan

Penemuan Struktur Internal melalui Pemindaian CT

• Pemindaian CT 3D yang dilakukan Lumafield membuktikan adanya enam lapisan jalur yang kompleks di dalam paket keramik
• Di dalam ruang chip tersembunyi kawat logam yang hampir tak terlihat dan terhubung ke sisi paket
• Jaringan daya dan ground terpisah untuk I/O dan sirkuit logika CPU dikonfigurasi di dalam paket

Paket Keramik, Pad, dan Wiring

• Paket 386 memiliki kontak logam dua tingkat (2-tier) yang dipasang mengelilingi die
• Diameter kawat bond sekitar 35μm, lebih tipis dari rambut
• Melalui kawat bond, sinyal dan daya terhubung secara hierarkis dari die ke pad, pin, dan motherboard
• Di dalamnya, strukturnya menyerupai papan sirkuit cetak berlapis enam berbahan keramik

Proses dan Struktur Elektroda Keramik

• Prosesnya dimulai dari lembaran hijau keramik fleksibel (campuran perekat), lalu dipotong menjadi via-hole dan dibentuk kawat
• Beberapa lembaran ditumpuk dan disinter pada suhu tinggi untuk membentuk struktur yang kokoh
• Pin dan pad internal diproses pelapisan emas, dihubungkan ke die menggunakan kawat bond emas, lalu diselesaikan dengan penyolderan metal cap
• Setelah melewati uji dan pelabelan, diproduksi secara massal

Struktur Lapisan Sinyal dan Daya

• Lapisan sinyal: jalur logam menghubungkan pad shell paket dan pin, lalu tersambung ke die melalui kawat bond
• Lapisan daya: terdiri dari satu bidang konduktif (plain) dengan banyak via-hole dan via pin
• Antara lapisan daya dan sinyal terdapat berbagai koneksi via yang membentuk antarmuka berlapis untuk jalur internal

Kawat Kontak untuk Pelapisan (Electroplating Contacts)

• Selama manufaktur, tiap pin dihubungkan dengan kawat kecil yang memperpanjangnya secara individual hingga sisi paket agar pin menjadi katoda untuk proses pelapisan emas
• Kawat ini hanya dapat dikenali nyaris tidak terlihat di bagian sudut paket; pemindaian CT memungkinkan visualisasi struktur koneksi internal

Duplikasi Jaringan Daya

• Pada 386, 20 pin (Vcc) dan 21 pin (Vss) terhubung ke sumber +5V dan ground masing-masing
• Dengan memisahkan daya dan ground antara I/O dan sirkuit logika, fluktuasi tegangan saat operasi I/O dicegah agar tidak meresap ke sirkuit logika
• Walau motherboard memakai sumber daya yang sama, kondensator de-coupling menekan spike tegangan untuk menjaga stabilitas sirkuit logika

Fungsi Pin NC (No Connect)

• Paket 386 memiliki 8 pin NC (tidak terhubung)
• Pada die ada pad koneksi, tetapi beberapa tidak memiliki kawat bond sama sekali
• Pin NC tersebut dapat dipakai pada tahap pengujian untuk mengakses sinyal internal
• Salah satu pin NC ternyata benar-benar terhubung, sehingga observasi sinyal khas kemungkinan dapat dilakukan lewat pin tersebut

Pemetaan Pin pada Die Internal

• Berbeda dengan struktur DIP konvensional, pada paket pin grid array (PGA) pemetaan pin-pad tidak jelas
• Melalui analisis data CT, hubungan sambungan antara tiap pad di die dan pin eksternal berhasil ditelusuri
• Informasi ini sebelumnya hampir tidak dipublikasikan secara terbuka

Sejarah dan Evolusi Packaging Intel

• Prosesor Intel awal dibatasi oleh jumlah pin dan ukuran paket yang kecil, yang menyebabkan keterbatasan kinerja
• Sejak 386, paket keramik 132-pin meningkatkan skalabilitas, kinerja, dan performa termal
• Namun ketika harga paket keramik melampaui harga die, versi paket plastik (PQFP) yang lebih murah dan cocok untuk produksi massal juga diperkenalkan
• Prosesor modern memiliki jumlah koneksi yang meledak tinggi, dengan 2049 solder ball (BGA) atau 7529 kontak (LGA), dan seterusnya

Kesimpulan

• Meskipun paket 386 tampak sederhana dari luar, ini menerapkan teknologi yang cukup kompleks seperti kontak elektroplating, 6 lapisan jalur, dan jaringan daya ganda
• Di dalam paket prosesor modern masih ada lebih banyak struktur tersembunyi dan rahasia teknis daripada ini

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Ini mengingatkan saya pada banyak pengalaman lama; saya pernah menggunakan CAD, FEA, dan pengujian eksperimental untuk menganalisis karakteristik kelelahan termal-mekanis berulang dari paket tersebut, dan pada akhirnya menemukan bahwa dalam sebagian besar kasusnya itu bukan masalah besar. Namun saya tetap tidak merekomendasikan menyalakan dan mematikan PC tua di museum setiap hari

  • Saya tidak tahu bagaimana pengujian ketahanan/keawetan dilakukan di VLSI, dan penasaran bagaimana eksperimen mereka dilakukan. Misalnya pada era Pentium 5 dan Xeon (Jayhawk), bagaimana Intel membuat sampelnya, dan bagaimana Intel menyadari masalah panasnya
  • Saya berpikir, alih-alih menjalankan seluruh PC 24/7 di museum, menyalakan hanya permukaan chip lewat perangkat kendali suhu agar tetap pada suhu tertentu mungkin opsi yang lebih hemat biaya daripada menggunakan kipas pendingin

• Saya menulis ulasan ini karena penasaran soal CT scanning :-)

  • Ini bukan soal CT scanning, melainkan pertanyaan tentang chip itu sendiri: karena seolah-olah wire bond terekspos ke udara. Saya penasaran apakah ketika jatuh, bond wire bisa bergeser hingga terjadi short, jadi terima kasih untuk pertanyaan itu
  • Saya bertanya-tanya karena situs webnya tidak bisa diakses dari wilayah Rusia tempat saya, apakah aksesnya dibatasi atau ini masalah ISP saya. Ada seseorang yang menghalangi saya mempelajari CPU legacy Intel, serta saya menyampaikan penghargaan untuk pekerjaannya
  • Saya adalah mahasiswa yang mempelajari CT di bidang medis; penasaran nilai kVp/mAs apa yang digunakan, dan bagaimana menghindari artefak yang sering muncul pada CT medis
  • Penasaran apakah pin-pin yang terlihat terhubung itu memang sengaja diputus, misalnya awalnya terhubung saat proses produksi lalu diputus oleh sinyal tertentu
  • Apakah CPU rusak dalam proses ini, atau apakah sampel ini sudah dirakit ulang

• kens - sepertinya tata letak pin ditentukan agar desain trace di motherboard lebih mudah; penasaran apakah memang begitu

• Senang ada yang membagikan informasi tentang packaging hybrid. Informasi latar belakang yang umum seperti ini sangat membantu insinyur pemula, wiring ini lebih sederhana daripada hybrid militer lama. Meskipun dikatakan 6-layer, di dalamnya hanya ada satu monolit

• Saya pergi ke pameran komputer sekitar 1989; ayah membeli PC untuk saya dengan 386 DX 25MHz, RAM 4MB, dan hard drive 40MB. Itu upgrade besar dibandingkan Tandy 286 16MHz yang saya pakai sebelumnya. 25MHz saat itu model yang cukup populer, dan model 33MHz benar-benar meledak harganya, tapi tetap mahal. Pameran komputer itu pengalaman yang menyenangkan

  • Bahkan untuk tahun 1989, spesifikasinya sangat cepat. Saya pertama kali melihat Gateway dengan 50MHz dan RAM 8MB pada awal 1990-an, dan dengan MS Paint serta MS Word saja saya dan adik saya senang membuat cerita dan gambar bersama-sama. Lalu saya mengenal MS DOS dan QBasic, dan sekarang saya berkomentar di Hacker News seperti ini
  • PC pertama saya adalah AMD 386DX40 yang ayah hadiahkan pada 1991. PC itu dan Spectrum +3 yang beliau beli setahun sebelumnya semuanya menyimpan kenangan indah

• Kisah tentang kebiasaan zaman dulu yang terpaku pada 16 pin dan enggan memakai lebih banyak pin sangat menarik. Menarik juga bahwa perusahaan yang kemudian sukses tidak selalu membuat keputusan yang benar sejak awal; ada asumsi yang aneh dan merugikan, tapi akhirnya berubah sehingga rasionalitas menang

  • Perlu juga dicatat bahwa biaya packaging di AS saat itu benar-benar mahal. Saya ingat di sebuah video Asianometry, ada pengusaha Jepang yang menceritakan sekitar tahun 70-an dia pergi ke Texas dan menemukan lead frame sangat mahal, lalu memproduksi lebih murah di Jepang lalu mengirim ke luar negeri. Sayangnya saya tidak bisa menemukan kembali episode spesifik itu

• Gambar CT layer 2 “Signals” akan terasa sangat era itu jika dijadikan latar belakang logo “Intel Inside”. Dalam kerja kens, menemukan struktur yang indah secara kebetulan saat memecahkan pertanyaan abstrak adalah yang terbaik; terima kasih untuk pekerjaannya

• Menurut saya, paket keramik tua ini adalah puncak estetika desain chip

• Menarik bahwa Cyrix 486DLC memanfaatkan 7 dari 8 pin “NC” (No Connect) yang di 386 ditandai sebagai tidak terhubung A20M#(F13): Jika motherboard mendukung, seluruh RAM dapat di-cache L1 tanpa perlu mengecualikan 64KB pertama
  FLUSH#(E13): Dapat digunakan bila motherboard mendukung tanpa perlu hack untuk flush L1. Dulu hack ini (mode BARB) terlihat cerdas, tetapi ketika semua orang memakai DMA dengan Sound Blaster, cache terus-menerus diinvalidate saat bermain game
  RPLSET(C6), RPLVAl(C7): Untuk debugging status L1 cache
  SUSP#(A4), SUSPA#(B4): Mendukung suspend, wake-up via INT/NMI, bagus untuk laptop
  Yang mengejutkan, salah satu No Connect (B12) memang benar-benar dipasang bond wire, dan Cyrix menggunakannya sebagai input KEN# (aktifasi cache L1). Satu-satunya pin NC CPU Intel yang sebenarnya merupakan output dirancang oleh Cyrix untuk menggerakkan level Low demi mengaktifkan cache

• Saya penasaran di mana pin alamat A0, A1

  • 386 adalah prosesor 32-bit yang menetapkan alamat dalam bentuk kata 32-bit, jadi bit alamat A0 dan A1 tidak diperlukan. Sebagai gantinya, ketika ingin membaca 1 byte atau kata 16-bit, 4 pin Byte Enable (BE0#~BE3#) menentukan byte mana yang ditransfer. Tapi struktur ini juga tidak begitu rapi: bila 16-bit rendah dari data bus tidak digunakan, 16-bit tinggi diduplikasi ke 16-bit rendah agar bus 16-bit lebih efisien digunakan