Pentium İşlemcisindeki Anten Diyotları

• 1993’te piyasaya çıkan orijinal Pentium’un yongasında, devreyle ilgisiz gibi görünen katkılanmış silikondan kare alanlar, üretim sırasında uzun hatlardaki yükü boşaltan anten diyotlarıydı
• CMOS’un kapı oksidi yalnızca birkaç yüz atom kalınlığında olduğundan, plazma aşındırma sırasında hatlarda biriken yük kapı oksidi hasarına yol açabilir
• Anten etkisi, tamamlanmış çipten çok üretimin ara aşamalarında daha tehlikelidir; yalnızca kapıya bağlı olan ve henüz deşarj yolu bulunmayan uzun metal hatlar temel koşuldur
• Pentium, hatları bölerek, üst metal katmanları kullanarak ve diyot ekleyerek bu sorundan kaçındı; ancak diyotlar alan maliyeti getirdiği için yalnızca gereken bazı hatlara yerleştirildi
• Modern entegre devrelerde de PDK’nin anten kuralları metal hatları, polisilikonu ve via’ları denetler; ihlaller çip hasarına ve düşük verime yol açabilir

---

Pentium yongasında görülen şüpheli bağlantı

• Pentium silikon yongasında, metal hattın küçük kare bir katkılanmış silikon alanına bağlandığı bir yapı keşfedildi
• Bu alan devrenin geri kalanından ayrılmış olduğundan amacı belirsizdi, ancak üretim sırasında hasarı önleyen bir anten diyoduydu
• Intel, Pentium işlemcisini 1993’te piyasaya sürdü; incelenen orijinal Pentium’da 3,1 milyon transistör bulunuyor
• Ele alınan model Pentium 80501, kod adı P5; daha sonra yerini daha hızlı ve düşük güç tüketimli 80502(P54C) aldı

CMOS transistörler ve hassas kapı oksidi

• Modern işlemciler, NMOS ve PMOS olmak üzere iki tür transistör kullanan CMOS devrelerinden oluşur
• NMOS transistör, source ile drain arasında bir anahtar gibi çalışır; gate bunu kontrol eder
• Gate polisilikondan yapılır; silikon ile gate arasında çok ince bir yalıtkan oksit bulunur
• 1993 itibarıyla gate oksidinin kalınlığı 100~300 Å düzeyindeydi; aşırı gerilimle kolayca hasar görebilecek kadar inceydi
• CMOS çiplerin statik elektriğe duyarlı olmasının nedeni de bu oksidin hassasiyetiyle ilgilidir

Pentium’un katman yapısı ve bağlantıları

• Pentium, alttaki silikon transistörlerin üzerine polisilikon hatlar ve üç katman metal bağlantı yerleştirilmiş bir yapıya sahipti
• Polisilikon, transistör gate’lerini oluşturur ve kısa mesafeli bağlantılarda da kullanılır
• Üç metal katman çip içindeki çeşitli devreleri birbirine bağlar
  • Alt metal katman, silikon ve polisilikonla bağlanarak mantık kapılarının oluşturulmasında rol alır
  • Üst metal katmanlar daha uzun mesafeli sinyal hatları için kullanılır
  • Bir katmanın çoğunlukla yatay yöndeki, diğerinin ise çoğunlukla dikey yöndeki sinyaller için kullanılması gibi bir düzen vardır
• Metal katmanlar arasındaki bağlantıyı tungsten via’lar sağlar
• Çip tasarımında, sinyalleri birden fazla bağlantı katmanından geçirirken devreleri mümkün olduğunca yoğun yerleştirmeyi amaçlayan routing önemli bir problemdir

Plazma aşındırma ve anten etkisi

• Entegre devre üretiminde her metal katman önce tekdüze biçimde oluşturulur, ardından fotolitografi ve aşındırma ile yalnızca istenen bağlantı deseni bırakılır
• Başlangıçta sıvı asit kullanılan ıslak aşındırma kullanılıyordu; ancak maskenin kenarlarının altındaki metali de aşındırma sorunu olduğundan yoğun devreler için dezavantajlıydı
• Daha sonra plazma kullanan kuru aşındırma devreye girince dikey yönde daha kontrollü aşındırma mümkün oldu
• Plazma aşındırma, plazma kaynaklı oksit hasarı da oluşturdu; bu durum mecazi olarak anten etkisi diye adlandırılır
• Uzun metal hatlar plazmadan yük topladığında büyük bir gerilim oluşabilir
  • Bu gerilim gate oksidinde delikler oluşturabilir
  • Oksidin içine yük hapsederek transistör performansını da düşürebilir
• Hasar mekanizması Fowler-Nordheim tünellemesi ile açıklanır; flash belleğin silme işleminde de aynı tünelleme kullanılır

Hangi hatlar risklidir

• Anten etkisi her hatta oluşan bir sorun değildir; yalnızca üretim sırasında belirli koşullarda tehlikeli hale gelir
• İndüklenen gerilime duyarlı kısım transistörün gate’idir
  • Çünkü gate altındaki ince oksit hasar görebilir
  • Source veya drain’e bağlı hatlar, yükü alt tabakaya boşaltabildiği için güvenlidir
• Tamamlanmış bir çipte tüm gate’ler başka transistörlerin source veya drain’ine bağlı olduğundan risk ortadan kalkar
• Sorun, üretim sırasında metal hattın bir ucu gate’e bağlanmışken diğer ucunun henüz bağlanmadığı durumda ortaya çıkar
• İndüklenen gerilim metal hattın uzunluğuyla orantılı olduğundan kısa hatlarda risk düşüktür
• Yalnızca o anda aşındırılan metal katman risk taşır
  • Alt katmanlar, katmanlar arasındaki kalın oksitle yalıtıldığından yük almaz
  • En üst metal katman, o aşamada bağlantıları tamamlanmış kabul edildiğinden güvenli katman olarak değerlendirilir

Anten sorunundan kaçınma yöntemleri

• Anten sorununu azaltmanın başlıca üç yolu vardır
• Uzun hatlar kısa parçalara bölünebilir ve daha yüksek metal katmandaki jumper’larla yeniden bağlanabilir
• Uzun hattı en üst metal katmana taşımak sorunu ortadan kaldırabilir
• Hatta bir diyot eklenirse yük alt tabakaya boşalır; bu yapı anten diyodudur
• Çip çalışırken anten diyodu ters kutuplama durumundadır, bu yüzden elektriksel etki yaratmaz
• Üretim sırasında ise sorun oluşmadan önce yükün alt tabakaya akmasını sağlar

Pentium’daki anten diyodu yapısı

• Pentium’da anten diyodu, yonga üzerinde katkılanmış silikondan küçük kare bir alan olarak görünür
• Dışarıdan bakıldığında well tap ile neredeyse aynı olduğundan karıştırılabilir
• Well tap, alt tabakayı veya well’i çipin pozitif beslemesine bağlayan yapıdır
  • Pentium’un PMOS transistörleri N tipi silikon well içinde yapılmıştır
  • Bu well’in çipin pozitif gerilimine yükseltilmesi gerektiğinden çok sayıda N+ katkılanmış silikon kare alan yerleştirilmiştir
• Anten diyodu da N+ katkılanmış silikon kullanır, ancak P tipi silikon içine yerleştirilerek P-N birleşimi oluşturur ve diyot gibi çalışır
• Pentium, tüm devrelere diyot koymak yerine yalnızca gerektiğinde anten diyodu ekleyen dynamic diode dropping yöntemini kullanır
• Diyot yerleştirecek alan olmadığında, uzatma hatları üzerinden daha uzaktaki bir diyoda bağlanan örnekler de gözlemlenmiştir

Pentium’da kullanım sıklığı ve kalan sorular

• Pentium’da anten diyotları toplam hatların yalnızca küçük bir oranında kullanılmıştır
• Diyotlar yonga alanında ek yer kapladığından yalnızca gerekli olduğunda yerleştirilmiştir
• Anten sorunlarının çoğu routing ile çözülmüş gibi görünüyor
• Anten diyotları görece nadirdir, ancak yonga incelemesi sırasında fark edilecek kadar tekrarlı biçimde ortaya çıkar
• Bazı anten diyotları, alt metal katman M1’den M2 üzerinden uzun M3 hatlarına doğrudan bağlıydı
  • En üst metal katmanda routing’in anten ihlallerini önlediği bilinir
  • Bu örnekte, o aşamada source-drain bağlantıları tamamlanmış olduğundan diyot fazladan gibi görünür ve birkaç soru işareti bırakır

Modern süreçlerde anten kuralları

• Anten etkisi, modern entegre devrelerde de hâlâ dikkate alınması gereken bir sorundur
• Foundry’ler, belirli üretim sürecinde izin verilen anten hat boyutu kurallarını PDK(Process Design Kit)’nin bir parçası olarak sağlar
• Tasarım yazılımları anten kuralı ihlallerini denetler; gerekirse routing’i düzeltir veya diyot ekler
• Yalnızca metal hatlar değil, polisilikon ve via’lar da anten hasarına neden olabildiğinden bu katmanlar için de kurallar vardır
• Polisilikon hatlar yüksek dirençli olduğundan genellikle kısa mesafelerle sınırlıdır; bu yüzden anten sorunu görece daha az ortaya çıkar
• Anten kuralı ihlalleri hasarlı çiplere ve çok düşük verime yol açabildiğinden yalnızca teorik bir problem değildir

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Ken bunu birkaç gün önce /r/chipdesign subreddit'inde paylaştığından beri bu tartışmayı takip ediyordum; o başlıkta kaynak belirtip bağlantı vermesi hoşuma gitti.
  Cadence ve Synopsys yazılımlarıyla milyarlarca standart hücre bloğunun çip yerleşimini yapan bir fiziksel tasarım mühendisiyim; bizim akışımızda tüm blok giriş pinlerine otomatik olarak anten diyotları ekleniyor.
  İç bağlantılar tarafında araçlar, metal katmanları arasında geçişler yapıp kesintiler oluşturarak anten sorunlarından kaçınacak kadar iyi iş çıkarıyor.
  Yükün bir kısmı CMP sürecinde de oluşur; modern çiplerde yaklaşık 20 metal katman, aralarında çok sayıda via katmanı ve gerçek transistörlerin bulunduğu temel katmanlar olduğundan, bir sonraki katmanı oluşturmadan önce wafer'ı düzleştirmek önemlidir.
  https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical-mechanical_polishing

• Yazının yazarıyım. Konunun çok alışılmadık olduğunu biliyorum ama umarım birilerine ilginç gelir. Sorularınız varsa haber verin.

  • Gerçekten ilginç.
    Sektör dışından pek görünmeyen bu tür ortogonal yan koşullar, her endüstriyi sanılandan çok daha zor hale getiriyor.
    Yakın zamanda küçük bir veri ambarı projesinde, yalnızca indeks olup olmaması gibi sorguların teorik performansını değil, gece ETL işleri sırasında diskteki terabaytlarca veriyi yeniden yazmanın süresini ve kaynak verideki değişim oranı gibi ayrı koşulları da ilk kez dikkate almak zorunda kaldığımı hatırlattı.
    Bu yazı da yalnızca sektör uzmanlarının fark ettiği benzer bir sorunu iyi gösteriyor: mantıksal bağlantıları kablolamak bile zor bir optimizasyonken, aynı anda onunla yarışan fiziksel optimizasyonları da tutturmak gerekiyor.
  • Okuyunca bunun büyük ölçüde üretimle ilgili bir sorun olduğu ve çip gerçekten çalışmaya başladıktan sonra ortadan kalktığı anlaşılıyor. Doğru mu? Yani yük birikimi kayboluyor ve sonrasında anten diyoduna artık ihtiyaç kalmıyor mu, merak ediyorum.
    İkinci olarak, çipin daha sonra bu diyotları başka amaçlarla kullanıp kullanmadığını da merak ediyorum. Yalnızca üretim koruması sağlamanın ötesinde gerçek bir işlev görecek şekilde tasarlanıyorlar mı?
    Örneğin yük birikiyorsa, bu yük birikiminin kendisi çipin farklı bölümleri arasında bir tür uzaktan iletişim yöntemi ya da kanal olarak kullanılabilir mi? Diyot boşalırken bir çeşit ileti aktarımı gibi davranabilir mi?
    Üretim sırasında güvenlik önlemi olarak kullanılıp, üretimden sonra yük birikim noktalarını titreştirmek, kasıtlı olarak şarj etmek ya da başka nedenlerle yük tahliye noktası olarak kullanmak gibi çok amaçlı bir kullanım mümkün mü diye de merak ediyorum.
    Işık yayan diyot da adı üstünde bir diyot; bunlardan bazılarında yük çökerken ışık üretip, bu ışığı alarak veri aktarımı için kullanılan yanıp sönmeli iletişim gibi bir kullanım var mı diye de merak ediyorum.
    Bunun dışında çok derine inmeyeceğim ama varaktör diyotlar gibi radyo/TV alıcılarını ayarlamak ya da tünel diyot, Gunn diyot ve IMPATT diyot gibi radyo frekansı osilasyonu üretmek için kullanım alanları da akla geliyor.
    Kısacası üretim güvenliği dışında başka bir kullanım var mı, merak ediyorum.
  • Ken, yazıların gerçekten çok ilginç ve bu yazılara harcadığın emeğe saygı duyuyorum.
    Die analizinin her yıl giderek daha karmaşık çiplere uzandığını görmek harikaydı; Pentium da günümüz modern çiplerine uzanan x86 mimarisinde büyük bir dönüm noktasını temsil ettiği için özellikle iyi bir hedef.
    righto bağlantısına bakınca sıkılmaya fırsat kalmıyor.
  • Fotoğraflar çok küçük bir dünyanın, yani CPU çipi üzerindeki tekil transistörlerin içine bakmamızı sağlıyor.
    Ders kitabı ya da wiki okumakla, silikonu kesip yakından çekilmiş halini görmek bambaşka şeyler. Çok ilginç ve iyi anlatılmış bir yazı.
  • Güzel yazı.
    “Çip tamamlandığında tüm transistör kapıları başka transistörlerin kaynaklarına ya da drenlerine bağlanır” cümlesi oldukça ilginç. İlk başta yanlış gibi geldi ama tekrar düşününce doğru olabilir gibi de görünüyor.
    “Saf giriş pini”ni düşündüm; acaba böyle pinlerde de pull-up ya da pull-down “dirençleri” vardır ve silikonda bunları gerçekte diyot ya da kapısız FET gibi bir yapı olarak mı düşünmek gerekir?

• Çip üretiminde sözü edilen “anten” hakkında eğlenceli bir gerçek: gerçek antenlerle hiçbir ilgisi yoktur.
  Üretim sırasında uzun iletkenlerde yük birikebilir; çünkü ilgili kimyasallar nötr değildir ve açıkta kalan kablolarla etkileşime girer.
  Bu yükün, devrenin geri kalanını korumak için bir yerden boşalması gerekir; burada radyo frekansı unsuru yoktur.
  Daha sonraki proses teknolojilerinde, özellikle 28 nm ve altında, “anten” etkisini önlemeye yönelik tasarım kuralları çok artar.

  • Bence bu yanlış. Yazıda ve Wikipedia'daki anten etkisi maddesinde plazma aşındırmanın anten etkisinin nedeni olduğu söyleniyor; plazma oluşturmak için de radyo frekansı kullanılır.

• 31 yıllık bir teknolojiyi incelerken bile onun karmaşıklığına şaşırmak ilginç.

  • Evet. Bazen tüm makinelerin bir gecede yok edildiğini hayal ediyorum. Madenler, insanlar ve kitaplar yerinde kalsa, yeniden 3 milyon transistörlü çipler yapabilecek sanayileşme ve bilim düzeyine ulaşmak ne kadar sürerdi?
    Mevcut teknoloji seviyesine ne kadar entelektüel emek harcandığını çoğu insan neredeyse hiç kavramıyor.
  • Sıradan insanlar bin yıl sonra bile bu teknolojiye şaşıracak gibi geliyor.

• Entegre devre yapısına ilişkin tartışma elbette ilginç ama bu sayfada ve aynı sitedeki diğer sayfalarda gösterilen devre fotoğraflarını da övmek istiyorum.
  Sadece anlamayı kolaylaştırmakla kalmıyorlar, renkleri de gerçekten harika ve göze hoş geliyor.

• Anten diyotları yalnızca üretim sırasındaki hasarı azaltmak için mi var, yoksa elektromanyetik gürültünün çok olduğu ortamlarda çalışma sırasında etkileri de oluyor mu?

  • Anten diyotları yalnızca metal hattın bir ucunun bağlı, diğer ucunun ise henüz bağlı olmadığı üretim sırasında önemlidir.
    Buna karşılık ESD diyotları, çip kullanımdayken girişleri elektrostatik deşarja karşı korur.
  • Anten diyodunun ters kutuplu jonksiyonu nedeniyle o hatta çok küçük bir ek kapasitans eklenir, hepsi bu.
    Ancak zamanlama hesaplanırken bu diyotlar da dikkate alınır.
  • İşlemci durumunu Van Eck phreaking ile okunabilir kılmak için konduğunu sanmıştım.

• Gülümsetti ve güzel anılarımı canlandırdı. Pentium döneminden önce ve o dönemde Intel'de çalıştım; bunları ele alabilsin diye EDA araçlarını düzeltmek için ne kadar emek harcandığını hatırlıyorum.
  180 nm'den 130 nm'ye geçilirken Moore yasası otobüsüne binmiştim, 65 nm'den 45 nm'ye geçilirken de tekrar indim; iyi ki öyle yapmışım diye düşünüyorum.
  Şu anda EDA araçlarının nelerle başa çıkmak zorunda olduğunu hayal bile edemiyorum.

  • O dönem çip geliştirmeyle ilgili ilginç hikâyeleriniz var mı? Hangi EDA araçlarını kullandığınızı da merak ediyorum.

• Bugün yerel geri dönüşümcüden bir Pentium-75 aldım ve bu yazının tam da ana sayfaya çıkmış olması harika. Bu çip SX969.
  Elimdeki çipe bakarken Ken'in die fotoğraflarına ulaşabilmek gerçekten çok güzel.
  Bu Pentium'ların içinde bulunduğu seramik paket de epey kendine özgü; CPU'yu masaya bıraktığınızda sanki bir cam parçası bırakmışsınız gibi ses çıkarıyor.

  • O Pentium bir 80502, yani yazımdaki çiple neredeyse aynı; ancak 800 nm yerine 600 nm prosesle üretildi ve 200 bin transistör daha fazla içeriyor.
    İç die'ı görmek istersen paket kapağını bir keskiyle kolayca çıkarabilirsin.

• Kapağı açılmış bir çipi otomatik olarak okuyup mantığını geri çıkaran, bir tür OCR benzeri teknoloji var mı? Bu tuhaf ayrıntıların hepsini ele almak gerekiyorsa oldukça zor olmalı.

  • Böyle teknolojiler var. Ancak ücretsiz ya da açık kaynaklı bir sürüm bilmiyorum.

• Şimdi SOI teknolojisinde anten diyodunun neden gerekli olduğuna da bakmak iyi olur.
  Alt tabaka artık güvenli bir sığınak olmaktan çıktığında, üretim sırasında çok daha fazla oksit tabakası büyük diferansiyel gerilimlere maruz kalabilir.