Jak vzniká čipset

Čipy – integrované obvody – dnes tvoří bez nadsázky základní stavební kameny naší civilizace. Kromě počítačů je najdeme v autech, mikrovlnných troubách, televizorech, hi-fi věžích – dnes se už i v průměrné domácnosti nachází přes 20 mikroprocesorů. Co vlastně takový křemíkový čip obsahuje a jak se vyrábí? Tak tedy, obsahuje v hrubém zjednodušení především tranzistory a pasívní součástky jako odpory a kondenzátory, to vše pospojované do složitého schématu. Výroba probíhá tak, že na dokonale rovný a dokonale čistý plátek krystalického křemíku naneseme nějakou chemikálii, jejíž atomy znečistí (definovaným způsobem!) dosud čistý křemík a vznikne polovodičový přechod, základ tranzistoru. Desítky milionů tranzistorů najednou se vyrábí tak, že příslušná chemikálie se nanese na celou plochu čipu, na ni se nanese vrstva fotorezistu, ta se přes přesně vyrobenou a extrémně přesnou masku exponuje a osvícené části se odleptají, takže zůstane jen to, co zůstat má. Podobně se vyrábí i vodivé spoje mezi tranzistory, pouze se použije kov (dříve hliník, nyní měď kvůli lepší vodivosti). Těchto vrstev se během výroby nanáší celá řada, jenom vodivých spojů u procesoru Pentium 4 bylo plných 6. Při opakovaných procesech nanášení, expozice, leptání se do procesu nesmí dostat sebemenší nečistota - zkazí-li se jedna součástka z několika milionů, je celý mikroprocesor nebo jiný obvod na vyhození.

Jak však probíhá vývoj od nápadu v hlavě konstruktéra po základní desku ve vašem počítači? U společnosti Intel má tento proces 8 fází, z toho 3 jsou tzv. pre-silikon (tedy než sjede z pásu první fyzický čip) a 5 je post-silikon, kdy technici již mají v rukou reálný čip. Procesu tzv. validace (tedy ověření, že celý návrh čipu je platný a v souladu se specifikacemi) Intel věnuje obrovské prostředky: 300 mil. dolarů ročně, pracuje na tom 2500 lidí ve 20 pobočkách na světě.

Fáze jsou tedy následující:

Pre-silikon:

• návrh komponentu
• simulace před výrobou silikonu
• simulace celého systému

Post-silikon:

• systémová validace
• analogová validace
• validace kompatibility
• validace software
• oprava (ladění) chyb silikonu

Velká část testování proběhne v software ještě předtím, než vznikne skutečná součástka. Než se součástka objeví na trhu, má za sebou nejméně 100 trilionů kombinací sběrnicových cyklů.

1.    Návrh komponentu

Návrhoví a validační inženýři pracují v těsné součinnosti již od prvních fází návrhu součástky, protože zároveň s vývojem součástky samé se musí vyvinout validační nástroje a procesy, které jsou efektivní a důkladné. Tato těsná spolupráce je stále důležitější, protože se stále zvyšuje jednak složitost obvodů a jednak jejich pracovní frekvence. Neméně důležitá je spolupráci napříč s průmyslem, aby navrhovaná součástka splňovala normy a byla kompatibilní s ostatními produkty na trhu.

2.    Pre-silikonová simulace

Validace návrhu součástky začíná za použití nejpokročilejších simulačních nástrojů dlouho předtím, než je vůbec vyprodukován první prototyp součástky. Číslicový návrh je nejprve simulován v software a pak testován v enormním počtu provozních podmínek. Simulace probíhá na úrovni jednotky (důležitý subsystém uvnitř součástky), na úrovni čipu (všechny subsystémy uvnitř čipu pracují současně ve vzájemné spolupráci, speciální pozornost se zde věnuje vzájemným rozhraním) a konečně na systémové úrovni, kdy je simulovaný komponent testován v plném operačním prostředí ve spolupráci s ostatními součástkami platformy.

3.    Emulace na úrovni systému

Během emulace na systémové úrovni je softwarový model designu rozšířen tak, aby se zjistilo, jak se komponent bude chovat ve skutečném fyzickém systému. Zde se používají špičkové hardwarové emulátory, na kterých běží softwarový model v plném prostředí platformy, který již obsahuje skutečné hardwarové komponenty, operační systémy a softwarové ovladače. Intel investoval do těchto hardwarových emulátorů přes 30 milionů dolarů. Každý emulátor dokáže simulovat až 4 miliony hradel na emulačních frekvencích od 500 kHz až po 2 MHz. Přestože implementace této emulace je velmi drahá, pomáhá zajistit velmi vysokou kvalitu návrhu ještě před výrobou prvního prototypu, což je výhoda, která se více než vyplatí během pozdějších fází vývoje. Již v tomto okamžiku mohou inženýři nejen testovat logickou funkčnost svého návrhu, ale začít ladit BIOS a softwarové ovladače a verifikovat kvalitu nástrojů a procesů, které budou používat později při testování reálného čipu. Emulace také hraje důležitou roli v post-silikonové fázi. Pokud komponent neprojde testem, navrhovaný způsob opravy se dá implementovat a otestovat emulací před přechodem na novou verzi silikonu. To umožní ověřit, že původní chyba byla skutečně odstraněna a objevit potenciální nové chyby, které mohly při opravě být zaneseny.

4.    Validace systému

Systémová validace vystaví skutečnou součástku obrovskému množství testů ve skutečném prostředí. Stovky testovacích systémů běží 24 hodin denně po dobu až 3 měsíců, přičemž jsou komponenty vystaveny široké paletě náhodných i cílených testů. V průběhu testů jsou postupně přitvrzovány frekvenční a teplotní podmínky, aby se otestovalo chování v hraničních oblastech technických specifikací součástky. Například u procesoru Pentium 4 se testují všechny prvky architektury procesoru se zvláštním důrazem na koherenci paměti cache a chování v multiprocesorových systémech. Testy se skládají z 2450 testů vlastností procesoru plus 2000 testů kompatibility s předchozími generacemi, testy náhodných instrukcí – 1 trilion instrukcí týdně, specializované testy zátěže vstupních a výstupních operací atd. U čipové sady testování probíhá pomocí speciálně postavených validačních základních desek a testovacích karet, na kterých běží speciální testovací software k namáhání jednotlivých rozhraní čipsetu. Provozní parametry jsou nastaveny k extrémním limitům všech karet a sběrnic současně, aby se ověřily výkonové limity a verifikovala kompatibilita sběrnice.

5.    Analogová validace

Až dosud jsme předpokládali, že uvnitř čipů běhají pouze jedničky a nuly, a verifikace se zabývala především logickým návrhem. Jedničky a nuly jsou však reprezentovány elektrickými signály, které se mohou navzájem ovlivňovat a rušit. Elektrická integrita je kritická pro zajištění spolehlivé funkce procesoru i čipsetu. Testování musí být schopno odhalit chyby, které nastanou během triliontiny sekundy. Komponenty jsou namáhány až k poruše za extrémních teplot, napětí a frekvencí. Problémy jsou vyřešeny a získané poznatky se dostávají zpět k návrhovým a výrobním inženýrům, kteří tak mohou vylepšovat návrhové a výrobní metody.

6.    Validace kompatibility

Klíčovou výhodou intelovské architektury je její široká kompatibilita s hardwarovými komponentami třetích výrobců, softwarových aplikací a operačních systémů. Intel testuje své komponenty a platformy pod více než 20 operačními systémy, na velkém počtu základních desek a přídavných karet, s více než 150 periferiemi a s více než 400 aplikacemi. Testování OS zahrnuje několik verzí Microsoft Windows, Netware, SCO, Unixware a Linux. Aplikační testy zahrnují nejpopulárnější obchodní a multimediální programy, mnoho her, benchmarků a hardwarových testů. Velká část testování je rovněž prováděna v těžkém síťovém provozu. Masivní přenosy souborů a testy vysílání a datové koherence jsou prováděny na širokém rozsahu protokolů zahrnujících Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet a FibreChannel. Kromě těchto dobře známých testovacích produktů a protokolů jsou komponenty testovány speciálními testovacími kartami, které dostávají testovací parametry za běžné limity, aby byla zajištěna správná funkce i v nejhorších možných případech. Například multimediální provoz je zvýšen až na teoretický limit PCI sběrnice, aby byla jistota, že audio a videodata se nepoškodí ani za největších zátěží.

7.    Validace software

Intel vyvíjí všechny klíčové komponenty pro své serverové a PC platformy. To zahrnuje BIOS a ovladače pro grafiku, ukládání dat a síťové prvky. Více než 100 lidí ve 4 pobočkách je vyhrazeno na pečlivé testování a validaci těchto softwarových vrstev. Přes 250000 zátěžových testů je prováděno v realistickém testovacím prostředí které zahrnuje 7 operačních systémů, 27 jazyků a přes 300 aplikací. Během tohoto procesu je validace software těsně svázána s validací hardware, aby bylo zajištěno, že hardwarové a softwarové komponenty spolu hladce spolupracují. Kromě Intelem vyvinutých testů je prováděno rovněž testování Microsoft WHQL certifikace

8.    Ladění silikonu

Důležitou součástí validačního prostředí je schopnost podívat se „mezi vývody“. Inženýři Intelu mohou zkoumat fyzikální a elektrické charakteristiky na úrovni tranzistorů při provozu součástky na plné rychlosti. Mohou rovněž provádět „silikonovou chirurgii“ pro opravu nalezených hardwarových defektů. V důsledku toho se opravy dají implementovat a otestovat před výrobou nové verze silikonu. Tato schopnost výrazně zvyšuje efektivnost návrhu a validace. Protože technologie Intelu se vyvíjí rychleji než průmyslová infrastruktura, musí Intel spolupracovat s průmyslem na vývoji potřebných nástrojů pro tento kritický proces. Tři nástroje jsou nezbytné:

Laserová napěťová sonda – umožňuje inženýrům Intelu pozorovat fyzikální a elektrické charakteristiky jediného tranzistoru z mnoha milionů, ze kterých se skládá procesor nebo čipset. Dají se do plného detailu měřit výkonové charakteristiky na plné provozní rychlosti, takže logické a elektrické problémy se dají vystopovat až ke své fyzikální příčině.

Laserově-chemické leptadlo – jak bylo řečeno v úvodu, integrované obvody jsou trojrozměrné mnohovrstvé struktury s mnoha vrstvami tranzistorů, spojů a ochranného materiálu. Laserově-chemický leptací nástroj umožňuje inženýrům izolovat zájmovou oblast a odhalit ji pro testovací účely.

Zaostřený iontový paprsek – jeho pomocí mohou inženýři přidat, zrušit nebo změnit tranzistory a vodiče, aby se nastavily časovací parametry. Mohou také přidat nebo přemostit logické buňky, aby se pozměnila číslicová funkčnost. Na jednom čipu se takovýchto oprav dá provést i více. Komponent se pak dá znovu otestovat před přechodem k nové verzi silikonu.

Použitím těchto nástrojů mohou inženýři izolovat a opravit problémy v řádu dní místo týdnů, a mohou ověřit, že oprava funguje za náročných realistických podmínek. Kombinace schopnosti rychlé opravy a rozsáhlého testovacího prostředí výrazně snižuje počet iterací silikonu nutných od počátečního návrhu po finální, plně testovanou součástku. Pro Intel to znamená méně nákladný vývojový proces a rychlejší a spolehlivější čas od návrhu k prodeji. Pro zákazníka to znamená lepší a spolehlivější výrobek a nižší ceny.