Транзисторы как выглядят: Выходы из строя полевых транзисторов и как они выглядят

Выходы из строя полевых транзисторов и как они выглядят

Новиков Павел – [email protected]

№ 2’2021

PDF версия

В свое время у специалистов компании «Электрум АВ» возникла необходимость разобраться с систематическими выходами из строя одного преобразователя. Повреждения кристаллов транзисторов выглядели одинаково, но причину никак не удавалось определить. Пробовали понять причину и исходя из характера повреждений кристаллов, но, к своему удивлению, специалисты не нашли в Интернете практически никакой информации о том, как выглядят кристаллы при том или ином выходе из строя. Сейчас, обладая уже собственным материалом на эту тему, инженеры компании решили поделиться наработками в данной области и кратко рассказать и показать читателю, как выглядит выход из строя полевого транзистора. Возможно, эта статья будет полезной разработчикам в их нелегких поисках причины отказов преобразователя.

Представленная информация основана исключительно на практическом опыте эксплуатации преобразователей, а фотографии кристаллов — из приборов, отказавших у потребителя или в процессе наших испытаний. Транзистор — КП793, то есть MOSFET, но и для IGBT-транзистора текст был бы точно такой же, да и вышедшие из строя кристаллы MOSFET и IGBT выглядят одинаково. Информация краткая, практически тезисная. Приведены описание повреждения, физический процесс (механизм) выхода из строя, внешняя причина такого отказа и типовые ситуации (режимы), в которых отказывает транзистор. В заключение даны общие рекомендации по устранению, разумеется, без общих фраз вроде «снизить нагрузку», «поставить другой транзистор, мощнее» и т. п. В общем, материал для общего развития. Кристалл без повреждений показан на рис. 1.

Рис. 1. Годный кристалл

 

Выход из строя по перенапряжению

Характеризуется локальным пробоем (замыканием) стока-истока, то есть в кристалле образуется вертикальный токопроводящий канал. Внешне выглядит как точка (рис. 2, верхний правый угол), в остальном кристалл «целый». Впрочем, такой «чистый» выход по перенапряжению — редкость; как правило, после потенциального пробоя возникает ударный ток и кристалл получает уже более существенные повреждения.

Рис. 2. Выход из строя по перенапряжению

Физический процесс: между стоком и истоком очень небольшой зазор, величина которого, по сути, и определяет пробивное напряжение транзистора. Если напряжение сток-исток становится достаточным для преодоления зазора, то, что ожидаемо, образуется «искра», которая локально спекает сток с истоком.

Причина: индуктивные выбросы недопустимой для транзистора амплитуды.

Ситуации: останов электродвигателя, запуск импульсного трансформатора под емкостной нагрузкой.

Устранение: уменьшение амплитуды выброса и/или его активное ограничение, то есть установка снабберных цепей, в частности супрессора, увеличение номинала затворного резистора.

 

Выход из строя в жестком режиме переключения

Выглядит как побежалость по кристаллу. Причем в отличие от токового пробоя, который всегда локализуется в области истоковых разварок, данные повреждения могут быть где угодно. Это принципиальное отличие от токового выхода из строя. На рис. 3 показана область между истоковой разваркой и затвором. Часто происходит в районе затвора, не касаясь силовых разварок истока, также часто наблюдается по углам кристалла, то есть это вообще не связанно с затвором или с разварками. В общем, локально может возникнуть почти где угодно, площадью от нескольких мм² до см².

Рис. 3. Выход из строя в жестком режиме переключения

Физический процесс: известно, что кристалл транзистора состоит из множества параллельно включенных относительно маломощных транзисторов. В жестком режиме переключения, характеризующемся большим током и напряжением сток-исток в периоды включения/выключения, а главное — большой скоростью нарастания этого тока и/или напряжения, не все транзисторы успевают включиться/выключиться одновременно. Наиболее «быстрые» (локализация по кристаллу, соответственно, ближе к затвору), или транзисторы, на которые приходит главный токовый удар (в районе истоковых разварок), или в какой-то степени «дефектные» транзисторы (углы, края кристалла) получают наибольшую пиковую мощность — еще до того, как эта мощность успела распределиться по всем транзисторам кристалла. И если все транзисторы такую мощность выдержали бы (если бы было достаточно времени на распределение тока по всему кристаллу), то часть этих транзисторов такую мощность выдержать не может. Как следствие, происходит пробой локальных областей.

Причина: недопустимый di/dt в жестком режиме переключения.

Ситуации: зачастую непредсказуемо, «беспричинно», в любых режимах (в том числе на холостом ходу) и на любых этапах испытаний/эксплуатации.

Устранение: снижение скорости di/dt за счет увеличения номинала затворного резистора.

 

Выход из строя по току

Выглядит как выгорание истоковой области в районе разварок. В зависимости от длительности воздействия и амплитуды тока размер повреждения может быть самым разным. При кратковременном воздействии — небольшая область под разваркой, сток и исток закорочены (спекание), как на рис. 4. Если ток не был прерван, то спекшиеся сток-исток продолжают греться по причине остаточного омического сопротивления и выгорают полностью. В этом случае между стоком и истоком будет обрыв, как показано на рис. 5. Если ток был очень большим и протекал за малое время, то транзистор успевает сгореть полностью еще до образования обрыва сток-исток. Характерны следы взрыва, испарение разварочных проволок, полное сгорание кристалла. Яркий представитель — кристалл на рис. 6.

Рис. 4. Выход из строя по току (кратковременный)

Рис. 5. Выход из строя по току (длительный)

Рис. 6. Выход из строя по току (ударный неограниченный)

Физический процесс: недопустимая плотность тока для данного транзистора. И так как плотность тока всегда наибольшая под разварками, то и выгорание всегда начинается именно от разварок. При этом здесь не выделяется отдельная причина как перегрев. Не в плане внешнего нагрева кристалла (отпаивание, окисление и т. п.), а в плане одновременного воздействия тока и температуры. Выход из строя по перегреву — это на самом деле тот же токовый пробой. С ростом температуры допустимый ток транзистора снижается, и если при нормальных условиях транзистор еще справлялся с коммутируемым током, то на повышенной температуре справиться уже не может. То есть повышается температура — снижается ток выхода транзистора из состояния насыщения. В итоге все тот же выход из строя по току. Но и с другой стороны, выход из строя по току — это всегда перегрев; энергия такой величины, которую кристалл не может рассеять. В общем, в контексте выхода из строя температура и ток — это две стороны одной медали.

Причина: недопустимый ток для данной температуры эксплуатации. Можно выделить две «подпричины»: перегрев и ударный ток.

Ситуации: выход из строя непосредственно при включении преобразователя (пусковые токи) или через относительно длительное время работы под нагрузкой (перегрев).

Устранение: уменьшение нагрузки внешними цепями (управление, ограничение тока, снижение выходного тока) или улучшение теплоотвода. Непосредственно схемными решениями данные выходы из строя не устранимы.

Резюмируя вышесказанное, логично назвать ровно три причины выхода из строя транзистора с полевым управлением в реальном преобразователе: слишком большое напряжение, слишком большой ток или слишком большая скорость нарастания этого тока. Конечно, если говорить о других причинах выхода из строя кристалла, то существует пробой затвора перенапряжением, выход из строя обратного диода для MOSFET-транзистора (который, к слову, не отличается от выхода из строя сток-исток), механические повреждения кристалла, в том числе при его некорректной пайке, появление микротрещин в результате термоциклирования и т. п. Однако такие выходы из строя относительно редки, просты в своей идентификации, а потому о них и не говорилось. В остальном же все, что интересно было бы узнать практику, надеюсь, сказано.

Проверка транзистора мультиметром: назначение транзистора

Транзистор — это широко используемый компонент, который можно найти в каждом электрическом устройстве. Он необходим для работы с электрическими сигналами, т.е. способен генерировать, усиливать и преобразовывать электрические сигналы. Транзисторы бывают двух видов: биполярные и униполярные, или, как их чаще называют, полевые транзисторы. Деление основано на принципе действия и конструкции деталей. Каждый тип описан в этой статье не просто так — это основа для того, чтобы знать, как проверить транзистор с помощью мультиметра.

То есть: биполярные транзисторы работают с помощью полупроводников с двумя типами проводимости: прямой (положительной) и обратной (отрицательной). В зависимости от комбинации они называются NPN и PNP. Полевые эффекторы, с другой стороны, работают только с одним типом. Это либо N-канальная, либо P-канальная схема.

Биполярные устройства управляются током, а униполярные — напряжением.

Биполярные транзисторы можно найти в большинстве аналоговых устройств, в то время как в цифровых устройствах чаще используются полевые транзисторы. Учитывая эти различия, давайте рассмотрим, как проверить транзистор с помощью тестера.

Конструкция мультиметра

Мультиметр (тестер) — это универсальный измерительный прибор. Он рассчитывает ток, напряжение, сопротивление и непрерывность. Мультиметры могут быть аналоговыми или цифровыми. Разница заключается в точности измерения и способе получения результата: считывание движения стрелки по механическим часам (аналоговое) или на экране (цифровое). Цифровые проще в использовании по ряду причин, поэтому они подходят для пользователей с минимальными знаниями в области электроники. Независимо от типа тестера, проверка транзистора с помощью мультиметра — это простой процесс.

Сложно о простом: как проверить транзистор

Прежде чем приступить к диагностике транзистора, следует уделить особое внимание правильному оснащению тестера. Это займет не более нескольких минут, но позволит избежать ошибок в результатах. Поэтому мультиметр оснащен двумя щупами. Черный — это минус, а красный — плюс. Убедитесь, что каждый из них подключен к правильному разъему, поскольку в зависимости от модели и типа тестера может быть разное количество щупов. Транзисторы можно тестировать только в таком положении: черный щуп вставьте в гнездо, обозначенное английскими буквами COM, красный щуп вставьте в гнезда, обозначенные буквами греческого алфавита.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром

Силовой транзистор — это полупроводниковый прибор, который используется для увеличения мощности входного электрического сигнала. Такие транзисторы управляются током. Он состоит из трех элементов. Первым из них является эмиттер. Он генерирует носители заряда. Рабочий ток течет на коллектор, который является разновидностью приемника и вторым ключевым элементом транзистора. Третье — это основание. Именно он обеспечивает напряжение.

Как мультиметром проверить транзистор. Проверяем биполярный NPN и PNP

Представьте устройство в виде пары диодов. Они переключаются в противоположных направлениях и сходятся у основания. Чтобы выяснить, неисправен ли этот тип, достаточно провести два измерения сопротивления. Определите тип транзистора: p-n-p или n-p-n. Рассмотрим подробнее, как проверить n-pn транзистор с помощью мультиметра. Используйте следующий алгоритм:

 

• Приложите минусовую клемму U к базовой клемме. Используйте тестер для измерения значения R. Установите порог 2000. Вы также можете использовать “режим набора”, это для тех, кто хочет узнать, как набрать транзистор с помощью мультиметра. Какой бы способ вы ни предпочли, результат будет правильным.
• Возьмите черный щуп и подведите его к клемме на основании, закрепите его. Красный щуп к переходу коллектора. Затем переместите его на эмиттер (вывод). Если значение прямого сопротивления находится в пределах от 500 Ом до 1200 Ом, то спай исправен.
• Затем измерьте обратный R-фактор. Для этого поднесите красный щуп вплотную к базовой клемме и зафиксируйте его. Поочередно перемещайте черный щуп сначала к клемме коллектора, а затем к клемме эмиттера. Тестер должен показать высокое значение. Если ваш мультиметр, настроенный на “2000”, показывает “1”, то значение R больше 2000 Ом. Высокое значение указывает на то, что транзистор находится в хорошем состоянии.

 

Этот метод также подходит для тех, кто ищет способ проверить транзистор с помощью мультиметра, не выпаивая его. Предположим, вам нужно проверить устройство на плате непосредственно в схеме. Тогда проблемы могут возникнуть только в том случае, если вы плотно зашунтируете p-n-переход низкоомными резисторами. Это легко проверить: при измерении оба значения сопротивления будут очень низкими. В этом случае отпайка базового штифта является необходимым действием для дальнейшей правильной диагностики. Аналогичным образом диагностируется n-p-n транзистор. Единственное отличие — красный, а не черный щуп тестера на выходе базы.

Как проверить нетипичные модели транзисторов

Существуют некоторые транзисторы, которые могут не подходить для обычного тестирования мультиметром, будь то в режиме циферблата или омметра. Такие триоды используются, например, в электронных пускорегулирующих аппаратах для светильников. Модели включают MJE13003, 13005, 13007.

Давайте подробнее рассмотрим, как проверить транзисторы 13003 с помощью мультиметра, на одном примере. Это связано с необычным расположением выводов транзистора 13003 — базовый вывод находится справа. В технических характеристиках указано, что контакты могут чередоваться слева направо в таком порядке: база, коллектор, эмиттер. Поэтому вы должны определить точный порядок и расположение компонентов и следовать описанному выше методу.

Ошибки измерения также могут быть вызваны диодами внутри некоторых транзисторов.

Поэтому перед проведением измерений важно знать точную структуру тестируемого транзистора.

Как проверить полевой транзистор мультиметром

Это устройство приводится в действие электрическим полем, которое создает напряжение. Это одно из главных отличий от биполярного полупроводникового переключателя. Униполярные транзисторы делятся на два типа. Первый имеет изолированные ворота. Второй имеет p-n-переходы. Независимо от типа, они бывают n-канальными или p-канальными. Большинство полевых транзисторов имеют три вывода: исток, сток и затвор. По сравнению с биполярным, они аналогичны Эмиттеру, Коллектору и Базе.

В качестве основы для тестирования мы берем устройство типа p-n. Независимо от типа канала (n, p), последовательность не изменится. Единственное различие заключается в противоположном подключении зондов. Таким образом, для диагностики n-канального устройства нам потребуется:

 

• Установите мультиметр в режим “R-измерение”. Уровень 2000. Прикрепите плюсовой щуп к источнику. Прикрепите черный к сливу. Измерьте сопротивление. Затем необходимо изменить положение зондов. Измерьте еще раз. Результаты с работающим транзистором будут примерно одинаковыми.
• Далее мы тестируем переход источник-затвор. Для этого на мультиметре устанавливаем режим “диодный тест”. Плюс подключается к затвору, а минус — к источнику. Обычно измерительный прибор регистрирует падение U около 650 мВ. Отсоедините щупы и переместите черный щуп к затвору, а красный — к источнику. Тестер должен показать единицу или бесконечность. Это указывает на то, что транзистор находится в хорошем состоянии.
• Чтобы проверить переход сток-затвор, оставьте мультиметр в режиме проверки диодов. Выполните ту же процедуру для проверки p-n-перехода затвор-исток.

 

Если все три измерения совпадают с описанными выше, полевой транзистор готов к использованию.

Аппаратное обеспечение компьютеров

Аппаратное обеспечение компьютеров

• Компьютеры состоят из двух основных частей: аппаратного и программного обеспечения.
• Например, фортепиано (аппаратное обеспечение) и музыка (программное обеспечение)
• В этом разделе: оборудование

Компьютер — это удивительно полезная технология общего назначения, вплоть до того, что теперь камеры, телефоны, термостаты и многое другое превратились в маленькие компьютеры. В этом разделе будут представлены основные части и темы работы компьютерного оборудования. «Оборудование» относится к физическим частям компьютера, а «программное обеспечение» относится к коду, работающему на компьютере.

Микросхемы и транзисторы

• Транзистор – жизненно важный электронный блок
  – Транзисторы “твердотельные” – без движущихся частей.
  – Одно из самых важных изобретений в истории.
  – “Выключатель”, который мы можем включать/выключать с помощью электрического сигнала.
• Силиконовый чип – кусочек кремния размером с ноготь
• Микроскопические транзисторы вытравлены на кремниевых чипах
• Чипы могут содержать миллиарды транзисторов
• Чипсы в пластиковой упаковке с металлическими ножками
• напр. Чипы процессора, чипы памяти, флэш-чипы
• Кремний (металлоид) и силикон (мягкое вещество на кухонной утвари)

Вот кремниевый чип внутри пластиковой упаковки. Я вытащил это из кучи электронных отходов в здании Stanford CS, так что, наверное, оно старое. Это небольшой чип с несколькими «контактами» электрического соединения. Позже мы увидим более крупный чип с сотнями контактов.

Внутри пластиковой упаковки находится кремниевый чип размером с ноготь с выгравированными на его поверхности транзисторами и другими компонентами. Крошечные провода соединяют чип с внешним миром. (лицензия CC, атрибуция на шареалке 3. пользователь википедии Zephyris)

В современных компьютерах используются крошечные электронные компоненты, которые можно выгравировать на поверхности кремниевого чипа. (См.: чип из Википедии) Обратите внимание, что силикон (чипы, солнечные панели) и силикон (мягкий резиновый материал) отличаются!

Наиболее распространенным электронным компонентом является «транзистор», который работает как своего рода усилительный клапан для потока электронов. Транзистор является «твердотельным» устройством, то есть в нем нет движущихся частей. Это основной строительный блок, используемый для создания более сложных электронных компонентов.

В частности, «бит» (ниже) можно построить с компоновкой из 5 транзисторов. Транзистор был изобретен в начале 19 века.50-х, замена вакуумной трубки. С тех пор транзисторы становились все меньше и меньше, что позволяло размещать все больше и больше их на кремниевом чипе.

Закон Мура

• Транзисторы становятся в 2 раза меньше примерно каждые 2 года
  – иногда указывается около 18 месяцев.
• Может вместить в два раза больше транзисторов на микросхему
• Благодаря улучшенной технологии травления чипа
  — Но современный завод по производству микросхем стоит более 1 миллиарда долларов.
• Наблюдение против научного «закона»
• 2 Эффекта:
• а. чипы удваивают мощность каждые 2 года
  – скорость не удваивается, емкость удваивается, что все равно очень полезно
• б. или при неизменной мощности чипы становятся меньше и дешевле каждые 2 года
• (b) вот почему компьютеры теперь в автомобилях, термостатах, поздравительных открытках
• Пример: Емкость MP3-плеера 50 долл. США каждые 2 года: 2 ГБ, 4 ГБ, 8 ГБ, 16 ГБ
• Эмпирическое правило: увеличение емкости в 8 раз каждые 6 лет
• 8x за 6 лет может соответствовать увеличению емкости вашего телефона
• Закон Мура, вероятно, не будет действовать вечно

Закон Мура (Гордон Мур, соучредитель Intel) гласит, что плотность транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 2 года или около того (иногда указывается каждые 18 месяцев). Увеличение связано с улучшением технологии производства чипов. Это не научный закон, а просто общее предсказание, которое, кажется, продолжает работать. В более широком смысле он отражает идею о том, что на доллар компьютерные технологии (не только транзисторы) с течением времени становятся лучше в геометрической прогрессии. Это совершенно ясно, если вы посмотрите на стоимость или возможности компьютеров/камер и т. д., которые у вас есть. Закон Мура приводит к появлению более мощных компьютеров (сравните возможности iPhone 7 и оригинального iPhone), а также к более дешевым компьютерам (компьютеры с меньшими возможностями появляются повсюду, например, в термостатах и ​​автомобилях).

Компьютеры в жизни: Системы управления

• Система управления: реагирует на внешнее состояние
• напр. автомобильный двигатель: варьирование топливной смеси в зависимости от температуры
• напр. сработала подушка безопасности при больших перегрузках от столкновения
• Чипы — отличный и дешевый способ создания систем управления
• Докомпьютерные системы управления работали не так хорошо
• Одна из причин, по которой сегодня автомобили работают намного лучше

Система управления / Демонстрация фонарика Мура

• В фонарике Maglite XL200 есть чип
• Пример системы управления
• Закон Мура делает возможным применение чипа
• Фонарик преобразует угловое положение в яркость. (1-щелчок)
• Также имеет угол для режима скорости моргания. (2 клика)

---

Аппаратное обеспечение компьютера — ЦП, ОЗУ и постоянное хранилище

Теперь давайте поговорим о трех основных частях, из которых состоит компьютер — ЦП , , ОЗУ 9. 0043 и Постоянное хранилище . Эти три компонента есть во всех компьютерах: ноутбуках, смартфонах и планшетах.

1. ЦП

• ЦП – Центральный процессор
• Действует как мозг: следует инструкциям кода
• “общее” – изображения, сеть, математика.. все на ЦП
• Выполняет вычисления, т.е. добавить два числа
• по сравнению с ОЗУ и постоянным хранилищем, в которых только хранятся данные
• “гигагерц” = 1 миллиард операций в секунду
• ЦП “2 гигагерца” выполняет 2 миллиарда операций в секунду

CPU – центральный процессор – неизбежно называют “мозгами” компьютеров. ЦП выполняет активный «запуск» кода, манипулируя данными, в то время как другие компоненты играют более пассивную роль, например, хранят данные. Когда мы говорим, что компьютер может «складывать два числа миллиард раз в секунду»… это процессор. Когда вы нажимаете кнопку «Выполнить», ЦП в конечном итоге «запускает» ваш код. Позже мы дополним картину того, как ваш код Javascript выполняется процессором.

В стороне: “Ядра” ЦП

• Современные чипы ЦП имеют несколько “ядер”
• Каждое ядро ​​является полунезависимым ЦП
• Ключ: 4 ядра не в 4 раза быстрее, чем 1 ядро
• т.е. 4 машины не доставят вас туда быстрее, чем 1 машина
• Убывающая отдача
• Больше 4 ядер часто бесполезно

CPU Примеры

• например. Кнопка “Выполнить” – “распечатать информацию”, посчитать
• напр. Отправить текстовое сообщение – отформатировать байты, отправить байты, проверить, что они были отправлены

Вариант ЦП: ГП — графический процессор

• Аналогично ЦП, но предназначено для обработки изображений
• Компьютерные игры сильно используют GPU
• Современные процессоры в основном достаточно быстры, больше энергии уходит на GPU

2. ОЗУ

• ОЗУ – Оперативная память
• Работает как белая доска
• Временное рабочее хранилище байтов
• ОЗУ хранит как код, так и данные (временно)
• напр. открыть изображение в фотошопе
  – данные изображения загружены в байты оперативной памяти
• напр. прибавление 2 к числу в калькуляторе
  – манипулирование байтами в оперативной памяти
• “постоянный”
  -ОЗУ не является постоянным. Состояние исчезло при отключении питания
  -напр. Вы работаете над документом, затем отключается электричество, и вы теряете свою работу (вместо «Сохранить»)

RAM – Оперативная память, или просто “память”. Оперативная память — это оперативная память, которую компьютер использует для хранения кода и данных, которые активно используются. ОЗУ фактически является областью хранения байтов под управлением ЦП. Оперативная память относительно быстра и способна извлекать значение любого конкретного байта за несколько наносекунд (1 наносекунда составляет 1 миллиардную долю секунды). Другая основная особенность ОЗУ заключается в том, что оно сохраняет свое состояние только до тех пор, пока на него подается питание — ОЗУ не является «постоянным» хранилищем.

Предположим, вы работаете на своем компьютере, и он внезапно теряет питание, и экран гаснет. Вы понимаете, что то, над чем вы работали, пропало. Оперативная память была очищена, осталось только то, что вы в последний раз сохранили на диск (ниже).

RAM Примеры

• В вашем браузере открыто много вкладок
  – данные для каждой вкладки находятся в оперативной памяти
• Выполняется программа
  – код программы находится в оперативной памяти
• Программа манипулирует большим изображением
  – данные образа находятся в оперативной памяти
• напр. у вас может закончиться оперативная память – вы не можете открыть новую вкладку или программу, потому что вся оперативная память используется
• В сторону: сейчас в телефонах 2-4Гб ОЗУ…достаточно для большинства целей

3. Постоянное хранилище: жесткий диск, флэш-накопитель

• Постоянное хранилище байтов
• «Постоянный» означает сохранение даже при отсутствии питания
• напр. Жесткий диск – хранит байты в виде магнитного узора на вращающемся диске.
  – он же “жесткий диск”
  – Высокий звук вращения, который вы, возможно, слышали
• Жесткие диски долгое время были основной технологией постоянного хранения
• НО сейчас флеш становится все популярнее.

Видео «Как работает жесткий диск» (Webm — открытый стандартный видеоформат, работает в Firefox и Chrome). 4:30 в видео, чтобы увидеть чтение/запись битов.

Постоянное хранилище, новая технология: флэш-память

• «Флэш-память» — это транзисторная технология постоянного хранения.
  “твердое состояние” – нет движущихся частей
  -он же “Флешка”
  -она же “Флэш-память”
  — он же «SSD»: твердотельный накопитель
• Флэш-память лучше жесткого диска во всех отношениях, кроме стоимости – быстрее, надежнее, меньше энергии
• Flash дороже на байт
• Форматы: USB-ключ, SD-карта в камере, флэш-память, встроенная в телефон или планшет или компьютер
• Флэш-память была очень дорогой, поэтому в большинстве компьютеров использовались жесткие диски.
• Flash дешевеет (закон Мура)
• Однако в пересчете на байт жесткие диски по-прежнему значительно дешевле
• Не путать с Adobe Flash, проприетарным медиаформатом.
• Предупреждение: флэш-память не сохраняется вечно. Он может не хранить биты за последние 10 или 20 лет. Никто не знает наверняка

Постоянное хранилище — долговременное хранилище байтов в виде файлов и папок. Постоянный означает, что байты сохраняются даже при отключении питания. Ноутбук может использовать вращающийся жесткий диск (также известный как «жесткий диск») для постоянного хранения файлов. Или он может использовать «флэш-накопитель», также известный как твердотельный диск (SSD), для хранения байтов на флэш-чипах. Жесткий диск считывает и записывает магнитные узоры на вращающемся металлическом диске для хранения байтов, в то время как флэш-память является «твердотельной»: никаких движущихся частей, только кремниевые чипы с крошечными группами электронов для хранения байтов. В любом случае хранилище является постоянным, поскольку оно сохраняет свое состояние даже при отключении питания.

Флэш-накопитель работает быстрее и потребляет меньше энергии, чем жесткий диск. Однако в пересчете на байт флэш-память значительно дороже, чем хранилище на жестком диске. Flash дешевеет, поэтому может занять нишу за счет жестких дисков. Флэш-память намного медленнее, чем оперативная память, поэтому она не является хорошей заменой оперативной памяти. Обратите внимание, что Adobe Flash — это несвязанное понятие; это проприетарный медиаформат.

Флэш-память — это то, что лежит в основе USB-накопителей, SD-карт для использования в камерах или встроенной памяти в планшете или телефоне.

Файловая система

• Как организованы байты в постоянном хранилище?
• напр. Байты на флешке?
• “Файловая система” – организация байтов постоянного хранилища, файлов и папок
• “Файл” – имя, дескриптор блока байтов
• напр. “flowers.jpg” относится к 48 КБ байт данных изображения.

Жесткий диск или флэш-накопитель обеспечивает постоянное хранение в виде плоской области байтов без особой структуры. Обычно жесткий диск или флэш-диск отформатированы с использованием «файловой системы», которая организует байты в знакомый шаблон файлов и каталогов, где каждый файл и каталог имеют несколько полезное имя, например «resume.txt». Когда вы подключаете диск к компьютеру, компьютер представляет файловую систему диска пользователю, позволяя ему открывать файлы, перемещать файлы и т. д.

По сути, каждый файл в файловой системе относится к блоку байтов, поэтому имя «flowers.jpg» относится к блоку 48 КБ байтов, которые являются данными этого изображения. Фактически файловая система дает пользователю имя (и, возможно, значок) для блока байтов данных и позволяет пользователю выполнять операции с этими данными, например перемещать их, копировать или открывать с помощью программы. Файловая система также отслеживает информацию о байтах: их количество, время последнего изменения.

Microsoft использует проприетарную файловую систему NTFS, а Mac OS X имеет собственный эквивалент Apple HFS+. Многие устройства (камеры, MP3-плееры) используют на своих флеш-картах очень старую файловую систему Microsoft FAT32. FAT32 — старая и примитивная файловая система, но она хороша там, где важна широкая поддержка.

Примеры постоянного хранилища

• Это легко понять, так как вы использовали файлы и файловые системы
• напр. 100 отдельных видеофайлов по 1 ГБ .. требуется 100 ГБ емкости для хранения

Изображения оборудования

Ниже приведены изображения недорогого компьютера Shuttle с процессором 1,8 ГГц, 512 МБ ОЗУ и жестким диском на 160 ГБ. Примерно в 2008 году он стоил около 200 долларов. Он сломался и стал классным примером.

Вот плоская «материнская плата», чуть меньше листа бумаги размером 8,5 х 11, к которой подключаются различные компоненты. В центре процессор. Крайний справа — оперативная память. Справа от ЦП находится пара вспомогательных чипов. Примечательно, что один из чипов покрыт медным “радиатором”.. он плотно прижимается к чипу, рассеивая тепло от чипа в окружающий воздух. У процессора также был очень большой радиатор, но он был удален, чтобы процессор был виден.

• Материнская плата
• Металлический пакет ЦП, удерживаемый рычагом
• Медный радиатор

Процессор плотно прилегает к материнской плате с помощью небольшого рычажного механизма. Здесь механизм высвобождается, так что ЦП может быть поднят. ЦП размером с ноготь упакован под этой металлической крышкой, которая помогает отводить тепло от ЦП к его радиатору. Серое вещество на металлической крышке чипа — это «термопаста», материал, который помогает отводить тепло от корпуса чипа к его (не показанному) радиатору.

• Микросхема процессора в металлическом корпусе
• Радиатор удален
• Нижняя часть упаковки .. много соединений (маленькие провода)

Если перевернуть ЦП, можно увидеть маленькие золотые накладки в нижней части ЦП. Каждая контактная площадка соединена очень тонким проводом с точкой на кремниевом чипе.

Вот изображение другого чипа, но со снятой верхней упаковкой. Вы видите кремниевый чип размером с мизинец в центре с выгравированными на нем крошечными деталями транзистора. На краю чипа видны очень тонкие провода, соединяющие части чипа с внешними контактными площадками (лицензия CC, атрибуция 3. пользователь википедии Zephyris)

Теперь, глядя сбоку, радиатор и карта оперативной памяти видны более отчетливо, торчащие из материнской платы.

• Карта памяти ОЗУ
• Подключается к материнской плате
• Карта 512 МБ (4 чипа)

Оперативная память состоит из нескольких чипов, упакованных вместе на небольшую карту, известную как DIMM, которая подключается к материнской плате (модуль памяти с двумя встроенными разъемами). Здесь мы видим модуль RAM DIMM, извлеченный из разъема материнской платы. Это модуль DIMM емкостью 512 МБ, состоящий из 4 микросхем. Несколькими годами ранее этот модуль DIMM мог потребовать 8 микросхем для хранения 512 МБ. Закон Мура в действии.

Это жесткий диск, который подключается к материнской плате с помощью видимого стандартного разъема SATA. Это 160-гигабайтный «3,5-дюймовый» диск, относящийся к диаметру вращающегося диска внутри; весь диск размером с небольшую книгу в мягкой обложке. Это стандартный размер диска для использования внутри настольного компьютера. В портативных компьютерах используются 2,5-дюймовые диски, которые немного меньше.

• Жесткий диск 160 ГБ (постоянное хранилище)
• т.е. постоянный
• Подключается к материнской плате стандартным кабелем SATA

Это флэш-накопитель USB, который, как и жесткий диск, обеспечивает постоянное хранение байтов. Это также известно как «флэш-накопитель» или «ключ USB». По сути, это USB-разъем, подключенный к микросхеме флэш-памяти с некоторой вспомогательной электроникой:

• Флэш-накопитель (другой тип постоянного хранилища)
• т. е. постоянный
• Содержит флэш-чип, твердотельный
• SD-карта, аналогичная идея

Здесь он разобран, показывая флэш-микросхему, которая фактически хранит байты. Этот чип может хранить около 1 миллиарда бита .. сколько это байтов? (A: 8 бит на байт, так что это около 125 МБ)

Вот «SD-карта», которая обеспечивает хранение в камере. Он очень похож на флешку, только другой формы.

Микроконтроллер – дешевый компьютерный чип

• Микроконтроллер
• Полный компьютер на одном чипе
• Небольшой ЦП, ОЗУ, хранилище (закон Мура)
• Чип может стоить менее 1 доллара США
• Автомобиль, микроволновая печь, термостат

Компьютер Arduino

• Это плата «arduino», микросхема микроконтроллера (ЦП, ОЗУ, хранилище — все в одном)
  –www.arduino.cc
• Всего 10 долларов США
• С открытым исходным кодом, бесплатно, не только для Windows, переделка
• Художественный проект — выключатели, датчики, освещение

Как устроены ЦП.

Часть 3: Сборка микросхемы

Это третья часть нашей серии по проектированию ЦП. В части 1 мы рассмотрели архитектуру компьютера и принцип работы процессора на высоком уровне. Во второй части было рассмотрено, как были спроектированы и реализованы некоторые отдельные компоненты чипа. Часть 3 идет еще дальше и показывает, как архитектурные и схематические проекты превращаются в физические микросхемы.

Как превратить кучу песка в продвинутый процессор? Давай выясним.

Часть 1. Основы компьютерной архитектуры
(архитектуры набора инструкций, кэширование, конвейеры, гиперпоточность)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП
(схемы, транзисторы, логические элементы, тактирование)
Часть 3: Планировка и физическая сборка микросхемы
(СБИС и производство кремния)
Часть 4: Текущие тенденции и будущие актуальные темы в компьютерной архитектуре
(Sea of ​​Accelerators, 3D-интеграция, FPGA, вычисления с ближней памятью)

Как мы обсуждали ранее, процессоры и вся остальная цифровая логика состоят из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электронным управлением, который мы можем включать и выключать, подавая или снимая напряжение с затвора. Мы обсудили, что существует два основных типа транзисторов: устройства nMOS, которые пропускают ток, когда затвор открыт, и устройства pMOS, которые пропускают ток, когда затвор закрыт. Базовой структурой процессора, в который встроены транзисторы, является кремний. Кремний известен как полупроводник , потому что он не полностью проводит или изолирует; это где-то посередине.

Чтобы превратить кремниевую пластину в полезную схему путем добавления транзисторов, инженеры-технологи используют процесс, называемый легированием . Процесс легирования включает добавление тщательно отобранных примесей к базовой кремниевой подложке для изменения ее проводимости. Цель здесь — изменить поведение электронов, чтобы мы могли ими управлять. Так же, как есть два типа транзисторов, есть два основных соответствующих типа легирования.

Процесс изготовления пластины перед упаковкой чипов. Фото: Эван Лиссус

Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, таких как мышьяк, сурьма или фосфор, мы сможем создать область n-типа. Поскольку область кремния, на которую наносились эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она станет отрицательно заряженной. Вот откуда взялось название n-type и буква «n» в nMOS. Добавляя в кремний элементы-акцепторы электронов, такие как бор, индий или галлий, мы можем создать область p-типа, которая будет заряжена положительно. Вот откуда взялась буква «p» в словах p-type и pMOS. Конкретные процессы добавления этих примесей в кремний известны как Ion Implantation и Diffusion , и они немного выходят за рамки этой статьи.

Теперь, когда мы можем контролировать электропроводность определенных частей нашего кремния, мы можем комбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах, известные как МОП-транзисторы (полевые транзисторы на основе оксидов и полупроводников металлов), имеют четыре контакта. Ток, которым мы управляем, течет через Исток и Сток. В n-канальном устройстве он обычно поступает в сток и выходит из истока, в то время как в p-канальном устройстве он обычно проходит в исток и выходит из стока. Затвор — это переключатель, используемый для включения и выключения транзистора. Наконец, корпус устройства не имеет отношения к процессору, поэтому мы не будем его здесь обсуждать.

Физическая структура инвертора из кремния. Каждая окрашенная область имеет разные свойства проводимости. Обратите внимание на то, как различные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа.

Технических подробностей о том, как работают транзисторы и как взаимодействуют различные области, достаточно, чтобы заполнить курс колледжа для выпускников, поэтому мы коснемся только основ. Хорошей аналогией того, как они работают, является подъемный мост через реку. Автомобили, электроны в нашем транзисторе, хотели бы перетекать с одного берега реки на другой, исток и сток нашего транзистора. Используя в качестве примера устройство nMOS, когда затвор не заряжен, разводной мост поднят, электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем подъемный мост, мы образуем дорогу через реку, и автомобили могут свободно двигаться. То же самое происходит и в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий течь току.

Чтобы иметь возможность точно контролировать, где находятся различные p- и n-области кремния, такие производители, как Intel и TSMC, используют процесс, называемый фотолитографией . Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс, и компании тратят миллиарды долларов на его совершенствование, чтобы иметь возможность создавать меньшие по размеру, более быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте себе сверхточный принтер, который можно использовать для рисования шаблонов для каждой области на кремнии.

Процесс сборки транзисторов в микросхему начинается с чистой кремниевой пластины. Затем его нагревают в печи, чтобы вырастить тонкий слой диоксида кремния на верхней части пластины. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный полимер фоторезиста. Направляя свет определенной частоты на фоторезист, мы можем снять фоторезист в тех областях, которые хотим легировать. Это шаг литографии, и он похож на то, как принтеры наносят чернила на определенные области страницы, только в гораздо меньшем масштабе.

Пластину протравливают плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в месте удаления фоторезиста. Затем фоторезист удаляется, оставляя под ним только оксидный слой. Затем легирующие ионы могут быть нанесены на пластину, и они будут имплантироваться только там, где в оксиде есть промежутки.

Этот процесс маскирования, визуализации и легирования повторяется десятки раз для медленного создания каждого уровня характеристик в полупроводнике. После того, как базовый уровень кремния будет готов, сверху будут изготовлены металлические соединения для соединения различных транзисторов. Чуть позже мы подробнее расскажем об этих соединениях и металлических слоях.

Конечно, производители чипов не просто изготавливают транзисторы по одному. При разработке нового чипа они будут генерировать маски для каждого этапа производственного процесса. Эти маски будут содержать расположение каждого элемента из миллиардов транзисторов на кристалле. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются одновременно на одном кристалле.

После изготовления пластины отдельные матрицы нарезаются и упаковываются. В зависимости от размера чипа, каждая пластина может вмещать сотни и более чипов. Как правило, чем мощнее производимый чип, тем больше будет кристалл и тем меньше чипов производитель сможет получить с каждой пластины.

Легко думать, что мы должны просто делать массивные чипы, которые будут супермощными и с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым большим фактором, мешающим нам производить чипы все большего и большего размера, являются дефекты производственного процесса. Современные чипы имеют миллиарды транзисторов, и если хотя бы одна часть одного из них выйдет из строя, придется выбросить весь чип. По мере того, как мы увеличиваем размер процессоров, увеличивается вероятность того, что чип окажется неисправным.

Фактическая прибыль, которую компании получают от своих производственных процессов, держится в строжайшем секрете, но примерно от 70% до 90% является хорошей оценкой. Компании часто перепроектируют свои чипы с дополнительной функциональностью, поскольку они знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может разработать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный чип, поскольку, по их оценкам, одно или два ядра могут выйти из строя. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене в процессе, известном как 9.0428 биннинг .

Одним из наиболее важных маркетинговых терминов, связанных с производством микросхем, является размер элемента. Например, Intel работает над 10-нм техпроцессом, AMD использует 7-нм техпроцесс для некоторых графических процессоров, а TSMC начала работу над 5-нм техпроцессом. Что же означают все эти цифры? Традиционно размер элемента представляет собой минимальную ширину между стоком и истоком транзистора. По мере развития технологий мы смогли уменьшить наши транзисторы, чтобы иметь возможность помещать все больше и больше на один чип. По мере того, как транзисторы становятся меньше, они также становятся все быстрее и быстрее.

Глядя на эти цифры, важно отметить, что некоторые компании могут основывать свой размер процесса на размерах, отличных от стандартной ширины. Это означает, что процессы разного размера в разных компаниях могут фактически привести к созданию транзистора одного размера. С другой стороны, не все транзисторы в данном процессе также имеют одинаковый размер. Разработчики могут решить сделать одни транзисторы больше, чем другие, исходя из определенных компромиссов. Для данного процесса проектирования транзистор меньшего размера будет быстрее, поскольку для зарядки и разрядки затвора требуется меньше времени. Однако транзисторы меньшего размера могут управлять только очень небольшим количеством выходов. Если определенный элемент логики будет управлять чем-то, что требует большой мощности, например выходным контактом, его нужно будет сделать намного больше. Эти выходные транзисторы могут быть на несколько порядков больше внутренних логических транзисторов.

Снимок последнего процессора AMD Zen. Несколько миллиардов транзисторов составляют эту конструкцию.

Разработка и изготовление транзисторов — это только половина дела. Нам нужно построить провода, чтобы соединить все в соответствии со схемой. Эти соединения выполнены с использованием металлических слоев над транзисторами. Представьте себе многоуровневую транспортную развязку с въездами, съездами и разными дорогами, пересекающимися друг с другом. Именно это и происходит внутри чипа, хотя и в гораздо меньших масштабах. Различные процессы будут иметь разное количество металлических слоев межсоединения над транзисторами. По мере того, как транзисторы становятся меньше, требуется больше металлических слоев, чтобы иметь возможность направлять все сигналы. Предстоящий 5-нм техпроцесс TMSC включает 15 металлических слоев. Представьте себе 15-уровневую вертикальную транспортную развязку, и вы поймете, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.

Изображение под микроскопом ниже показывает решетку, образованную семью металлическими слоями. Каждый слой плоский, и по мере того, как они поднимаются выше, слои становятся больше, чтобы уменьшить сопротивление. Между каждым слоем находятся небольшие металлические цилиндры, известные как сквозные отверстия, которые используются для перехода на более высокий уровень. Каждый слой обычно чередуется в направлении от слоя под ним, чтобы помочь уменьшить нежелательные емкости. Нечетные металлические слои могут использоваться для выполнения горизонтальных соединений, а четные слои могут использоваться для выполнения вертикальных соединений.

Как вы понимаете, всеми этими сигналами и металлическими слоями очень быстро становится невероятно трудно управлять. Чтобы помочь решить эту проблему, используются компьютерные программы для автоматического размещения и разводки транзисторов. В зависимости от того, насколько продвинута конструкция, программы могут даже переводить функции высокоуровневого кода C в физическое расположение каждого провода и транзистора. Как правило, производители чипов позволяют компьютерам автоматически генерировать большую часть проекта, а затем они проходят и оптимизируют определенные критические участки вручную.

Когда компании хотят создать новый чип, они начинают разработку со стандартных ячеек, которые предоставляет компания-производитель. Например, Intel или TSMC предоставят разработчикам базовые компоненты, такие как логические вентили или ячейки памяти. Затем дизайнеры могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который они хотят создать. Затем они пришлют литейный цех, место, где необработанный кремний превращается в работающие чипы, макеты транзисторов чипа и металлических слоев. Эти макеты превращаются в маски, которые используются в процессе изготовления, о котором мы говорили выше. Далее мы увидим, как этот процесс проектирования может выглядеть для чрезвычайно простого чипа.

Сначала мы видим макет инвертора, который представляет собой стандартную ячейку. Перечеркнутый зеленый прямоугольник вверху — pMOS-транзистор, а прозрачный зеленый прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный провод — это поликремниевый затвор, синие области — металл 1, а фиолетовые области — металл 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металле 2.

 

Объединяя несколько вентилей, мы получаем базовую 1-битную арифметическую единицу. Этот дизайн может складывать, вычитать и выполнять логические операции на двух 1-битных входах. Перечеркнутые синие провода, идущие вертикально, представляют собой металлические 3 слоя. Квадраты чуть большего размера на концах проводов — переходные отверстия, соединяющие два слоя.

Наконец, собрав множество ячеек и около 2000 транзисторов, мы получили базовый 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырех металлических слоях. Глядя на то, насколько это сложно, можно только представить сложность разработки 64-битного процессора с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и более чем 20 стадиями конвейера. Учитывая, что современные высокопроизводительные процессоры могут иметь от 5 до 10 миллиардов транзисторов и дюжину металлических слоев, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее этого.

Это должно дать вам понимание того, почему ваш новый ЦП был дорогостоящим технологическим продуктом или почему у AMD и Intel так много времени уходит на выпуск продукции. Обычно требуется от 3 до 5 лет, чтобы новый чип прошел путь от чертежной доски до рынка. Это означает, что сегодня самые быстрые чипы изготавливаются по технологии, которой несколько лет, и что мы не увидим чипов с современными технологиями производства еще много лет.

На этом мы закончили наше глубокое погружение в то, как создаются процессоры.

В четвертой и последней части серии мы вернемся из физического мира и посмотрим на текущие тенденции в отрасли.