Những điều bất ngờ mà máy quét CT đã phát hiện bên trong gói gốm của bộ xử lý 386

• Bộ vi xử lý Intel 386 được tung ra vào năm 1985 như chip x86 32-bit đầu tiên
• Kết quả quét CT 3D của Lumafield cho thấy bên trong vỏ gốm có 6 lớp dây dẫn phức tạp và các đường tiếp xúc kim loại ở cạnh gần như không thể nhìn thấy
• Việc áp dụng hai mạng điện riêng cho I/O và mạch logic giúp nâng cao độ ổn định của chip
• Trong quá trình sản xuất, các dây nhỏ bên hông nối ra ngoài được sử dụng để mạ vàng (plating) cho từng chân
• Độ phức tạp của gói 386 được xem là một bước tiến kỹ thuật có ý nghĩa ngay cả khi so sánh với các gói của bộ xử lý hiện đại

---

Phân tích cấu trúc bên trong của gói gốm bộ xử lý 386

Giới thiệu vi xử lý 386 và ngoại hình

• Bộ vi xử lý 386 được Intel tung ra năm 1985, là chip 32-bit đầu tiên của dòng x86
• Chip nằm trong gói gốm hình vuông có 132 chân mạ vàng nhô ra ở mặt dưới
• Mặc dù vẻ ngoài trông đơn giản, bên trong lại tồn tại cấu trúc phức tạp ngoài dự kiến

Phát hiện cấu trúc bên trong bằng quét CT

• Kết quả quét CT 3D của Lumafield cho thấy bên trong gói gốm có 6 lớp dây dẫn phức tạp
• Trong không gian chip có các dây kim loại gần như không nhìn thấy được, kết nối với phía bên của gói
• Mạng điện nguồn và ground riêng cho I/O và mạch logic CPU được cấu hình bên trong

Gói gốm, pad và dây nối

• Gói 386 có 2 tầng (2-tier) tiếp điểm kim loại xung quanh vi mạch (die)
• Đường kính của bond wire khoảng 35 μm, mỏng hơn sợi tóc
• Thông qua bond wire, tín hiệu và điện năng được kết nối theo kiểu phân tầng giữa die-pad-chân-mainboard
• Bên trong có cấu trúc tương tự mạch in 6 lớp bằng vật liệu gốm

Sản xuất gốm và cấu trúc điện cực

• Quá trình bắt đầu bằng tấm green sheet gốm mềm dẻo (hỗn hợp chất kết dính), sau đó cắt via và tạo dây
• Nhiều lớp được xếp chồng, rồi nung ở nhiệt độ cao để tạo cấu trúc bền chắc
• Sau khi mạ vàng cho chân và tiếp điểm bên trong, chúng được nối với die bằng bond wire vàng và hoàn thiện bằng cách hàn nắp kim loại
• Sau khi kiểm tra và dán nhãn mới được xuất xưởng

Cấu trúc lớp dây dẫn (lớp tín hiệu/lớp nguồn)

• Lớp tín hiệu: các pad vỏ của gói và chân được nối bởi các đường kim loại, sau đó kết nối với die bằng bond wire
• Lớp nguồn: gồm nhiều lỗ via và pin via trên một mặt dẫn điện phẳng (plane)
• Giữa lớp nguồn và lớp tín hiệu có nhiều kết nối via tạo nên giao diện phân tầng cho hệ dây dẫn

Dây bên hông cho mạ điện (Electroplating Contacts)

• Trong quá trình sản xuất, để biến mỗi chân thành cực âm (cathode) cho mạ vàng, mỗi chân được nối bằng dây nhỏ riêng tới cạnh gói
• Dây này chỉ có thể nhận ra rất khó ở phần góc của gói, và quét CT giúp quan sát trực quan được cấu trúc kết nối bên trong

Dự phòng mạng nguồn

• 20 chân Vcc và 21 chân Vss của 386 lần lượt nối đến nguồn +5V và ground
• Tách riêng nguồn và ground cho I/O và mạch logic nhằm ngăn dao động điện áp từ hoạt động I/O xâm nhập vào mạch logic
• Mặc dù bo mạch chủ dùng cùng nguồn này, tụ khử nhiễu (decoupling capacitor) ngăn spike điện áp, giúp đảm bảo ổn định cho mạch logic

Vai trò của chân No Connect (NC)

• Gói 386 có 8 chân NC (không được nối)
• Mức đệm (pad) trên die vẫn có mặt, nhưng một số không thực sự có dây bond nối
• Các NC pad này có thể được dùng trong quá trình kiểm tra để truy cập tín hiệu bên trong
• Có một chân NC thực sự được nối, cho phép quan sát các tín hiệu bất thường thông qua chân này

Ánh xạ chân của pad trên die

• Không như cấu trúc DIP, với cấu trúc PGA thì ánh xạ giữa chân và pad không rõ ràng
• Phân tích dữ liệu CT cho phép theo dõi mối liên kết giữa từng pad trên die và các chân bên ngoài
• Thông tin này gần như chưa được công bố rộng rãi

Lịch sử và sự thay đổi đóng gói của Intel

• Các bộ xử lý Intel đầu tiên bị giới hạn về số chân và kích thước gói nhỏ khiến hiệu năng bị ràng buộc
• Từ 386, gói gốm 132 chân đã cải thiện khả năng mở rộng, hiệu năng và hiệu quả tản nhiệt
• Tuy nhiên khi giá gói gốm vượt quá giá chip die, phiên bản gói nhựa (PQFP) cũng được đưa vào để sản xuất hàng loạt chi phí thấp hơn
• Bộ xử lý hiện đại có tới 2049 bumps hàn (BGA) hoặc 7529 tiếp điểm (LGA), cho thấy số kết nối đã tăng vọt

Kết luận

• Gói 386 về bên ngoài trông đơn giản nhưng áp dụng công nghệ khá phức tạp như tiếp điểm mạ điện, dây dẫn 6 lớp và mạng nguồn kép
• Bên trong các bộ xử lý hiện đại còn có nhiều cấu trúc ẩn và bí mật kỹ thuật hơn nữa

[GN⁺]

Ý kiến Hacker News

• Những suy nghĩ cũ của mình lại trỗi dậy; mình từng phân tích đặc tính mỏi nhiệt-cơ lặp lại của package bằng CAD, FEA và thử nghiệm thực tế, và kết quả cho thấy trong phần lớn trường hợp đây không phải là vấn đề lớn. Dù vậy, mình vẫn không khuyên nên bật/tắt nguồn mỗi ngày cho một chiếc PC cũ trong bảo tàng.

  • Mình không rõ cách thức thực hiện kiểm tra độ bền/sống sót trong VLSI như thế nào; muốn biết thử nghiệm thực nghiệm đã được làm theo kiểu gì, ví dụ việc lấy mẫu Xeon (Jayhawk) thời Pentium 5 và Intel nhận ra vấn đề nhiệt ở thời điểm nào.
  • Mình nghĩ rằng thay vì chạy cả chiếc PC 24/7 ở bảo tàng, việc giữ nhiệt độ ổn định với thiết bị điều khiển nhiệt để làm ấm bề mặt chip thôi có thể là phương án chi phí hiệu quả hơn thay cho quạt làm mát.

• Mình viết bài này vì tò mò về quét CT :-)

  • Đây không phải là câu chuyện về CT, mà là câu hỏi về bản thân chip: các dây bond wire dường như bị để lộ ra ngoài không khí; mình muốn biết nếu làm rơi thì dây bond wire có thể dịch chuyển và gây chập hay không. Cảm ơn vì câu hỏi.
  • Hỏi thật lòng vì mình rất tò mò: ở Nga của mình thì không truy cập được website này. Mình muốn biết đó là do giới hạn truy cập hay do nhà cung cấp internet của mình, vì có vẻ như ai đó đang làm cản trở việc nghiên cứu CPU legacy của Intel của mình. Gửi lời ngưỡng mộ cho phần công việc này.
  • Mình là sinh viên đang học CT trong y học; muốn biết nên dùng thông số kVp/mAs nào và cách tránh các artifact xuất hiện thường xuyên trong CT y tế.
  • Mình tự hỏi liệu các pin trông như được nối với nhau có được ngắt có chủ đích không, tức là ban đầu chúng nối trong quá trình sản xuất rồi mới ngắt khi có một tín hiệu nào đó hay không.
  • Mình tò mò CPU có bị phá hủy trong quá trình này hay mẫu này đã được lắp lại hay không.

• kens - Có vẻ như sắp xếp chân được đặt ra để giúp thiết kế traces trên mainboard dễ hơn; thật sự có phải như vậy không?

• Rất vui khi có người chia sẻ thông tin về đóng gói hybrid; những thông tin nền tảng phổ quát như thế này rất có giá trị với kỹ sư mới. Sơ đồ dây này không phức tạp bằng các hybrid quân sự cũ, và dù có 6 lớp nhưng chỉ gồm một monolithic.

• Mình từng đi hội chợ máy tính khoảng 1989; bố mình đã mua cho mình một PC 386 DX 25MHz, 4MB RAM và ổ cứng 40MB. Đây là một bước nâng cấp khổng lồ so với chiếc Tandy 286 16MHz mà mình đang dùng. 25MHz khi đó cũng có vẻ khá nổi tiếng, còn model 33MHz thực sự “đáng kinh ngạc” nhưng giá rất cao. Việc đến hội chợ máy tính thật sự là trải nghiệm rất thú vị.

  • Cũng đã nhanh theo chuẩn năm 1989; đầu thập niên 1990 mình mới thấy Gateway đầu tiên với 50MHz, 8MB RAM. Chỉ với MS Paint và MS Word đã có thể vui đùa tạo hình và chuyện kể cùng em trai, rồi sau đó biết đến MS DOS, QBasic và giờ đang ngồi bình luận trên HN này.
  • PC đầu tiên của mình là 386DX40 của AMD do bố mua khi vào năm 1991. Cả chiếc máy đó lẫn chiếc Spectrum +3 bố mua sớm hơn một năm trước đều là ký ức đẹp.

• Điều ấn tượng là câu chuyện về sự cố chấp chỉ dùng 16 chân và ngần ngại dùng thêm chân trong quá khứ. Điều thú vị là ngay cả những hãng sau này thành công cũng không hẳn lúc nào cũng đưa ra quyết định đúng từ sớm; ban đầu có những giả định kỳ quặc, thậm chí có hại, nhưng cuối cùng sự hợp lý đã thắng thế.

  • Cũng nên nhớ rằng chi phí đóng gói tại Mỹ thời điểm đó thực sự rất đắt, và mình còn nhớ trong một video của Asianometry có một doanh nhân Nhật kể rằng khoảng những năm 70, khi sang Texas anh ta thấy lead frame đắt đến mức kinh khủng, rồi đi sản xuất ở Nhật rẻ hơn để xuất khẩu. Tiếc là không tìm lại được đúng đoạn đó.

• Nếu ảnh CT lớp 2 của “Signals” được đặt vào nền logo “Intel Inside”, chắc hẳn sẽ cảm nhận được đúng tinh thần thẩm mỹ của thời kỳ đó. Đằng sau những câu hỏi trừu tượng trong công việc của kens, cảm giác phát hiện ra một cấu trúc đẹp một cách tình cờ là tuyệt vời nhất. Cảm ơn về công việc này.

• Theo mình, những gói gốm cổ điển này là đỉnh cao của vẻ đẹp trong thiết kế chip.

• Thú vị là Cyrix 486DLC đã tận dụng 7 trong số 8 chân ghi là “NC” (No Connect) trên 386. A20M#(F13): Hỗ trợ cache L1 toàn RAM nếu mainboard cho phép, không cần loại trừ 64KB đầu tiên. FLUSH#(E13): Có thể dùng để flush L1 khi mainboard hỗ trợ mà không cần hack; hack này (BARB mode) trước kia trông có vẻ khá thông minh, nhưng vì mọi người đều dùng DMA của Sound Blaster nên cache liên tục bị vô hiệu hóa trong khi chơi game. RPLSET(C6), RPLVAl(C7): Dùng cho debug trạng thái L1 cache. SUSP#(A4), SUSPA#(B4): Hỗ trợ suspend, wake-up bằng INT/NMI; tốt cho laptop. Thật bất ngờ, một trong những chân No Connect (B12) thực tế có dây bond wire gắn vào, và Cyrix dùng chân đó làm input KEN# (kích hoạt L1 cache). Trong CPU Intel chỉ có duy nhất một chân NC là output thực sự, nhưng Cyrix lại thiết kế để kéo xuống mức thấp nhằm kích hoạt cache.

• Mình tò mò A0, A1 pin địa chỉ nằm ở đâu.

  • 386 là bộ xử lý 32-bit nên nó đánh địa chỉ theo word 32-bit, vì vậy không cần A0, A1 địa chỉ bit. Nhưng khi muốn đọc 1 byte hoặc word 16-bit, 4 pin Byte Enable (BE0#~BE3#) sẽ chỉ định byte nào được truyền. Dù vậy kiến trúc này không thực sự gọn gàng: nếu 16-bit thấp của data bus không được dùng, 16-bit cao sẽ được nhân đôi lên 16-bit thấp để bus 16-bit làm việc hiệu quả hơn.