Melihat ke dalam coprocessor Intel 8087

Sedikit sejarah pengembangan jajaran prosesor delapan bit yang diproduksi oleh Intel

Garis prosesor delapan-bit memulai sejarahnya pada bulan April 1972. Intel 8008 pada awalnya direncanakan untuk digunakan dalam kalkulator, perangkat input-output, tetapi produsen, setelah "refleksi" yang baik, memutuskan untuk menemukan tujuan baru untuk lineup - untuk menjadi prosesor utama PC. Tergantung pada modifikasi prosesor, frekuensi clock adalah 500 atau 800 KHz, dan kinerjanya adalah 45000-160000 operasi per detik.


Intel C8008

Pada April 1974, Federico Faggini dan Masatoshi Shima mengembangkan jajaran prosesor baru - Intel 8080 . 6.000 transistor ditempatkan dalam paket keramik 40-pin, bus alamat 16-bit, dan bus data 8-bit, memori yang dapat dialamatkan 64 KB. Frekuensi clock adalah 2 MHz, dan kinerjanya mencapai 500.000 operasi per detik. Agar prosesor menjadi "nyaman", coprocessor aritmatika, generator jam, pembentuk bus, timer, pengontrol perangkat periferal, dll. Dikembangkan.


Intel 8080A

Dua tahun kemudian, pada Maret 1976, jalur Intel 8085 melihat cahaya: 6500 transistor ditempatkan dalam wadah keramik 40-pin (atau plastik). Frekuensi clock berkisar antara 3 hingga 8 MHz, lebar bus data adalah 8 bit, lebar bus alamat 16 bit, memori yang dapat dialamatkan adalah 64 Kb. Baris ini telah berhasil "terlibat" dalam PC atau dalam bentuk mikrokontroler.



Pada Juni 1978, produksi dimulai pada lini pertama perusahaan dengan prosesor enam belas-bit - Intel 8086 : 29.000 transistor ditempatkan pada chip 5,5 x 5,5 mm. Frekuensi clock berkisar antara 5 hingga 10 MHz, kinerja berkisar antara 330 hingga 750 ribu operasi per detik, lebar bus data adalah 16 bit, dan lebar bus alamat adalah 20 bit.


Intel 8086

Setahun kemudian, pada musim panas 1979, Intel merilis jalur 8088 - tautan transisi antara prosesor 8 dan 16-bit: 29.000 transistor, frekuensi clock 5-10 MHz. Tetapi jalur 8088 tidak menjadi populer karena biayanya yang tinggi.


Intel P8088

Coprosesor 8087

Pada Juni 1980, jajaran prosesor Intel 8087 dirilis untuk Intel 8086, 8088. Koprosesor semacam itu memuat 45.000 transistor, frekuensi clock dalam berbagai versi berkisar antara 4 hingga 10 MHz.


Intel C8087

Coprocessor matematika adalah modul khusus untuk melakukan operasi floating point, yang bekerja bersama dengan prosesor pusat.

Untuk menghemat uang dari kemewahan seperti coprocessor, mereka hanya menolak. Tetapi untuk menyelesaikan tugas-tugas padat karya, misalnya, perhitungan teknik yang sama, meningkatkan kinerja komputer telah menjadi suatu keharusan. Mereka berhasil meningkatkan kinerja karena modul khusus - coprocessor matematika.

Menurut INTEL, coprocessor matematika dapat mengurangi waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan operasi matematika, seperti perkalian, pembagian, dan eksponensial, hingga 80 persen atau lebih. Kecepatan melakukan operasi matematika sederhana, seperti penjumlahan dan pengurangan, tidak berubah.

Di dalam chip mikroprosesor Intel 8087

Melihat ke dalam Intel 8087 floating point, saya perhatikan fitur menarik pada chip: skema pembentukan bias substrat. Pada artikel ini, saya akan menjelaskan bagaimana rangkaian ini diimplementasikan menggunakan sirkuit analog dan digital untuk membuat tegangan negatif.

Intel mengembangkan chip 8087 pada tahun 1980 untuk meningkatkan kinerja PC dengan prosesor lini 8086/8088 (seperti PC IBM) saat melakukan operasi floating point. Karena mikroprosesor pertama dirancang untuk melakukan operasi dengan bilangan bulat, pelaksanaan operasi dengan angka floating point lambat, yang dapat dikatakan tentang kinerja operasi transendental, seperti fungsi trigonometri atau logaritma. Coprocessor 8087 secara signifikan meningkatkan kecepatan melaksanakan tugas floating point, semuanya dilakukan hampir 100 kali lebih cepat. Arsitektur 8087 juga diimplementasikan pada prosesor Intel yang lebih baru, dan instruksi 8087 masih digunakan pada PC x86 modern.

Lebih dari 60 instruksi baru diperkenalkan untuk coprocessor, yang namanya dimulai dengan "F" untuk membedakannya dari instruksi integer Intel 8086.

Saya membuka chip 8087 dan, menggunakan mikroskop kinerja tinggi, mengambil foto, sebagai hasil dari tata letak mereka, saya mendapatkan gambar berikut:



Kristal 8087 sangat kompleks, berisi 40.000 transistor (menurut Intel) atau 45.000 (menurut Wikipedia). Di foto ada lapisan logam chip, koneksi berada di atas chip. Garis putih paling tebal memberikan daya dan pentanahan untuk semua bagian chip. Di bawah lapisan logam adalah polisilikon atau silikon, dari mana transistor dari chip terbentuk.

Di bagian bawah chip adalah rangkaian aritmatika 80-bit yang diperluas: adder, register, switch, konstanta matematika. Kotak besar di tengah chip adalah mikrokode yang mengimplementasikan seperangkat instruksi prosesor. Di bagian atas adalah sirkuit logika dan sirkuit bus yang dipasangkan dengan prosesor 8086.

Garis hitam di sekitar chip dalam foto adalah senyawa termokompresi kecil yang menghubungkan bantalan kontak IC (bagian konduktif logam dari bentuk persegi atau persegi panjang, terletak terutama di sekitar pinggiran kristal atau substrat) dengan 40 kontak pada chip. Mempelajari deskripsi teknis 8087, tidak sulit untuk menentukan area kontak mana pada matriks yang sesuai dengan kontak mana dari rangkaian mikro; 40 pin chip (bernomor berlawanan arah jarum jam) terhubung ke 40 bantalan pada chip.

Di bawah ini adalah gambar bagian dari matriks yang diperbesar, di atasnya kita dapat mempertimbangkan bantalan kontak dengan lebih baik. (Harap dicatat bahwa terminal pentanahan dan bantalan daya +5 V memiliki beberapa koneksi secara bersamaan, yang meningkatkan jumlah arus yang dikirim). Tapi di sini ada "kejutan" - ada bantalan kontak tambahan dan koneksi yang terletak di antara bantalan kontak 40 dan 1, dan tidak terkait dengan salah satu kontak sirkuit mikro.



Melihat koneksi termokompresi dari kabel pada chip (gambar di bawah), ternyata panel kontak misterius tidak terhubung ke kontak apa pun, tetapi terhubung ke blok kecil berbentuk kubus. "Kubus" ini terletak pada dasar logam yang sama dengan kristal, dihubungkan ke substrat silikon chip, yaitu papan.

Saya melakukan analisis rekayasa teknologi manufaktur dengan tujuan mengungkapkan "rahasia perusahaan" dan sampai pada kesimpulan bahwa ini adalah bagian dari rangkaian bias substrat 8087 di mana senyawa ini digunakan untuk menerapkan tegangan negatif ke substrat. Bagaimana cara kerja sirkuit ini?

Apa yang dimaksud dengan offset media?

Pada tahun 1970-an, sirkuit terpadu kepadatan tinggi dibangun dari transistor n-MOS (transistor efek medan dengan gerbang terisolasi dan saluran tipe-n). Gambar di bawah ini dengan jelas menunjukkan struktur mereka. Basis chip adalah substrat silikon. Transistor, pada gilirannya, juga terbuat dari silikon. Untuk mengubah jenis konduktivitas dan konsentrasi pembawa dalam jumlah besar semikonduktor untuk memperoleh sifat yang diinginkan, daerah silikon didoping dengan pengotor untuk membuat daerah difusi dengan sifat yang diinginkan. Transistor dapat dianggap sebagai resistor, memungkinkan arus mengalir di antara dua area difusi sumber dan tiriskan. Transistor dikendalikan oleh gerbang yang terbuat dari polisilikon. Tegangan input di gerbang mengontrol aliran arus dari sumber ke saluran: sinyal tegangan tinggi di gerbang memungkinkan arus mengalir dari sumber ke saluran, sedangkan sinyal tegangan rendah menghalangi arus. Lapisan oksida isolasi memisahkan gerbang dari silikon di bawahnya; pentingnya lapisan ini akan dipertimbangkan nanti. Transistor kecil ini dapat digabungkan untuk membentuk gerbang logika, komponen mikroprosesor, dan kristal IC digital lainnya.



Dalam sirkuit terpadu berkinerja tinggi, menguntungkan untuk menggunakan "bias" negatif dari tegangan melintasi substrat. Untuk mendapatkan tegangan bias substrat ini, banyak chip pada 1970-an memiliki kontak eksternal yang terhubung ke -5V. Namun, para insinyur tidak menyukai chip yang membutuhkan tegangan tambahan. Keripik era itu sering membutuhkan tiga catu daya. Selain itu, jumlah kontak pada IC terbatas (sebagai aturan, hanya 18 kontak untuk chip memori). Oleh karena itu, penggunaan dua kontak lagi untuk tegangan tambahan bukanlah solusi yang baik. Solusi parsial ditemukan pada akhir 1970-an: chip menghasilkan tegangan bias negatif di dalamnya. Jadi ada chip di mana satu power supply + 5V nyaman digunakan, dan ini jelas memungkinkan para insinyur untuk menjadi "lebih bahagia."

Di dalam rangkaian bias substrat 8087

Anda mungkin bertanya-tanya bagaimana sebuah chip dapat mengubah tegangan positif menjadi tegangan negatif. Jawabannya adalah sirkuit pompa pengisian yang disebut pompa pengisian. Menggunakan kapasitor sebagai perangkat penyimpanan muatan, yang ditransfer dari satu kapasitor ke yang lain menggunakan sistem sakelar. "Generator bias" pada 8087 memiliki dua pompa pengisian pada gilirannya. Diagram di bawah ini menunjukkan operasi dari satu pompa pengisian. Pompa pengisian dikendalikan oleh sinyal berosilasi (Q) dan inversinya (Q). Pada tahap pertama, transistor atas dihidupkan, sebagai akibatnya kapasitor dibebankan hingga 5 volt relatif ke tanah. Tahap kedua adalah tempat keajaiban terjadi. Transistor yang lebih rendah dihidupkan dengan menghubungkan sisi tegangan tinggi dari kapasitor ke ground. Karena kapasitor masih mengisi hingga 5 volt, sisi bawah kapasitor sekarang harus -5 volt, menciptakan tegangan output negatif yang diinginkan. Ketika osilator membalik lagi, transistor atas menyala dan siklus berulang. Pompa pengisian mendapatkan namanya, karena pompa mengisi muatan dari pintu keluar ke tanah. Pompa pengisian mirip dengan pompa air manual.



Saya memeriksa chip di bawah mikroskop. Lapisan logam menyembunyikan transistor di bawah ini, dan ini membuat sulit untuk melihat rangkaiannya. Tetapi, setelah menghilangkan lapisan logam dengan asam klorida, saya sampai pada lapisan polisilikon dan silikon, “menemukan” transistor dan kapasitor, ditunjukkan di bawah ini. (Area berwarna hanyalah kebisingan, karena beberapa oksida tidak sepenuhnya dihilangkan). Foto di bawah ini menunjukkan dua pompa pengisian: satu di sebelah kiri panel kontak, dan yang kedua di bawah. Setiap pompa pengisian daya sesuai dengan skema memiliki dua dioda, kapasitor besar dan dua transistor.



Kapasitor adalah "fitur" yang paling mencolok dari rangkaian bias media. Meskipun ukuran mereka sebenarnya mikroskopis, mereka sangat besar dengan standar untuk mengukur dimensi chip. Area kapasitor kira-kira seperti memori register 72 bit (lebih dari 400 transistor). Setiap kapasitor terdiri dari polisilikon di atas bagian silikon yang dipisahkan oleh oksida isolasi; polisilikon dan pelat silikon bentuk kapasitor. Dalam foto tersebut, kapasitor dihiasi dengan kotak; kotak-kotak ini adalah kontak antara polisilikon (atau silikon) dan lapisan logam di atasnya. (Lapisan logam tidak terlihat karena telah dihapus).

Empat transistor kontrol adalah transistor daya tinggi. Ukurannya lebih unggul dari transistor konvensional. Garis merah adalah senyawa polisilikon yang membentuk rana. Garis hijau - kontak ke lapisan logam, menghubungkan transistor ke +5 V atau ground. Dioda di dekat papan kontak terbentuk dari transistor ketika gerbang dan saluran air terhubung.

Pompa pengisian digerakkan oleh osilator melingkar, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Osilator melingkar ini terdiri dari lima inverter dalam hubungan pendek. Karena jumlah inverter aneh, sistem tidak stabil dan akan berosilasi. Misalnya, jika input untuk inverter pertama adalah 0, output dari inverter kelima adalah 1. Untuk memperlambat kecepatan osilasi, ada dua sirkuit kapasitif resistif dalam sebuah lingkaran. Karena memerlukan waktu untuk mengisi dan mengeluarkan kapasitor, osilasi akan melambat, yang akan memberi waktu agar pompa pengisian berfungsi.



Sebelum menguraikan informasi pada osilator melingkar, saya akan menunjukkan bagaimana inverter NMOS standar dalam silikon diimplementasikan. Yang ditunjukkan di bawah ini adalah inverter, representasi skematisnya dan cara penerapannya pada sebuah chip. Inverter menggunakan transistor dan resistor beban (yang sebenarnya merupakan transistor). Jika sinyal input rendah, transistor mati, maka resistor beban memasok hingga +5 V. Jika sinyal input tinggi, transistor dihidupkan, tegangan output disuplai ke ground. Dengan demikian, rangkaian membalikkan input.



Silikon yang didoping dalam gambar adalah area besar warna krem. Bercak kuning tipis di sebelah ungu adalah polisilikon. Masukan adalah kawat polisilikon. Di mana ia bersinggungan dengan silikon yang diolah, ia membentuk gerbang transistor antara tanah (di bawah input) dan output (di atas input). Sebuah resistor beban diimplementasikan dalam transistor yang memiliki gerbang dan tiriskan yang terhubung bersama; kontak ini membentuk hubungan ini antara gerbang silikon polikristalin transistor dan tiriskan silikonnya. Polysilicon juga membentuk kawat keluaran. Dengan demikian, inverter pada chip diimplementasikan dengan dua transistor.



Foto di atas menunjukkan bagaimana osilator melingkar terbentuk pada kristal. Kelima inverter ditampilkan. Setiap inverter memiliki arah yang berbeda, yang mengoptimalkan struktur.Ristor dan kapasitor dari rangkaian RC juga ditunjukkan. Resistor hanyalah transistor dengan jarak yang besar antara sumber dan saluran, yang mengurangi pergerakan arus. Kapasitor dirancang sebagai kapasitor pompa pengisian, tetapi ukurannya jauh lebih kecil; silikon di bagian bawah dan polisilikon di atas pelat kapasitor bentuk dipisahkan oleh lapisan oksida isolasi tipis.

Kesimpulan

Generator tegangan bias media pada chip 8087 adalah kombinasi yang menarik dari sirkuit digital (osilator melingkar yang dibentuk dari inverter) dan pompa pengisian analog. Rangkaian generator tegangan bias substrat diperkenalkan pada akhir 1970-an, yang memungkinkan chip memori dan mikroprosesor beroperasi pada catu daya +5 V. Ini jauh lebih nyaman daripada menggunakan tiga sumber tegangan yang berbeda. Generator bias substrat menghasilkan tegangan negatif dari tegangan suplai positif menggunakan pompa pengisian.

Meskipun generator bias tegangan mungkin tampak seperti momen yang tidak jelas dalam sejarah komputer tahun 1970-an, proses ini masih merupakan bagian dari sirkuit terpadu modern, meskipun semuanya menjadi jauh lebih rumit.

Terlepas dari kenyataan bahwa chip Intel 8087 floating-point dikembangkan dan dioperasikan 38 tahun yang lalu, "pengaruhnya" sangat jelas saat ini. Berkat penampilannya, standar IEEE 754, “standar IEEE yang menggambarkan format untuk mewakili angka floating-point, diadopsi. Ini digunakan dalam perangkat lunak (kompiler dari berbagai bahasa pemrograman) dan implementasi perangkat keras (CPU dan FPU) operasi aritmatika (operasi matematika). " Instruksi 8087 tetap menjadi bagian dari prosesor x86.

Catatan dan tautan

1. Lebih dari 60 instruksi baru diperkenalkan untuk coprocessor, nama yang dimulai dengan "F" untuk membedakannya dari instruksi integer Intel 8086. Misalnya, analog dari perintah ADD / MUL / CMP pada 8087 tampak seperti FADD / FMUL / FCOM . Instruksi ini diimplementasikan menggunakan perintah "escape" 8086 ESC, yang dirancang untuk memungkinkan prosesor 8086 untuk berkomunikasi dengan coprocessor.

Munculnya coprocessor menyebabkan penciptaan standar IEEE 754 pada tahun 1985 untuk aritmatika floating point;

2. Penerapan tegangan bias negatif ke media memiliki beberapa keunggulan. Ini mengurangi kapasitansi liar, yang mempercepat operasi chip, membuat tegangan ambang transistor lebih dapat diprediksi dan mengurangi arus bocor.

3. Sebelumnya, DRAM dan chip mikroprosesor sering membutuhkan tiga sumber tegangan: + 5 V (Vcc), + 12V (Vdd) dan -5V (Vbb). Pada akhir 1970-an, teknologi chip canggih memungkinkan penggunaan sumber daya tunggal. Sebagai contoh, Mostek MK4116 (DRAM 16-kilobyte sejak 1977) membutuhkan tiga sumber tegangan, sedangkan MK4516 (1981) yang canggih bekerja pada +5 V saja, sehingga menyederhanakan desain perangkat keras. Hal yang sama terjadi dengan chip Intel: 2116 DRAM (16K, 1977) menggunakan tiga tegangan dan meningkat 2118 (1979) - satu tegangan. Mikroprosesor Intel 8080 (1974) yang terkenal menggunakan transistor yang beroperasi dalam mode pengayaan, oleh karena itu diperlukan tiga voltase. Versi yang ditingkatkan, 8085 (1976), menggunakan transistor deplesi dan ditenagai oleh catu daya +5 V tunggal.

4. Catu daya ketiga (+12 V) dalam chip lama tidak terkait dengan bias media. Sumber ini digunakan karena pada awal MOS sirkuit terpadu ada transistor yang beroperasi dalam mode pengayaan, meningkatkan tegangan di gerbang. +5 , +12 . 1970- ( ) , +12 .

5. . - , , -3 , -5 . . , .

, . ? ? , 30% entry-level , : VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps $20 ? ( RAID1 RAID10, 24 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps , .

Dell R730xd 2 ? 2 Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 $249 ! . c Dell R730xd 5-2650 v4 9000 ?