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      2. 有史以來最具影響力的芯片:42年歷史的8086裸片拆解分析

        2020-07-16 16:26:12 來源:EETOP

        英特爾8086微處理器是在42年前的上個月推出的, 我們為此款芯片制作了一些高分辨率的裸片以示紀念。8086是有史以來最有影響力的芯片之一。它開創了x86體系結構,該體系結構如今仍占據著臺式機和服務器計算的主導地位。下圖是8086的裸片照片。在這張照片中,可以看到芯片的金屬層,大部分遮住了其下的硅片層。在裸片的邊緣,細細的綁定線提供了芯片上的焊盤和外部引腳之間的連接。(電源和接地焊盤各有兩根綁定線,以支持較大的電流)。該芯片在當時是很復雜的,包含29000個晶體管。

        觀察芯片內部大多數集成電路都是用環氧樹脂封裝的,為了觀察到內部的裸片,對于環氧樹脂封裝的芯片我們需要用到危險的酸來溶解封裝。為了避免這種情況,我采用陶瓷封裝的8086來替代。打開陶瓷封裝很簡單,就是用鑿子沿著縫隙敲擊,然后將陶瓷頂蓋彈開即可。

        40引腳陶瓷DIP封裝的8086芯片除去頂部,可以在中心看到硅芯片。芯片通過微小的綁定線連接到芯片的金屬引腳。這是40針DIP封裝,當時是微處理器的標準封裝。請注意,硅芯片本身僅占芯片尺寸的一小部分。

        8086芯片在集成電路封裝的中間

        我們采用冶金顯微鏡拍攝了數十張裸片的照片,并使用名為Hugin的程序將它們貼合成高分辨率的圖像,文章開頭的照片顯示了芯片的金屬層,但該層隱藏了其下方的硅。

        在顯微鏡下,可以看到8086部件號以及版權日期。綁定線連接到焊盤和位于頂部的一部分微碼ROM

        對于下面的管芯照片,去除了金屬和多晶硅層,顯示了具有29,000個晶體管的底層硅。2 標簽是根據我的逆向工程顯示的主要功能塊。芯片的左側包含16位數據路徑:芯片的寄存器和算術電路。加法器和高位寄存器構成與外部存儲器通信的總線接口單元,而低位寄存器和ALU構成處理數據的執行單元。

        芯片的右側具有控制電路和指令解碼,以及控制每個指令的微碼ROM。在下面的芯片照片中,去掉了金屬和多晶硅層,顯示了底層的硅和29,000個晶體管。

        標簽顯示了主要的功能塊。芯片的左側包含16位數據通路:寄存器和算術電路。加法器和上層寄存器構成與外部存儲器通信的總線接口單元,下層寄存器和ALU構成處理數據的執行單元。芯片的右側有控制電路和指令解碼,以及控制每條指令的微碼ROM。

        標識出主要功能塊的8086微處理器的裸片。

        8086的一個特點是指令預取,它通過在需要指令之前從內存中獲取指令來提高性能。這是由左上方的總線接口單元實現的,它可以訪問外部存儲器。高位寄存器包括8086的臭名昭著的段寄存器,它提供對比16位地址所允許的64 KB更大的地址空間的訪問。對于每次存儲器訪問,都添加了段寄存器和存儲器偏移量以形成最終的存儲器地址。

        為了提高性能,8086有一個單獨的加法器用于這些內存地址計算,而不是使用ALU。高位寄存器還包括六個字節的指令預取緩沖區和程序計數器。芯片的左下角存放著執行單元,該單元用于執行數據操作。低位寄存器包括通用寄存器和堆棧指針等索引寄存器。16位ALU執行算術運算(加減法)、布爾邏輯運算和移位。ALU不執行乘法或除法,這些運算是通過一連串的移位和加/減法來完成的,所以速度相對較慢。微碼計算機設計中最困難的部分之一就是創建控制邏輯,該邏輯用來告知處理器的每個部分如何執行每條指令。

        1951年,莫里斯·威爾克斯(Maurice Wilkes)提出了微代碼的想法:代替由復雜的邏輯門電路構建控制邏輯,可以用稱為微代碼的特殊代碼代替控制邏輯。為了執行一條指令,計算機在內部執行一些更簡單的微指令,這些指令由微碼指定。使用微碼,構建處理器的控制邏輯成為編程任務,而不是邏輯設計任務。

        微代碼在20世紀60年代的大型計算機中很常見,但早期的微處理器如6502和Z-80并沒有使用微代碼,因為早期的芯片沒有空間來存儲微代碼。但是,后來的8086和68000等芯片,利用芯片密度不斷增加的優勢,使用了微代碼。這使得8086可以實現復雜的指令(如乘法和字符串復制),而不會使電路更加復雜。缺點是微碼占用了8086的很大一部分裸片;在裸片照片的右下角可以看到。

        微碼ROM的一部分

        上面的照片顯示了微碼ROM的一部分。在顯微鏡下,可以看到微碼ROM的內容,并且可以根據每個位置上是否存在晶體管來讀取位。ROM由512條微指令組成,每條21位寬。每個微指令指定數據在源和目標之間的移動。它還指定了微操作,可以是跳轉,ALU操作,內存操作,微代碼子例程調用。

        微碼非常有效;一個簡單的指令(例如遞增或遞減)由兩個微指令組成,而更復雜的字符串復制指令則由八個微指令實現。8086的歷史通往8086的道路并不像你想象的那樣直接和有計劃。它最早的祖先是1970年的臺式電腦/終端機Datapoint 2200。Datapoint 2200是在微處理器誕生之前,所以它使用的是由一塊布滿獨立TTL集成電路的電路板構建的8位處理器。

        Datapoint咨詢英特爾和德州儀器公司是否可以用一塊芯片取代那塊板子。復制Datapoint 2200的架構,德州儀器在1971年推出了TMX 1795處理器,而英特爾推出的是8008處理器(1972年)。然而,Datapoint拒絕了這些處理器,這是一個致命的決定。盡管德州儀器公司找不到TMX 1795處理器的客戶而放棄了它,但英特爾還是決定將8008作為產品出售,就此開創了微處理器市場。英特爾在8008之后又推出了改進的8080(1974)和8085(1976)處理器。

        Datapoint 2200計算機 照片由Austin Roche提供

        1975年,英特爾的下一個重大計劃是將8800處理器設計為1980年代英特爾的主要架構。由于計劃的高性能,該處理器被稱為“微型大型機”。它具有為Ada等高級語言設計的全新指令集,并在硬件級別支持面向對象的編程。不幸的是,該芯片當時過于雄心勃勃,大大落后于計劃。它最終在1981年推出(作為iAPX 432),性能令人失望,是一款商業失敗的產品。

        由于iAPX 432進度落后,因此英特爾在1976年決定在iAPX 432就緒之前需要一個簡單的,權宜之計的處理器來銷售。英特爾迅速將8086設計成一個16位處理器,與1978年發布的8位80804有一定的兼容性。隨著1981年IBM個人電腦(PC)的推出,8086有了很大的突破。到1983年,IBM PC成為最暢銷的計算機,并成為個人計算機的標準。

        IBM PC中的處理器是8088,是8086的變種,采用8位總線。IBM PC的成功使8086體系結構成為仍然持續了42年的標準。IBM PC為什么選擇Intel 8088處理器?據最初的IBM PC工程師之一David Bradley博士說,關鍵因素是團隊對Intel開發系統和處理器的熟悉程度。(他們在較早的IBM Datamaster臺式計算機 中使用了Intel8085 。)另一位工程師Lewis Eggebrecht表示,Motorola 68000是值得競爭的產品,但其16位數據總線將大大增加成本(與8086一樣)。他還稱贊了英特爾更好的支持芯片和開發工具。

        無論如何,使用8088處理器的決定鞏固了x86系列的成功。IBM PC AT(1984)升級到兼容但功能更強大的80286處理器。1985年,x86系列產品的80386移植到32位,然后在2003年采用AMD Opteron架構的移植到 64位。x86體系結構仍在通過AVX-512 矢量操作(2016)等功能進行擴展 。但是即使進行了所有這些更改,x86體系結構仍保留了與原始8086的兼容性。

        晶體管

        8086芯片采用了一種叫做NMOS的晶體管??梢詫⒕w管視為開關,控制電流在稱為源極和漏極的兩個區域之間流動。這種晶體管是通過在硅基底的區域摻雜雜質來制造具有不同電性能的 "擴散 "區域。晶體管由柵極激活,柵極由一種特殊類型的硅制成,稱為多晶硅,層疊在硅基板之上。晶體管通過上面的金屬層連接在一起,構建了完整的集成電路?,F代的處理器可能有十幾層金屬層,而8086的金屬層只有一層。

        集成電路中MOSFET的結構

        下圖是硅的特寫照片,顯示了算術邏輯單元(ALU)的一些晶體管。摻雜的導電硅呈深紫色。白色條紋是多晶硅線穿過硅的地方,形成了晶體管的柵極。(23個晶體管形成7個門)晶體管的形狀很復雜,以使布局盡可能高效。此外,晶體管有不同的尺寸,以便在需要的地方提供更高的功率。請注意,相鄰的晶體管可以共享源極或漏極,從而使它們連接在一起。圓圈是硅層和金屬布線之間的連接(稱為過孔),而小方塊是硅層和多晶硅之間的連接。

        8086中一些晶體管的特寫鏡頭,金屬和多晶硅層已在這張照片中去除。由于薄膜干擾,摻雜的硅具有深紫色外觀。

        結論

        8086的本意是在英特爾發布他們的旗艦iAPX 432芯片之前,作為一個臨時性的臨時處理器,它是由一塊滿是TTL芯片的電路板構建的處理器的“后代”。但從這些不起眼的開始,8086的架構(x86)意外地最終主導了桌面和服務器計算,直到現在。

        雖然8086是一個復雜的芯片,但可以在顯微鏡下檢查單個晶體管。這里有一張8086去除金屬和多晶硅后的高分辨率照片。

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