- Der Intel 386-Prozessor wurde 1985 als erster 32-Bit-x86-Chip eingeführt
- Laut 3D-CT-Scan-Ergebnissen von Lumafield sind im Inneren des keramischen Gehäuses sechs komplexe Verdrahtungsebenen sowie nahezu unsichtbare seitliche Metallkontaktleitungen verborgen
- Eine duale Stromversorgung für I/O- und Logikschaltungen erhöht die Stabilität des Chips
- Kleine seitliche Drähte, die mit der Außenseite verbunden sind, werden für den Gold-Elektroplattierungsprozess der einzelnen Pins genutzt
- Die Komplexität des 386-Pakets gilt als erheblicher technologischer Fortschritt, selbst im Vergleich zu aktuellen Prozessorgehäusen
Analyse der internen Struktur des keramischen Gehäuses des 386-Prozessors
Vorstellung des 386-Prozessors und äußeres Erscheinungsbild
- Der 1985 von Intel eingeführte 386-Prozessor war der erste 32-Bit-Chip der x86-Familie
- Der Chip sitzt in einem quadratischen Keramikgehäuse mit 132 goldbeschichteten Pins, die auf der Unterseite herausragen
- Obwohl die äußere Ansicht einfach wirkt, besitzt der Innenaufbau eine überraschend komplexe Struktur
Interne Strukturen durch CT-Scan aufgedeckt
- Durch einen 3D-CT-Scan von Lumafield wurde bestätigt, dass sich sechs komplexe Leitungs-Ebenen im Inneren des keramischen Gehäuses befinden
- Unauffällige Metalldrähte sind fast unsichtbar im Inneren an der Gehäuseseite verborgen
- Intern ist ein separates Spannungs- und Masse-Netzwerk für I/O und die CPU-Logikschaltung aufgebaut
Keramikgehäuse, Pads und Verdrahtung
- Beim 386-Paket sind um den Die zwei Ebenen (2-tier) metallischer Kontaktierungen angeordnet
- Der Durchmesser der Bond-Wires beträgt etwa 35 μm und ist damit dünner als ein menschliches Haar
- Über Bond-Wires werden Signal und Versorgung schichtartig zwischen Die-Pad-Pin-Mainboard verbunden
- Das Innere ähnelt dem Aufbau einer sechslagigen gedruckten Leiterplatte aus Keramik
Keramikfertigung und Elektrodenstruktur
- Die Fertigung beginnt mit flexiblen Keramik-Grünfolien (mit Binder-Mischung), gefolgt von der Durchdringung mit Vias und dem Formen der Leitungen
- Mehrere Lagen werden laminiert und anschließend bei hoher Temperatur gesintert, um eine stabile Struktur zu erzeugen
- Nach der Goldbeschichtung von Pins und internen Kontaktstellen werden der Die über Gold-Bond-Wires angebunden und anschließend ein Metallkappen-Teil verlötet
- Nach Test und Beschriftung geht das Paket in die Auslieferung
Aufbau der Leitungs-Ebenen (Signal- und Versorgungsnetz)
- Signal-Layer: Metalltrassen verbinden die Shelf-Pads des Gehäuses mit den Pins; der Die wird über Bond-Wires angebunden
- Versorgungs-Layer: Besteht aus einer einzigen Leitfähigkeitsebene mit vielen Via-Holes und Pin-Vias
- Zwischen Versorgungs- und Signal-Layer existieren verschiedene Via-Verbindungen, die eine hierarchische Schichtschnittstelle für die Verdrahtung bilden
Seitliche Drähte für die Galvanisierung (Electroplating Contacts)
- Zur Goldbeschichtung werden in der Fertigung alle Pins zu Kathoden gemacht, indem jeder Pin über einen kleinen Draht, der bis zur Gehäuseseite führt, einzeln verbunden wird
- Diese Drähte sind an den Gehäusekanten nur noch schwer zu erkennen; dank CT-Scan lässt sich die interne Anschlussstruktur jedoch visuell nachvollziehen
Redundanz im Versorgungsnetz
- Bei der 386 sind 20 Pins (Vcc) und 21 Pins (Vss) jeweils mit +5V bzw. Masse verbunden
- Durch die Trennung von Versorgung und Masse von I/O und Logikschaltung wird verhindert, dass Spannungsänderungen bei I/O-Operationen in die Logik einkoppeln
- Auf dem Mainboard wird die gleiche Versorgung verwendet, doch Entkopplungskondensatoren dämpfen Spannungsspitzen und sichern die Stabilität der Logik
Verwendung von No Connect (NC)-Pins
- Das 386-Gehäuse besitzt acht NC-Pins (Not Connected)
- Der Die enthält Anschluss-Pads, zu einigen davon führen jedoch tatsächlich keine Bond-Wires
- Einige dieser NC-Pads können beim Testen genutzt werden, um auf interne Signale zuzugreifen
- Ein NC-Pin ist tatsächlich verdrahtet, wodurch über diesen Pin möglicherweise eine außergewöhnliche Signalinformation beobachtet werden kann
Pin-Mapping der Pads auf dem Die
- Im Gegensatz zu klassischen DIP-Gehäusen ist das Pin-Pad-Mapping bei der PGA-Struktur schwer eindeutig zu bestimmen
- Durch die Analyse der CT-Daten konnten Verbindungen zwischen jedem Die-Pad und den externen Pins nachverfolgt werden
- Diese Informationen waren bislang kaum öffentlich verfügbar
Geschichte und Wandel des Intel-Packaging
- Frühe Intel-Prozessoren waren durch die Pinanzahl und kompakte Gehäuse in Leistung und Ausbauten begrenzt
- Ab dem 386-Design wurden mit dem 132-Pin-Keramikgehäuse Skalierbarkeit, Leistung und Thermik deutlich verbessert
- Als die Keramikgehäuse jedoch teurer wurden als die Dielinie, wurde eine kostengünstige, massenfertigungsfreundliche Kunststoffversion (PQFP) eingeführt
- Moderne Prozessoren verwenden bis zu 2049 Lötbälle (BGA) oder 7529 Kontakte (LGA), also deutlich mehr Verbindungen
Fazit
- Das 386-Gehäuse wirkt äußerlich schlicht, nutzt aber anspruchsvolle Techniken wie elektrochemisch beschichtete Kontakte, sechslagige Verdrahtung und eine doppelte Versorgungstopologie
- In aktuellen Prozessorpaketen existieren noch deutlich mehr verborgene Strukturen und technische Details, die nicht offen kommuniziert werden
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