1986ВЕ91Т: Что же внутри российского Арма?

    После предыдущих статей с внутренностями микросхем (1, 2) многие писали, что фотографии — это конечно интересно, но хотелось бы знать что есть что.

    Сегодня возможность удовлетворить этот закономерный интерес наконец появилась. Ковырять будем 1986ВЕ91Т — это микроконтроллер Миландра, основанный на ядре ARM Cortex-M3 (официально лицензированного). Внутри — 128 КиБ флеш-памяти, 32 КиБ статической памяти, аппаратный USB и 80Мгц ядро, изготовлено по технологии 180нм.

    Смотрим

    Проволока, соединяющая выводы и контактные площадки на микросхеме осталась: корпус металлокерамический, и травить его не пришлось. Весь фарш скрыт от нашего взора несколькими слоями алюминиевых соединений. Размер кристалла — 6.54x5.9мм.


    Травим металлизацию… Почти достали до самого дна:


    А вот и самый нижний слой с транзисторами и слоем поликремния (первый уровень соединений и затворы транзисторов):


    Аннотация блоков кристалла



    IO Cells & bonding pads — стандартные кусочки схемы, которые управляют каждой ногой микросхемы, содержат элементы защиты от статического электричества, могут переключатся в режим входа и выхода. Непосредственно под контактными площадками транзисторов нет — т.к. при приваривании проволоки они могут быть повреждены.
    4x32KiB flash — 4 стандартных блока флеш-памяти. Почему не один большой? Компилятор флеш-памяти не мог генерировать память с шиной шире 32 бит, а из соображений производительности нужно было 128.
    32KiB SRAM — быстрая статическая память, состояние которой не сохраняется при выключении питания.
    256x32B ROM — загрузочная память. Запрограммирована на заводе «перемычками» — и не может быть изменена.
    USB PHY — физический интерфейс протокола USB. Тут только приемники/передатчики сигнала, а цифровая часть USB контроллера — в синтезированной «каше» в центре кристалла.
    Internal linear regulator (1.8V) — внутренняя схема понижения напряжения питания до 1.8В. Это нужно потому что 1.8В транзисторы при работе потребляют существенно меньше энергии, чем 3.3В.
    Battery domain — работающая от часовой батарейки схема, заточенная под сверхнизкое потребление энергии. Тут таймер реального времени, несколько байт памяти, генератор на внешнем 32кГц кварце.
    RC Oscillators — внутренние RC генераторы (низкой и высокой частоты), позволяющие использовать микроконтроллер без кварца.
    System/USB PLL — схемы умножения частоты для системы и USB. Позволяют например из 10Мгц кварца получить 80Мгц системную частоту, и 48Мгц для USB.
    2xDAC — цифро-аналоговые преобразователи.
    2xADC — аналогово-цифровые преобразователи. Пустые места — это вероятно были конденсаторы.
    2xCAN SRAM — маленькие блоки статической памяти. Вероятно это буфферы для 2-х CAN контроллеров и проч.

    Большинство из вышеперечисленных блоков — не обязательно разрабатывать с нуля, а можно лицензировать на фабрике, или приобрести у компаний, разрабатывающих и продающих IP. Но в данном случае — все цифровые блоки (Timer, CAN, USB, контроллеры ОЗУ/ПЗУ внешнюю шину, итп), аналоговые блоки АЦП, ЦАП, генераторы, PLL, встроенный LDO, и даже площадки ввода-вывода собственной разработки, а куплены только ядро, DMA, UART, SPI.

    Cell based synthesized logic — автоматически синтезированная схема из Verilog-описания. Тут как само ядро процессора, так и контроллеры периферии. Синтезируются схема не напрямую из транзисторов, а из стандартных ячеек фиксированной высоты — реализующих различные функции вроде И, ИЛИ, триггеров и проч.

    Взглянем ближе на отдельные элементы

    Boot ROM
    При желании содержимое можно «прочитать». Но конечно, в данном случае это не требуется, т.к. Boot ROM виден через отладчик.


    SRAM
    Площадь ячейки 9.14 мкм2, соответствует технологии 180-250нм.


    Flash
    Сразу видно, почему флеша в микроконтроллеры пихают много — ячейка занимает намного меньшую площадь (т.к. нужен всего один транзистор на бит, а иногда и половинка транзистора):


    Синтезированная логика
    А вот ряды стандартных ячеек, основной цифровой фарш микросхемы. Конечно разобраться какие конкретно функции тут выполняют ячейки уже не выйдет, т.к. необходимо видеть и металлы.


    На этом пока все, надеюсь мой рассказ был интересен. Ну а в будущем — я попробую разобрать внутренности какой-нибудь микросхемы по-проще уже на уровне отдельных транзисторов.
    Zeptobars
    67.00
    Company
    Share post

    Comments 70

      +4
      При желании содержимое можно «прочитать»

      А вам не приходилось видеть «изнутри» прошитое antifuse ПЗУ?
      Действительно ли у них непрошитые ячейки, нули и единицы практически неразличимы, как это пиарят производители?
        +3
        Видеть antifuse пока не приходилось, но вполне верю, что в оптический микроскоп записанные данные не прочитать — изменения при записи очень небольшие (контролируемый пробой диода, диэлектрика, кристаллизация кремния).
        +2
        А где сегодня используются такие чипы?
          +3
          Вообще микроконтроллеры — используются практически везде, начиная от микроволновок, и заканчивая ардуинами и квадрокоптерами всякими.

          Где используется эта конкретная модель — не известно, куда покупатели поставят — там и будет работать :-) Но т.к. она в металлокерамическом корпусе (т.е. «военная» версия), то думаю нам не расскажут.

          А вот например К1986ВЕ21У (Cortex-M0, в пластиковом корпусе) — как минимум используется в счетчиках электроэнергии.
            0
            Военная? Классно! Просто всё развивается с такой скоростью, что небудучи в теме понять какие мощности куда идут сегодня невозможно. Духовкой с андроидом сегодня не удивить (:
            +1
            Керамика — это или военные или космос. Судя по техпроцессу ~200 — это космос. На поверхности нашей планеты для вояк размер пофиг (от ядерной вспышки полупроводникам любого размера хана), а вот в космосе от высокоэнергетических частиц только крупный техпроцесс и керамика спасают. Да, NASA тоже используют «толстые» процы на керамике — альтернатив нет в силу естественной физической реальности. У нас сейчас с NASA паритет.
              +1
              Все немного не так — с уменьшением норм — радиационная стойкость растет, но увеличивается шанс случайных ошибок в памяти/логике — обязательно нужен контроль ошибок везде. Так что и на 65нм космические микросхемы делают за бугром.

              Этот микроконтроллер — не имеет особой радиационной стойкости, для космоса есть намного более злые в этом плане отечественные процессоры.
                0
                Там есть предел между затратами на коррекцию ошибок памяти, убитой спрайтом частиц из защиты частицей из космоса, и увеличением транзистора, который не будет пробит. И это в районе 150-200 техпроцесса. (если не ошибаюсь, по памяти без пруфов)
            0
            интересно, много ли разработчиков на российских армах сидят?)
              +14
              Я до этого поста не знал что у нас свои АРМы есть.
                +4
                Как минимум мы используем этот микроконтроллер. Стоимость в этом корпусе составляет ~400$, хоть это и 5 приемка, но всё равно дорого.
                Отвратительный софт к демоплате, прошивка время от времени повисает. К тому же некоторые пункты в прошивке не работают, посмотрев в код, увидел заглушки в этих местах. Правда этот код писала некая контора Phyton.
                Насколько я понял сами кристаллы они не делают. Проектируют кристаллы, заказывают и потом корпусируют, но могу ошибаться.
                В целом кристалл неплохой, но цена для 5 приемки, я считаю, неадекватна.
                  –1
                  ну в общем вы подтвердили мои опасения, боюсь с таким подходом российская микроэлектронника так и останется на уровне роспила. Поглядел цену) ужс, продают на уровне 800$ причём демоборд на 25$ дороже) в «аду» наверное есть специальное место для плохих разработчиков, где они вынуждены делать железо под российские контроллеры ))
                    +4
                    Так вы и сравнивайте тогда с импортными микросхемами класса Military.
                      +1
                      Их нам не продают, официально)
                        +3
                        А «нам» это кому? :)
                        Вообще в Россию они вполне себе поставляются, нужно только экспортную лицензию оформить. Показать, что использоваться компоненты будут не в военной технике, а, скажем, в какой-то научной аппаратуре где требуется высокая надежность.
                          +2
                          «Нам» — это в Россию. Да, понятно, что именно этой лазейкой и пользуются военные. Но напрямую нашим военным канторам не продадут, вот это я и имел ввиду. Тут-то и появляются посредники, которые добавляют наценку на и так не дешевый продукт. Печально всё это.
                      0
                      Ну вы конечно извините, но на первых порах стоимость любых микросхем, выполненных по ОКРу с ВП рассчитывается по формуле стоимость ОКР / на количество выпущенных годных штук. Чем больше будет заказов, тем стоимость, по-идее, должна снижаться.
                      400$ для такой микросхемы — достаточно низкая цена по нашей оборонке. Знаю кучу микросхем, которые находятся по цене на таком же уровне, но несут намного меньше смысловой нагрузки (ОУ, компараторы, драйверы).
                      +3
                      Ну, а в гражданском варианте 160 рублей, жить можно.
                      Если я не ошибаюсь, Keil поддерживает эти кристаллы — так что проблем с разработкой быть не должно.
                      Миландр — да, кристаллы производят на микроэлектронных заводах, а у себя — тестирование и корпусировка.
                        +1
                        Без сравнения с аналогами выглядит голословно, имею дело с процессорами E2V, там по цене все тоже очень круто, но сравнивать некорректно, тк это процессора.
                      +1
                      Эх, хотелось бы чтобы у нас развивалась собственная элементная база чуть быстрее чем это происходит сейчас.
                      –1
                      Интересно, сколько еще производителей делают серийную продукцию на ПЛИС?
                      Вот так в лоб. Как из LEGO.
                        0
                        Не понял насчет ПЛИС.
                          0
                          Cell based synthesized logic — автоматически синтезированная схема из Verilog-описания. Тут как само ядро процессора, так и контроллеры периферии. Синтезируются схема не напрямую из транзисторов, а из стандартных ячеек фиксированной высоты — реализующих различные функции вроде И, ИЛИ, триггеров и проч.

                          То-есть взяли отработанные готовые блоки периферии, отработанный готовый блок FPGA, купили IP ядро у ARM и собрали из указанных блоков МК?
                          Я так понял.
                            +1
                            Нет, это не плис — а обычный современный процесс разработки микросхем.

                            Лицензируются нужные «кубики», синтезируется схема из стандартных ячеек (предоставляемых фабрикой, которая будет потом производить сам кристалл) по Verilog-описанию — и получается на выходе обычная микросхема из нескольких миллионов транзисторов.

                            Ну и отдельная большая задача — протестировать все это до начала производства, с эмуляцией работы всех этих транзисторов, т.к. цена ошибки очень большая.
                              +5
                              Это не совсем так работает.
                              Есть код, например на верилог (необязательно, может быть и VHDL), есть программа, например Synopsys IC compiler. Есть process technology (например какие нибудь 180 nm TowerJazz), в process technology есть библиотеки, в которых есть т.н. standart cells каждая из которых выполняет какую то функцию, например NOT (два транзистора, CMOS). ICC читает верилог, «понимает» логическуие функции идет в библиотеку, достает оттуда нужную standart cell и таким образом собирает чип. Потом, он их соединяет и тд.
                              Ну это если так, на одной ноге объяснять.
                              Это все, так называемый Physical Design (зачастую называют VLSI или silicon integration). Analog/RF/Mixed signals Design работает не так.
                                0
                                IC Compiler читает не верилог, а нетлист. Верилог в нетлист преобразует логический синтезатор, например Design Compiler. Соотвественно, именно он ходит в библиотеку за логическими функциями standard cell'ов. IC Compiler ходит в ту же библиотеку за физическими размерами ячеек.
                                  0
                                  Я знаю:)
                                  Просто если я думаю как это рассказать подробно, то я начинаю уходить в дебри. Это так сказать, high level description… :)
                                    0
                                    Ну все же упомянуть синтез стоило. Это же краегольный камень, так сказать. А вдруг студент какой прочтет, да потом на экзамене ляпнет? Конфуз выйдет-с :)
                                    0
                                    А в случае топографического синтеза (который дает гораздо лучшее совпадение результатов post-synthesis и post-layout, начиная то ли с 90нм, то ли с 65нм), Design Compiler и размеры ячеек использует.
                                  +3
                                  Вообще, когда делают большие чипы, например на десятки тысяч транзисторов, то их собирают как конструктор.
                                  Поэтому чип делат по горизонтали на такие полосы, определенной высоты, и их заполняют standart cells. Таким образом, программам которые занимаются place and route проще делать свою работу — они знают, что нужно ставить где (из верилога они занют что к чему подключается, не совсем из верилога конечно, но для объяснения и верилог подойдет).
                                  что-то вроде этого — venividiwiki.ee.virginia.edu/mediawiki/images/thumb/e/ee/SYNOUT2.png/500px-SYNOUT2.png

                                  все standart cells одинаковой высоты, но могут быть разной длинны — от этого зависит их «сила» — т.е. бОльшая ячейка может зарядить больший конденсатор на выходе, за меньшее или тоже время.
                                0
                                Плисы довольно дороги сами по себе — как я понимаю, на них только штучные изделия делают. А тут один раз вложился и заказал вагон микросхем.
                                  0
                                  Это смотря что вам нужно и куда это ставить.
                                  Иногда проще купить 10000 FPGA, чем сидеть и самим делать свой чип.
                                  Имеет смысл разрабатывать свое, если вам нужно что-то уж очень быстрое (ну, это явно не тот случай — 180 нм) или вам нужно ОЧЕНЬ много единиц готовой продукции.
                                    0
                                    Заказать вагон можно при условии, что дизайн без ошибок, иначе исправить дефекты в произведенных чипах уже невозможно. А ПЛИС в любой момент можно перепрошить, очень удобно.
                                      0
                                      Для этого заказывают опытную партию, а потом уже вагон:)
                                  0
                                  никто не хочет проспонсировать

                                  Может объявите краудфандинг?
                                  Пару десятков $ не жалко, а при нескольких десятках тысяч просмотров может вменяемая сумма вылезет. Не знаю правда как к этому относятся правила хабра. Но по идее ресурс только выиграет от постов такого уровня)
                                    +1
                                    Для классического краудфандинга — со временем будет подходящий проект на кикстартере, но до него еще много работы над прототипом (т.к. сейчас там нужно обязательно иметь работающий прототип).

                                    А хабракроудфандинг — практика показывает (см. посты Tiberius ) что собрать можно сотни долларов, но не десятки (а тем более сотни) тысяч :-) А это не тот порядок, который бы смог радикально ускорить ход реализации проектов.
                                    +2
                                    Как это у Вас так ловко получается функциональные/структурные блоки на кристалле распознавать? Опыт? Сравнение с datasheet + поиск характерных паттернов?
                                      +1
                                      Разные виды памяти — да, видно сразу. А вот остальные блоки — подсказали разработчики :-)
                                        +1
                                        Вообще все чипы одинаковы — I/O всегда облепливают чип по краям (понятно почему), память это всегда такие аккуратные квадратики с аккуратными маленькими квадратиками внутри, такие вот грязные пятнца по центру — логика, которую синтезировали из верилога, любой квадратные/прямоугольный блок, которые не память, скорее всего либо процессор (наверняка самый большой) либо какой-то юсб контроллер, или какой нибудь блок аудио и т.д. Эти вещи никогда не синтезируют вместе с основной логикой, их готовят отдельно, а потом просто вставляют в отведенное для них место.
                                        Вообщем, вы посмотрите на 10 таких картинок, 11ю вы пойместе сразу сами, причем наверняка угадаете еще половину девайсов.
                                          0
                                          Совершенно верно. Именно таким же образом, опытный глаз определяет на плате любого сложного устройства, какая микросхема за что отвечает, не имея принципиальной схемы.
                                            +1
                                            Скажем радиочастотные блоки почти всегда экранированы, скопище крупных транзисторов и дросселей — вероятно схема питания, память почти всегда выглядит одинаково и выложена стройными рядами, процессор — самая ногастая микросхема, а операционники 8-ми ногие таркашки с симметричным расположением элементов (стерео вариант).
                                              0
                                              Мне казалось, что самый ногастый контроллер шины.
                                              Правда, в последние лет 20 он обычно интегрирован в процессор, но на тех же материнках до 2004 года у проца ног обычно меньше чем у северного моста.
                                              Особенно заметно было это на 286 платах.
                                                0
                                                Мне казалось, что самый ногастый контроллер шины.

                                                Ибо параллельный
                                        0
                                        А зачем ставить юсб pll так далеко от юсб?
                                        Т.е. вся интеграция была в РФ? Вязли верилог и вперед?
                                        Как-то ради интереса смотрел есть ли в России предложения о работе в этой области, ничего не нашел.
                                          0
                                          Да, интеграция у нас.
                                          А работа есть — проще думаю написать напрямую во все компании (их не так много).
                                            +1
                                            Верилог тоже у вас писали? Или все покупное и только интегрировали?
                                            Да я просто, ради интереса искал. А то весь хабр в объявлениях для программистов, мне быо интересно есть ли кто-то кто хоть чуть-чуть занимается железом.
                                              0
                                              А я там не работаю — я просто ковыряю микросхемы :-)
                                              Насколько я понимаю — существенная часть верилога — лицензирована (само ядро, какая-то периферия), но работы по интеграции и тестированию все равно очень много.
                                                +1
                                                Дак это понятно, что много:)
                                                Плавали, плаваем, знаем))
                                                +1
                                                О том что писали-покупали — пошерстите их форум, если интересно. Самому сейчас лень искать, но где-то там проскакивали сообщения о том какие модули покупные, а какие свои.
                                            +1
                                            Синтезированная логика впечатляет — это собственно блоки процессора, всякие АЛУ, БУК и т.д?
                                              0
                                              Именно так.
                                                0
                                                Отличная статья, спасибо!
                                                0
                                                Процессор, скорее всего, получили от АРМ уже готовый.
                                                0
                                                многие писали, что фотографии — это конечно интересно, но хотелось бы знать что есть что.

                                                Когда я об этом писал, я надеялся на разбор какого-нибудь 6502, а не «с места в карьер» последнего ARM-а…

                                                Так что означают вертикальные фиолетовые ряды на верхнем снимке — «накрывающие» логику, ROM, SRAM и FIFO?
                                                  +2
                                                  Металы это.
                                                  Это power delivery network скорее всего.
                                                    +1
                                                    На транзисторном уровне — да, как раз будет разбираться что-то простое.
                                                    Про «вертикальные ряды» выше верно сказано.
                                                      +1
                                                      Я надеялся на разбор какого-нибудь 6502

                                                      visual6502.org/
                                                      доступны симуляторы 6502 и 6800, работающие на транзисторном уровне
                                                        +3
                                                        Да, вот собственно разбор устройства 6502
                                                          0
                                                          Разбор замечательный, большое спасибо.

                                                          Но он на другом уровне, чем я выпрашивал у BarsMonster: анализу снимка кристалла из всей часовой лекции посвящена где-то пара минут, и то на уровне «Два чувака вооружились микроскопами, месяцы корпели, и оппа, вот готовая схема всех транзисторов! (Зал ухает.) Ну а дальше всё просто, вот схема его функциональных блоков и линий управления», после чего сам кремниевый кристалл больше не упоминается ни словом.

                                                          Мне как раз интересен переход «снимок кристалла — электронная схема — функциональная схема» на каком-нибудь простом примере.
                                                          Почему, например, 16-битный регистр занимает на кристалле площадь, сравнимую со всей арифметико-логической начинкой процессора? Функционально же он простой как пробка, а начинка столько всякого разного умеет.
                                                            0
                                                            АЛУ собственно тоже простое как пробка. На вики есть схемы, вот, например, 4-битное:
                                                            image
                                                        +3
                                                        Помню лет 10 назад «разобрал» к174ун7 — примитивный двухканальный УНЧ. Так там я даже невооруженным глазом заметил на кристалле всякие кубики, параллелепипеды и, разумеется, дорожки. Тогда еще у меня закралась мысль о том, что возможно эти «кубики» и есть транзисторы, выполненные не по планарной технологии, а, возможно, «напаянные» уже апосля на планарные дорожки. Может это все мне показалось, но очень бы хотелось увидеть хотя бы микрообзорчик сей микросхемки ;). Тем паче она совсем примитивная.
                                                        И, кстати, всегда с удовольствием читаю ваши статьи, продолжайте в том же духе!
                                                          0
                                                          А, помню, я тоже подобные в молодости разбирал (емнип, что-то из авиационной техники). Металлический корпус, внутри керамическая пластина с дорожками, на ней бескорпусные элементы. Резисторы и конденсаторы были протравлены прямо на пластине, а транзисторы кристаллами наклеены.
                                                            0
                                                            Это вы микросборку разбирали. Различия с микросхемой в том, что её ( весьма условно ) получают в одном техпроцессе (взяли подложку, выполнили легирование чем надо, нанесли маску, протравили, повторили много раз), а микросборку делают из готовых компонентов (кроме резисторов, конденсаторов и проводников (и порой индуктивностей), а полупроводники на ней — отдельные элементы, пришедшие на фабрику уже в готовом виде), что вы и описали. На сегодняшний день микросборки встречаются гораздо реже, чем раньше. Из широко известных — УНЧ (известные некоторым многоногие корпуса с маркировкой STK, встречавшиеся в довольно качественных продуктах Sony и прочих монстров звука), удобные DC/DC конверторы, не требующие обвязки и т.п.
                                                            0
                                                            А я один раз разобрал какой-то старый советский (как впоследствии оказалось — всё-таки российский, так как там обнаружились детали 1992 года выпуска) монитор и с удивлением для себя обнаружил там эту самую 174УН7 в цепях, явно не связанных со звуковыми. Подозреваю, что на ней была реализована кадровая развёртка. В тот момент меня почему-то бросило в смех и моя первая мысль была: «ох, юмористы…» :)
                                                              0
                                                              Если откопать серию «Библиотека радиолюбителя» (такие книжки формата A5), то одна из них будет целиком посвещена микросхеме К155ЛА3 — 4 элемента И-НЕ в одном корпусе. Что только из неё там не делали, включая радиоприемник и усилитель низкой частоты (не говоря о «музыкальных» звонках).
                                                            +2
                                                            Спасибо за статью, но стоило предупредить, что картинки по ссылкам — тридцатиметровые.
                                                              –4
                                                              Угадал автора по заголовку, лол.

                                                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.