В конце 1972 года компания Intel представила свой первый 8-битный микропроцессор — 8008. Спустя десятилетия этот процессор по-прежнему оказывает влияние на вычислительную технику: вполне вероятно, что вы используете процессор архитектуры x86, являющийся его потомком. Одной из необычных особенностей 8008 было использование «bootstrap-нагрузки» или «bootstrap-конденсатора» — специальной схемы на конденсаторе для повышения производительности.(примеч.1) Федерико Фаджин (Federico Faggin), руководивший разработкой 8008, — ключевая фигура этой истории; он изобрёл новый способ изготовления bootstrap-конденсаторов для процессоров Intel 4004 и 8008 и утверждает, что это «оказалось критически важным для реализации микропроцессора» и что «без [bootstrap-нагрузки] не было бы микропроцессора».
На моей фотографии выше показан крошечный кремниевый кристалл внутри корпуса 8008. Едва различимы проводники и транзисторы, из которых состоит чип. В нём используется 90 bootstrap-конденсаторов, заметных как небольшие жёлтые прямоугольники, особенно в верхней центральной части. Квадраты по периметру — это 18 контактных площадок, соединённых с внешними выводами тонкими бонд-проводами. 18 выводов — очень небольшое число для микропроцессора, однако в Intel в то время странным образом настаивали на компактных корпусах.(примеч.2) Это приводило к неудобным компромиссам: отсутствие нескольких выводов питания было одной из причин, заставивших использовать bootstrap-нагрузки.
История процессора 8008 сложнее, чем может показаться. Его истоки — в компьютере Datapoint 2200, популярной системе, представленной в 1970 году как программируемый терминал. Созданный до появления микропроцессоров, Datapoint 2200 имел процессор размером с плату, собранный из отдельных TTL-микросхем. Компания Datapoint вела переговоры с Intel и Texas Instruments о замене этой платы одним MOS-чипом. Texas Instruments разработала процессор TMX 1795 в марте 1971 года, а Intel создала 8008 к концу того же года, однако Datapoint отклонила оба варианта по ряду причин. Texas Instruments отказалась от TMX 1795 после неудачных попыток его коммерциализации. Intel же, напротив, вывела 8008 на рынок как универсальный микропроцессор, фактически создав новую отрасль.
(Вы можете задаться вопросом, как в эту историю вписывается Intel 4004. Архитектурно он почти никак не связан с 8008; несмотря на схожие названия, 8008 не является 8-битной версией 4-битного 4004. После выхода Intel 4004 в 1971 году значительная часть команды (включая Фаджина, Хоффа, Мазора и Фини) переключилась на проект 8008. Поскольку оба процессора создавались одной и той же командой с использованием одного и того же процесса PMOS(примеч.3), между ними есть сходство на уровне топологии и схемотехники, в частности в реализации bootstrap-нагрузки.)
Зачем нужна bootstrap-нагрузка?
Назначение bootstrap-нагрузки — получать дополнительное напряжение на транзисторе, когда это необходимо. Чтобы объяснить это, начнём с того, как работает инвертор в составе процессора. На диаграмме ниже показан инвертор, построенный на транзисторе PMOS(примеч.3) и нагрузочном резисторе (который на самом деле реализован как транзистор). Если на вход инвертора подаётся 0 (низкий уровень), нижний транзистор открывается и подтягивает выход вверх (1). Если же на входе 1 (высокий уровень), выходной транзистор закрывается. В этом случае нагрузочный резистор тянет выход вниз (0). Таким образом, входной сигнал инвертируется.
Диаграмма ниже показывает физическую реализацию инвертора в процессоре 8008. На первом снимке кристалла видно, как инвертор выглядит внутри чипа. Горизонтальные металлические дорожки сверху подводят напряжение VDD и входной сигнал. Для второго изображения металлический слой был удалён, чтобы показать два транзистора, формирующие схему. Схема справа соответствует физическому расположению транзисторов на кристалле и в целом совпадает с приведённой выше электрической схемой. Поскольку реализация резисторов в интегральных схемах неудобна, нагрузочный резистор здесь выполнен в виде транзистора.
Использование транзистора в роли нагрузочного резистора создаёт проблему: у МОП-транзисторов есть свойство, называемое пороговое напряжение VT. Проблема в том, что при попытке «притянуть» сигнал вниз транзистор не может опустить его до нужного уровня. Хотя хотелось бы получить напряжение, равное VDD (−9 В), пороговое напряжение (например, −5 В)(примеч.9) означает, что фактически сигнал можно опустить только до −4 В. (Это одна из причин, по которой 8008 требует значительно более высокого напряжения питания — около 15 В в сумме — по сравнению с современными интегральными схемами: при работе от 5 В всё напряжение «съедалось» бы порогом).
Диаграмма ниже подробнее иллюстрирует понятие порогового напряжения. VD, VG и VS — это напряжения на стоке, затворе и истоке соответственно. VGS — это разность напряжений между затвором и истоком. Транзистор открывается, если VGS < VT, где VT — пороговое напряжение. (Ситуацию усложняет то, что в PMOS-транзисторах большинство этих напряжений отрицательные.) Проблема в том, что при напряжении на затворе −9 В и пороговом напряжении −5 В транзистор будет открыт только если VS выше −4 В. Следовательно, транзистор не может опустить VS ниже −4 В. Единственный способ опустить VS ниже — подать на затвор более отрицательное напряжение, в данном случае не менее −14 В. Некоторые микросхемы решают эту проблему, используя дополнительный источник питания для повышения напряжения на затворе, как, например, в Intel 8080 или HP Nanoprocessor.
Пороговое напряжение не является серьёзной проблемой при работе с инверторами и другими логическими элементами, поскольку уровни напряжения восстанавливаются на каждом этапе. Однако есть два случая, где оно становится критичным: усилители повышенной мощности и логика на проходных транзисторах. В этих схемах (описанных в примеч. 4) падение напряжения на пороге происходит дважды, в результате чего выходной сигнал оказывается слишком слабым. Поскольку такие схемы широко используются в процессорах, требовалось решение — им стала bootstrap-нагрузка. Она позволяет увеличить напряжение на затворе, чтобы компенсировать пороговое напряжение и дать транзистору возможность полностью «протянуть» выход до VD.
Как работает bootstrap-нагрузка
По сути, bootstrap-нагрузка представляет собой схему насоса заряда, использующую bootstrap-конденсатор для повышения напряжения на затворе. На диаграмме ниже показан базовый принцип работы такого насоса. Слева конденсатор заряжается до −9 В от источника питания. Если затем отключить источник и подключить нижнюю обкладку конденсатора к −9 В, как показано справа, конденсатор сохранит заряд −9 В. Однако поскольку теперь нижняя обкладка находится на уровне −9 В, верхняя оказывается на уровне −18 В. Bootstrap-нагрузка использует это напряжение −18 В на затворе — этого достаточно, чтобы преодолеть пороговое напряжение.
Диаграмма ниже показывает схему bootstrap-нагрузки. Она похожа на ранее рассмотренный инвертор, но дополнительно включает конденсатор и ещё один транзистор. На первой схеме вход 0 открывает нижний транзистор (Q1), формируя на выходе 1 (+5 В). В это время Q3 выполняет роль нагрузочного резистора, подтягивая верхнюю обкладку конденсатора к −4 В (а не к −9 В из-за порогового напряжения). В результате на конденсаторе накапливается разность потенциалов −9 В.
Вторая и третья диаграммы показывают, что происходит при входном сигнале 1. Нижний транзистор Q1 закрывается, позволяя транзистору Q2 тянуть выход вниз. В обычном инверторе −4 В — это минимальный уровень, до которого может опуститься выход (вторая диаграмма). Однако, как было объяснено ранее, конденсатор всё ещё хранит заряд −9 В, поэтому верхняя обкладка конденсатора должна находиться на уровне −13 В. При напряжении −13 В на затворе Q2 этот транзистор продолжает тянуть выход вниз, пока схема не приходит в состояние, показанное справа, где выход опускается до −9 В. Обратите внимание, что исток не может опуститься ниже стока вне зависимости от напряжения на затворе. (Для сравнения, простой инвертор, рассмотренный ранее, мог опустить выход только до −5 В.)(примеч.5)
На изображении ниже показан фрагмент схемы процессора Intel 4004, где представлены обычная нагрузка и bootstrap-нагрузка, обозначенная буквой «B» рядом с резистором.
Bootstrap-нагрузка с кремниевым затвором
До этого момента речь шла о bootstrap-нагрузке, которая широко применялась в МОП-схемах и была запатентована компанией North American Rockwell в 1966 году. Ключевым изобретением, сделавшим возможным процессоры 4004 и 8008, стало применение bootstrap-нагрузки в интегральных схемах с кремниевым затвором.
Одним из важнейших нововведений, сделавших 8008 практичным, стал транзистор с самосовмещённым затвором на основе кремния.(примеч.6) Диаграмма ниже показывает структуру МОП-транзистора. Ранние МОП-интегральные схемы использовали транзисторы с металлическим затвором (примеч.7), где в качестве материала применялся металл (обычно алюминий), а не поликремний. Однако в Fairchild в 1968 году Фаджин и Кляйн разработали практический способ создания транзисторов с кремниевыми затворами. Это может показаться незначительным изменением, но такие транзисторы имели три важных преимущества. Во-первых, их электрические характеристики значительно лучше: они работают быстрее и потребляют меньше энергии. Во-вторых, поликремний добавил второй уровень для разводки сигналов, что позволило существенно уменьшить размеры интегральных схем.
Наконец, использование поликремния позволило создавать транзисторы с самосовмещённым затвором, что играет важную роль в контексте обходных конденсаторов. Интегральные схемы изготавливаются в несколько этапов с использованием фотошаблонов и светочувствительных резистов для формирования структур на поверхности. Интегральная схема с металлическими затворами строится «снизу вверх». Сначала области истока и стока легируются примесями для получения кремния P-типа, как показано ниже. Затем на более позднем этапе между ними формируется металлический затвор с использованием отдельного шаблона. Основная сложность — точно совместить затвор с истоком и стоком: если возникает зазор, транзистор не будет работать. Поэтому металлический затвор делают больше необходимого, чтобы он гарантированно перекрывал канал даже при небольших смещениях слоёв. К сожалению, это перекрытие увеличивает паразитную ёмкость и ухудшает производительность.
В случае с самосовмещённым затвором процесс происходит в обратном порядке. Сначала формируется затвор из поликремния. На следующем этапе легируются области истока и стока. При этом отдельный фотошаблон для разделения затвора и этих областей не используется. Вместо этого сам затвор блокирует легирование участка между истоком и стоком. В результате исток и сток автоматически оказываются «самосовмещёнными» с затвором, что устраняет избыточную ёмкость, возникающую из-за слишком большого затвора. (Почему нельзя было сделать самосовмещённый металлический затвор? Потому что процесс легирования требует высоких температур, при которых металл расплавился бы, тогда как поликремний выдерживает такие условия).
Хотя кремниевые затворы с самосовмещением являются значительным улучшением по сравнению с металлическими, у них был один недостаток — конденсаторы. В транзисторах с металлическим затвором конденсатор можно было легко реализовать, используя металл и легированный кремний в качестве обкладок: сверху — большой металлический слой, снизу — легированный кремний, между ними — тонкий слой оксида-изолятора. (По сути, транзистор с увеличенным затвором используется как конденсатор.) В случае самосовмещённых затворов поликремний может выступать в роли одной из обкладок. Однако в этом процессе поликремниевый затвор блокирует легирование кремния под ним, что хорошо для транзистора, но плохо для конденсатора, поскольку невозможно легировать кремний под поликремниевой обкладкой. (Можно было бы добавить дополнительный этап производства, чтобы легировать области под будущими конденсаторами до формирования затвора, но это увеличило бы стоимость).
Фаджин предложил решение, позволившее использовать конденсаторы в технологии самосовмещённых затворов.(примеч.8) Он понял, что при правильном смещении конденсатора заряд на верхней обкладке создаёт проводящий слой в кремнии под ней даже без легирования. Он проверил эту идею в Fairchild и убедился, что она работает. Это решило проблему применения bootstrap-нагрузки в интегральных схемах с кремниевыми затворами.
На фотографии выше показан один из участков схемы bootstrap-нагрузки в 8008, используемой в инверторе. Диаграмма ниже демонстрирует структуру кремния после удаления металлического слоя. Bootstrap-конденсатор формируется слоем поликремния (розоватого оттенка), расположенного над кремнием и образующего обкладки конденсатора. Транзистор справа выполняет инверсию входного сигнала. Конденсатор заряжается транзистором в нижней левой части. Нагрузочный транзистор расположен в центре; именно на его затвор подаётся повышенное напряжение от конденсатора. Размеры транзисторов различаются в зависимости от их роли: инвертирующий транзистор самый крупный, так как через него проходит основной ток, а транзистор, заряжающий конденсатор, значительно меньше, поскольку для поддержания заряда требуется небольшой ток.
Техника bootstrap-нагрузки широко использовалась в процессорах 4004 и 8008. Диаграмма ниже показывает расположение bootstrap-нагрузок в 8008 — они выделены красными рамками. Всего в 8008 используется 90 таких элементов, что делает их важной частью схемы. Многие из них расположены по периметру кристалла и используются для управления выходными выводами. Регистр команд (в верхней центральной части) применяет bootstrap-нагрузки для управления относительно крупным дешифратором инструкций (в центре). Справа bootstrap-нагрузки используются для работы с регистрами (верхняя правая часть) и стековой памятью (нижняя правая часть). Кроме того, они задействованы и в других узлах по всему процессору.
Заключение
Возникает вопрос: была ли bootstrap-нагрузка ключевым изобретением, сделавшим возможным микропроцессор (в лице 4004 и 8008), или же его появление было неизбежным вне зависимости от таких решений? С одной стороны, существует мнение, что «скрытый контакт (buried contact) и особенно bootstrap-нагрузка были необходимы для достижения требуемой скорости в рамках доступного энергопотребления». Фини в докладе 8008 отмечал, что «при ограничении по числу выводов, источникам питания и прочему bootstrap-нагрузка становилась крайне важной». С другой стороны, для многих развитие микропроцессора выглядело как неизбежный эволюционный процесс. Инженер компании Fairchild Ли Бойсель ещё в 1970 году говорил:(примеч.10) «Компьютер на одном чипе — это не что-то из ряда вон. Он уже почти здесь… Я не сомневаюсь, что через пять лет весь компьютер будет на одном чипе». Хэл Фини из Intel также отмечал, что «в конце 1960-х — начале 1970-х отрасль была полностью готова к появлению микропроцессора».
В узком смысле bootstrap-нагрузка действительно позволила реализовать 4004 и 8008 с заданными параметрами по размеру, производительности и энергопотреблению. Она также демонстрирует, что микропроцессор — это не единичное изобретение, а совокупность множества более мелких инженерных решений. Однако если смотреть шире, развитие микропроцессоров вряд ли существенно замедлилось бы без bootstrap-конденсатора. Существовали альтернативы: четырёхфазная логика, статическая логика, более высокие напряжения на затворах, дополнительные источники питания или использование дополнительных фотошаблонов для создания конденсаторов.
Процессор Texas Instruments TMX 1795 служит наглядным сравнением: он создавался в то же время, что и 8008, с той же архитектурой, но на транзисторах с металлическим затвором. Диаграмма ниже показывает, что TMX 1795 был значительно больше по размеру и обладал несколько худшей производительностью, однако в целом развитие микропроцессоров шло бы примерно тем же путём и без bootstrap-нагрузки.
В любом случае уже к 1974 году переход на NMOS-транзисторы и улучшение пороговых напряжений сделали bootstrap-нагрузки ненужными. Мой вывод: bootstrap-нагрузка была полезным инженерным решением, но развитие микропроцессоров происходило бы схожим образом и без неё. Как только технологии позволили разместить несколько тысяч транзисторов на одном кристалле, появление однокристального процессора стало неизбежным.
Примечания и ссылки (осторожно, много текста)
2. В своих воспоминаниях Фаджин описывает одержимость Intel корпусами с 16 выводами. Когда одной из микросхем памяти потребовалось 18 выводов вместо 16, это было «как будто небо обрушилось на землю. Я никогда не видел столько вытянутых лиц в Intel из-за этого, потому что это была настоящая религия — всё должно было иметь 16 выводов. Всё должно было быть на 16 выводов… Это было совершенно бессмысленное требование». В то время другие производители уже использовали корпуса с 40 и 48 выводами, так что никакого технического ограничения не было — лишь незначительная экономия за счёт меньшего корпуса.
3. Классические микропроцессоры, такие как 8080, 6502 и Z-80, строились на NMOS-транзисторах. Более ранние 4004 и 8008 использовали PMOS-транзисторы, которые было проще производить, но они обеспечивали худшую производительность. Если вы знакомы с NMOS-логикой, то PMOS можно представить как её «зеркальную» версию, где всё устроено наоборот. В PMOS использовались отрицательные напряжения, причём существенно более высокие, чем стандартные 5 В для TTL. Для совместимости с уровнями TTL процессор 8008 работал с Vcc = +5 В и Vdd = −9 В, благодаря чему мог выдавать сигналы примерно 0 В и 5 В. (Подробнее см. в документации.) Для 4004 требовалось −15 В, обычно Vdd = −10 В и Vss = +5 В. Дополнительно путаницу создаёт то, что в 4004 логический «0» соответствовал более положительному напряжению, а «1» — более отрицательному. (док)
4. «Супербуфер» заменяет нагрузочный резистор активным транзистором и используется, когда требуется больший ток, например для работы с внутренней шиной или внешним выводом. Верхний транзистор управляется инвертором, поэтому он открыт, когда нижний закрыт. В отличие от слабого тока через нагрузочный резистор, этот транзистор обеспечивает высокий ток. Проблема заключается в том, что пороговое напряжение ограничивает выходное напряжение верхнего транзистора. В обычном инверторе сигнал на выходе теряет величину VT и даёт −4 В на затворе верхнего транзистора. Потеря ещё одного VT приводит к выходному напряжению всего +1 В вместо требуемых −9 В.
Второй случай, где пороговое напряжение создаёт проблему, — это проходной транзистор, используемый в динамической логике. На диаграмме ниже показана простая схема такого транзистора. Когда управляющий сигнал низкий, транзистор открыт и передаёт входной сигнал на выход. Когда управляющий сигнал высокий, транзистор перестаёт проводить, и предыдущее значение удерживается за счёт ёмкости схемы (показано серым), то есть выход сохраняет своё состояние. Таким образом, проходные транзисторы позволяют эффективно реализовать временное хранение данных. Однако проблема снова в пороговом напряжении. Если сигнал управления поступает с обычного логического элемента, уровень «включено» будет около −4 В из-за падения на VT. При прохождении через транзистор происходит ещё одно падение, и минимальное выходное напряжение составляет около +1 В, чего недостаточно для надёжной работы.
Bootstrap-нагрузка решает эти проблемы. Если использовать её в инверторе супербуфера или в цепи управления проходным транзистором, напряжение управления будет близко к −9 В. В этом случае остаётся только одно падение на пороговом напряжении, и выход достигает примерно −5 В — этого достаточно для корректной работы.
5. Это объяснение bootstrap-нагрузки упрощено. В реальной схеме влияют паразитные ёмкости, утечки транзисторов и другие факторы, поэтому выходное напряжение не достигает точно VDD. Также можно ожидать, что заряд конденсатора будет утекать через Q3 так же быстро, как и накапливается. Однако, хотя Q3 рассматривается как резистор, он также ведёт себя как диод, предотвращая разряд конденсатора. (Когда конденсатор становится более отрицательным, роли истока и стока Q3 меняются, и он перестаёт проводить).
6. Кремниевый bootstrap-конденсатор хорошо иллюстрирует, как распространялись знания между компаниями на заре эпохи микропроцессоров. Практическая технология кремниевых затворов была разработана в Fairchild (с некоторыми более ранними предпосылками). Когда сотрудники (включая Фаджина) перешли из Fairchild в Intel, они принесли эти знания с собой. (В некоторых случаях — вместе с «большим количеством внутренних конфиденциальных документов Fairchild», см. воспоминания Симы.) Из Intel идеи распространились дальше, например, когда Фаджин покинул компанию и основал Zilog, создав процессор Z80 на основе Intel 8080.
7. Интересно, что в 2007 году Intel вновь вернулась к использованию металлических затворов для дальнейшего масштабирования транзисторов (подробнее). В некотором смысле технология полупроводников замкнула круг, вернувшись к металлическим затворам, хотя теперь используются более сложные материалы, такие как гафний.
8. В книге The Making of the First Microprocessor Федерико Фаджин пишет: «Bootstrap-нагрузка была очень популярным схемотехническим приёмом, использовавшимся практически во всех динамических МОП-схемах того времени. Она позволяла получить размах выходного сигнала, который не только соответствовал напряжению питания, но и обеспечивался быстрее, чем при обычных МОП-нагрузках при той же рассеиваемой мощности». Фаджин рассказывает о том, как изобрёл bootstrap-нагрузку, в истории 4004 (стр. 11) и истории 8008 (стр. 8). См. также работу Фаджина The MOS Silicon Gate Technology and the First Microprocessors. В ней он объясняет, почему bootstrap-нагрузка необходима для двухфазной схемы и почему технология кремниевых затворов не позволяла полноценно реализовывать конденсаторы. Описание bootstrap-нагрузки также есть на сайте Фаджина. Кроме того, она рассматривается на mosgate.
9. Пороговое напряжение зависит от различных свойств интегральной схемы, включая материал затвора и толщину оксидного слоя. Мне не удалось найти точное значение порогового напряжения для процессора 8008, но величина порядка −5 В выглядит правдоподобной (и к тому же это удобное круглое число). В книге MOSFET in Circuit Design обсуждаются пороговые напряжения для устройств с P-каналом.
История bootstrap-нагрузки хорошо показывает социальный механизм, через который людям приписывают авторство изобретений и формируется их репутация. Хотя Фаджин сыграл ключевую роль в создании процессоров 4004 и 8008, «после его ухода для основания Zilog его имя на время словно вычеркнули из истории Intel». (См. Intel disowns Faggin и Interview with San Mazor) Сам Фаджин писал: «Они пытались стереть моё имя из всех моих достижений, включая технологию кремниевого затвора и первый микропроцессор, и приписать их другим». После настойчивых усилий жены Фаджина и сайта intel4004.com, выступавшего в его поддержку, Intel неохотно стала признавать его вклад в большей степени. В конечном счёте Фаджин получил ряд наград, включая National Medal of Technology and Innovation в 2010 году, так что в итоге он всё же получил заслуженное признание.
Суть в том, что авторство не распределяется объективно; это подвижный процесс, зависящий от корпоративных и личных интересов, а также от того, кто именно рассказывает историю. (Одна из современных площадок, где разворачиваются такие конфликты, — Википедия). Одной из попыток скорректировать подобную картину стала книга History of Semiconductor Engineering, где рассказывается о многих ключевых фигурах в истории интегральных схем без особой оглядки на «общепринятую» версию событий. Стоит уточнить, что в вопросе происхождения bootstrap-нагрузки я в первую очередь опираюсь на тексты самого Фаджина, поэтому этот пост не следует воспринимать как «объективный» взгляд на то, кому именно должно принадлежать авторство. Похоже, что bootstrap-нагрузка с кремниевым затвором была независимо изобретена и в National Semiconductor: патент 3912948, поданный в 1971 году Дилипом Бапатом, описывает идентичную схему такой bootstrap-нагрузки.
