Az eFuse működése

A cég bejelentése szerint az újonnan kifejlesztett technológia segítségével lehetővé válik az integrált áramkörök kapcsolásának külső, illetve emberi beavatkozás nélküli módosítása, tehát egyúttal az órajel állítása, a belső hibák kijavítása és a fogyasztás csökkentése is.

Az eFuse nevű szabadalmaztatott technológia az IC-gyártásban használatos külső biztosítékokat váltja ki, amelyek többek között limitált miniatürizálhatóságukkal és lassú programozhatóságukkal akadályozták a további fejlődést. Az új fejlesztés alapját mikroszkopikus méretű biztosítékok és egy különleges szoftver alkotja, amelyek együttműködve változtatni képesek a chip működésén. Mindezek alapján az IBM a chipek tervezésének, gyártásának és alkalmazásának alapvető megváltozását jósolja.

Az eFuse működése

„Az eFuse hasonlóan alakítja át az áramkör kapcsolását, mint ahogy az autópályák forgalmát szabályozzák a sávlezárások és az újonnan megnyitott sávok” – mondja Dr. Bernard Meyerson, az IBM Sytems and Technology Group igazgatója. Az IC-k bonyolultságának és a tranzisztorok számának növekedésével egyre nagyobb valószínűséggel történik hiba a gyártási folyamat során, azaz előfordulhat, hogy egy vagy több tranzisztor egyáltalán nem vagy helytelenül működik. A hibák kijavítására évtizedek óta a chipen kívül elhelyezett biztosítékokat használnak, amelyek hiba esetén kikapcsolhatták az áramkörből a hibás részt, illetve helyettesíthették az elveszett biteket. A chipek méretcsökkentése során azonban egyrészt a poliszilícium biztosíték átvágására szolgáló széndioxid-lézer hullámhossza nem tette lehetővé a biztosítékok méretének arányos csökkentését, másrészt a chip sérülését elkerülendő a biztosítékokat külön blokkban kellett tárolni. Ezek mellett ráadásul a gyártás során jelentkező hibákat kiküszöbölő javítások napokat is igénybe vehettek.

Az IBM technológiája választ ad a fenti problémákra. A biztosíték egy anód és egy katód között elhelyezkedő, alig 1 mikron hosszú és 0,1 mikron széles fémszilicid átkötés, melynek programozására az egyébként káros elektronmigrációs folyamatot használják, amely során az átfolyó áramot alkotó negatív töltésű elektronok vonzást gyakorolnak a rácsban elhelyezkedő, pozitív töltésű ionokra, ez az „elektronszél” pedig gyakran elmozdítja ezeket a fémes ionokat, szigetelővé téve ezáltal az ionmentes régiót – a biztosíték tehát elektromosan megszakad. Természetesen a folyamat nem visszafordítható, a többszöri programozhatóság a biztosítékok számának növelésével érhető el.

eFuse technológia alkalmazásával felépített chip keresztmetszeti képe

Az IBM szabadalma többek között arra vonatkozik, hogy a biztosítékok programozására szolgáló áramok annak ellenére ne tegyenek kárt a chip többi részében, hogy maguk a biztosítékok a chip belsejében, a legmegfelelőbb helyeken, mintegy szétszórva helyezkednek el. A biztosítékok ennek érdekében kizárólag sorosan programozhatóak, azonban mivel darabonként 0,2 milliszekundum elegendő, a hibajavítás nagyságrendekkel gyorsabb a megelőző technológiánál (a Power5 288 Mbites SRAM cache-ének hibajavítására körülbelül 35 000 eFuse szolgál).

Az IBM közleménye szerint az eFuse IC-kbe építése gyakorlatilag semmiféle pluszköltséggel, illetve gyártástechnológiai problémával nem jár, így az IBM 90 nanométeres (CU-08) ASIC könyvtárában teljesen kiváltotta a hagyományos biztosítékokat, a 128 biztosítékból és a vezérlőlogikából álló VHDL blokk könnyedén elhelyezhető bármely új tervezésű ASIC-ben.

Alkalmazások

„Elméletileg lehetséges, hogy egy adott chipet a követelményeknek megfelelően egyik esetben videojátékok futtatására, másik esetben hangszerkesztésre optimalizáljunk” – mondta Subramanian Iyer, az IBM egyik mérnöke. Az optimalizálás elsősorban a már meglévő funkcionális elemek összekapcsolásának megváltoztatását jelenti. „Természetesen az önmódosítás nem jelenti teljesen új logikai funkciók létrehozását” – magyarázza Steve Sharp, a Xilinx cég munkatársa, aki az eFuse-t nem tekinti az FPGA-k ellenfelének.

Az IC-t felépítő blokkok össze-, szét- és kikapcsolhatóságának alkalmazása leginkább a hibajavítás és az optimalizálás terén jelent előrelépést.

Hibajavítás során lényeges, hogy a chip funkcionális elemei redundáns módon vannak jelen. Hiba esetén az eFuse segítségével kikapcsolt hibás elemet a bekapcsolt, helyes működésű redundáns egység helyettesíti, így relatíve kevés többletköltségért (nagyobb magméret) cserébe a gyártósorok kihozatala magasabb, ezen kívül a csökkenő csíkszélesség okozta egyre komolyabb gyártástechnológiai problémák ellenére a chipek élettartama nem csökken. A hibadetektálás és -javítás történhet a gyártás során, de akár működés közben is (az IBM a Blue Gene nevű szuperszámítógép építése közben szembesült napjaink csúcsprocesszorainak csökkenő megbízhatóságával…)

5 A-es biztosíték és a több tízezer eFuse-t tartalmazó Power5-mag

Bár a sajtóközlemények nem említik, nem szabad elfeledkeznünk a kritikusabb alkalmazásokról sem. Jelenleg a tömegpiacon alkalmazott integrált áramkörök olyan olcsók, hogy legtöbbjük esetében értelmetlen hibajavítást alkalmazni, a teljes chip cseréje kevesebb anyagi ráfordítást igényel, mint áttervezése a hibajavító technológiák alkalmazásával. Kritikus feladatot ellátó beágyazott áramkörök esetén azonban (különös tekintettel a katonai alkalmazásokra) sokszor lehetetlen cserélni az áramkört, a folyamatos, hibátlan működés pedig kötelező elvárás. A NASA pedig hatalmas összegeket fordít az űrtechnológiában használt IC-k sugárzás elleni árnyékolására. Az IBM technológiájának segítségével egy megfelelően redundáns áramkör részleges meghibásodás esetén is folyamatos, megbízható működésre képes – emberi beavatkozás nélkül.

Az eFuse technológia a hibatűrés mellett lehetővé teszi a gyártók számára, hogy ugyanazon maszk és gyártósor alkalmazásával gyártott IC-k eltérő területeken is optimálisan tudjanak működni. A feladathoz alkalmazkodás jelenthet fogyasztásszabályozást, órajelszabályozást, de akár alapvető működésbeli változtatásokat is, például attól függően, hogy soros vagy párhuzamos adatfeldolgozásra van inkább szükség. Ezt érzékelteti Richard Doherty, az Envisioneering Group igazgatójának nyilatkozata is: „El tudok képzelni olyan képérzékelőt, amely az eFuse technológia segítségével az 1600 x 1200-as HDTV felbontásról alacsonyabb pixelszámú szenzorrá konfigurálhatja magát, az igényeknek megfelelően”.

A gyártástechnológiai változtatásokat nem igénylő eFuse-ra épülő chipek gyártása már folyamatban van az IBM East Fishkill-i és burlingtoni üzemeiben.

Emvy