ریزپردازنده اینتل ۸۰۰۸ برای نخستین بار در ۴۸ سال پیش تولید شد و اولین ریزپردازنده ۸ بیتی اینتل به شمار می‌رود. این تراشه، جد پردازنده‌های خانواده x86 است که احتمالا همین الان هم در حال استفاده از آن هستید.

در این مطلب قرار است نگاهی عمیق به سطح تراشه این پردازنده بیندازیم و تاریخچه آن و تاثیری که در صنعت نیمه‌هادی گذاشت را زیر ذره‌بین بریم. در قسمت دوم و پایانی با ترنجی همراه باشید.

قسمت اول را می‌توانید از این لینک مشاهده کنید

روش تهیه عکس‌های سطح تراشه

اولین قدم باز کردن پکیج برای دیدن سطح تراشه است، اکثر تراشه‌ها در پکیج‌های اپوکسی عرضه می‌شوند که در اسید‌های قوی قابل حل هستند.

ریزپردازنده ۸۰۰۸ در پکیج سرامیکی

علاوه بر این، ۸۰۰۸ در پکیج سرامیکی هم عرضه می‌شد که عکس آن در بالا قابل مشاهده است. در واقع این یک پکیج سرامیکی یک‌دست نیست و از دو بخش بالا و پایین تشکیل شده است که با یک جسم تیز می‌توان این دو را از هم جدا کرد و به سطح تراشه رسید.

همانطور که در عکس زیر مشخص است، اکثر پین‌های فلزی از بین رفته‌اند اما جایگاه آن‌ها بر روی پکیج همچنان مشخص است. در سمت راست تراشه یک قطعه کوچک وجود دارد که کار آن اتصال زمین به زیرلایه تراشه است.

درون پکیج ریز پردازنده ۸۰۰۸، تراشه سیلیکونی به وضوح قابل مشاهده است.

زمانی که تراشه در دسترس قرار گرفت می‌توان از میکروسکوپ برای عکاسی از آن استفاده کرد. اکثر میکروسکوپ‌های استاندارد نور را از پایین به جسم می‌تابانند که در این مورد کارساز نمی‌باشد، به همین دلیل باید از میکروسکوپ متالورژیکی که نور را از بالا پخش می‌کند، استفاده کرد.

برای به دست آوردن عکس تراشه با کیفیت بالا، مجموعا ۴۸ عکس گرفته شد که با استفاده از نرم‌افزار به یکدیگر پیوند داده شدند. در نهایت کنتراست عکس هم تغییر یافت تا ساختار تراشه واضح‌تر شود. برای مقایسه، این عکس بدون تغییر است که در زیر میکروسکوپ هم به همین‌‌صورت قابل مشاهده می‌باشد:

سطح تراشه ریزپردازنده ۸۰۰۸ بدون هیچ گونه ویرایش

درونِ تراشه

تصویر تراشه ریز پردازنده Intel ۸۰۰۸

عکس فوق، سطح سیلیکونی تراشه ۸۰۰۸ با ۳۱۹۸ ترانزیستور را نشان می‌دهد (نسخه با کیفیت را می‌توانید از این لینک ببینید). به سختی می‌توان سیم‌ها و ترانزیستورهایی که تراشه را می‌سازند، مشاهده کرد. مربع‌هایی که در اطراف تراشه قرار دارند در واقع ۱۸ پد هستند که با سیم‌های بسیار نازک به ۱۸ پین خارجی پردازنده متصل می‌شوند.

شماره “۸۰۰۸” در گوشه سمت راست عکس و عبارت “Intel 1971©” در گوشه پایینی قابل مشاهده است. در کنار این عبارات، عبارت “HF” را نیز در سمت راستِ گوشه بالا می‌توان دید که مخفف هال فینی (Hal Feeney)، طراح بخش منطق تراشه و چیدمان فیزیکی آن است. علاوه بر هال فینی، تِد هاف (Ted Hoff)، اِستَن مازور (Stan Mazor) و فِدِریکو فَگین (Federico Faggin) نیز از طراحان این تراشه بودند.

دیاگرام زیر، بعضی از بخش‌های اصلی تراشه را نشان می‌دهد. در سمت چپ واحد محاسبه و منطق (ALU) ۸ بیتی دیده می‌شود که وظیفه محاسبه داده‌ها را بر اختیار دارد. در این ALU از دو ثباتِ موقت (Temporary Register) استفاده می شود که مقادیر ورودی آن را نگه می‌دارند. این ثبات‌ها فضایی نسبتا زیاد را بر روی تراشه اشغال می‌کنند که البته این به دلیل پیچیده بودن آن‌ها نیست، بلکه به‌خاطر نیاز به ترانزیستورهای عظیم جهت انتقال سیگنال به مدار ALU است.

بخش‌های اصلی تراشه

زیر بخش ثبات‌های ALU، مدار جمع‌کننده با قابلیت پیش‌بینی رقم نَقلی (carry look-ahead) وجود دارد که برای جمع و تفریق به کار می‌رود. در این مدار، تمام ۸ رقم نقلی برای عملکرد بهتر به صورت موازی محاسبه می‌شوند. از آنجایی که رقم نقلیِ مرتبه پایین (Low-order carry)، تنها نیاز به ارقامِ مرتبه پایین دارد، در حالی که رقم نقلیِ مرتبه بالا (High-order carry) نیاز به چندین رقم مرتبه پایین/بالا دارد، شکل این مدار به صورت مثلث در آمده است.

در این میان چینش مثلثی ALU هم غیرمعمول است چرا که اکثر پردازنده‌ها به شکل مستطیلی بلوک‌ هر بیت این بخش را پیاده‌سازی می‌کنند. ۸۰۰۸ دارای ۸ بلوک (هر کدام برای یک بیت) می‌باشد که مجموعا از ۸ دستورالعمل ساده پشتیبانی می‌کنند.

در وسط تصویر، ثبات دستورالعمل (Instruction Register) و مدار رمزگشای دستورالعمل (Instruction Decode) قرار دارند که این مدار دستورالعمل‌های ۸ بیتی وارد شده از ثبات دستورالعمل را رمزگشایی می‌کند. رمزگشایی توسط آرایه منطقی قابل برنامه ریزی (PLA) انجام می‌شود که در این مدار، ورودی‌ها با الگوهای از پیش تعیین شده مقایسه و خروجی‌های مناسب تولید می‌گردند. در سمت راست، بلوک‌های ذخیره‌سازی قرار دارند و هفت ثبات این پردازنده نیز در سمت راست بالا قابل مشاهده‌اند. در قسمت پایین سمت راست پشته آدرس‌ (Address Stack) پویا قرار دارد که از هشت آدرس ۱۴ بیتی تشکیل شده است.

برخلاف اکثر پردازنده‌ها، پشته فراخوانی (Call Stack) در ۸۰۰۸ به جای ذخیره در حافظه، بر روی خود تراشه ذخیره می‌گردد. شمارنده برنامه‌ (Program Counter) نیز در یکی از این آدرس‌ها قرار دارد که باعث ساده‌تر شدن روند فراخوانی زیررِوال‌ها (Subroutine) و بازگشت‌ها می‌گردد.

چیدمان فیزیکی تراشه بسیار نزدیک به چیزی است که اینتل در بلوک دیاگرام دفترچه راهنمای کاربر ۸۰۰۸ ترسیم کرده است، با دقت خوبی می‌توان گفت بلوک‌های نام برده شده در همان قسمت از تراشه قرار دارند.

بلوک دیاگرام ریزپردازنده اینتل ۸۰۰۸، ترسیم‌شده در دفترچه راهنما

ساختارِ تراشه

تراشه ۸۰۰۸ دارای سه لایه مختلف می‌باشد. دیاگرام زیر تصویری از نزدیک را نشان می‌دهد که در آن می‌توان لایه‌های مختلف تراشه را مشاهده کرد. بالاترین لایه، سیم‌کشی فلزی است که به راحتی می‌توان آن را دید و رنگ مِتالیک دارد، در دیاگرام زیر اکثر سیم‌کشی‌ها به صورت افقی صورت گرفته‌اند. لایه زیرِ فلز، پلی‌سیلیکون است که در زیر میکروسکوپ به رنگ نارنجی دیده می‌شود.

تصویری نزدیک از سطح تراشه ۸۰۰۸ که لایه‌های فلزی، پلی‌سیلیکون و سیلیکون ناخالص (Doped Silicon) در آن نشان داده شده است.

این تراشه از ویفرهای سیلیکونی تشکیل شده است که در تصویر، رنگی خاکستری مایل به بنفش دارند. سیلیکون در حالت خالص به صورت یک عایق عمل می‌کند و برای تشکیل سیلیکون نیمه‌هادی، به قسمت‌هایی از آن ناخالصی افزوده می‌شود که نتیجه آن سیلیکون ناخالص (Doped Silicon) یا آلاییده است. تشخیص سیلیکون خالص و ناخالص در این تصویر مقداری سخت است اما با کمی دقت در قسمت پایین تصویر، حاشیه‌های بین این دو نوع سیلیکون با خطوط مشکی پر شده است. مقدار کمی سیم‌کشی سیلیکونی نیز در تصویر قابل مشاهده است.

ترانزیستورها از قطعات کلیدی تراشه محسوب می‌شوند. در این تراشه، ترانزیستورها در محل تقاطع سیم پلی‌سیلیکونی با سیلیکون ناخالص، تشکیل می‌گردند. در عکس، پلی‌سیلیکونی که ترانزیستور تشکیل داده است به رنگ نارنجی روشن‌تر دیده می‌شود.

و اما یکی از سوالات حیاتی در این قسمت چرایی به کارگیری تراشه‌ای با ۱۸ پین است. ۸۰۰۸ با ۱۸ پین عرضه شده بود که در نهایت باعث کم شدن سرعت تراشه و سخت‌تر شدن استفاده از آن می‌گردید. این ریزپردازنده از ۱۴ بیت برای آدرس و ۸ بیت برای داده بهره می برد که مشخص است با تنها ۱۸ پین نمی‌توان در یک زمان به هر کدام از بیت‌های موجود، سیگنال داد. اینتل برای رفع این مشکل از ۸ پین داده، در سه سیکل و هر بار برای انتقال بیت‌های پایین آدرس، بیت‌های بالای آدرس و بیت‌های داده استفاده کرد. این معماریِ انتقال داده باعث شده بود رایانه‌هایی که از این تراشه استفاده می‌کنند به چندین تراشه کمکی برای ارتباط با گذرگاه داده استفاده کنند.

در آن زمان هیچ دلیل مناسبی برای استفاده از تراشه‌های ۱۸ پین وجود نداشت و در عوض تراشه‌های ۴۰ یا ۴۸ پینی مرسوم بودند. از طرفی اینتل به استفاده از تراشه‌های ۱۶ پینی عادت کرده بود و حتی مهاجرت به ۱۸ پین هم برایش کار آسانی نبود. در نهایت پس از عرضه جانشین ۸۰۰۸، یعنی ۸۰۸۰، اینتل هم به استفاده از ۴۰ پین روی آورد و یکی از دلایل محبوبیت بیشتر ۸۰۸۰ هم طراحی باس داده ساده‌تر آن بود که به واسطه استفاده از ۴۰ پین فراهم شده بود.

خطوط انتقال انرژی با رنگ‌های آبی و قرمز نشان داده شده‌اند و خطوط انتقال داده نیز با ۸ رنگ دیگر متمایز شده‌اند.

خطوط آبی و قرمز مسیرهای انتقال انرژی را مشخص می‌کنند، انتقال توان یکی از جنبه‌های کمتر توجه‌شده در پردازنده‌هاست و در این تراشه خاص، انرژی از طریق لایه فلزی به دلیل مقاومت کم آن منتقل می‌شود. از آنجایی که تنها فقط یک لایه فلزی وجود دارد، مسیرهای انتقال انرژی باید به دقت چیده شوند تا با مسیرهای انتقال داده که در همان لایه هستند، برخوردی نداشته باشند. در دیاگرام بالا، خطوط Vcc با رنگ آبی نشان داده شده و خطوط Vdd با رنگ قرمز مشخص گردیده. در این تراشه برق از طریق پین Vcc در سمت چپ و پین Vdd در سمت راست توزیع می‌شود و سپس در مسیرهای نازک، توان را به تمام قسمت‌های تراشه منتقل می‌‌کنند.

ثبات‌ها

تصویری از هفت ثبات ۸-بیتی ریزپردازنده ۸۰۰۸ با نام‌های A, B, C, D, E, H, L

در تصویر فوق، نمایی از ثبات‌های ۸۰۰۸ مشاهده می‌شود. این ثبات‌ها در یک شبکه 7 در 8 و در قالب سلول‌های ذخیره‌سازی حافظه پویا (DRAM) پیاده‌سازی شده‌اند. هر سلول از سه ترانزیستور برای نگه‌داشتن یک بیت استفاده می‌کند (مستطیل‌های کوچک در قسمت پلی‌سیلیکون که پر رنگ‌تر هستند، در واقع یک ترانزیستور محسوب می‌شوند.). هر ردیف افقی که از دو جفت سیم تشکیل شده، یکی از ثبات‌های ۸۰۰۸ محسوب می‌گردد (مجموعا ۱۴ ردیف نارنجی‌رنگ به صورت افقی).

استفاده از DRAM برای ثبات‌ها به جای استفاده از راه حل معمول یعنی SRAM، تصمیم جالبی بود که احتمالا اینتل به دلیل تخصص بیشتر خود در زمینه توسعه DRAM این کار را انجام داد.

در جفت سیم‌های هر ثبات، یک سیم وظیفه خواندن و دیگری وظیفه نوشتن را بر عهده دارد. از بالا نیز ۸ سیم عمودی برای خواندن یا نوشتن هر یک از بیت‌های هر رجیستر در نظر گرفته شده است و ۵ سیم ضخیم‌تر هم برای تغذیه Vcc در نظر گرفته شده‌اند.

تصویر دیگری از همین قسمت

استفاده از DRAM برای ثبات‌ها به جای استفاده از راه حل معمول یعنی SRAM، تصمیم جالبی بود که احتمالا اینتل به دلیل تخصص بیشتر خود در زمینه توسعه DRAM این کار را انجام داد.

ترانزیستورهای PMOS

تراشه 8008 از ترانزیستورهای نوع PMOS استفاده می‌کند. برای ساده شدن مطلب، ترانزیستور PMOS را می‌توانید به عنوان سوئیچی میان دو سیم سیلیکونی که توسط ورودی گِیت (Gate) از نوع پلی‌سیلیکون کنترل می‌شود، فرض کنید. این سوئیچ زمانی بسته می‌شود که ورودی گیت آن پایین باشد و در این حالت خروجی خودش را افزایش می‌دهد. اگر قبل از این با ترانزیستورهای NMOS که در پردازنده‌هایی مانند 6502 استفاده می‌شد، آشنایی داشتید، احتمالا ترانزیستورهای PMOS کمی برایتان گیج‌کننده خواهند بود چرا که همه چیز برعکس NMOS عمل می‌کند.

یک مدار NAND ساده، توسط ترانزیستور ‌PMOS، مانند عکس زیر می‌تواند ساخته شود. زمانی که ولتاژ هر دو ورودی از حدی بالاتر باشد، ترانزیستور خاموش خواهد شد و مقاومت، خروجی را پایین نگه می‌دارد. در عین حال هر زمان که ولتاژ یکی از ورودی‌ها پایینتر از حدی باشد، ترانزیستور روشن خواهد شد و خروجی را به Vcc +5v متصل خواهد کرد. برای سازگاری با مدارهای ۵ ولت TTL، گیتِ PMOS (و در نتیجه کل تراشه ۸۰۰۸) با ولتاژهای عجیبی مثل مثبت ۵ ولت و منفی ۹ ولت تغذیه می‌شدند.

مدار NAND ساخته شده توسط ترانزیستور PMOS

به دلایل فنی، مقاومت در قالب یک ترانزیستور قرار داده شده است. دیاگرام زیر مدار ترانزیستور را نشان می‌دهد که چطور به عنوان یک مقاومت پایین-‌کِش (Pull-down) عمل می‌کند. تصویر سمت راست هم نشان می‌دهد که مدار نهایی بر روی تراشه چگونه به نظر می‌رسد. سیم فلزی منفی ۹ ولت در بالا، ترانزیستور در وسط و در نهایت خروجی در قالب سیم سیلیکونی در پایین آن قابل مشاهده است.

عکس مقاومت پایین‌-کش تعبیه شده در تراشه ۸۰۰۸ به وسیله یک ترانزیستور

جمع‌بندی

در این مقاله نگاهی به مدار تراشه ۸۰۰۸ انداختیم، با اینکه ۸۰۰۸ نخستین ریزپردازنده یا حتی اولین تراشه ۸ بیتی هم نبود اما به واقع پایه‌گذارِ انقلابی در حوزه ریزپردازنده‌ها بود که ساختار آن در نهایت به معماری بسیار فراگیرِ x86 ختم گردید. احتمالا بدون وجود این ریزپردازنده، رایانه‌هایی که امروزه وجود دارند، بسیار متفاوت‌تر از چیزی بودند که ما به عنوان رایانه‌های مدرن می‌شناسیم.

پایان قسمت دوم از دوم، دیدگاه شما چیست؟