CT扫描层层揭秘英特尔标志性386 CPU内部构造
3 天前 / 阅读约6分钟
来源:Tomshardware
通过CT扫描揭示的英特尔386芯片内部结构,展示了其先进的封装技术,包括金键合线、六层电路板、信号和电源层设计等,这些设计对现代计算性能至关重要。

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

在当今高科技和精密封装技术的背景下,英特尔386芯片显得毫不起眼——一块带有132个金引脚的灰色陶瓷板,或许只能在旧零件箱中觅得踪迹。然而,在这不起眼的外表之下,却隐藏着20世纪80年代末芯片封装的辉煌成就,这是我们现在习以为常的工程技术。借助CT扫描仪与巧妙的数字解剖技术,Ken Shirriff成功探秘了这个经典CPU的每一层构造,全程无需螺丝刀或吸锡枪。

扫描产生了数百张极薄的X光片,这些X光片被拼接成一个3D模型,用户可以旋转、缩放,并逐层“剥离”数字模型。首先映入眼帘的是一圈金键合线,每根线仅35微米厚,比发丝还要纤细,它们从硅芯片中辐射而出。这些键合线如同微观吊桥,连接着芯片焊盘与封装内部布线。有的负责传输简单的数据或控制信号,有的则集结成束——一个焊盘上最多可达五根——以满足电源和地的更高需求。

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

再剥离一层,386封装的真正复杂性得以展现:它本质上是一个微型的六层电路板。其中两层用于传输信号,而四个专用的铜平面则为芯片的不同部分提供稳定、纯净的电源和地。这种“单行双层架”键合方法,在英特尔自家的封装文献中有所记载(见下文附件),是一种在极小空间内实现最大连接性的创新方式。

(图片来源:英特尔 via righto.com)

通过对扫描结果的深入分析,Shirriff绘制出了引脚连接图——一些引脚直接连接到I/O焊盘,而另一些则深埋于电源和逻辑供电网络中。CT成像甚至捕捉到了英特尔可能从未打算公开的细节,如制造过程中用于电镀引脚的金线细侧线。当他轻轻打磨陶瓷以匹配扫描结果时,这些几乎看不见的镀层触点得到了验证。

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

接下来,扫描结果将信号层和电源层并排展示,揭示了设计的复杂性。信号层如同一张由细铜路径交织而成的复杂网络,通过微小的过孔,将所有数据和控制信号传输至芯片各处。它们精细且精确,旨在导航芯片内部的复杂逻辑。相比之下,电源层则几乎是实心的铜片,仅留有少数孔供键合焊盘和过孔穿过。这些平面为芯片提供稳定、纯净的电源和地,确保一切运行顺畅,无干扰或噪声。

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

在硅芯片下方,X光显示出一个亮斑——那是填充了银的环氧树脂。这不仅仅是一种胶水;它是一种精心挑选的材料,既能吸收芯片上的热量,又能提供直接、低电阻的地连接。这是封装如何保持386在负载下稳定可靠的一个微妙但至关重要的环节。

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

封装如同一座桥梁,跨越了巨大的尺度差异。在硅芯片内部,最小的特征宽度约为1微米——即使在显微镜下也几乎难以察觉。然后这些特征扩展到芯片上的布线,约为6微米,再连接到间距约为四分之一毫米的键合焊盘。这些键合焊盘进一步连接到间距为半毫米的封装焊盘,最终连接到芯片底部的引脚,引脚间距为2.54毫米。这是一个令人难以置信的缩放过程——从微观核心逻辑到肉眼可见的笨重插座引脚,大约放大了2500倍。

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

如果将386的一根键合线与其连接的插座引脚并排放置,它们之间的尺寸差异将显得荒谬。这正是这种封装的魅力所在:它不仅保护了芯片,还将其从一个精致的微观设备转变为一个坚固的可安装部件,理论上你可以手动将其插入或拔出主板。

此外,386封装中还包括八个标记为“不连接”(NC)的引脚,意味着它们并未与主板相连,看似未被使用。在芯片内部,大多数NC焊盘几乎已连接,内部布线和焊盘点已准备就绪,只待键合线连接。英特尔将这些焊盘留作占位符,可能用于制造过程中的测试或调试。有趣的是,一个NC引脚实际上与芯片连接并作为输出,暗示了英特尔可能隐藏的信号。请参考第二张图库图片以识别芯片上的NC引脚。

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

(图片来源:Ken Shirriff via righto.com)

对于爱好者而言,我们强烈建议您查看原始博客文章以获取更多信息;该文章对于那些感兴趣并寻求更多技术细节的人来说更为详尽。对于英特尔而言,这种陶瓷多层方法不仅仅是一种优雅的设计;它最终打破了该公司早期对保持引脚数量低的痴迷——据Shirriff所言,这是英特尔管理层“芯片引脚不应超过16个”这一奇怪信念的遗留问题——这限制了其20世纪70年代首批处理器的潜力。

386标志着英特尔完全接受了高引脚数量和先进封装技术,认识到复杂的芯片需要复杂的多层陶瓷封装来处理电源、信号完整性和散热问题。这一转变至关重要,它实现了性能飞跃,为现代计算奠定了基础。

如今,我们很容易忘记386是使当代多任务处理PC成为可能的CPU,其封装对于这一飞跃的重要性不亚于其晶体管数量。Shirriff的CT扫描工作不仅满足了人们的好奇心;它还提醒我们,在早期的微处理器战争中,英特尔将一些世界上最优秀的工程人才投入到了看似最平凡的领域——“它装在哪个盒子里”。只有时间会告诉我们,这个曾经标志性的创新巨头是否会重返昔日的辉煌。

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