Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
33,8
рейтинг
5 сентября 2011 в 20:25

Взгляд изнутри: Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT из песочницы

image
Предисловие

Года 3-4 назад судьба распорядилась так, что в руки мне попал ноутбук Asus G2S. Счастье моё длилось ровно до прошлой зимы, когда ни с того, ни с сего на экране стали появляться артефакты, особенно при запуске игрушек или «мощных» приложений, активно работающих с видеочипом. В результате оказалось, что проблема именно в нём. Nvidia для практически всей геймерской линейки G2 поставляла видеочипы с браком (отслоение контактов между самим кристаллом и подложкой), который обнаруживался лишь через пару лет интенсивной работы. Решение было однозначным – замена видеочипа. Но что делать со старым?! Ответ на этот вопрос пришёл на редкость быстро…
Много трафика под катом
Дело в том, что в качестве «хобби» я читаю лекции в СУНЦ МГУ (школа Колмогорова), и меня давно просили подготовить материал по микро и наноэлектронике, где бы объяснялось как, где и в каких условиях производят флешки, процессоры и т.д. А тут такой ценный образец пропадает, так что буквально через день старенький видеочип лежал под алмазным кругом микротома.

image
Наш старенький, но добротный Accutom-2. В корпорации добра даже нормальной фотографии этого девайса не нашлось.

Наверное, поступил глупо, что не снял видео процесса разрезания самого чипа, но что поделать – c’est la vie. Когда в руках у меня оказалось 3 части, то разочарованию не было предела. Оказалось, что срез был довольно грубым (хотя я рассчитывал, что микротом сможет разрезать ровно и оставить после себя гладкую поверхность), и пришлось ещё долго и упорно шлифовать и полировать торцевую поверхность чипа, которую я затем рассмотрел под электронным микроскопом.

О пользе полировки

Кстати, польза от полировки видна невооружённым взглядом, точнее вооружённым, но только оптическим микроскопом:

image
Слева фотографии до полировки, справа – после. Верхний ряд фотографий – увеличение 50x, нижний – 100x.

После полировки (фотографии справа) уже на увеличении 50x видны медные контакты, соединяющие отдельные структуры чипа. До полировки, они, конечно же, тоже проглядывают сквозь пыль и крошку, образовавшуюся после резки, но разглядеть отдельные контакты вряд ли удастся.

Электронная микроскопия

Оптика даёт 100-200 крат увеличения, однако это не идёт ни в какое сравнение с 100 000 или даже 1 000 000 крат увеличения, которое может выдать электронный микроскоп (теоретически для ПЭМ разрешение составляет десятые и даже сотые доли ангстрема, однако в силу некоторых реалий жизни такое разрешение не достигается). К тому же, чип изготовлен по техпроцессу 90 нм, и увидеть с помощью оптики отдельные элементы интегральной схемы довольно проблематично. А вот электроны вкупе с определёнными типами детектирования (SE2 – вторичные электроны) позволяют визуализировать разницу в химическом составе материала и, таким образом, заглянуть в самое кремниевое сердце нашего пациента, а именно узреть сток/исток, но об этом чуть ниже.

Печатная плата

Итак, приступим. Первое, что мы видим – печатная плата, на которой смонтирован сам кремниевый кристалл. К материнской плате ноутбука он крепится с помощью BGA пайки. В ходе разработки лекции для школьников я пользовался довольно подробными публикациями от компании Intel на Хабре, однако недавно нашёл пару видео фрагментов с канала Discovery о кремниевой электронике. Например, в этом видеофрагменте рассказано о том, как кремниевый чип устанавливается на подложку, а также как эти маленькие (~0,5 мм в диаметре) оловянные шарики упорядоченно размещаются на печатной плате. Китайцы с их трудолюбием и усердием тут совершенно ни при чём:



image
BGA пайка.

image
BGA пайка.

Сам же кристалл устанавливается на некое подобие BGA, давайте назовём его «mini»-BGA. Это те же шарики из олова, которые соединяют маленький кусочек кремния с большой многослойной печатной платой, только их размер гораздо меньше.

image
Сравнение BGA и mini-BGA пайки.

image
Сравнение BGA и mini-BGA пайки.

Кстати, между кристаллом и печатной платой находится очень много «шариков», которые, по всей видимости, являются своего рода заполнителем пустого пространства между этими элементами и, возможно, способствуют отводу тепла от самого чипа к PCB.

image
Множество шарообразных частиц заполняют пространство между чипом и печатной платой. А вы видите уже проглядывающие контакты на самом видеочипе?!

Далее будет немножко фотографий самой печатной платы. Она оказалось 8-ми слойной, причём все слои так или иначе соединены между собой. И ещё – материал платы «волнистый», это заметно, как на оптических фотографиях, так и на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа. Кто знает, почему?!

image

image

image

Элемент обвязки

Микротом позволил аккуратно разрезать один из элементов обвязки, который, судя по всему, является либо SMD резистором, либо конденсатором. Но, честно говоря, я ожидал увидеть всё что угодно, только не полосатую структуру (т.е. данный элемент собран послойно из нескольких материалов, о чём свидетельствует разность контраста), поэтому если есть знающие люди, то Ваши комментарии очень помогут разобраться.

image
Оптическая фотография элемента обвязки видеочипа.

image
Оптическая фотография элемента обвязки видеочипа.

image
Оптическая фотография элемента обвязки видеочипа.

image
СЭМ-фотография элемента обвязки видеочипа.

image
СЭМ-фотография элемента обвязки видеочипа.

Кристалл NVidia 8600GT собственной персоной

Итак, вроде все элементы чипа NVidia 8600 GT мы увидели, кроме самого главного – устройства самого камня, а точнее очень тонкого слоя на нём. О том, как кварцевый песок превращается в высокочистый монокристаллический кремний можно узнать из блога компании Intel или из следующего видео, опять-таки от канала Discovery:



Чтобы гонять электроны по своим медным и полупроводниковым контактам пластины из кремния прошли множество стадий обработки, а я взял и всё испортил, препарировал бедный чип. Но не буду долго томить… Вот, ради чего я так долго мучился, и что хотел увидеть – отдельные элементы, выполненные по техпроцессу 90 нм:

image
Отдельные элементы современной компьютерной техники.

Еле заметная разница в контрасте – это и есть те самые стоки/истоки, которые помогают нам с Вами работать за компьютером, играть в компьютерные игры, смотреть фильмы, слушать музыку и т.д. Размер структур составляет, по моим подсчётам, около 114 нм, учитывая ~10% в шкале и расчётах, а также особенности литографии, эта цифра очень хорошо согласуется с заявленным техпроцессом.
Далее будет ещё несколько фотографий видеочипа:

image

image

image

image

image

Заключение

Многое из увиденного внутри видеочипа меня поразило. Элемент обвязки – вообще, полосатый шедевр. И этим я с удовольствием поделился со школьниками на открытии олимпиады по нанотехнологиям, очный тур которой проводился в Москве в апреле месяце. На открытии мне довелось прочитать подготовленную лекцию.
Конечно, публикации от Intel, фото, найденные в Интернете с помощью корпорации добра, красивые картинки и анимация – отличная вещь, позволяющая быстро получить требуемую информацию и знание. Однако когда лично ты разрезаешь чип, изучаешь его, не отрываясь от экрана монитора часами, и видишь, что техпроцесс действительно 90 нм, что кто-то смог создать, просчитать всю эту конструкцию до мельчайших деталей, то в этот момент чувствуешь радость и гордость за человечество, которое создало такой совершенный продукт. Это просто WOW!

P.S. Если данный материал будет уважаемым хабралюдям интересен, то можно продолжить. Уже в полуготовом виде на сегодняшний день в коробочке аккуратно лежат мёртвая и препарированная флешка, HDD, кусочек CD диска и резистивный дисплей китаефона.
P.P.S. Пока я выкраивал время на подготовку материала на Хабре появилась аналогичная статья о Pentium III, так что будем считать это продолжением.



Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
Взгляд изнутри: CD и HDD
Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Взгляд изнутри: мир вокруг нас
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер
Взгляд изнутри: Plastic Logic
Взгляд изнутри: RFID и другие метки
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 1
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 2
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 3
Взгляд изнутри: IKEA LED наносит ответный удар
Взгляд изнутри: а так ли хороши Fillament-лампы?

и 3DNews:
Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов

Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Евгений @Tiberius
карма
589,5
рейтинг 33,8
Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (80)

  • +11
    Посмотреть бы эти фотографии году в 1995-1997…

    ps рад тебя видеть на хабре
    • +6
      Если бы их кто-нибудь увидел в 95-97, то я боюсь, что публикацию назвали б фейком…

      p.s. долго пробивался, но всё-таки пробился;)
  • +2
    Фотки у вас ну оч. крутые! Серьёзно! Ну и вопрос — что-нить ещё пробовали из интересного снимать? Если да, то где можно посмотреть?
    • +9
      Фото, где видны транзисторы — практически час рабочего времени за СЭМом — довольно тяжёлая работа…
      Как указано в «P.S.» будет 2 публикации по типам хранения данных (HDD+CD и отдельно флеш, к которой, возможно, добавится RAM) и 1 публикация по дисплею китаефона…

      Если интересно посмотреть как это работает (электронный микроскоп и т.д.), то можно заморочится над организацией экскурсии на ХимФак МГУ.
    • +3
      Тут мой начальника сказал, что экскурсия должна быть не только на ХимФак МГУ, но и ФНМ (Факультет наук о материалах) МГУ… Так что если хотите — приходите, всё покажем и расскажем…

      Кстати, мне подали прекрасную идею: заснять в следующий раз все этапы подготовки образцов на видео — я думаю сделаем!
      • +5
        >Кстати, мне подали прекрасную идею...

        Надеюсь, ваш энтузиазм не иссякнет, потому что я уже предвкушаю интересный материал на хабре!
      • 0
        Кргда экскурсия? Пароли, явки в студию.
        • 0
          Пишите в личку, по готовности группы (8-10 человек) я могу провести небольшую экскурсию.
      • +2
        заснять в следующий раз все этапы подготовки

        Напишите на Наука 2.0, очень вероятно что они помогут снять небольшую короткометражку по этому поводу и пустят в эфир. Канал только пару месяцев как появился, но материал готовят качественный и очевидно нуждаются в новом. Часто рассказывают как устроены разные вещи, это как раз тот случай.
        • 0
          На самом деле, можно прямо Антону Войцеховскому написать. Он вполне общительный парень и постоянно рыщет «чего бы такого еще снять». Не обламываясь и у себя в ЖЖ подсказок поспрашивать.
      • 0
        Ещё идея публикации — Вы предлагаете сделать экскурсию «на электронный микроскоп» для 8-10 человек. Представляете, как было бы интересно тысячам человек на Хабре, если заснять и смонтировать видео по обычной работе за электронным микроскопом?
        (Понятно, что это — 2-3 полных дня работы по монтажу, съёмкам и писательству при ролике на 10 минут. Или даже больше. Но посмотрят и будут смотреть тысячи.)
        • 0
          Это скорее всего будет в виде дополнительных материалов к статье про CD и HDD. На данный момент идут переговоры, чтобы всё снять и смонтировать…
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +1
      Вы хотели сказать — не останавливайтесь? )
  • +5
    Это как буд-то смотреть на звезды, только наоборот.
    Даже представить боюсь, насколько технологичными будут чипы лет через 20.
    • 0
      Дальше вроде хотели квантовые вычисления делать. Там все будет подругому.
  • +1
    Если бы кто пожертвовал i7 на распил… Очень интересно было бы глянуть…
    • +1
      С ним гораздо сложнее, он сделан по техпроцессу 40 нм, принципиально, наверное, ничего бы не изменилось, а вот сделать качественные фото было бы гораздо сложнее… Хотя может и пожертвует кто-нить?!;)
    • +4
      Глобально, ничего нового вы в нем вы не найдете=)
      • +1
        Там по-прежнему песок кремний.
  • 0
    Спасибо. Вспомнил Интеграл в Минске и производство чипов 199х годов.
    Эволюция человечества.
  • 0
    Спасибо тебе за материал! Сегодня как раз в итмо у стенда с этапами производства микропроцессора зависал…
  • 0
    Спасибо! У вас руки явно прямее, чем у автора
    • +1
      • 0
        Да нет, просто автору предыдущей публикации надо было показать принципиальные вещи устройства микросхемы, а моей целью было увидеть отдельный элемент — транзистор, поэтому я очень долго ковырялся с получением фотографии со стоками/истоками…
        • 0
          Возможно, подложку изготавливают, послойно наращивая керамику. Либо это особенность техпроцесса, либо так делают специально для улучшения свойств материала. Но это только предположение.
          • 0
            Извиняюсь, ответил не в ту ветку.
  • +7
    Полосатый на срезе элемент — SMD конденсатор. Их ставят в цепи питания чипа для сглаживания пульсаций и защиты от помех.
    • +1
      Спасибо, теперь стало яснее… Собственно говоря, я это подозревал.
      • 0
        А фразу про «волнистый материал платы», честно говоря, не понял. Ткните пальцем, что имелось в виду?
        • 0
          2 фотографии перед разделом «элемент обвязки». Явно видна «волнистая» структура, которая является структурой материала платы — как это объяснить?!
          • 0
            Возможно, подложку изготавливают, послойно наращивая керамику. Либо это особенность техпроцесса, либо так делают специально для улучшения свойств материала. Но это только предположение.
          • +4
            Или у этого чипа текстолитовая подложка? Уж больно похож рисунок на срез текстолита. «Волны» в таком случае образуют нити стекловолокна, которыми армирован текстолит.
  • 0
    «Шарики» под чипом скорее всего снимают механические напряжения возникающие из-за «термошока» при включении-выключении.
  • +3
    Жду от биологов таких же оптических снимков бактерий и вирусов
    А то ж все черно-белые…
    • +1
      1. фотошоп в помощью. В принципе с помощью него все фото и раскрашивают (ибо СЭМ даёт только ч/б изображение). Тут можно найти много фотографий как ч/б, так и цветных.
      2. На этом сайте Вы, к сожалению, их не увидите, т.к. тематика несколько иная…
    • +1
    • +2
      Представил себе цветные электроны у электронного микроскопа.
      • +1
        Зря смеётесь, сейчас ведутся работы по тому, как на обычном электронном микроскопе получать картинки сразу в цвете (цвет, например, будет отражать контраст при взаимодействии электроном с различными материалами).
      • 0
        Это как-то на экзамене студент отвечал про принцип работы цветного кинескопа. Сказал как-раз, что там три электронно-лучевых пушки с электронами разных цветов :)
  • +2
    Заполнитель между кристаллом и подложкой, похожий под увеличением на пенопласт, это флюс, оставшийся после припайки чипа. Вряд ли он выполняет какие-то особые функции (свою задачу он уже выполнил), просто полностью вымыть его из такого маленького зазора невозможно. Не мешает — и ладно :)
  • 0
    Сколько стоит такой микроскоп? :)
    • +2
      Лучше соберите сканирующий туннельный микроскоп. Бюджет вполне подъемный: около 1000 евро.
      • +1
        СЗМ у нас есть, я думаю, что его 3D картинки войдут в обзор с CD и HDD.

        Электронный микроскоп в самом дешёвом варианте стоит около 10 фруктов рублей.
        • 0
          цитрусовых фруктов?)
        • 0
          Эмм..., а что такое фрукты? Тысячи? Миллионы?
          • +2
            Лимоны конечно же…
            • 0
              Вроде бы всего-лишь вторник, а до меня уже как до жирафа…
              Спасибо :)
        • 0
          Можно и подешевле найти: ebay
  • 0
    А вы не пробовали протравить пластик кислотой, чтобы не распиливать чип, а «посмотреть» на него сверху?
    • +2
      BGA-чип монтируется на подложку мордой вниз. Даже если его отпаять (фен + твердая рука) и почистить, большую часть поверхности будут занимать контактные площадки.
    • 0
      На сам камень уже смотрели «сверху» — статья про Pentium III (ссылка дана в P.S. к данной статье).
  • +5
    Однако когда лично ты разрезаешь чип, изучаешь его, не отрываясь от экрана монитора, и видишь, что техпроцесс действительно 90 нм, что кто-то смог создать, просчитать всю эту конструкцию до мельчайших деталей, то в этот момент чувствуешь радость и гордость за человечество, которое создало такой совершенный продукт.

    Больше впечатляет когда при помощи лазера с длинной волны ~100нм делают транзистор с затвором 16нм (если не ошибаюсь, то такое делали ещё в 2005 году) — вот это уже наука. Ибо это всё равно что кувалдой гравировать надпись и картинку на обручальном кольце.
    • 0
      Это особая магия, в которой используются очень интересные технические решения, и, как мне кажется, об этом должно быть написано в блоге компании Intel.
      • +3
        Эта магия называется литографией и примерно так выглядит:
        • 0
          Ох… в нулевом приближении это действительно так, но когда я начал копать материал для лекции в школе, то обнаружилось следующее. Чтобы преодолеть дифракционный предел инженеры придумали, например, «сдвигать» фазу на 180 градусов (фото по слева — обычная маска для техпроцесса 200 нм, например, а справа — с фазовым сдвигом).

        • +2
          Извиняюсь, случайно не ту кнопку нажал…
          в продолжении к посту:



          Далее, чтобы получить квадрат на подложке, надо на самой маске рассчитать определённую фигуру, формой своей далёкой от квадрата. Вот пример (слева на право — структура, которую мы хотим; структура, которая подогнана и которая будет «высечена в маске; структура на маске; то, что в финале получится на вафле — кремниевой подложке):



          Кстати, до сих пор применяется лазер ~190 нм и альтернативы ему пока не предвидится, ибо рентгеновские лазеры пока не ахти :(
          • 0
            Ну, поэтому и написал «выглядит примерно так», ибо про это люди научные работы пишут и на конференциях выступают.
          • +2
            Например, более-менее краткий обзор литографии в микроэлектронике на 14 страницах journals.ioffe.ru/jtf/2011/08/p1-14.pdf
          • 0
            EUV сканеры для массового производства уже продаются :-) ASML мать её за ногу )
  • +2
    «Пилите, Сура, пилите!!»
    Сильно жду новых статей.
  • +6
    А нельзя пилить чип не под 90 градусов, а скажем по 45 или 60 градусов? Можно было бы лучше увидеть пространственную структуру чипа в косом срезе.
    • +1
      Зачёт! Учту на будущее, если прибор (микротом) позволит это сделать!
  • +1
    Хороши золотые гири :) Буду рад видеть новые «обзоры»!
  • 0
    выслать на chubais@rosnano.ru
    • +1
      К сожалению, был на собеседовании в РосНано (хотел либо образовательный департамент, либо департамент научно-технической экспертизы) и меня видеть там не особо захотели...(((
    • +5
      Видимо я неэффективный менеджер;)
      • 0
        Скоро подведение итогов года. Снимки могли бы многое оправдать )
        Может еще раз?
  • 0
    Отличный материал! Спасибо автору!
  • 0
    Весело там у вас в СУНЦ, жалею, что не поступил.
  • 0
    ничего не понятно, но фотки красивые
  • 0
    Мне все фотографии в этом посте отдают (HTTP 403) Access denied
    • 0
      Прошу прощения, сам дурак.
      • 0
        Оказывается крупнейший провайдер Чехии, O2 блокирует funkyimg.com (на котором находятся картинки из этого поста) путем подсовывания измененной DNS записи.

        C:\TEMP>nslookup www.funkyimg.com
        Server: google-public-dns-a.google.com
        Address: 8.8.8.8

        Non-authoritative answer:
        Name: www.funkyimg.com
        Address: 212.7.202.10

        C:\TEMP>nslookup www.funkyimg.com 90.183.231.251
        Server: dns6.o2isp.cz
        Address: 90.183.231.251

        Name: www.funkyimg.com
        Address: 194.228.41.66


        Вот такая цензура.
        • +2
          Странно… Учту, в следующий раз всё будет выложено на ХабраСторе.
        • 0
          Ух ты, а я бы воспользовался случаем и потряс бы провайдера, с канделябром в руках для чьей-то рыжей морды.
          • 0
            Слишком неравны силы, я туда пробовал достучаться когда в половине Чехии не открывался Твиттер (когда он еще не был настолько популярным в широких кругах, хотя это было не так и давно). В том случае виноватым оказался Твиттер, просто заблокировав всю AS данного провайдера из-за пары айпи с которых его ломали, но я то этого не знал и поначалу все-таки добивался правды от провайдера. Оказалось проще достучаться до Твиттера (хотя это был тот еще квест).
  • 0
    Вам нужно сделать иллюстрированную книгу по микропроцессорам. Очень познавательно.
  • 0
    Но, честно говоря, я ожидал увидеть всё что угодно, только не полосатую структуру (т.е. данный элемент собран послойно из нескольких материалов, о чём свидетельствует разность контраста), поэтому если есть знающие люди, то Ваши комментарии очень помогут разобраться.

    Т.к. конденсаторы необходимой ёмкости в отличии от резисторов, в чипах делать не научились, то это похоже на керамический конденсатор. А слоистая структура, это его обкладки и диэлектрик.
  • 0
    a почему кремневые пластины не квадратные а круглые?

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.