کالبدشکافی تراشه اپل A6: بررسی میکروسکوپی معماری سیلیکونی در آیفون ۵

به بخش کالبدشکافی‌های علمی و تخصصی خیلی خوش اومدی! این بار با کمک رفقای متخصصمون تو آزمایشگاه‌های پیشرفته، یه برنامه ویژه برات داریم.

قبل از شروع باید بگیم که تو این بررسی قراره با یه عالمه اصطلاح فنی و پیچیده روبرو بشی. البته ما سعیمون رو می‌کنیم که همه‌چیز رو خیلی روون و ساده برات باز کنیم تا دقیقا بفهمی داستان از چه قراره. پس با ما همراه باش تا بریم به عمق سیلیکون و کشف کنیم که چرا پردازنده A6 انقدر تو زمان خودش سروصدا به پا کرد.

اما اول از همه، بذار یه نگاهی به تجهیزات خفن آزمایشگاهی بندازیم که اصلا این کالبدشکافی میکروسکوپی رو ممکن کردن.

یکی از جذاب‌ترین دستگاه‌های آزمایشگاه، یه دستگاه شلیک یون به اسم IBE (Ion Beam Etching) یا دستگاه حکاکی با پرتو یونیه. از این دستگاه برای برداشتن لایه‌های نیمه‌هادی با دقت فوق‌العاده بالا استفاده می‌شه تا یه سطح کاملا صاف و یکدست، بدون آسیب رسوندن به لایه‌های زیرین به دست بیاد.

اگه بخوایم ساده‌اش کنیم، کار این دستگاه شبیه سندبلاست (شن‌پاشی) روی چیپه! منتها به جای شن، از اتم‌های موجود تو یه پرتو یونی برای تراشیدن لایه‌های میکروسکوپی استفاده می‌کنه.

از اونجایی که تراشه‌های مدرنی مثل A6 از مواد مختلفی ساخته شدن (مثلا اینجا با تکنولوژی 32 نانومتری HKMG سامسونگ طرفیم)، این ابزار برای رسیدن به لایه‌های زیرین بی‌نهایت حیاتیه. خلاصه که با یه تفنگ یونی طرفیم که لایه‌های اتمی رو برامون می‌تراشه!

متخصصین آزمایشگاه باید پارامترهای دستگاه پرتو یونی رو خیلی دقیق تنظیم کنن. تو یه تراشه پیشرفته مثل A6، ممکنه تا 9 لایه مس، یه لایه آلومینیوم و کلی لایه پلی‌سیلیکون وجود داشته باشه که برداشتن هر کدوم دقت خاص خودش رو می‌طلبه.

برای این سطح از کار، آزمایشگاه‌ها پر از ایستگاه‌های شستشوی شیمیایی، هودهای تهویه قوی و دستگاه‌های پولیش مخصوص هستن تا همه‌چیز برای تصویربرداری نهایی آماده بشه.

درک اینکه مواد ناخالص چطور تو ساختار تراشه‌ها تزریق شدن (پروفایل دوپینگ)، برای فهمیدن عملکرد این قطعات فوق‌پیشرفته خیلی مهمه.

برای همین از میکروسکوپ‌های خازنی روبشی (SCM) با رزولوشن بالا استفاده می‌شه. با این دستگاه می‌شه ساختار شیمیایی ترانزیستورهای NMOS و PMOS تو تراشه A6 و حتی کاتدهای نوری سنسور 8 مگاپیکسلی دوربین رو با دقت بالا بررسی کرد.

اینجاست که جادوی علم سخت‌افزار خودش رو نشون می‌ده! تکنیسین‌ها بعد از آماده‌سازی تراشه، نتایج رو زیر میکروسکوپ‌های نوری بررسی می‌کنن تا بتونن تنظیمات دستگاه‌ها رو برای مراحل بعدی بهینه‌تر کنن و بهترین تصویر ممکن رو ثبت کنن.

بعدش نوبت به دوربین پشتی می‌رسه. همه ما دوست داریم بدونیم سازنده اصلی سنسور دوربین iSight کیه، و این اطلاعات دقیقا تو دل قطعات میکروسکوپیش مخفی شده.

البته تو این سطح از بررسی میکروسکوپی، هیچ رازی نمی‌تونه مخفی بمونه و هویت سازنده قطعات خیلی زود فاش می‌شه.

هر کاری ابزار مخصوص خودش رو می‌طلبه. اگه بخوای ضخامت دقیق لایه‌های اکسید یا جهت‌گیری شبکه‌ای کریستال‌ها رو ببینی، باید بری سراغ غول مرحله آخر... ...یعنی تفنگ الکترونی داخل میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)!

میکروسکوپ‌های TEM رزولوشن بی‌نظیرشون رو مدیون طول موج بسیار کوتاه الکترون‌ها هستن. این یعنی دقیقا داریم مکانیک کوانتوم رو تو واقعیت می‌بینیم!

خلاصه بگم، این دستگاه با شلیک یه دسته الکترون به سمت ماده و بررسی نحوه برخوردشون، یه تصویر بی‌نهایت دقیق از ساختار اتمی بهمون می‌ده.

اینا فقط بخشی از تجهیزات پیشرفته‌ای بود که برای ثبت این تصاویر استفاده شد. حالا که با روش کار آشنا شدی، وقتشه بریم سراغ قطعات آیفون 5 و ببینیم زیر این میکروسکوپ‌ها چه خبره.

این گوشی پر از قطعات کاملا جدیده و خیلی از مهندس‌های سخت‌افزار معتقدن که یکی از بزرگ‌ترین جهش‌های طراحی اپل به حساب میاد. تو این کالبدشکافی علمی قراره این قطعات رو زیر ذره‌بین ببریم:

← پردازنده اصلی Apple A6

← چیپ صوتی Cirrus با شماره 338S1077

← ماژول وای‌فای Murata

← مودم ارتباطی LTE کوالکام MDM9615

فرستنده و گیرنده RF چندبانده کوالکام RTR8600

بیا کار رو با شکافتن خود پردازنده A6 شروع کنیم تا ببینیم قلب این گوشی چطور می‌تپه. سطح فلزی رویی مدار پردازنده A6 از نزدیک چه شکلیه؟ راستش رو بخوای از دور شبیه یه بیسکوییت کراکر به نظر می‌رسه! اما این عکس‌های فوق‌دقیق چطوری گرفته شدن؟ مسلما کار ساده‌ای نبوده و پروسه طولانی‌ای داشته. اول باید کپسول محافظ A6 رو تو یه محلول اسید سولفوریک بخاردار با دمای مشخص حل کنن تا لایه رویی کاملا از بین بره.

بعدش مهندس‌ها مدار اصلی رو زیر یه میکروسکوپ ویژه قرار می‌دن. این میکروسکوپ روی یه میز متحرک سوار شده و فوکوسش با لیزر تنظیم می‌شه.

مختصات دقیق به سیستم داده می‌شه و میکروسکوپ به صورت خودکار حرکت می‌کنه تا صدها عکس بگیره. بعد این عکسا به هم چسبونده می‌شن تا یه نقشه کامل و یکپارچه از مدار به دست بیاد. تو تصویر سوم می‌تونی یکی از همین دستگاه‌های خفنی که این کار رو انجام می‌ده ببینی.

تو کالبدشکافی اولیه آیفون 5، روی پردازنده یه برچسب با شماره B8164B3PM دیدیم که نشون می‌داد احتمالا 1 گیگابایت رم LPDDR2 از برند Elpida روی این چیپ سوار شده.

حالا با دیدن علائم روی خود مدار سیلیکونی تو عکس دوم، کاملا تایید می‌شه که اپل برای حافظه رم این پردازنده سراغ شرکت Elpida رفته.

جالبه بدونی که از همین مدل رم Elpida EDB8164B3 قبلا تو گوشی موتورولا Droid RAZR Maxx هم استفاده شده بود.

اما سامسونگ هم تو تولید این تراشه بی‌نصیب نمونده. پردازنده A6 با پارت‌نامبر داخلی APL0589B01 توسط سامسونگ و با تکنولوژی 32 نانومتری ساخته شده و ابعادش 9.70 در 9.97 میلی‌متره.

البته اینکه سامسونگ این چیپ رو تولید کرده، به این معنی نیست که طراحیش هم کار خودشه. پردازنده A6 اولین سیستم‌-روی-چیپ (SoC) کاملا سفارشی اپله که بر اساس معماری مجموعه دستورات ARM طراحی شده.

چون اپل کنترل کاملی روی طراحی این پردازنده داشته، تونسته عملکردش رو دقیقا مطابق با نیازهای خودش و سیستم‌عامل iOS بهینه‌سازی کنه.

مساحت این مدار سیلیکونی حدود 96.71 میلی‌مترمربعه که نسبت به نسل قبلی یعنی A5 (حدود 70 میلی‌مترمربع) خیلی بزرگ‌تر شده. با توجه به اینکه هر دو با معماری 32 نانومتری سامسونگ ساخته شدن، این افزایش سایز نشون‌دهنده اضافه شدن امکانات و قدرت خیلی بیشتر تو A6 هست.

حالا بریم به مرکز A6. برجسته‌ترین بخش‌هایی که تو این معماری می‌بینیم، هسته‌های پردازشی دوگانه ARM و هسته‌های سه‌گانه گرافیکی هستن.

وقتی به چیدمان منظم و شبکه‌ای هسته‌های گرافیکی نگاه می‌کنی و بعد چشمت به هسته‌های ARM می‌افته، یه تفاوت بزرگ می‌بینی؛ چیدمان هسته‌های ARM کاملا دست‌ساز و سفارشی به نظر می‌رسه.

معمولا بلوک‌های منطقی توسط نرم‌افزارهای کامپیوتری به صورت خودکار چیده می‌شن. اما به نظر می‌رسه مهندس‌های اپل بلوک‌های هسته ARM رو کاملا دستی و دونه‌دونه طراحی و جانمایی کردن!

طراحی دستی یه پردازنده هزینه و زمان بی‌نهایت زیادی می‌بره، اما در عوض باعث می‌شه سرعت پردازش به شدت بالاتر بره و بهینه‌تر بشه.

این چیدمان دستی ثابت می‌کنه که شایعات درست بودن؛ اپل یه پردازنده کاملا اختصاصی هم‌رده با Cortex-A15 طراحی کرده و این شاید تنها پردازنده با طراحی دستی تو چند سال اخیر بازار باشه.

تو تصویر دوم که نمای برش‌خورده رو با بزرگنمایی زیاد نشون می‌ده، شکل‌های برجسته‌ای که شبیه تپه‌های کوچیکن، در واقع همون ساختار ترانزیستورها هستن و پایه‌های بینشون نقش اتصال لایه‌ها رو دارن. با دیدن این چیدمان ترانزیستورها، آدم ناخودآگاه یاد معماری منظم قنات‌های باستانی می‌افته!

← این خط بسیار نازک تایید می‌کنه که با تکنولوژی 32 نانومتری HKMG (گیت فلزی با دی‌الکتریک بالا) طرفیم.

این همون تکنولوژی 32 نانومتریه که اپل تو تراشه Apple TV نسل سوم هم ازش استفاده کرده بود. تو یه ترانزیستور اثر میدان (FET)، حرف K نشون‌دهنده ثابت دی‌الکتریک لایه بین الکترود گیت و سیلیکونه. این ویژگی فیزیکی کمک می‌کنه تا ولتاژ روشن‌شدن ترانزیستور تو این ابعاد میکروسکوپی خیلی دقیق‌تر کنترل بشه.

درسته که اسم این مقاله کالبدشکافی A6 هست، اما آیفون 5 پر از چیپ‌های جدید و جذابه. که فکر نمی‌کردی A6 به تنهایی کل کارای گوشی رو انجام بده، نه؟

بررسی‌های میکروسکوپی روی چیپ صوتی اپل با شماره 338S1077 تایید می‌کنه که این قطعه در واقع همون آمپلی‌فایر کلاس D مدل CS35L19 از شرکت Cirrus هست.

عکس دوم، مدار داخلی همین آمپلی‌فایر Cirrus رو نشون می‌ده. از روی نوشته‌های حک‌شده روی مدار می‌شه فهمید که این چیپ از یه خانواده خاص از محصولات این شرکته.

ماژول وای‌فای SoC ساخت Murata در واقع خودش ترکیبی از یه چیپ Broadcom به همراه نوسان‌ساز، خازن و مقاومت‌های ریزه. تو تصویر اشعه ایکس (عکس سوم) می‌تونی تمام این قطعات رو داخل پکیج ببینی.

شرکت Murata این قطعات رو کنار هم جمع می‌کنه، بسته‌بندیشون می‌کنه و می‌فرسته برای فاکسکان تا روی مادربرد آیفون لحیم بشن. به قول معروف، Murata یه خونه می‌سازه و توش رو با وسایل بقیه پر می‌کنه!

تو این تصاویر، مدار داخلی چیپ Broadcom BCM4334 رو می‌بینیم که با تکنولوژی 40 نانومتری CMOS تو تایوان ساخته شده و ویژگی‌های اصلیش ایناست:

← وای‌فای (استانداردهای 802.11 a/b/g/n)

← بلوتوث نسخه 4.0 به همراه HS

← گیرنده امواج FM

حالا می‌رسیم به مودم LTE کوالکام MDM9615 و فرستنده/گیرنده چندبانده RTR8600. قبلا تو کالبدشکافی خود گوشی در موردش حرف زدیم، اما اینجا یه مرور سریع می‌کنیم:

مودم MDM9615 از شبکه‌های چندطیفی و حالت‌های مختلف LTE پشتیبانی می‌کنه و وظیفه انتقال همزمان صدا و دیتا رو بر عهده داره (البته اگه اپراتور مخابراتی از این زیرساخت پشتیبانی کنه).

فرستنده و گیرنده RF مدل RTR8600 هم در کنار این مودم کار می‌کنه تا از باندهای مختلف مثل 5 باند UMTS و چندین باند LTE و EDGE پشتیبانی کنه. حالا تو این مرحله دقیقا چی می‌بینیم؟ تصویر اول نمای مدار بیس‌بند شبکه LTE با شماره HG11-N3877 رو نشون می‌ده.

تصویر دوم مربوط به مدار حافظه 128 مگابایتی سامسونگ با شماره 1G-F-MC هست که به طرز جالبی داخل همون پکیج مودم MDM9615 مخفی شده بود! و تصویر سوم هم مدار داخلی تراشه فرستنده/گیرنده RTR8600 رو به تصویر می‌کشه.

یه تشکر ویژه از تیم متخصصمون که اجازه دادن به آزمایشگاه‌هاشون سرک بکشیم و سازوکار درونی قطعات آیفون 5 رو این‌طور دقیق بررسی کنیم. تحلیل‌های روی این پردازنده همچنان ادامه داره، اما یه چیز کاملا مشخصه؛ با اینکه ظاهر قضیه شاید آشنا به نظر برسه، اما طراحی داخلی آیفون 5 یه ارتقای ساده نیست، بلکه یه معماری کاملا جدید و شاهکاره.

مهندسی این چیپ‌ها نشون می‌ده که اپل تو این نسل فقط قطعات رو ارتقا نداده، بلکه یه معماری سیلیکونی کاملا جدید رو خلق کرده. مرسی که تو این سفر میکروسکوپی و علمی با تیم آیسی‌مدار همراه بودی! اگه تو هم مثل ما از دیدن این معماری‌های نانومتری و ترانزیستورهای مینیاتوری لذت بردی، حتما لینک این کالبدشکافی رو برای بقیه دوستای خوره سخت‌افزارت هم بفرست تا اونا هم از این شاهکار مهندسی کیف کنن.