Niezawodność chipów staje się problemem

Jeśli urządzenie działa niezgodnie z oczekiwaniami, z reguły pierwszym podejrzanym jest oprogramowanie systemowe lub firmware. Gdy na problemy pomaga włączenie i wyłączenie lub reset, a problem pojawia się w specyficznych okolicznościach, to przypuszczenie zamienia się w pewność. Dalej, gdy wada oprogramowania zostanie wykluczona, status podejrzanego przenosi się na płytkę drukowaną. Cienkie ścieżki, wiele połączeń, przelotek, podzespołów tworzą razem bardzo złożoną strukturę, wrażliwą na uszkodzenia. Brak kontaktu lub niestabilność połączenia prowadzi do trudnych w diagnozie błędów w działaniu aplikacji, ale faktem jest, że błędów w oprogramowaniu jest tak wiele, że statystycznie od wielu lat przesłaniają one wszystkie inne problemy z jakością elektroniki. Nie bez znaczenia w tym jest to, że płytki i montaż są drobiazgowo weryfikowane metodami elektrycznymi i optycznymi.

Pojawiło się kolejne źródło nieprawidłowości w pracy urządzeń. Nowe procesory wykonywane w procesach poniżej 10 nm wykazują dzisiaj znacznie więcej problemów z jakością, niż było kilka lat temu i niektóre problemy są trudne do wykrycia w zwykłych testach. Producenci i producenci OEM dowiadują się o tym po skargach użytkowników końcowych, którzy muszą wymieniać całe jednostki i opóźniać produkcję. Na dodatek wiele problemów pozostaje tajemnicą, gdyż nie manifestują się w sposób jednoznaczny.

Spadek jakości wynika z wielu przyczyn. Pierwsza to trudności z weryfikacją projektu i symulacją jego działania z uwagi na złożoność struktur oraz ograniczony czas, który można poświęcić na weryfikację. Ograniczanie czasu i zakresu testów powoduje, że część błędów projektowych przedostaje się przez sito i wychodzi potem u klienta. Kolejna przyczyna to ciepło – małe struktury scalone układów cyfrowych silnie się grzeją. Dodatkowo rozkład ciepła nie jest stały i zależy od wykonywanych zadań, w tym tego, który blok funkcyjny jest aktualnie wykorzystywany. Silne obciążenie jakiegoś bloku, np. interfejsu, może prowadzić do lokalnego wzrostu temperatury powyżej dopuszczalnej, tworząc tzw. gorącą plamę w strukturze i degradując jej właściwości. Im większa wydajność chipów, tym niestety trzeba bardziej precyzyjnie kontrolować wydzielanie ciepła, np. przez dławienie potoków i spowalnianie taktowania. Nie zawsze się to udaje i lokalne przegrzewanie staje się niebezpieczne. W raporcie AMD podano, że z uwagi na ograniczenia technologii 2-krotnemu wzrostowi wydajności towarzyszy jedynie 40-procentowy wzrost efektywności energetycznej. Ograniczenie to jest źródłem problemów z jakością wywołanych ciepłem.

Kolejny czynnik to skalowanie technologii w 3D, czyli spiętrzanie struktur dla większej złożoności. Wymaga to realizacji połączeń między chipami w formie przelotek TSV (przez krzem), a więc realizacji mnóstwa dodatkowych wewnętrznych połączeń, które też są zawodne. Spiętrzone w stosy 3D struktury scalone wykonane w formie chipletów, a więc standardowych kostek pochodzących od różnych producentów, mają problemy z kompatybilnością materiałową, a montaż jednej na drugiej też nie zawsze jest dokładny. Takie płatki trzeba jakość skleić, zapewniając połączenia elektryczne i cieplne, i nietrudno sobie wyobrazić co będzie, gdy ten proces nie będzie precyzyjny. Zarządzanie ciepłem dla takiego stosu jest jeszcze trudniejsze. Producent chipletu może go doskonale przetestować i zagwarantować jakość, ale po integracji warunki pracy są zupełnie inne.

Problem z zawodnymi chipami jest zmorą producentów elektroniki, bo niszczy ich markę i wiarygodność, a dla producentów układów scalonych oznacza mniejsze uzyski produkcyjne, a więc wzrost kosztów.

Robert Magdziak