Apple A4 Teardown

Введение

Разборка процессоров, подобных A4, обычно происходит за закрытыми дверями лишь нескольких компаний. Эти глобальные фирмы, занимающиеся реверс-инжинирингом, — следственная рука рынка электроники. Они занимаются исследованиями для тех, кому нужно узнать, кто производит какие схемы, а также какой производственный процесс они используют для этого. Именно они глубоко вникают в процессоры, аудиоконтроллеры и все остальные детали, которые можно найти внутри мобильного телефона или iPad, выясняя слой за слоем точный состав каждой упаковки.

Мы сотрудничаем с лучшей компанией в области реверс-инжиниринга полупроводников, Chipworks, чтобы поближе познакомить вас с тем, как проводится разборка полупроводников, а также заглянуть внутрь микросхем iPad. Инженеры из Chipworks — замечательные люди, которые интересуются современной электроникой не меньше, чем мы.

Их анализ корпусов iPad позволит вам лучше понять, как на самом деле работает новый планшет — почти на молекулярном уровне.

Шаг 1 Основы процессора A4

Микропроцессор A4 от Apple — это мозг iPad.

A4 — это ARM-процессор с конструкцией «пакет в пакете» для повышения скорости и эффективности внутренних процессов.

Шелкография на A4 гласит: N26CGM0T APL0398 339S0084 YNL215X0. Но это не очень интересно — для нас эти цифры тоже мало что значат. Давайте посмотрим, что мы можем найти внутри.

Шаг 2 Как препарировать процессор

Когда вышел оригинальный iPhone, мы вместе с друзьями из Кремниевой долины препарировали процессор. Оборудование, которое мы использовали, было не таким передовым, как у Chipworks, но оно справлялось со своей задачей.

Это кремниевая пластина. Каждый маленький квадратик — это чип, называемый матрицей. Процессорная матрица в A4 имеет размер 7,3 мм с каждой стороны, что составляет 53 кв. мм общей площади. Процент рабочих матриц, которые можно получить с такой пластины, называется выходом.

На самом деле A4 — это гораздо больше, чем просто процессор, это пакет на пакете, или PoP. Фактически, внутри A4 находятся три кремниевые матрицы!

Шаг 3

Наш выдающийся лидер готовится войти в чистую комнату для проведения операции с кремнием на оригинальном iPhone.

Шаг 4

Перед тем как препарировать процессор, его необходимо извлечь из основной платы.

Существует только два способа извлечь процессор из печатной платы: Экстремальная сила и экстремальный нагрев. Угадайте, какой способ мы использовали?

Шаг 5

Далее разрежем процессор пополам, чтобы сделать фото поперечного сечения.

Ленточные пилы слишком грубы для этого, поэтому мы медленно шлифуем процессор, снимая очень маленькие кусочки материала по мере продвижения.

Вы видите, почему бывает трудно сделать четкую, цельную фотографию поперечного сечения упаковки. Процессор — один из самых больших корпусов в iPhone, и все равно он очень сложен в обращении. Представьте себе, что вы пытаетесь сделать это с упаковкой, размер которой составляет десятую часть от ее размера.

Шаг 6

Так что же такое упаковка? Вы видите один из них.

Это сечение пакета ARM-процессора + оперативной памяти iPhone. Нажмите здесь, чтобы увидеть его во всей красе, 2854×313.

Сам процессор — центральный прямоугольник. Серебристые круги под ним — это шарики припоя.

Два прямоугольника над процессором — это плашки оперативной памяти. Они смещены друг относительно друга, чтобы освободить место для проволочных соединений, которых на этом снимке не видно.

Расположение оперативной памяти так близко к процессору уменьшает задержки — доступ к оперативной памяти происходит быстрее — и снижает энергопотребление, помогая батарее работать дольше.

Шаг 7

Это верстак нашего друга. Мы также являемся большими поклонниками компании Weller.

Такими инструментами мог бы гордиться Макгайвер… Хотя мы подозреваем, что для разборки процессора ему понадобится лишь скрепка и две полоски клейкой ленты.

Шаг 8

Это типичная чистая комната. Обычные люди — возможно, даже те, кто ходит в те же супермаркеты, что и вы, — каждый день одеваются и идут на работу в такие комнаты. Очень важно, чтобы пыль, ворсинки и волосы не попадали в помещение, где идет работа.

Инструменты для работы:

Сканирующие электронные микроскопы

Рентгеновские аппараты высокого разрешения

Очень большие увеличительные стекла и микроскопы

Ряд других приспособлений, которые вы можете найти в лаборатории Кью.

Шаг 9

Если бы только все нарушения техники безопасности было так легко исправить!

Шаг 10 Внутри Chipworks

Компания Chipworks находится в Оттаве, Онтарио. Там бывает так холодно, что шины могут треснуть, если вы не будете осторожны.

Оборудование в Chipworks отличается от того, что можно встретить на большинстве полупроводниковых предприятий. Все машины здесь созданы с одной целью: узнать, что находится внутри новейших чипов.

Шаг 11

Анализ с помощью микроскопа, как оптического, так и SEM. И то, и другое — определенно не типичная лабораторная работа по биологии в колледже.

В этом бизнесе важна точность, а Chipworks известна своей точностью.

Шаг 12

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) в действии. Это лишь некоторые из трюков в рукаве Chipworks. СЭМ способен увидеть в сотни раз больше деталей, чем оптический микроскоп.

Шаг 13

Шлифовка пакета. Очень важно поддерживать деталь в ровном состоянии во время шлифовки.

Этот процесс невероятно кропотливый. На самом деле это целое искусство — отшлифовать именно то место, которое нужно для фотографии, и при этом сохранить поверхность идеально ровной.

Мы (в iFixit) ужасно в этом разбираемся. Именно поэтому мы отправили наш iPad в Chipworks.

Шаг 14

Следующим шагом будет снятие внешней упаковки.

Время пить чай? Нет, просто время для хорошей кислотной ванны.

Погружение процессора в кислоту растворяет керамическую упаковку, содержащую кремний. Очень важно использовать соответствующую концентрацию кислоты для типа керамической упаковки.

Время от времени при взгляде на матрицу можно обнаружить интересный сюрприз, спрятанный производителями. Увы, Милхаус не был обнаружен в iPad. Но недавно он был обнаружен внутри чипа Silicon Image!

Шаг 15 Внутри A4

Хорошо, теперь вы знаете, как мы это сделали. Но как выглядит A4 внутри?

Фотографии верхней и нижней части упаковки A4.

Крошечные точки, которые вы видите на нижней стороне, — это шарики припоя, которыми процессор прикреплен к логической плате. Они передают все питание, заземление и информацию от процессора к плате.

Шаг 16

Перед тем как разобрать процессор, компания Chipworks сделала рентгеновский снимок процессора A4, чтобы понять, как все устроено внутри.

Если присмотреться, можно увидеть сотни нитевидных межсоединений (wirebonds), по которым электронные сигналы передаются между матрицами.

Процессор A4 состоит из трех слоев: два слоя оперативной памяти (Samsung K4X1G323PE) и один слой, содержащий собственно микропроцессор.

Такая конструкция «пакет на пакете» дает Apple возможность использовать оперативную память любого производителя — она не привязана к Samsung.

Шаг 17

Вот два боковых рентгеновских снимка процессора A4.

Темные точки вдоль внутренней стороны процессора — это шарики припоя, соединяющие матрицы между собой. В промышленности их называют шариковыми решетками (Ball Grid Arrays, или BGA).

Эти фотографии сделаны в двух фокусных точках по всей ширине процессора. Снимки сделаны на скорую руку, поэтому просим прощения, если они получились немного нечеткими.

DRAM в A4 изготовлена компанией Samsung, поэтому соединения проводов идут с обеих сторон — в отличие от модулей DRAM других производителей, с которыми сталкивался Chipworks.

Шаг 18

Это слой металла матрицы 8.

Все процессоры iPhone, которые мы разбирали, имели номер детали Samsung на процессорной матрице. Мы не нашли никаких маркировок Samsung на A4 (за пределами DRAM), что, возможно, является самым явным признаком того, что Apple твердо контролирует дизайн полупроводников.

Мы не ожидаем найти маркировку PA Semi, недавнего приобретения Apple, но можно предположить, что они сыграли важную роль в разработке этого корпуса.

Шаг 19

Это SDRAM внутри A4. Да, это логотип Samsung. Нет, это не значит, что Samsung разработала A4 — только оперативную память.

Мобильная DDR SDRAM от Samsung объемом 1 Гб (x2).

Номер детали на каждой плашке — K4X1G323PE.

Расшифровка этого номера показывает, что внутри находится 2 Гб памяти. Это означает ~128 МБ памяти на плашку, итого 256 МБ.

Шаг 20

Итак, теперь, когда мы увидели внутренности, что мы можем заключить?

Ничего революционного здесь нет. На самом деле A4 очень похож на процессор Samsung, который Apple использует в iPhone.

Как по аппаратным, так и по программным характеристикам ясно, что это одноядерный процессор, так что это должен быть ARM Cortex A8, а не многоядерный A9, о котором ходят слухи.

Определить логику на уровне блоков в процессоре довольно сложно, поэтому для идентификации GPU мы возвращаемся к программному обеспечению: ранние бенчмарки показывают схожую с iPhone производительность в 3D, поэтому мы предполагаем, что в iPad используется тот же GPU PowerVR SGX 535.

Оперативная память iPad составляет 256 МБ, как и у iPhone.

A4 потребляет мало энергии. На самом деле, энергопотребление, вероятно, является причиной того, что Apple не сильно увеличила производительность по сравнению с iPhone. Чтобы обеспечить 10 часов автономной работы, весь iPad (включая дисплей) должен потреблять в среднем менее 2,5 Вт.

Это все для A4. Давайте посмотрим на другие чипы внутри iPad.