Жизнь современного человека сложно себе представить без компьютера. Помните времена, когда процессоры были одноядерными? Один из таких процессоров — Intel Pentium 4 — начали производить в 2000 году. Конечно, такие процессоры давно вышли из обихода и сейчас их можно найти только у любителей коллекционировать такие штуки. Вот и мы в Smart Engines прошлись по сотрудникам и нашли несколько экземпляров. Зачем? Ответ прост. Нам очень захотелось посмотреть на процессор изнутри. Мы сделали томографию процессора на отечественном томографе, а реконструкцию и 3D визуализацию получили на процессоре Эльбрус. Вот так и получилось томография Intel Pentium 4 на Эльбрусе. В статье мы расскажем об ожиданиях, наших действиях и полученных результатах.
Сердце процессора — кремниевый чип, скрыт под металлической крышкой, которая сильно поглощает рентген и её необходимо снять, чтобы «просветить» кристалл. С помощью газовой горелки и отвёртки крышка была снята, а сам кристалл оторван от подложки.
Процессор до начала исследования, вид сверху и снизу
Кристалл (серебристый прямоугольник) подготовлен к исследованию
Кристалл в томографе
Томографические измерения мы проводили на лабораторном томографе, сконструированном и собранном во ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН (ФНИЦ КФ РАН) в лаборатории рефлектометрии и малоуглового рассеяния (о нём мы рассказывали тут).
Т.к. сверху и снизу от кристалла остались слои металла, то для томографирования было выбрано излучение энергией 40 кэВ, оно с одной стороны пробивает металл, а с другой стороны и кремний для него не совсем прозрачный. Было получено 800 изображений кристалла с разрешением 9 мкм.
Примеры рентгеновских изображений кристалла процессора
Процессор казался сложным для исследования объектом, т.к. в одном направлении он протяженный и сильно поглощает, а если его повернуть на 90 градусов, то он будет тонким и почти прозрачным для рентгена.
Дальше зарегистрированный набор изображений предстояло обработать. Реконструкция выполнялась с помощью разработанной нами программы Smart Tomo Engine на машине Эльбрус-4С. Для реконструкции мы использовали алгоритм HFBP, про него мы рассказывали тут.
На этапе предобработки данных было сделано уменьшение размера данных в два раза, таким образом, у нас получилось 800 кадров размера 754 на 916. Мы реконструировали 754 слоя, размер одного слоя 916х916. Вид предварительно обработанных синограмм и реконструкция одного слоя.
Скриншот Smart Tomo Engine
Вот такая реконструкция у нас получилась:
Глядя на полученные реконструкции мы убедились в том, что наши алгоритмы томографической реконструкции позволяют избежать «metal like» артефактов при исследовании объектов содержащих одновременно сильно и слабо поглощающие области (металл и кремний).
Помните, как раньше, в детстве, мы часто разбирали разные электро-механические игрушки (машинки, роботы и луноходы), чтобы посмотреть, как они там устроены, и, возможно, найти какие-то знакомые части (лампочки, моторчики). Мы изучали конструкции этих “сложных“ девайсов, анализируя взаиморасположение “макро” элементов, полностью исключая непонятные на тот момент детали в виде конденсаторов и резисторов.
Так же и сейчас. Только вместо луноходов — процессоры, а вместо отвертки — томографы. Хотя мы понимали заранее, что томографом с разрешением 10-15 мкм мы не увидим структуру транзисторов (все-таки при производстве кристалла Pentium 4 использовалась технология 90 нм), стремление заглянуть внутрь интересного объекта, изучить его структуру и понять составляющие части (пусть даже и не все) – это то, что никуда не девается из любознательного мозга исследователя.
Сердце процессора — кремниевый чип, скрыт под металлической крышкой, которая сильно поглощает рентген и её необходимо снять, чтобы «просветить» кристалл. С помощью газовой горелки и отвёртки крышка была снята, а сам кристалл оторван от подложки.
Процессор до начала исследования, вид сверху и снизу
Кристалл (серебристый прямоугольник) подготовлен к исследованию
Кристалл в томографе
Томографические измерения мы проводили на лабораторном томографе, сконструированном и собранном во ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН (ФНИЦ КФ РАН) в лаборатории рефлектометрии и малоуглового рассеяния (о нём мы рассказывали тут).
Т.к. сверху и снизу от кристалла остались слои металла, то для томографирования было выбрано излучение энергией 40 кэВ, оно с одной стороны пробивает металл, а с другой стороны и кремний для него не совсем прозрачный. Было получено 800 изображений кристалла с разрешением 9 мкм.
Примеры рентгеновских изображений кристалла процессора
Процессор казался сложным для исследования объектом, т.к. в одном направлении он протяженный и сильно поглощает, а если его повернуть на 90 градусов, то он будет тонким и почти прозрачным для рентгена.
Дальше зарегистрированный набор изображений предстояло обработать. Реконструкция выполнялась с помощью разработанной нами программы Smart Tomo Engine на машине Эльбрус-4С. Для реконструкции мы использовали алгоритм HFBP, про него мы рассказывали тут.
На этапе предобработки данных было сделано уменьшение размера данных в два раза, таким образом, у нас получилось 800 кадров размера 754 на 916. Мы реконструировали 754 слоя, размер одного слоя 916х916. Вид предварительно обработанных синограмм и реконструкция одного слоя.
Скриншот Smart Tomo Engine
Вот такая реконструкция у нас получилась:
Глядя на полученные реконструкции мы убедились в том, что наши алгоритмы томографической реконструкции позволяют избежать «metal like» артефактов при исследовании объектов содержащих одновременно сильно и слабо поглощающие области (металл и кремний).
В качестве заключения
Помните, как раньше, в детстве, мы часто разбирали разные электро-механические игрушки (машинки, роботы и луноходы), чтобы посмотреть, как они там устроены, и, возможно, найти какие-то знакомые части (лампочки, моторчики). Мы изучали конструкции этих “сложных“ девайсов, анализируя взаиморасположение “макро” элементов, полностью исключая непонятные на тот момент детали в виде конденсаторов и резисторов.
Так же и сейчас. Только вместо луноходов — процессоры, а вместо отвертки — томографы. Хотя мы понимали заранее, что томографом с разрешением 10-15 мкм мы не увидим структуру транзисторов (все-таки при производстве кристалла Pentium 4 использовалась технология 90 нм), стремление заглянуть внутрь интересного объекта, изучить его структуру и понять составляющие части (пусть даже и не все) – это то, что никуда не девается из любознательного мозга исследователя.
sav13
Люди без всяких Эльбрусов реверс инжиниринг микросхем делают.
LSTT88
Людям интересно, люди заморочились. Как раз такие и двигают прогресс, для таких людей (или руками таких людей) и пишется узкоспециализированное ПО, находятся технические решения. Пусть сегодня это игрушки, завтра или через год это может качественно улучшить или спасти чьи-то жизни.
drWhy
Но не Pentium-4. Послойное травление и фотографирование отнимет слишком много времени, особенно при увеличении количества слоёв и уменьшении нормы техпроцесса.
А томография даёт сразу объём. А уменьшение разрешение — не вопрос, с ростом интенсивности излучения растёт разрешение. Излучение можно получать импульсно с ускорителя, чтобы не повредить образец. А алгоритм будет уже готов. И да, с ростом разрешения объём данных и вычислительные затраты растут.
И ещё образец можно дополнительно подготовить к сканированию, стравив большую часть контактных площадок, что заметно улучшило бы результат, очевидно для выбранного уровня разрешения это избыточно.