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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE Por: Ana Iris Elizondo Guerrero A01475 Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE ii HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE Por: Ana Iris Elizondo Guerrero Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: ___________________ Ing. Roberto Rodríguez Rodríguez Profesor Guía ___________________ ___________________ Ing. Jaime Cascante Vindas Ing. Julio Víquez Fernández Profesor Lector Profesor Lector Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE iii DEDICATORIA A Octavio, por su apoyo y su paciencia durante estos años juntos. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE iv RECONOCIMIENTOS A Julio Víquez, gracias por su guía para la realización de este trabajo. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE v ÍNDICE GENERAL DEDICATORIA........................................................................................... iii RECONOCIMIENTOS............................................................................... iv ÍNDICE GENERAL ..................................................................................... v INDICE DE FIGURAS .............................................................................. vii INDICE DE TABLAS ...............................................................................viii NOMENCLATURA .................................................................................... ix RESUMEN..................................................................................................... x CAPITULO 1: Introducción ..................................................................... 1 1.1 Formulación del problema ....................................................................................4 1.2 Objetivos .................................................................................................................4 1.2.1 Objetivos generales......................................................................................... 4 1.2.2 Objetivos específicos ...................................................................................... 5 1.3 Metodología ............................................................................................................5 1.3.1 Fase de investigación ...................................................................................... 6 1.3.2 Fase de desarrollo del prototipo...................................................................... 7 1.4 Alcances y limitaciones ..........................................................................................7 1.4.1 Alcances.......................................................................................................... 7 1.4.2 Limitaciones.................................................................................................... 8 CAPITULO 2: Antecedente histórico y marco teórico........................... 9 2.1 Antecedentes...........................................................................................................9 2.1.1 Reseña histórica de las computadoras ............................................................ 9 2.1.2 Reseña histórica de Intel ............................................................................... 11 2.1.3 Reseña histórica de Componentes Intel de Costa Rica S.A.......................... 12 2.2 Marco teórico .......................................................................................................14 2.2.1 La electrónica................................................................................................ 14 2.2.2 Electrónica analógica y electrónica digital .................................................. 14 Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE vi 2.2.3 Función y estructura de computadoras ......................................................... 15 2.2.4 Proceso de fabricación de circuitos integrados............................................. 18 2.2.5 Plataforma de prueba de procesadores a nivel de sistema ............................ 20 2.2.6 Alimentación del procesador en la tarjeta madre.......................................... 23 CAPITULO 3: Plataforma, propuestas y solución final ...................... 28 3.1 Descripción de la plataforma ..............................................................................28 3.1.1 Plataforma 1: D850MV ................................................................................ 28 3.1.2 Plataforma 2: Tarjeta madre de validación ................................................... 31 3.2 Opciones................................................................................................................32 3.2.1 Registros de control internos ........................................................................ 32 3.2.2 Circuito externo ............................................................................................ 34 3.2.3 Plataforma con capacidades especiales......................................................... 34 3.2.4 Solución escogida y justificación ................................................................. 35 3.3 Descripción del Prototipo....................................................................................36 CAPITULO 4: Prueba del prototipo y análisis de resultados ............. 40 4.1 Prueba del prototipo............................................................................................40 4.2 Análisis de resultados ..........................................................................................42 CAPITULO 5: Conclusiones y Recomendaciones ................................ 46 5.1 Conclusiones .........................................................................................................46 5.2 Recomendaciones .................................................................................................48 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................ 49 Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE vii INDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Diagrama de alto nivel de la estructura de la computadora y de la unidad central de procesamiento (18). .................................................................................................................... 17 Figura 2.2: Distribución de los parámetros de un proceso (19). .................................................... 19 Figura 2.3: Diagrama de la plataforma de prueba de un procesador. ........................................... 21 Figura 2.4: Estructura de un programa de prueba para el ambiente Systest. Fuente confidencial................................................................................................................................... 22 Figura 2.5: Línea de tolerancia de VCC de acuerdo a la carga para procesador Pentium® 4 . ................................................................................................................................................. 26 (13) Figura 2.6: Diagrama de bloques del proceso de alimentación de un procesador........................ 27 Figura 3.1: Diagrama de bloque de D850MV (12)......................................................................... 30 Figura 3.2: Diagrama de bloques de la interconexión de las partes del prototipo........................ 37 Figura 3.3: Esquema genérico de la conexión de los pines entre los puertos del target system y Centrix. ...................................................................................................................................... 37 Figura 4.1: Resultado grafico de una prueba utilizando el sistema prototipo............................... 44 Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN viii PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE INDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Valores de Identificación de voltaje para procesadores Intel Pentium® 4 (13). ........... 25 Tabla 3.1: Resumen de las características de la tarjeta D850MV (12). .......................................... 29 Tabla 3.2: Resumen de las características de la tarjeta Chelan. Fuente: Confidencial................. 31 Tabla 4.1: Rangos de voltaje y tamaño de paso utilizados durante las pruebas del sistema prototipo........................................................................................................................................ 41 Tabla 4.2: Mediciones de voltaje durante el desarrollo de cuatro pruebas para una misma unidad............................................................................................................................................ 43 Tabla 4.3: Mediciones de voltaje durante el desarrollo de una prueba para dos unidades........... 45 Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE ix NOMENCLATURA 0 Nivel lógico bajo. Corresponde a un valor de voltaje en bajo, i.e. 0V. 1 Nivel lógico alto. Corresponde a un valor de voltaje en alto, i.e. 3V. FSB MHz, GHz Front Side Bus: bus de datos del sistema. Conecta el procesador y la memoria principal (RAM). Unidades de frecuencia en ciclos por segundo: MHz = 1E6 ciclos por segundo; GHz = 1E9 ciclos por segundo. Unidad de medida de distancia equivalente a 1E-9 de un metro. Aquí se nm utiliza para identificar el proceso de fabricación de un circuito integrado. Ej: proceso de 90 nm. QSC Unidad Centro de Soporte de Calidad Este término es utilizado para referirse a un procesador Intel ® Pentium® 4. V Símbolo de Voltios, la unidad de medida del voltaje. VCC Voltaje de alimentación de un circuito integrado. VID[5:0] VSS Pines de Identificación de Voltaje (por sus siglas en ingles). Indican el voltaje de alimentación máximo al que el procesador puede trabajar. Voltaje de referencia de tierra de un circuito integrado. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM® 4 DE INTEL® DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE x RESUMEN Este documento describe el trabajo realizado en el laboratorio de QSC (Quality Support Center) de la empresa Componentes Intel de Costa Rica, con el objetivo de habilitar una plataforma de prueba de procesadores para realizar las pruebas de los mismos a diferentes voltajes. El proyecto se realizó en dos fases principales: investigación y desarrollo. La etapa de investigación consistió en el estudio del material relacionado con los temas de arquitectura de computadoras, prueba de circuitos integrados, y caracterización de la plataforma disponible en el laboratorio. La segunda etapa, de desarrollo, consistió en la aplicación de los conocimientos adquiridos para habilitar la capacidad de la herramienta de realizar pruebas a diferentes voltajes. La solución consistió en integrar las aplicaciones de software disponibles y las características del hardware. Se obtuvieron los resultados esperados ya que se cumplió con los objetivos planteados. El sistema que se ensambló en el laboratorio de QSC tiene la capacidad de definir el voltaje de operación del procesador dentro de un rango específico y con una resolución mínima específica, realizar la prueba del procesador, registrar el resultado de la prueba y generar un gráfico con los resultados. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 1 CAPITULO 1: Introducción Algunos de los hitos más importantes que han influido en el desarrollo de las computadoras personales que conocemos hoy día son la invención del transistor y del circuito integrado. Estas dos invenciones propiciaron la miniaturización y mayor rendimiento de las primeras computadoras que se desarrollaron, lo que las hizo poco a poco más accesibles al público. A partir del circuito integrado se desarrollo el procesador o microprocesador, cuya particularidad es la capacidad de ejecutar una serie de instrucciones que pueden ser leídas de una memoria. La finalidad de estas instrucciones puede ser cualquiera que el usuario desee, y un mismo procesador puede ejecutar diferentes tipos de instrucciones. Este circuito se convirtió en una parte fundamental de la computadora. Cada procesador que es lanzado al mercado incluye nuevas características que lo hacen superar a sus predecesores. Estas características varían desde la posibilidad de acceder mas cantidad de memoria, mayor velocidad en la ejecución de las instrucciones, reducción en el consumo de potencia, capacidad de manejar aplicaciones que requieren una cantidad significativa de memoria y de procesos en el CPU (Unidad Central de Procesamiento, por sus siglas en inglés), etc. Una característica importante de señalar es la reducción en el voltaje de alimentación; este ha pasado de 5V en los primeros procesadores a 1.2V en las últimas versiones de Pentium® 4. Cabe mencionar una característica especial de algunos procesadores de la serie Pentium® con respecto al voltaje: la combinación de voltaje en ciertos pines del procesador llamados VID, indican a la tarjeta madre el voltaje de operación del procesador, pues el rango de voltaje permitido puede variar desde 1.1V a 1.6V, por ejemplo. La frecuencia es otra característica importante de los procesadores que es variable de un procesador a otro. En frecuencias, el rango puede ir desde, por ejemplo, 2.0GHz hasta 3.4GHz para los últimos Pentium® 4. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 2 La variación en estos parámetros de trabajo de dos procesadores construidos con la misma tecnología y al mismo tiempo se debe en gran medida al diminuto tamaño de los transistores dentro del procesador. Un defecto muy pequeño o una ligera variación de los procesos resultan en procesadores con características distintas. Los procesadores marginales, en este caso, son aquellos cuyo desempeño es más sensible a las condiciones de operación. En estos casos, una pequeña variación en el voltaje de operación puede hacer que el procesador funcione correctamente o falle. Componentes Intel de Costa Rica S.A. es una de las fábricas de Intel Corporation, esta fábrica está dedicada a la manufactura de componentes electrónicos, más específicamente, al ensamble y prueba de procesadores para computadora. Esta empresa esta conformada por muchos departamentos, algunos de ellos soportan las operaciones de manufactura directamente, y otros como el centro de soporte de calidad (QSC, Quality Support Center), son llamados departamentos de servicio o indirectos. Este departamento o grupo, está dedicado a prestar diversos servicios de ingeniería para los manufacturadores de equipos originales (OEM, Original Equipment Manufacture). Entre estos servicios están: análisis y correlación de fallas, seguimiento a problemas de ensamble de computadores y soporte para problemas de calidad o confiabilidad. Entre las actividades relacionadas con el análisis y correlación de fallas se encuentran: una inspección visual para problemas cosméticos, una mecánica para verificar integridad física de las unidades, y además, pruebas eléctricas para garantizar la funcionalidad de los procesadores. Este proyecto se desarrolla dentro del grupo de QSC, como un esfuerzo por mejorar el proceso de pruebas eléctricas que se realizan con los procesadores. Lo que se quiere es tener un equipo o herramienta con la capacidad de identificar los procesadores marginales. Actualmente Intel no tiene una plataforma de bajo costo en la que pueda hacer pruebas de funcionalidad en los procesadores variando el voltaje de operación para determinar fallas por sensibilidad al voltaje. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 3 El objetivo principal de este proyecto es desarrollar y validar un equipo de prueba que sea capaz de revisar los procesadores, variando el voltaje de operación del mismo para identificar los procesadores marginales. Las etapas más importantes que se desarrollan durante este proyecto incluyen: revisión de hojas de datos de componentes y material relativo al tema, investigación de la secuencia que utiliza la plataforma para definir el voltaje de operación del procesador, estudio de los sistemas de pruebas de procesadores, propuesta de soluciones al problema enfrentado, montaje de una estación de trabajo autónoma que sea capaz de variar el voltaje de operación del procesador para realizar las pruebas de funcionalidad, validación de la propuesta, documentación final del proceso. Para el desarrollo de este proyecto se requieren conocimientos de arquitectura de computadoras, programación y arquitectura de microprocesadores, por lo cual es necesario un estudiante de Ingeniería Eléctrica o Electrónica para su desarrollo. Diciembre de 2004 IE-0502 1.1 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 4 Formulación del problema ¿Como adecuar una plataforma de prueba disponible en el laboratorio de QSC de Intel Costa Rica para identificar las fallas de funcionalidad en procesadores Intel Pentium® 4 debido a sensibilidad de voltaje? 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivos generales 1. Estudiar las características de alimentación de voltaje y los sistemas de prueba de los procesadores Pentium® 4 de la Corporación Intel. 2. Examinar los posibles cambios en un sistema de prueba de procesadores para habilitar la capacidad de variar el voltaje nominal de alimentación del procesador y validar una solución mediante un prototipo. Diciembre de 2004 IE-0502 1.2.2 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 5 Objetivos específicos 1. Estudiar la forma de alimentación de voltaje de un procesador Pentium® 4 de Intel. 2. Estudiar los sistemas de prueba de los procesadores Pentium® 4 de Intel utilizados en el centro de validación de retornos del cliente de Intel Costa Rica. 3. Determinar los cambios de hardware o software requeridos en un sistema de prueba de procesadores Pentium® 4 de Intel para habilitar la capacidad de realizar las pruebas a voltajes de alimentación diferentes del voltaje nominal. 4. Desarrollar un prototipo capaz de realizar las pruebas a los procesadores variando el voltaje nominal de alimentación de los mismos. 5. Publicar un documento técnico con los requerimientos y limitaciones del prototipo desarrollado. 1.3 Metodología El desarrollo del proyecto se dividió en dos etapas principales: etapa de estudio y etapa de desarrollo del prototipo. La etapa o fase de investigación consistió en la recolección de la información relevante al proyecto, el estudio de la misma y la proposición de una solución al problema a resolver. La etapa de desarrollo del prototipo consistió en el ensamble, validación y documentación del prototipo propuesto. Diciembre de 2004 IE-0502 1.3.1 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 6 Fase de investigación La recolección de información se llevó a cabo mediante la lectura de material de diversas fuentes y la selección del mismo, apartando aquel que se consideró pertinente para efectos del proyecto. Esta etapa incluyó la búsqueda de información específica requerida para evacuar dudas sobre la operación del equipo y/o software a utilizar. Las fuentes primarias de información consistió en hojas de datos de los componentes del sistema: tarjeta madre, procesador, periféricos y otro hardware utilizado en el desarrollo del proyecto; manuales del equipo a utilizar; archivos de ayuda de los programas a utilizar; libros y material sobre Arquitectura de Computadoras y los lenguajes de programación que se requiera. Las fuentes secundarias de información consisten en trabajos realizados anteriormente por otras personas, tales como manuales o resultado de investigaciones en proyectos. Los objetivos de esta etapa fueron: conocer las formas en que prueban los procesadores actualmente, seleccionar el material, determinar posibles soluciones al problema enfrentado, familiarizarse con el equipo a utilizar. Las actividades principales en esta etapa incluyen: 1. Lectura de material de diversas fuentes. 2. Estudio de arquitectura de computadoras. 3. Revisión del proceso de prueba de los procesadores. 4. Revisión del proceso para determinar el voltaje de alimentación del procesador. 5. Redacción de introducción, marco teórico y capítulos de contenido teórico. 6. Formulación de una propuesta. Diciembre de 2004 IE-0502 1.3.2 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 7 Fase de desarrollo del prototipo Los pasos a desarrollar durante esta etapa incluyen: 1. Ensamblar o completar el ensamble de la plataforma de pruebas de los procesadores. 2. Desarrollar el software y/o modificaciones de hardware propuestas. 3. Comprobar el funcionamiento adecuado del prototipo desarrollado. 4. Documentar el proceso y el prototipo. 1.4 Alcances y limitaciones 1.4.1 Alcances La intención final de esta investigación fue la propuesta de un método de realizar las pruebas de los procesadores con un voltaje de alimentación variable, y el desarrollo de un prototipo para validar la solución propuesta. Se estudió la plataforma del laboratorio y las características de alimentación de los procesadores. A partir de ello se definieron propuestas para agregarle a esta plataforma la capacidad de modificar el voltaje de alimentación a voluntad del usuario que esta llevando a cabo la prueba. Finalmente, una propuesta fue validada mediante el ensamble de un prototipo. Esta herramienta busca que el centro de validación pueda realizar un análisis de sensibilidad a voltaje con la plataforma que tienen a disposición. Se requiere tener la capacidad de realizar pruebas funcionales a los procesadores en repetidas ocasiones, cada una con un voltaje de operación diferente para determinar la sensibilidad al voltaje de operación. Diciembre de 2004 IE-0502 1.4.2 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 8 Limitaciones Dentro de las principales limitaciones que afectaron este proceso de investigación están: la disponibilidad de información, la información confidencial y la inversión en nuevos recursos. Debido a que el proyecto de investigación se realiza en una empresa líder en manufacturación de semiconductores, se tiene acceso a información sensible de la compañía y se debe ser muy cuidadoso con la información que se publica. Por otro lado, la tecnología utilizada es la más novedosa y por lo tanto no existe abundante documentación sobre el funcionamiento y las capacidades de los dispositivos a utilizar. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 9 CAPITULO 2: Antecedente histórico y marco teórico Con el propósito de ubicar el contexto histórico y teórico de la presente investigación, se describen en esta sección algunos de los hechos y conceptos más importantes relacionados con el tema del proyecto. 2.1 Antecedentes 2.1.1 Reseña histórica de las computadoras La tecnología ha avanzado mucho desde la primera computadora hecha de tubos al vacío hasta las computadoras personales que utilizamos actualmente. La historia de las computadoras se divide por lo general en “generaciones”, cada una de las cuales presenta características particulares que la diferencian de las otras. Estas características están relacionadas principalmente con el mejor desempeño, menor tamaño y consumo de potencia, mayor capacidad de memoria, que las generaciones anteriores. La primera generación inicia con los tubos al vacío y se extiende desde 1939 hasta 1957. Una de las primeras computadoras digitales fue la ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), desarrollada durante y después de la Segunda Guerra Mundial (1946) para cálculos balísticos. Esta estaba compuesta únicamente de tubos al vacío y era enorme. Como resultado del desarrollo de la ENIAC y subsecuentes investigaciones, surgió una definición de la estructura de una computadora, conocida como la arquitectura de Jonh Von Neumann. Esta definición dice que una computadora debe estar compuesta por las siguientes partes: una memoria para almacenar datos e instrucciones; una unidad lógica y aritmética, capaz de realizar las operaciones; la unidad de control, que interpreta las instrucciones de memoria y las ejecuta; y un sistema de entrada y salida operado por la unidad de control. La invención del transistor poco después, en 1948, marca el inicio de la segunda generación de computadoras que se extiende hasta 1964. El transistor es un dispositivo de estado Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 10 sólido, hecho de silicio. Esta invención hizo posible el crecimiento acelerado de las computadoras digitales. Debido a que el transistor consume menos potencia y es más pequeño que el tubo al vacío, fue posible construir computadoras más pequeñas, rápidas y eficientes que las construidas con tubos al vacío. Otro hecho importante en el desarrollo de las computadoras es la invención del Circuito Integrado (Integrated Circuit, IC) por ingenieros de Texas Instruments en 1959, lo cual marca la tercera generación de computadoras (1965-1971). Este nuevo componente permitió colocar varios transistores en un mismo substrato, y así obtener un circuito simple en un único chip. Los primeros circuitos integrados contenían pocos transistores y solo podían realizar la tarea específica para la que habían sido construidos, por ejemplo cálculos numéricos o almacenamiento de datos. La tecnología desarrollada para estos primeros circuitos integrados se denomina SSI (Small-Scale Integration), o integración a pequeña escala. Fue la empresa Intel la primera compañía en desarrollar un chip que podía ser controlado por un programa que dictaba su funcionalidad. El primer microprocesador fue introducido en 1971, el 4004 de Intel. Esto da inicio a la cuarta generación de computadoras, desde 1971 hasta 1987. Intel desarrolló luego el 8008 en 1972 y el 8080 en 1973. Este último fue utilizado en la construcción de Altair, considerada la primera computadora personal. En 1975 IBM introduce su primera computadora personal, el modelo 5100. A partir de este, se desarrollan otros modelos, cada vez más accesibles al público. Por ejemplo el sistema Apple I y II, desarrolladas por la compañía Apple Computer en 1976 y 1977 respectivamente, o la computadora Osborne 1 en 1981. Para 1985, la empresa Microsoft lanza un sistema operativo llamado Windows 1.0 con ciertas capacidades gráficas. La quinta generación de computadoras inicia en 1987 hasta 1995 y se caracteriza por la red de Internet. En esta época se lanzan los procesadores 80486DX de Intel y el PowerPC 601, Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 11 los cuales soportaban sistemas operativos con grandes capacidades gráficas y facilidades para el trabajo en redes. Desde 1995 nos encontramos en la sexta generación, caracterizada por una revolución en equipos multimedia, lo cual da la posibilidad de convertir la computadora de una estación de trabajo a un centro de entretenimiento. Además se produce un gran desarrollo de equipos portátiles. 2.1.2 Reseña histórica de Intel La Corporación Intel fue fundada en 1968 para construir memorias semiconductoras; y como se mencionó, en 1971 introdujeron el primer microprocesador al mercado. Desde entonces la empresa se ha dedicado al desarrollo de tecnologías para las computadoras. Actualmente provee a las industrias de computación y comunicaciones con diferentes circuitos integrados, tarjetas, sistemas y programas, que son las partes que componen computadoras, servidores, redes y productos de comunicaciones. El principal producto de Intel es el microprocesador o procesador, también llamado Unidad Central de Procesamiento (CPU, Central Processing Unit). Este es considerado con frecuencia el cerebro de la computadora porque controla el procesamiento de los datos en computadoras personales, servidores, estaciones de trabajo y otros dispositivos. Otros productos semiconductores manufacturados por Intel son memorias flash y chipsets. La Corporación Intel es uno de los líderes mundiales en la manufacturación y tecnología de semiconductores. Esta corporación cuenta con 11 instalaciones de fabricación y 6 instalaciones de ensamble y prueba alrededor del mundo. En las instalaciones de fabricación se producen los diferentes componentes de silicio que luego son enviados a las instalaciones de ensamble y prueba para ser montados en paquetes y probada su funcionalidad. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 12 Otras de las actividades en que la empresa invierte importantes recursos son la investigación y desarrollo. En el año 2003, esta compañía gasto 4.4 billones de dólares en esta actividad. El principal objetivo de las investigaciones que Intel está conduciendo es superar las barreras técnicas que impiden el desarrollo y manufactura de nuevos productos. Actualmente, esta compañía cuenta con más de 7000 investigadores en diversos puntos alrededor del mundo. Intel es la compañía más grande productora de componentes electrónicos, es también la compañía líder en manufactura de productos para computadoras, redes y dispositivos de comunicación. Esto le permitió registrar en el año 2003 una ganancia neta de 5,641 millones de dólares o lo que es lo mismo una ganancia de 0.85 dólares por acción diluida. Durante este periodo sus ganancias provinieron en un 40% de la región de Asia pacifico, 27% de América y un 24% de Europa. 2.1.3 Reseña histórica de Componentes Intel de Costa Rica S.A. Componentes Intel de Costa Rica S.A. inició sus operaciones en marzo de 1998. Localizada en el corazón de América, esta planta para la manufacturación de componentes electrónicos constituye la instalación más grande en Latinoamérica de la corporación Intel. Cuenta con más de 2000 empleados para las diversas actividades corporativas como el desarrollo de productos, servicio al cliente y diseño de componentes. En la actualidad cuenta con dos plantas de manufactura para el ensamble y prueba de microprocesadores, y un centro de distribución desde el cual se exportan los productos manufacturados en Costa Rica al resto del mundo. Costa Rica es también la sede del Grupo de Servicios de Ingeniería de América Latina (LAES, por sus siglas en inglés), que realiza labores de diseño de componentes y desarrollo de software. Además, esta empresa cuenta con un centro de servicio al cliente, el cual brinda atención a todas las compañías latinoamericanas que ensamblan procesadores. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 13 La Corporación Intel mantiene un compromiso hacia las comunidades en donde realiza operaciones. Su filosofía operativa que se enfoca en ser un vecino corporativo responsable. Así, Componentes Intel de Costa Rica desarrolla proyectos y programas comunitarios que fortalezcan sus relaciones con la comunidad. Otra preocupación Intel es la educación. Su meta es impulsar y mejorar la educación primaria, secundaria y universitaria, en áreas como la ciencia, la tecnología y la ingeniería. Los esfuerzos realizados incluyen proyectos con las entidades educativas, donde brinda asesoría para la implementación de programas de estudio, seminarios y capacitación para los educadores. También tiene programas de donaciones de equipo para habilitar la tecnología en las aulas, además de actividades especiales como las prácticas o pasantías estudiantiles, becas, conferencias y el involucramiento activo en ferias científicas. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 2.2 Marco teórico 2.2.1 La electrónica 14 De acuerdo al autor Neamen (17), una definición de electrónica es: “La electrónica se define como la ciencia del movimiento de cargas en un gas, vacío o semiconductor (…) Esta definición se empleo en los inicios del siglo XX para separar el campo de la ingeniería eléctrica (…) del nuevo campo de la ingeniería electrónica, que en ese entonces trataba con tubos al vacío. Hoy en día, la electrónica comprende por lo general transistores y circuitos transistorizados.” (Neamen, 1999, p. 1) Esta ciencia incluye el estudio y diseño de sistemas electrónicos tal y como son las fuentes de alimentación, fuentes de señales, amplificadores y circuitos lógicos digitales. Se diferencia de la Ingeniería Eléctrica en que esta última estudia los motores, generadores y comunicaciones alámbricas. Actualmente, el principal campo de estudio de la electrónica son los circuitos semiconductores. 2.2.2 Electrónica analógica y electrónica digital Se puede hacer una división de la electrónica de acuerdo al tipo de señales que procesa el circuito. Básicamente las señales se pueden clasificar en dos tipos: señales analógicas y señales digitales. La señal analógica se define como aquella cuya magnitud puede tener cualquier valor real. Una señal digital solamente puede estar en uno de dos posibles valores. Los circuitos que procesan señales analógicas se definen como circuitos analógicos, y aquellos que procesan señales digitales son denominados circuitos digitales. La electrónica analógica entonces estudia los circuitos analógicos, mientras que la electrónica digital estudia los circuitos digitales. Los circuitos integrados también pueden Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 15 clasificarse de esta forma. Un amplificador operacional o un regulador de voltaje son ejemplos de circuitos analógicos, mientras que un procesador o una memoria son circuitos digitales. 2.2.3 Función y estructura de computadoras La descripción del funcionamiento y estructura de computadoras que se presenta a continuación fue tomada del autor Stallings (2003) (18). Una computadora actual es un sistema muy complejo formado por millones de componentes electrónicos, por lo tanto, para describir exitosamente su estructura es recomendable definir una jerarquía de subsistemas que conforman la computadora. Estos subsistemas se dividen a su vez en subsistemas menores hasta alcanzar un subsistema elemental. En cada nivel, el investigador o diseñador puede estar interesado en la interrelación entre componentes (estructura) o en la operación de los componentes individuales como parte de la estructura (función). Las funciones básicas de una computadora son, en términos generales, cuatro: • Procesamiento de datos. • Almacenamiento de datos. • Movimiento de datos en si misma y con el exterior. • Control de las funciones anteriores, por lo general viene del usuario. La cantidad de operaciones que se pueden realizar con estas funciones es muy poca, debido a que es una descripción general de lo que es una computadora. Sin embargo, esta descripción refuerza la naturaleza de propósito general de una computadora; la especialización se da con el programa y no en el diseño. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 16 La estructura interna de una computadora se basa en la arquitectura de Von Neumann, con cuatro componentes básicos: • Unidad Central de Procesamiento (CPU): controla la operación de la computadora y realiza el procesamiento de datos. • Memoria principal: guarda los datos. • Entradas y salidas (I\O): movimiento de datos con el exterior. • Sistema de interconexión: mecanismo de comunicación entre CPU, memoria principal e I\O. A su vez, el CPU esta compuesto por: • Unidad de control: controla la operación de la computadora. • Unidad Lógica y Aritmética (ALU): realiza el procesamiento de datos. • Registros: almacenamiento de datos interno del CPU. • Interconexión del CPU: mecanismo de comunicación entre la unidad de control, ALU y registros. Esta organización de la computadora se ilustra en la figura 2.1. Es de especial interés, para efectos de la presente investigación, la Unidad Central de Procesamiento, la cual se implementa mediante el circuito integrado llamado procesador. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 17 COMPUTADORA Memoria I/O Bus del sistema CPU CPU Unidad lógicoaritmética Registros Conexión interna de CPU Unidad de control Figura 2.1: Diagrama de alto nivel de la estructura de la computadora y de la unidad central de procesamiento (18). Diciembre de 2004 IE-0502 2.2.4 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 18 Proceso de fabricación de circuitos integrados Los circuitos integrados se fabrican con un material semiconductor como base; por ejemplo, el primer circuito integrado de Texas Instruments se fabricó en germanio. Actualmente, sin embargo, la mayor parte de circuitos integrados son fabricados en silicio. La fabricación de un circuito integrado se realiza en varias etapas. Para crear una estructura MOS (Metal-Oxide Semiconductor), de acuerdo a Weste (1993) (19), se inicia con una especie de galleta plana de silicio con forma circular y muy delgada, llamada oblea o “wafer”. Una misma oblea se divide y se fabrican a la vez cierta cantidad del mismo circuito integrado, al final del proceso la oblea se corta en pequeñas partes que contienen los circuitos llamadas “die”. Lo que se hace para obtener el circuito es superponer diversas capas de material conductor, aislante y otros materiales que forman los transistores, para crear una estructura similar a un sándwich. Esto se logra gracias a procesos químicos que incluyen la oxidación del silicio, difusión de impurezas en el silicio para proporcionarle las propiedades conductoras deseadas, deposición, y grabado de aluminio para la interconexión de los circuitos. Al finalizar el proceso de fabricación, una típica estructura MOS esta formada por distintas capas: la difusión (silicio contaminado con impurezas), polisilicio (silicio policristalino usado para interconexión), y aluminio, separados por capas de aislante. Este proceso es en realidad bastante complejo, pues incluye la repetición de los pasos mencionados anteriormente, además del lavado con químicos y la exposición a luz ultravioleta. Las características de los dispositivos creados siguen una distribución normal o Gaussiana (figura 2.2); y esta variación se puede deber a variaciones en la densidad del dopaje, la variación en el ancho y grosor de la difusión, las capas de óxido y de los conductores pasivos entre otros (Weste, 1993, p. 245). En la presente investigación, se entenderá como un procesador marginal aquel cuyos parámetros adecuados de funcionamiento se encuentran fuera de los límites estándar de aceptación; y por sensibilidad la característica de verse fácilmente afectado por condiciones externas. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 19 Figura 2.2: Distribución de los parámetros de un proceso (19). Se entiende entonces que una unidad es sensible al voltaje cuando pequeñas variaciones en el voltaje de alimentación determinan si funciona correctamente o no. Debido a las variaciones del proceso de fabricación, aun los dispositivos que han sido fabricados en la misma oblea van a presentar diferente rendimiento y parámetros de funcionamiento, por ejemplo la velocidad de conmutación o el voltaje de alimentación. Esto significa que van a existir dispositivos que funcionan a mayor velocidad o voltaje; otros necesitarán un voltaje o velocidad menor para poder funcionar correctamente, e incluso, se dan casos de unidades que no funcionan. El proceso de prueba de los dispositivos es fundamental para separar las unidades funcionales que van a continuar por el proceso de producción y van a llegar a los clientes, de aquellas que no funcionan o que presentan fallas y deben ser desechadas. El die (chip) se puede probar en las siguientes etapas (Weste, 1993, p. 465): • Nivel de oblea • Nivel de circuito empacado • Nivel de tarjeta • Nivel de sistema Diciembre de 2004 IE-0502 • HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 20 En el campo Detectar las unidades que funcionan incorrectamente de forma temprana ahorra los costos de producción de esas unidades. Por eso es muy importante desarrollar sistemas de pruebas capaces de detectar las unidades defectuosas que posteriormente serán desechadas. A pesar de los procesos y controles de calidad de un proceso, se dan casos de unidades que fallan tempranamente con los clientes. Estas unidades por lo general son retornadas a la empresa productora para un análisis mas detallado de las causas de la falla y en algunos casos, para hacer efectiva la garantía sobre la unidad. 2.2.5 Plataforma de prueba de procesadores a nivel de sistema Una de las plataformas utilizadas en Intel para realizar pruebas a nivel de sistema consiste en el target system, el servidor y una interfaz que los comunica. En la figura 2.3 se muestra un diagrama de la conformación de este sistema. La unidad que va a ser objeto de prueba se denomina DUT (dispositivo bajo prueba, por sus siglas en inglés) y es el procesador al que se le va a realizar el análisis de su funcionamiento, también denominado validación. El DUT se coloca en el target system, el cual consiste en una tarjeta madre y una serie de periféricos. Algunos de estos sistemas poseen características especiales que proporcionan facilidades en el proceso de prueba del producto. El servidor es en realidad una computadora personal que envía las instrucciones para la prueba del procesador. Esta computadora trabaja con un paquete de software es la interfaz con la persona que realiza la prueba. La comunicación entre el target system y el servidor se realiza mediante una tarjeta denominada Centrix, la cual consiste en una serie de puertos que se conectan al servidor y otros que van al target system, y ciertos circuitos internos. La función del Centrix es de recibir las señales del servidor y transformarlos en las señales adecuadas que se Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 21 envían al target system, así como recibir las señales del target system y transformarlas en las señales que el servidor comprende para determinar el estado de la prueba. Figura 2.3: Diagrama de la plataforma de prueba de un procesador. El paquete de software utilizado en el laboratorio es el Systest. Este sistema de software de prueba trabaja con archivos de extensión “tpf” o test program file, archivo de programa de prueba. El programa de prueba contiene la secuencia de pruebas que se ejecutan en el target system. Además del archivo con extensión tpf, Systest necesita de otro tipo de archivo, el “gtf” o global template file. Este archivo contiene definiciones de variables, funciones, constantes y otros que son llamados o utilizados de alguna forma en el archivo tpf. Cada producto tiene un programa de prueba asociado, y de este programa de prueba existen por lo general diferentes versiones, que se van actualizando de acuerdo a las necesidades de la empresa. La estructura general que tiene un programa de prueba ficticio en Systest se muestra en la figura 2.4. El paquete de software ejecuta cada uno de las pruebas en orden secuencial, tal y como esta indicado en la figura. Este diagrama presenta un esquema general de cómo se estructura la prueba. Cada uno de los subprogramas de Inicio, A, B o Apagar, puede contener otros subgrupos de pruebas a su vez. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 22 Programa prueba Variables globales Grupo Inicio Test Inicio 1 Funciones globales Test Inicio 2 Test Inicio 3 Asignaciones de puertos Flujo del programa de prueba Grupo A Test A 1 .GTF File Test A 2 Test A 3 Grupo B Test B 1 Test B 2 Test B 3 Grupo Apagar Test Apagar 1 .TPF File Test Apagar 2 Test Apagar 3 Figura 2.4: Estructura de un programa de prueba para el ambiente Systest. Fuente confidencial. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 23 Estos programas de prueba se escriben en el lenguaje de programación Visual Basic Script (VBScript). En VBScript el código ejecutable del programa debe estar dentro de un procedimiento. Un procedimiento es una secuencia nombrada de oraciones que se ejecutan como una unidad. Existen dos tipos de procedimientos: procedimiento Sub y procedimiento Function. El procedimiento Sub es una serie de oraciones de VBScript que se encuentran delimitados por las oraciones Sub y End Sub; realizan acciones pero no devuelven ningún valor. El procedimiento Function consiste en una serie de oraciones delimitadas por las oraciones Function y End Function; es similar al procedimiento Sub, pero puede también devolver un valor. Cada uno de los grupos y de las pruebas indicadas en la figura 2.4 se escribe como un procedimiento Sub en el archivo tpf. Los procedimientos Function por lo general están contenidos en el archivo gtf y son llamados desde otros procedimientos, ya sea Sub o Function. Se define una unidad que falla cuando no es capaz de completar alguna de las pruebas específicas para la unidad. Esto porque la prueba puede fallar en la comunicación con el equipo Centrix o alguno de los dispositivos conectados al target system, no necesariamente porque la unidad presente problemas. 2.2.6 Alimentación del procesador en la tarjeta madre La hoja de datos Intel® Pentium® 4 Processor on 90 nm Process indica que este procesador de 478 pines, tiene un total de 85 pines para VCC y 179 pines para VSS. Los pines de alimentación VCC se conectan al voltaje determinado por los pines de identificación de voltaje (VID, Voltage Identification), mientras que los pines VSS se conectan a la referencia (tierra) del sistema. Las especificaciones completas para el diseño de la alimentación del procesador se Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 24 encuentran en el documento Voltage Regulator-Down (VRD) 10.0 Design Guidelines for Desktop Socket478. El voltaje definido por los pines VID es el voltaje máximo permitido para el procesador, en realidad el voltaje varia con la frecuencia de operación y la carga (ver figura 2.5). Este valor de voltaje se define durante el proceso de manufactura para definir a cada unidad el valor de voltaje que le permite funcionar adecuadamente en un rango de frecuencias. El procesador Pentium® 4 de Intel en el proceso de 90 nm, utiliza seis pines de identificación de voltaje VID[5:0], para la selección del voltaje de alimentación. La tabla 2.1 especifica el nivel de voltaje correspondiente a cada una de las posibles combinaciones de los pines VID. Un ‘1’ se refiere a un voltaje en alto mientras que el ‘0’ se refiere al voltaje en bajo. En la figura 2.6 se muestra un diagrama de bloque de ejemplo para una tarjeta madre. De forma general el proceso de alimentación del procesador se puede ver así: las señales VID del procesador están conectadas al regulador de voltaje de la tarjeta madre, el cual recibe estos valores y es capaz de convertirlos en un nivel analógico de voltaje como se describió en la tabla 2.1. Luego el regulador de voltaje proporciona al procesador el voltaje requerido. Se debe recordar que este voltaje será menor que el indicado por los valores de VID. En el presente trabajo se entiende por voltaje de alimentación del procesador, el valor de tensión comprendido entre 0.8375V y 1.6000V definido por la combinación de los pines VID. Este valor definido por los pines VID es la tensión máxima que se puede medir entre los pines VCC y VSS. Este es el parámetro que se pretende variar con el desarrollo del proyecto. Para obtener una medida con poco ruido del voltaje de alimentación del procesador, Intel provee los pines VSS_SENSE y VCC_SENSE, los cuales proporcionan una conexión aislada de baja impedancia al voltaje que hay en el silicio que forma el procesador. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 25 Tabla 2.1: Valores de Identificación de voltaje para procesadores Intel Pentium® 4 (13). VI Vout VID5 VID4 VID3 VID2 VID1 D0 (nom) X 1 1 1 1 1 No CPU 0 0 1 0 1 0 0.8375 1 0 1 0 0 1 0.8500 0 0 1 0 0 1 0.8625 1 0 1 0 0 0 0.8750 0 0 1 0 0 0 0.8875 1 0 0 1 1 1 0.9000 0 0 0 1 1 1 0.9125 1 0 0 1 1 0 0.9250 0 0 0 1 1 0 0.9375 1 0 0 1 0 1 0.9500 0 0 0 1 0 1 0.9625 1 0 0 1 0 0 0.9750 0 0 0 1 0 0 0.9875 1 0 0 0 1 1 1.0000 0 0 0 0 1 1 1.0125 1 0 0 0 1 0 1.0250 0 0 0 0 1 0 1.0375 1 0 0 0 0 1 1.0500 0 0 0 0 0 1 1.0625 1 0 0 0 0 0 1.0750 0 0 0 0 0 0 1.0875 1 1 1 1 1 0 1.1000 0 1 1 1 1 0 1.1125 1 1 1 1 0 1 1.1250 0 1 1 1 0 1 1.1375 1 1 1 1 0 0 1.1500 0 1 1 1 0 0 1.1625 1 1 1 0 1 1 1.1750 0 1 1 0 1 1 1.1875 1 1 1 0 1 0 1.2000 0 1 1 0 1 0 1.2125 Vout VID5 VID4 VID3 VID2 VID1 VID0 (nom) 1 1 1 0 0 1 1.2250 0 1 1 0 0 1 1.2375 1 1 1 0 0 0 1.2500 0 1 1 0 0 0 1.2625 1 1 0 1 1 1 1.2750 0 1 0 1 1 1 1.2875 1 1 0 1 1 0 1.3000 0 1 0 1 1 0 1.3125 1 1 0 1 0 1 1.3250 0 1 0 1 0 1 1.3375 1 1 0 1 0 0 1.3500 0 1 0 1 0 0 1.3625 1 1 0 0 1 1 1.3750 0 1 0 0 1 1 1.3875 1 1 0 0 1 0 1.4000 0 1 0 0 1 0 1.4125 1 1 0 0 0 1 1.4250 0 1 0 0 0 1 1.4375 1 1 0 0 0 0 1.4500 0 1 0 0 0 0 1.4625 1 0 1 1 1 1 1.4750 0 0 1 1 1 1 1.4875 1 0 1 1 1 0 1.5000 0 0 1 1 1 0 1.5125 1 0 1 1 0 1 1.5250 0 0 1 1 0 1 1.5375 1 0 1 1 0 0 1.5500 0 0 1 1 0 0 1.5625 1 0 1 0 1 1 1.5750 0 0 1 0 1 1 1.5875 1 0 1 0 1 0 1.6000 X = Condición no importa Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 26 Figura 2.5: Línea de tolerancia de VCC de acuerdo a la carga para procesador Pentium® 4 (13). Durante el proceso de investigación fue necesario estudiar la configuración del Regulador de Voltaje de la tarjeta madre que proporciona la alimentación del procesador. Esta información no se puede incluir en el trabajo por ser confidencial. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 27 Figura 2.6: Diagrama de bloques del proceso de alimentación de un procesador. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 28 CAPITULO 3: Plataforma, propuestas y solución final 3.1 Descripción de la plataforma El proyecto se planteó originalmente utilizando la tarjeta madre Intel® Desktop Board D850MV (en adelante D850MV). Esta es una plataforma para un modelo de Pentium® 4 con nombre código Northwood. Sin embargo, se encontró después en el laboratorio de QSC otra tarjeta madre para el modelo de Pentium® 4 llamado Prescott, que incorpora una facilidad para el control del voltaje. Se estudiaron ambas plataformas y se plantearon soluciones dependientes de la plataforma. 3.1.1 Plataforma 1: D850MV La D850MV es una tarjeta madre de uso comercial, utilizada como plataforma para los procesadores Pentium 4 de Intel, modelo Northwood. Algunas de las características más importantes de esta tarjeta se listan en la tabla 3.1. La figura 3.1 es un diagrama de bloques de la tarjeta. Esta tarjeta no presenta ninguna característica especial que ayude en el desarrollo del proyecto. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 29 Tabla 3.1: Resumen de las características de la tarjeta D850MV (12). Procesador · Soporte para un procesador Intel® Pentium® 4 · Bus de datos de 400 MHz Memoria · Dos canales Direct-RDRAM con dos RIMMs por canal (cuatro conectores RIMM) · Soporte hasta para 2 GB de memoria de sistema usando PC600 o PC800 RDRAM Chipset Intel® 850 Chipset, consiste de: · Intel® 82850 Memory Controller Hub (MCH) · Intel® 82801BA I/O Controller Hub (ICH2) · Intel® 82802AB 4 Mbit Firmware Hub (FWH) Control de I/O SMSC LPC47M142 LPC bus I/O controller Video · Conector AGP, solamente soporta tarjetas AGP de 1.5 V 4X Interfaces Perifericas · Siete puertos USB (Universal Serial Bus) · Dos puertos serial · Un puerto paralelo · Dos interfaces IDE con soporte para Ultra DMA 33 y ATA-66/100 · Una interfaz para unidad de diskette · Puertos PS/2 para teclado y Mouse Capacidades de · Cinco conectores PCI para tarjeta agregar tarjetas expansion BIOS · Intel/AMI BIOS (residente en el Intel 82802AB 4 Mbit FWH) · Soporte para APM (Advanced Power Management), ACPI (Advanced Configuration and Power Interface), Plug and Play, y SMBIOS (System Management BIOS) Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 30 Figura 3.1: Diagrama de bloque de D850MV (12). Diciembre de 2004 IE-0502 3.1.2 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 31 Plataforma 2: Tarjeta madre de validación La segunda plataforma es una tarjeta madre de Intel, pero diseñada específicamente para su uso dentro de Intel. Esta tarjeta incorpora facilidades en el proceso de pruebas, como acceso a señales del procesador. Entre esas señales están los VID del procesador. Algunas de las características más importantes de esta tarjeta se listan en la tabla 3.2. Tabla 3.2: Resumen de las características de la tarjeta Chelan. Fuente: Confidencial. Procesador Pentium® 4 con 800/533/400 MHZ FSB mPGA478 socket Chipset Springdale-G/P con soporte para bus del sistema de 667/533 MHz ICH5 con soporte para 8 puertos USB 2.0/1.1 Memoria DDR 333/266 4 DIMMs, 2 GB máximo por canal Video AGP 8x (1.5 V) 5 PCI Capacidades de Expansión 1 CNR 8 puertos USB 2.0 (6 atrás, 2 frente) 1 Puerto Paralelo, COM1, unidad de disquette, 2 PS/2, 2 IDE (ATA 100/66/33), 2-SATA Audio Codec de 6 canales. Por defecto: STAC9752 También soporta: AD1981A, B, AD1980… Diciembre de 2004 IE-0502 3.2 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 32 Opciones Del proceso de investigación se obtuvieron tres posibles soluciones al problema por resolver: • Acceder los registros de control internos del procesador para modificar el voltaje de funcionamiento, utilizando cualquier plataforma. • Determinar el circuito integrado que recibe las señales VID y cambiar este circuito o agregarle un circuito externo para sobrescribir los valores de VID que vienen del procesador, esto se implementaría en la primera plataforma. • Utilizar una tarjeta madre que tiene instalado el acceso a las señales de VID y automatizar el proceso de sobrescribir los valores de VID. Cada una de estas soluciones presenta ventajas y desventajas con respecto a las otras. Se describirá a continuación en que consiste cada una de las soluciones planteadas para luego evaluar cual se considera la mejor alternativa. 3.2.1 Registros de control internos Durante el proceso de producción, cada unidad se prueba y se determinan los parámetros de funcionamiento óptimos de la misma. Estos valores se guardan en registros de la unidad que no se pueden volver a escribir. Cada vez que la unidad se pone en funcionamiento, el procesador lee estos registros y guarda los valores temporalmente en sus registros internos, para tener acceso rápido a esos valores. De acuerdo a la referencia 2, los registros específicos de modelo o MSR (model specific register) son, por su definición, específicos a cada modelo. Esto quiere decir que no se garantiza Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 33 el soporte en futuros procesadores y/o que no tendrán la misma función. Los MSR proveen control de una serie de características de software y hardware, por ejemplo: contadores de monitoreo de rendimiento, extensiones para depurar, chequeo de la máquina, tipos de memoria, entre otros. El valor de voltaje máximo permitido para el procesador se lee de los registros fijos y se carga en alguno de estos registros temporales. Si la unidad se apaga, cuando se vuelve a encender se vuelven a leer los registros de nuevo. Sin embargo, si se hace solamente un reinicio lógico del sistema, los valores de los registros se mantienen. La solución propuesta consiste en hacer un programa que pueda leer y escribir en estos registros, específicamente en el registro que contiene el valor de voltaje. El procedimiento a seguir para ejecutar la validación seria: 1. Encender target system. 2. Ejecutar el programa para definir el voltaje de operación. 3. Reiniciar el target system y ejecutar la prueba. 4. Definir nuevo voltaje de alimentación para siguiente prueba antes de que el sistema se apague. 5. Volver a paso 3. La mayor ventaja de esta propuesta es que es independiente del target system, más exactamente, de la tarjeta madre que se utilice. El programa solamente dependería de la unidad que se quiere probar y a su vez, tendría que ser específicamente rediseñado cada vez que se necesite probar una unidad de diferente modelo pues, como se indico anteriormente, los MSR son específicos para cada modelo. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 34 Un problema que presenta esta propuesta es que los MSR se pueden acceder únicamente si el programa se ejecuta en un nivel con privilegios especiales, pero las aplicaciones normalmente no tienen estos privilegios. Otra desventaja es que produce inestabilidad del sistema, debido a que se están modificando directamente los registros que monitorean y controlan diversas funciones del procesador, y estos cambios no siempre se reconocen, especialmente si hay más de un registro que monitorea o tiene algún control sobre la característica que se esta modificando. 3.2.2 Circuito externo La segunda propuesta considerada como una solución viable, consistió en determinar el circuito que recibe las señales de los pines VID del procesador para la tarjeta madre especifica, y actuar directamente en la tarjeta madre para cortar las señales que vienen del procesador y con un circuito externo, enviar el voltaje que se desea. Esta solución presenta mayor estabilidad que la anterior debido a que el voltaje de alimentación es definido externamente y no depende de los registros internos del procesador. Sin embargo, presenta el problema de que se está modificando directamente la tarjeta madre. 3.2.3 Plataforma con capacidades especiales Al estudiar el equipo disponible en el laboratorio, se encontró una tarjeta madre utilizada para las validaciones del modelo Prescott de Pentium® 4, que presenta una gran ventaja con respecto a la tarjeta madre que se planteó utilizar originalmente. Esta tarjeta madre está construida específicamente para ser utilizada por la Compañía en validaciones y depuración, por lo tanto cuenta con ciertas facilidades; la única que es pertinente mencionar para efectos de este Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 35 trabajo, es un conjunto de jumpers que pueden sobrescribir las señales VID que vienen del procesador hacia el regulador de voltaje de la tarjeta madre. La tarea en este caso consiste en conectar estos jumpers al Centrix y automatizar el proceso de control del voltaje, montando un ciclo que se encargue de definir el voltaje de operación inicial, hacer la prueba, cambiar el voltaje y correr de nuevo la prueba, hasta alcanzar el valor máximo. Esta solución presenta la ventaja de que el sistema es estable. El problema es que para aplicar esta solución se necesita contar con una tarjeta que posea jumpers. La otra ventaja que esta solución presenta, es que existe una herramienta que viene con el software que realiza las pruebas, la cual es capaz de realizar una misma prueba varias veces, cambiando un parámetro que se le especifique. Lo que se pretende es determinar las conexiones necesarias para agregarle al sistema la opción de controlar el voltaje mediante el software antes mencionado. 3.2.4 Solución escogida y justificación Después de analizar las diferentes opciones, se decidió implementar la tercera solución como un prototipo para verificar su validez. La tarjeta madre utilizada proporciona una interfaz sencilla para controlar el voltaje, sin necesidad de hacer modificaciones físicas en la tarjeta. Además facilita el uso de herramientas de software disponibles en el laboratorio para visualizar los resultados de la prueba, y la actualización de la metodología para soportar análisis de otras unidades es más sencilla que la actualización, por ejemplo, de un programa basado en registros que cambian con cada nuevo modelo de procesador. Diciembre de 2004 IE-0502 3.3 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 36 Descripción del Prototipo Importante: esta sección presenta una descripción general del funcionamiento del prototipo, NO es una descripción detallada. Algunos nombres y detalles se omiten o se cambian para proteger la confidencialidad de la información de Corporación Intel. El prototipo montado consiste en tres partes: el servidor, el Centrix y el target system. El sistema se interconecta básicamente de la forma que se vio en la sección 2.2.5, figura 2.3. Es importante recalcar que se debe agregar una conexión especial de la tarjeta Centrix al target system. La figura 3.2 ejemplifica el proceso de control de las señales VID como se describe a continuación. Se debe identificar el puerto en el Centrix que tiene las salidas para escribir el voltaje y el puerto en el target system que recibe los nuevos valores de VID, luego se realiza la conexión de estos puertos. Es indispensable reconocer la correspondencia entre los pines de cada puerto para conectarlos adecuadamente. Hay una señal importante que es de habilitación para el target system. En operación normal, el target system recibe las señales de VID que vienen del procesador. Si se desea que el sistema reconozca los valores provenientes del Centrix, se debe enviar esta señal de habilitación a la tarjeta madre del target system. El funcionamiento del sistema es el siguiente: normalmente, las señales VID que genera el procesador son las que recibe el regulador de voltaje de la tarjeta madre. Si la línea de habilitación presenta un voltaje en alto, el regulador de voltaje de la tarjeta madre va a recibir las señales VID provenientes del Centrix (o cualquier circuito que se conecte al puerto de lectura de VID mostrado en la figura 3.2). La figura 3.3 muestra un esquema genérico de la conexión de los pines en los puertos. No se detalla la cantidad de pines de cada puerto ni su ubicación o nombre específico debido a que es información confidencial. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 37 Figura 3.2: Diagrama de bloques de la interconexión de las partes del prototipo. Figura 3.3: Esquema genérico de la conexión de los pines entre los puertos del target system y Centrix. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 38 Una vez que se ha conectado el sistema, el control de los valores que se envían al target system se realiza por medio del programa de prueba. A nivel general, el control de software puede ser descrito de la siguiente forma: Se tiene una variable, Hold_VID, en el programa de prueba para guardar los valores deseados de las señales VID. Se crea una prueba dentro de este programa que modifique esa variable de acuerdo a un parámetro que recibe (valor deseado de voltaje). Esta variable Hold_VID debe ser del tipo “arreglo” para que guarde los valores deseados (un 1 o un 0) de cada una de las señales VID[0:5]. Cada uno de los elementos de esta variable (Hold_VID(0) a Hold_VID(5)) se define como una salida a un pin determinado de uno de los puertos del Centrix. Dentro del paquete de software utilizado para las pruebas (Systest), existe una herramienta con la capacidad de realizar ciclos basándose en los valores de entrada de dos variables; esta herramienta se denominará Herramienta Graficadora. La Herramienta Graficadora recibe como entradas el nombre de la prueba que se quiere repetir, los límites para las variables de los ejes X y Y, el tamaño del paso para aumentar cada una, el nombre de las variables para cada uno de los ejes, y el nombre de una función de control para las variables de los ejes. La secuencia de eventos cuando se ejecuta esta herramienta es: Se toma el valor de inicio de cada variable y se pasa como parámetro a la función de control respectiva. Se ejecuta la prueba. Se grafica el resultado de esta prueba (un punto verde si pasa, rojo si falla). Se aumenta el valor de la variable en el eje X, el valor en Y se mantiene. Se llama de nuevo las funciones de control con los nuevos parámetros. Se ejecuta de nuevo la prueba. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 39 Se repite el ciclo hasta agotar los valores permitidos para la variable X. Se aumenta la variable Y, se ejecuta de nuevo el ciclo variando la variable X. Este ciclo se repite hasta agotar los valores permitidos para la variable Y. Al final se obtiene un gráfico que muestra el comportamiento del procesador para los diferentes valores de las variables X y Y. Esta herramienta se utilizó para definir el rango de valores de voltaje a que se deseaba poner a funcionar el procesador. El voltaje se definió como variable X, mientras que Y se definió como frecuencia. La variable Y en realidad no afectó el desarrollo de la prueba porque no se habilitó la capacidad de variar la frecuencia. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 40 CAPITULO 4: Prueba del prototipo y análisis de resultados 4.1 Prueba del prototipo Una vez armado y conectado el sistema prototipo, la prueba consistió en utilizarlo para analizar unidades en buen estado y unidades que presentaban problemas. El procedimiento se detalla a continuación: 1. Escoger una unidad al azar entre las que no presentaban problemas de funcionamiento y determinar su voltaje nominal. No se utilizo ningún criterio en particular para seleccionar el número de unidades que debían ser probadas ni el número de pruebas que se realizaron. 2. Definir el rango de voltajes de la prueba. Como valor máximo se definió el voltaje nominal del procesador. Anteriormente se indico que el voltaje definido por los pines VID es el voltaje máximo permitido para el procesador, por lo tanto no se utilizó un valor mayor, ni se recomienda utilizarlo. Con este sistema prototipo es posible definir voltajes de operación hasta el valor más alto que la combinación de VID lo permita. Sin embargo, queda a criterio de la persona encargada del análisis de la unidad, en el laboratorio de QSC, definir si es necesario hacer la prueba a un voltaje mayor al nominal. 3. Los rangos de voltaje y el tamaño de paso escogidos fueron variables. Las pruebas realizadas no cubrieron todas las combinaciones posibles de valores de entrada, debido a que es una cantidad muy grande. La tabla 4.1 muestra los rangos y pasos que se utilizaron para las pruebas. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 41 Tabla 4.1: Rangos de voltaje y tamaño de paso utilizados durante las pruebas del sistema prototipo. Voltaje mínimo (V) Voltaje máximo (V) Tamaño de Paso (V) 0.8500 1.0000 0.0500 0.8500 0.9500 0.0250 0.9000 1.3000 0.1000 1.0000 1.2000 0.0250 1.0000 1.2000 0.0125 1.0500 1.2500 0.0250 1.0500 1.3500 0.0500 1.2000 1.3500 0.0500 4. Se utilizo un voltímetro digital Tektronix TX3 True RMS MultiMeter, para realizar mediciones de voltaje entre los terminales VCC_SENSE y VSS_SENSE. Se realizaron pruebas con diferentes rangos de voltaje en la misma unidad, y pruebas en el mismo rango de voltajes con diferentes unidades. Diciembre de 2004 IE-0502 4.2 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 42 Análisis de resultados Al realizar distintas pruebas a una misma unidad, se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla 4.2. Debido a que el interés se centra en demostrar la funcionalidad de la herramienta de análisis y no en realizar un análisis de la unidad, se escogió realizar pruebas en diferentes intervalos de voltaje para la misma unidad. En la tabla 4.2 se observa que el resultado de la prueba es consistente (la unidad no es capaz de trabajar con alimentación menor a 1V). Un análisis detallado de la unidad, requeriría el uso del paso en 0.0125V, para determinar el punto de falla con mayor precisión. Se mencionó anteriormente que el valor de voltaje definido por los pines VID es el voltaje máximo permitido para el procesador. El circuito regulador de voltaje en la tarjeta madre esta configurado para no entregar un voltaje mayor al especificado por las señales VID, y esto se ve claramente en los resultados de la tabla 4.2. Cabe recordar también que el voltaje de alimentación depende de la carga. En la tabla se incluyeron los espacios de un valor mínimo y máximo para las mediciones, debido a que el voltaje cambiaba constantemente durante el desarrollo de la prueba, dependiendo de la prueba que se estuviera ejecutando. Como referencia de la Herramienta Graficadora, la figura 4.1 muestra el resultado gráfico de la prueba 4 listada en la tabla 4.2. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 43 Tabla 4.2: Mediciones de voltaje durante el desarrollo de cuatro pruebas para una misma unidad. Prueba 1 Voltaje esperado Prueba 2 Mediciones Resultado de la Mínimo Máximo prueba Voltaje esperado Mediciones Resultado de la Mínimo Máximo prueba 0.8500 0.790 0.850 Falla 0.9000 0.832 0.900 Falla 0.9000 0.812 0.900 Falla 1.0000 0.880 1.000 Falla 0.9500 0.850 0.950 Falla 1.1000 0.985 1.100 Pasa 1.0000 0.899 1.000 Falla 1.2000 1.057 1.198 Pasa 1.3000 1.189 1.271 Pasa Prueba 3 Voltaje esperado Prueba 4 Mediciones Resultado de la Mínimo Máximo prueba Voltaje esperado Mediciones Resultado de la Mínimo Máximo prueba 1.0500 0.944 1.033 Pasa 1.2000 1.062 1.180 Pasa 1.0750 0.931 1.059 Pasa 1.2500 1.134 1.230 Pasa 1.1000 0.999 1.055 Pasa 1.3000 1.163 1.288 Pasa 1.1250 1.087 1.121 Pasa 1.3500 1.231 1.324 Pasa 1.1500 1.123 1.145 Pasa 1.1750 1.066 1.168 Pasa 1.2000 1.090 1.191 Pasa 1.2250 1.102 1.211 Pasa 1.2500 1.129 1.232 Pasa Nota: todas las pruebas se realizaron a la frecuencia nominal de 3.0GHz y temperatura ambiente. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 44 Figura 4.1: Resultado grafico de una prueba utilizando el sistema prototipo. Nomenclatura: Verde = Pasa; Rojo = Falla. La tabla 4.3 muestra los resultados obtenidos de realizar una prueba con el mismo rango de voltaje en dos unidades diferentes. En este caso ambas son unidades completamente funcionales. Los datos obtenidos confirman el funcionamiento adecuado de la herramienta pues el voltaje de operación va aumentado cuando aumenta el VID deseado. Debido a que el valor de voltaje cambia constantemente durante el desarrollo de la prueba, los valores anotados en las tablas tienen una incertidumbre asociada mayor a la del instrumento de medición utilizado. El motivo por el que no se incluyó un valor típico de voltaje es porque no se encontró una metodología que proporcionara un valor confiable. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 45 Tabla 4.3: Mediciones de voltaje durante el desarrollo de una prueba para dos unidades. Unidad 1 Voltaje esperado Unidad 2 Mediciones Resultado Voltaje esperado Mínimo Máximo 1.0500 0.944 1.033 Pasa 1.0750 0.931 1.059 1.1000 0.999 1.1250 Mediciones Resultado Mínimo Máximo 1.0500 0.956 1.045 Pasa Pasa 1.0750 0.925 1.068 Pasa 1.055 Pasa 1.1000 0.964 1.039 Pasa 1.087 1.121 Pasa 1.1250 1.085 1.124 Pasa 1.1500 1.123 1.145 Pasa 1.1500 1.136 1.148 Pasa 1.1750 1.066 1.168 Pasa 1.1750 1.079 1.171 Pasa 1.2000 1.090 1.191 Pasa 1.2000 1.103 1.195 Pasa 1.2250 1.102 1.211 Pasa 1.2250 1.125 1.219 Pasa 1.2500 1.129 1.232 Pasa 1.2500 1.150 1.240 Pasa Nota: todas las pruebas se realizaron a la frecuencia nominal de 3.0GHz y temperatura ambiente. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 46 CAPITULO 5: Conclusiones y Recomendaciones 5.1 Conclusiones El proyecto comprendió dos etapas importantes: etapa de investigación y etapa de desarrollo. Durante estas etapas se fueron completando los objetivos propuestos y al final se encontró una solución al problema planteado. En la etapa de investigación se estudiaron los temas de la alimentación del procesador en la tarjeta madre y una plataforma para realizar pruebas funcionales a los procesadores. Además se hizo una revisión de arquitectura de computadoras y fabricación de circuitos integrados, esto con el fin de proporcionar un conocimiento básico para entender el trabajo. Con esta etapa se completaron exitosamente los objetivos específicos 1 y 2. El proceso de fabricación de un circuito integrado es un proceso complejo. Debido a que actualmente involucra la manipulación de material en la escala de los nanómetros, se presentan fallas en la producción de los circuitos integrados. En esta etapa, la prueba de las unidades se vuelve fundamental con dos objetivos primordiales: asegurar al cliente un producto de calidad y dar retroalimentación al proceso de fabricación de los errores que se están cometiendo para obtener mayor cantidad de producto funcional. En el proceso de prueba de los circuitos integrados, también se debe recalcar que existen diferentes tipos de fallas. Se utilizan entonces diferentes pruebas y plataformas, para capturar la mayor cantidad de fallas posible Para la alimentación de voltaje de un procesador Intel® Pentium® 4, se estudió con detenimiento la configuración del regulador de voltaje de la tarjeta madre de la plataforma de prueba. La especificación de voltaje de alimentación de un procesador es variable debido a que depende de la demanda de la carga. En otras palabras, dependiendo de la actividad que este realizando el procesador, será la demanda de alimentación. Por ello se utiliza un regulador de Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 47 voltaje que sea capaz de ajustar el voltaje de alimentación. La flexibilidad de este regulador de entregar diferentes voltajes de alimentación de acuerdo al código escrito en las señales VID y a la demanda de carga, le permite a Intel comerciar procesadores con voltajes nominales de alimentación diferentes debido al proceso de fabricación, pero para la misma tarjeta madre. En el proceso de investigación, se profundizó en la configuración y funcionamiento de una plataforma de prueba específica. Esta plataforma presenta características que facilitan el proceso de prueba de los procesadores. En cuanto al tercer objetivo específico, se determinaron diferentes opciones de hardware y de software que podrían habilitar la capacidad de la plataforma, de realizar las pruebas de los procesadores variando el voltaje nominal de operación. La segunda etapa del proyecto consistió en el desarrollo del prototipo y de la documentación del proyecto. El sistema prototipo desarrollado con este proyecto es una plataforma para pruebas de procesadores utilizada en el laboratorio del Centro de Soporte de Calidad de retornos del cliente, en Componentes Intel de Costa Rica. En dicha plataforma actualmente quedó habilitada la capacidad de realizar pruebas funcionales, a los procesadores Intel® Pentium® 4 con nombre código Prescott, a valores de voltaje diferentes al voltaje nominal de la unidad bajo prueba. Además de este informe, se realizó una documentación para la compañía sobre el proceso de investigación, los resultados obtenidos y los manuales de usuario del prototipo. Esta documentación desarrollada para la compañía contiene una caracterización detallada del prototipo. Los manuales de usuario no se incluyen en este trabajo debido a que es información confidencial. Diciembre de 2004 IE-0502 5.2 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 48 Recomendaciones Se recomienda para futuros trabajos, no solamente limitados al tema aquí expuesto, un exhaustivo proceso de investigación el las herramientas disponibles y las capacidades de esas herramientas. Esto puede evitar inversiones y esfuerzos en desarrollar algo que ya estaba hecho. La plataforma que se estudió en este proyecto presenta facilidades para el análisis de las unidades. Es factible utilizar esas facilidades para realizar análisis más exhaustivos de las unidades, por ejemplo realizar la prueba variando dos parámetros como voltaje y frecuencia. Diciembre de 2004 IE-0502 HERRAMIENTA DE IDENTIFICACION DE FALLAS DE FUNCIONALIDAD EN PROCESADORES PENTIUM 4 DE INTEL DEBIDO A SENSIBILIDAD DE VOLTAJE 49 BIBLIOGRAFIA 1. Ayuda de Systest y Herramienta Graficadora. 2. Chinchilla Jiménez, A. “Guía para la elaboración de trabajos de graduación” Costa Rica, 2002. 3. Corporación Intel. “IA-32 Intel® Architecture Software Developer’s Manual Volume 1: Basic Architecture” http://www.intel.com/design/Pentium4/manuals/ 25366515.pdf 4. Corporación Intel. “IA-32 Intel® Architecture Software Developer’s Manual Volume 2A: Instruction Set Reference, A-M” http://developer.intel.com/design/ pentium4/manuals/25366615.pdf 5. Corporación Intel. “IA-32 Intel® Architecture Software Developer’s Manual Volume 2B: Instruction Set Reference, N-Z” http://developer.intel.com/design/ pentium4/manuals/25366715.pdf 6. Corporación Intel. “Intel Corporate Overview” http://www.intel.com/pressroom/ CorpOverview.htm 7. 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Diciembre de 2004
