jueves, 2 de febrero de 2017

Electromigración en microprocesadores – LowLevelHardware

Todos los componentes, tanto los mecánicos como los electrónicos, están sometidos a un desgaste por el uso y en este grupo incluyo a los microprocesadores, cachés y chips de memoria DRAM y Flash.

Bild5Microfotografía: creación de un cruce entre dos conductores por electromigración.

En un nuevo artículo en ProfessionalSAT profundizo en la relación temperatura – degradación física de semiconductores:

Temperatura y degradación física en semiconductores –ProfessionalSAT

Recientemente he sufrido personalmente los efectos de la electromigración en varios de mis sistemas junto con otros de mis clientes, todos ellos de una antigüedad similar. En este caso, la degradación y posterior avería se ha producido en la memoria DDR3 de algunos de mis Sistemas de Altas Prestaciones basados en CPUs Core i7 de la serie 900.

Por ejemplo, un disco duro se degrada día a día durante su utilización normal y conforme pasan los meses podemos seguir la variación de sus parámetros de funcionamiento mediante la tecnología SMART que nos informa crípticamente del estado de salud del dispositivo. (Prometo un artículo sobre SMART cuando tenga tiempo…)

Electromigración

En dispositivos altamente miniaturizados como una CPU / GPU o un chip DRAM DDR3 o GDDR5 (memoria actual de las GPUs) se da una degradación constante de sus características eléctricas. La electromigración es el proceso causante de la mayoría de fallos en este tipo de dispositivos.

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La electromigración consiste en el arrastre y transporte de los átomos metálicos del conductor por el constante flujo de alta intensidad de electrones que lo atraviesa.

Se da una transferencia de momento (cantidad de movimiento) del electrón al núcleo metálico (literalmente lo golpean mayoritariamente en una dirección y sentido) y el núcleo va avanzando paso a paso en el sentido de la corriente creando dos tipos de anomalías:

Huecos: hay zonas que literalmente se vacían de metal, incrementando la resistencia del conductor y eventualmente provocando un fallo total del dispositivo por corte de corriente.

Void_formationFormación de huecos por electromigración.

576804216Este hueco ha causado un fallo total en el dispositivo al interrumpir la corriente.

Acumulaciones: en otras zonas, el material metálico se agrega y crea áreas de mayor contenido metálico, se incrementa la sección del conductor y puede llegar a crear puentes de conducción con líneas adyacentes llevando también al fallo del dispositivo.

atwu-2Puente metálico entre dos conductores creando un corto circuito.

En casos extremos la creación de acumulaciones puede llegar a fracturar el aislante y crear corto circuitos con zonas vecinas.

Factores que influyen en el proceso de electromigración

Favorecen la electromigración:

Las altas temperaturas. Se produce un incremento en la resistencia eléctrica del conductor metálico y aumentan las vibraciones atómicas de los núcleos metálicos.

Consultar: Temperatura y degradación física en semiconductores –ProfessionalSAT

Las corrientes elevadas (altas intensidades). A mayor flujo electrónico, mayor transferencia de momento de los electrones a los átomos metálicos de cobre o aluminio.

La poca sección de los conductores. A menor sección mayor densidad de corriente y más electromigración. En microprocesadores contemporáneos, de 32 nm (o 28 y 22nm), está claro que este factor es importante.

Minimizar los efectos de la electromigración

Está claro que debemos hacer lo posible para eludir los catastróficos efectos de la electromigración:

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Debemos reducir la temperatura de funcionamiento de nuestros procesadores y memorias DRAM al mínimo posible:

Mediante el uso de los mejores sistemas de refrigeración disponibles.

El uso de una pasta térmica adecuada a la superficie del radiador de CPU (según la rugosidad de la base).

DSCF2366Un detallado estudio del flujo de aire es necesario en ciertos sistemas.

Y el exhaustivo estudio de la circulación del aire en la torre y la optimización de las presiones y flujos de aire.

PIC03259Uno de mis Sistemas de Altas Prestaciones con 6 DIMM DDR3 refrigerados por dos Noctua.

En el caso de los módulos DIMM de memoria DRAM DDR3 o la memoria GDDR5 presente en las GPUs actuales, lo único que podemos hacer es garantizar sobre ellas el mayor flujo de aire posible y a una temperatura adecuada. (Fotografía superior).

EMDaños en un conductor por electromigración.

Es importante mantener el voltaje de alimentación del dispositivo en el mínimo posible que garantice la estabilidad del sistema y la exactitud total en nuestros cálculos o procesos.

A ser posible es recomendable escoger manualmente los procesadores y los módulos de memoria (hand picking) seleccionando los que posean las mejores características eléctricas (menor voltaje de funcionamiento a la frecuencia deseada u objetivo).

EM1Proceso de electromigración, creación de un hueco.

En mis Sistemas de Altas Prestaciones sigo todas estas directrices a rajatabla y aún así no me he librado de los efectos de la electromigración como podéis observar en mi artículo de ProfessionalSAT.

Echad un vistazo a la web de mi nueva empresa, un proyecto de gran envergadura que llevo preparando hace más de un año.

Os lo recomiendo para diseño de sistemas de altas prestaciones con exquisito cuidado en las temperaturas de los componentes y siempre con los menores voltajes posibles para garantizar la mejor durabilidad y rendimiento:

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Allí tenéis a vuestra disposición el formulario de contacto, para consultas sobre este artículo hacedlo más abajo en la sección de comentarios.

Y mi nuevo Blog de contenido muy técnico y actualizado donde encontraréis artículos míos sobre hardware, procesadores y sistemas y también otros posts de expertos programadores e informáticos sobre otros temas de actualidad:

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