Willkommen zum dritten Teil von Science mit iFixit. Dieses Mal erhalten wir Unterstützung von unseren Freunden bei Chipworks.

Haftungsausschluss: In diesem Teardown wird eine Menge technischer Fachjargon verwendet. Wir werden versuchen, das Meiste davon kurz und bündig zu erklären, aber erwarte viele Links zum guten alten Wikipedia.

Also spring auf und begleite uns, während wir herausfinden, warum der A6 so verdammt fly ist.

Aber zuerst ein wenig über die Ausrüstung von Chipworks, die all dies ermöglicht.

Chipworks hat einen waschechten Ionen-Blaster, liebevoll Ibe (kurz für „Ionenstrahlätzen“) genannt.

Ibe wird verwendet, um Schichten von Halbleitern auf kontrollierte und selektive Weise mit sehr präzisen und planaren Ergebnissen zu entfernen.

Im Grunde ist Ionenstrahlätzen wie Sandstrahlen eines Chips, um bestimmte Schichten zu entfernen. Statt Sand verwendet Ibe jedoch die Atome in einem Ionenstrahl, um die Drecksarbeit zu erledigen.

Die heutigen Halbleiter bestehen aus unterschiedlichen Materialien, wie der Apple A6, der im Samsung 32-nm-HKMG-(Hi-Dielectric-K, Metal Gate)-CMOS-Verfahren gefertigt wird, was dies zu einem unschätzbar wertvollen Werkzeug macht.

Kurz gesagt: Es ist ein Ionen-Blaster.

Ein Mitglied des Chipworks-Entwicklungsteams richtet Parameter an der Ibe für den Ausbau der Dielektrika auf einem Chip mit fortschrittlicher Strukturbreite (wie beim A6) ein, bei dem bis zu 9 Kupferschichten und 1 Aluminiumschicht sowie Polysilizium- und Substratschichten vorhanden sein können.

Vor Kurzem hat Chipworks eine Erweiterung ihres De-Layering-Labors abgeschlossen und mehrere weitere Nassbänke, Abzüge und Polierstationen hinzugefügt.

Halbleiter-Dopingprofile sind extrem wichtig, um zu verstehen, wie moderne Geräte funktionieren und konstruiert sind.

Chipworks hat vor Kurzem ein neues, höher auflösendes Rasterkapazitätsmikroskop angeschafft. Mit diesem neuen SCM können sie die Dopingprofile von NMOS- und PMOS-Bauteilen im A6 untersuchen und zudem nachvollziehen, wie die Fotokathoden in der 8-Megapixel-iSight-Kamera dotiert wurden.

Wissenschaft!

Prozess- und Entwicklungstechniker untersuchen die Ergebnisse, nachdem sie das A6 für die Verarbeitung vorbereitet haben. Zwischenansichten durch optische Mikroskope liefern den Technikern das notwendige Feedback, um Einstellungen in der nachfolgenden Verarbeitung fein abzustimmen und die Ergebnisse zu maximieren.

Als Nächstes macht sich Chipworks mikroskopisch mit der Rückkamera vertraut. Wir (zusammen mit so ziemlich jedem anderen) wollen im Allgemeinen wissen, wer die iSight-Kamera herstellt, und diese Information ist tief im Inneren der Kamera verborgen.

Für verschiedene Aufgaben benötigt man unterschiedliche Werkzeuge. Wenn du dir Transistor-Verspannungen, Gate-Oxid-Schichtdicken oder sogar die Orientierung des Kristallgitters ansehen möchtest, greifst du zum ganz großen Kaliber…

…zur Elektronenkanone im neuen TEM (Transmissionselektronenmikroskop)!

TEMs verdanken ihre hohe Auflösung der geringen De-Broglie-Wellenlänge von Elektronen. Das ist Quantenmechanik in Aktion!

Kurz gesagt funktioniert ein TEM so, dass ein Bündel Elektronen auf ein Material geschossen wird, um anschließend zu beobachten, wie diese Elektronen mit dem Material wechselwirken.

Die Leute von Chipworks mögen dieses Telefon sehr. Direkt aus erster Hand: „Dieses Telefon ist voller brandneuer Bauteile … die beste Apple-Lösung seit dem ersten iPhone.“

Wir werden uns Folgendes ansehen:

Apple A6 Anwendungsprozessor

Apple 338S1077 Cirrus Audio-Chip

Murata 339S0171 WLAN-Modul

Qualcomm MDM9615 LTE-Modem

Qualcomm RTR8600 Multiband-/Modus-Hochfrequenz-Chip

Fangen wir damit an, den A6 zu öffnen, um zu sehen, was in ihm steckt.

Wie sieht die Oberseite eines Metall-Die des A6-Prozessors aus? Für uns sieht sie aus wie ein Wheat Thin-Cracker.

Wie wurden diese Fotos erstellt, fragst du dich vielleicht? Nun, wir haben ein Foto eines Wheat Thin-Crackers gemacht. Chipworks hat sich für den aufwendigeren Weg entschieden:

Der A6 wird zuerst in einer rauchenden Schwefelsäurelösung entkapselt, die auf eine Temperatur erhitzt wird, die für optimale Ergebnisse sorgt.

Anschließend verwenden die Ingenieure von Chipworks ein Mikroskop, um Bilder des Die aufzunehmen. Das Die wird auf einen servogesteuerten X-Y-Tisch geladen, wobei der Fokus per Laserüberwachung eingestellt und beibehalten wird.

Die Bildkoordinaten werden in das System programmiert. Das Mikroskop bewegt das Die automatisch und nimmt mehrere Bilder auf, die dann zu einem vollständigen Foto des Die zusammengefügt werden.

Eine der für diesen Prozess verwendeten Maschinen ist im dritten Bild zu sehen.

Während des iPhone 5-Teardowns haben wir auf die Siebdruckbeschriftung B8164B3PM verwiesen, die für 1 GB Elpida LP-DDR2-SDRAM steht.

Die Chip-Markierung (erstes Bild) und das Chip-Foto (zweites Bild) bestätigen den starken Verdacht, dass der 1 GB LP-DDR2-SDRAM des A6 von Elpida stammt.

Samsung ist im A6 jedoch nicht völlig abwesend. Der Apple A6 – beschriftet mit APL0598 auf der Verpackung und APL0589B01 auf der Innenseite – wird von Samsung in deren 32-nm-CMOS-Prozess gefertigt und misst 9,70 mm x 9,97 mm.

Auch wenn der A6 von Samsung hergestellt wurde, bedeutet das nicht, dass er von Samsung entwickelt wurde. Der Apple A6-Prozessor ist der erste von Apple selbst entwickelte Prozessor. Er basiert auf dem ARMv7s-Befehlssatz.

Da Apple die vollständige Kontrolle über das Design des Prozessors hatte, konnte das Unternehmen die Leistung nach eigenem Ermessen anpassen und optimieren.

Mit einer Chipfläche von 96,71 mm² ist der Chip deutlich größer als die Variante der vorherigen Generation des Apple A5 (~70 mm²), die von Samsung unter Verwendung des 32-nm-HKMG-Prozesses gefertigt wurde; geht man also davon aus, dass der A6 ebenfalls im 32-nm-Verfahren hergestellt wurde, bietet das neue Bauteil deutlich mehr Funktionalität.

Reise ins Zentrum des A6. Die auffälligsten Merkmale im Inneren sind die Dual-ARM-Kerne und die drei PowerVR-Grafikkerne.

Im Vergleich zum starren, effizienten Layout der direkt darunter liegenden GPU-Kerne wirkt das Layout der ARM-Kerne zunächst ein wenig hausgemacht.

Im Allgemeinen werden Logikblöcke mithilfe fortschrittlicher Computersoftware automatisch angeordnet. Es sieht jedoch so aus, als ob die ARM-Kernblöcke manuell angeordnet wurden – also von Hand.

Ein manuelles Layout führt normalerweise zu schnelleren Verarbeitungsgeschwindigkeiten, ist aber viel teurer und zeitaufwändiger.

Das manuelle Layout der ARM-Prozessoren stützt das Gerücht stark, dass Apple einen maßgeschneiderten Prozessor vom gleichen Kaliber wie den brandneuen Cortex-A15 entwickelt hat, und es könnte sich dabei um das einzige manuelle Layout in einem Chip handeln, das seit mehreren Jahren auf den Markt kommt.

Die erhöhten, tafelbergartigen Formen in der vergrößerten Querschnittsansicht (zweites Bild) sind die Strukturen der Transistoren, und die kleinen Stifte, die zwischen ihnen verlaufen, sind eigentlich die Kontakte zwischen den Schichten.

Wir können nicht anders, als zu denken, dass das Transistor-Layout sehr wie ein römisches Aquädukt aussieht.

Diese sehr dünne Linie bestätigt, dass es sich um ein 32-nm-HKMG-Verfahren (Hi-K-Metall-Gate) handelt.

Das 32-nm-HKMG-Verfahren des A6 ist dasselbe wie das im Apple TV 3. Generation verwendete (APL2498 laut Chipworks).

Bei einem FET (Feldeffekttransistor) ist K die Dielektrizitätskonstante der Schicht zwischen der Gate-Elektrode und dem Silizium. Dies ist ein physikalischer Parameter des Materials, der dabei hilft, die Einschaltspannung des Transistors zu steuern.

Dies mag zwar ein A6-Teardown sein, aber das neue iPhone steckt voller neuer Chips, die es zu erforschen gilt – du hast doch nicht etwa geglaubt, der A6 würde das Gerät ganz alleine betreiben, oder?

Chipworks hat den Apple 338S1077 geöffnet und bestätigt, dass es sich tatsächlich um einen Cirrus CS35L19 Class-D-Audioverstärker handelt.

Das zweite Bild zeigt den Chip-Die des Cirrus CS35L19. Dem Aufdruck nach zu urteilen, scheint dieses Gehäuse aus der CS35L-Familie zu stammen, auch wenn es nicht explizit auf Cirrus' Website gelistet ist.

Das Murata-WLAN-SoC-Modul enthält tatsächlich ein Broadcom BCM4334-Paket sowie einen Oszillator, Kondensatoren, Widerstände und mehr. Alle Bauteile sind auf der Röntgenaufnahme (drittes Bild) zu sehen.

Murata montiert alle Bauteile zusammen und liefert das Paket an Foxconn, wo es schließlich auf dem Logic Board des iPhones landet. Chipworks hat es am besten ausgedrückt: „Murata baut ein Haus, das voll mit den Möbeln anderer Leute ist.“

Hier sind die Die-Aufnahmen des Broadcom BCM4334, hergestellt in Taiwan bei TSMC in einem 40-nm-CMOS-Prozess. Die wichtigsten Merkmale:

WLAN (802.11 a/b/g/n)

Bluetooth 4.0 + HS

FM-Empfänger

Nun zu den Qualcomm MDM9615 LTE-Modem- und RTR8600-Multiband-/Modus-HF-Transceiver-Paketen. Wir haben das MDM9615 ausführlich im iPhone 5 Teardown behandelt, aber hier ist eine kurze Zusammenfassung:

Das MDM9615 ermöglicht Multispektrum-, Multimodus- LTE-Unterstützung. Es ist für die gleichzeitige Übertragung von Sprache und Daten über LTE zuständig (sofern der Netzbetreiber über die Infrastruktur verfügt, um gleichzeitige Sprach- und Datenübertragung zu ermöglichen).

Der Qualcomm RTR8600 ist ein Multiband-/Modus-HF-Transceiver. Der RTR8600 wird zusammen mit dem MDM9615 verwendet, um verschiedene Frequenzbänder zu unterstützen, darunter 5 UMTS- Bänder sowie über 5 LTE- und 4 EDGE-Bänder.

Was ist also auf diesem Schritt abgebildet, fragst du?

Das erste Bild zeigt den HG11-N3877 LTE-Basisband-Die.

Das zweite Bild zeigt den Samsung 1G-F-MC 128 MB Speicher-Die, der ebenfalls im MDM9615 zu finden ist.

Das dritte Bild zeigt den RTR8600-Die.

Ein großes Dankeschön an Chipworks dafür, dass sie uns Einblicke in ihre Labore und in das Innenleben des überraschend-reparierbaren iPhone 5 gegeben haben.

Sie führen noch weitere Analysen an den Baugruppen des iPhone 5 durch. Seltsamerweise geben sie an, dass das „iPhone 5 keine Weiterentwicklung des Designs ist, sondern möglicherweise ein völlig neues Design“, obwohl die Dinge an der Oberfläche sehr ähnlich aussehen.