Alterungserscheinungen bei CPUs

nightsky99

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Grüße euch oh Freunde des grünen Planeten! :)

Mir ist gerade beim Schreiben meiner Diplomarbeit die Frage in den Sinn gekommen, warum bzw. wie genau das Altern eines Prozessors oder generell eines ASICs vonstatten geht und was die Gründe sind?

Man kann ja das Ganze nicht mit einem Fahrzeug vergleichen, wo vor allem die mechanische Belastung eine Abrieb und somit einen Verschleiß vorherrscht - meines Wissen dreht und schleift nix in meinem Prozessor ;) (nagut, bis auf den Lüfter zur Kührung oben drauf.).
Was genau ist also die Ursache einer Alterung, so dass vll. in 50 Jahren die CPU nicht mehr funktionieren könnte? Es müsste wahrscheinlich geklärt werden, ob die CPU in einer Stickstoffatmosphäre jahrelang verpackt liegt oder unter Dauerstress ihren Dienst verrichtet. Ich gehe jetzt aber mal von einem "normalen" Betrieb aus (5h am Tag an, 95% idle).

Mir persönlich würde jetzt die Elektronenmigration eines Transistorgates einfallen, ggf. die Korrosion der Kupferleitungen und...hmm...wißt ihr da ggf. noch etwas? ;)

PS: das Ganze gehört nicht zu meinem Diplomthema, da gehts eher um Datenanalysen 8)
 
die Elektronenmigration der Gates dürften das Problem sein, davon hatte ich (u.a. in der c't schon mehrfach gelesen) ... insbesondere bei zu heiss werdender CPU oder hohem oc...[es gibt da nette Bildchen, Stichwort "Stressmigration"] aber ohne Garantie, sind nur "dunkle Erinnerungen"

Bei normalem schonenden Betrieb schätze ich den fehlerfreien Betrieb auf um 25 Jahre + 5 Jahre...

Bei starkem (oder gar brachialem) oc dürfte dies expotentionell abnehmen, was u.U. im Extremfalle nur wenige Jahre garantiert, oder gar nur Wochen...

Bei mässigem oc, vorallen kühl und nicht allzuviel V-Core + schätze ich um 8-10 Jahre vllt. je nach dem oder auch deutlich weniger, je mehr "übertrieben" wird...*noahnung*

Nur so aus dem Bauch und aus Erinnerungen, was ich bisher zum Thema las...
 
Zuletzt bearbeitet:
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromigration

Wichtig ist vorallem die Spannung und an zweiter stelle die Temperatur... wobei AMD sich scheinbar sicher genug ist das nen Phenom II X6 auch mit 1,475V im Turbo alt genug wird ohne Probleme zu machen d.h. die errechnete Lebensdauer warscheinlich >10 jahre ist. Heutzutage geht eigentlich bei halbwegs normaler nutzung immer das Mainboard vor der CPU kaputt...
 
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Danke euch schonmal für die Kommentare, so ähnlich hab ich mir da auch gedacht.
Ein Punkt ist aber besonders interessant für mich: nach meinem Wissen werden bei manchen Halbleiterelementen sog. Burn-In Tests gemacht um Frühausfälle vor der Auslieferung herauszufiltern.
Die Frage ist jetzt: welchen Teile an einem ASIC fallen denn bei einer höheren Temperatur potentiell direkt am Anfang der Lebensdauer aus? Kontaktstellen? Fehlerhafte Schichtpozessierung?
 
Elektromigration am Transistorgate ??? Sicher?

Elektromigration tritt normalerweise dort auf, wo eine hohe Stromdichte vorhanden ist und der Gatestrom eines einzelnen Transistors ist doch mickrig. Erst die Summe machts, vor allem in Kombination mit den Shot Through Impulsen.

Bzgl. Burn-In: Ich denk auch, dass es hauptsächlich die Kontaktstellen sind, egal ob aufm Substrat oder die Bond-Verbindungen. An fehlerhaften bzw. minderwertigen Stellen tritt die Elektromigration stark beschleunigt auf, und dementsprechend fällt so eine Stelle mit deutlich früher aus als andere.
 
S.I. schrieb:
die Elektronenmigration der Gates dürften das Problem sein ...
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So in der Form kannst du das bei der c`t ganz sicher nicht gelesen haben. Elektromigration ist kein singuläres Gate-Problem, falls es überhaupt ein Gate-Problem ist.

Lecktröme am Gate, bzw. zu hohe Ströme am könnten aber sicherlich auf Dauer zu einer Art Kurzschluss führen. Das Burn in, scheint meiner Meinung nach, genau die "faulen Eier damit herauszufischen.

Ein Problem bei der Alterung der Chips dürfte zudem nicht nur der Halbleiter selber sein, sondern wie gut der Chip mit dem Substrat verbunden ist. Gerade die letzten Jahre scheinen sich da Probleme gehäuft zu haben (Stichwort: RoHS, Nvidia, im Backofen Grafikkarten backen).

Ein anderer Weg ist SOI-Halbleiter zu nutzen. Soitec vermarktet seine Wafer insbesondere auch damit, dass für bestimmte Einsatzzwecke diese Herstellungsart anscheinend besonders robuste Halbleiter ermöglicht. Eine Variation ist Halbleitertechnik mit Saphir-Oberflächen - die Wafer sind nach wie vor SiliziumWafer, es ist die Oberfläche aber besonders behandelt worden.

Womöglich ist eine andere Antwort ganz simpel. Thermische Spannungen im Dauerbetrieb und dabei auftauchende Micro-Risse im Chipgefüge. Aber das ist nur eine Spekulation meinerseits.

MFG Bobo(2010)
 
Zuletzt bearbeitet:
Meiner Erinnerung nach, war das schon die Elektronenmigration des Gates bzw. genauer gesagt die Migration im Bezug auf den Isolator zwischen dem Gate und dem Kanal. Dieser wird ja immer dünner und besteht heutzutage nur noch aus ein paar Atomlagen von high-k Stoffen - ich denke schon, dass diese Effekte dort nach einer bestimmten Zeit auftreten.

Die Sache mit den Microrissen klingt aber interressant und plausibel, diese könnten ja nicht nur bei den Kontaktstellen außerhalb des Chips auftreten, sondern auch zwischen den verschiedenen Schichten und deren Kontaktierungen - das muss ich mal weiter verfolgen ;)
 
nightsky99 schrieb:
Meiner Erinnerung nach, war das schon die Elektronenmigration des Gates bzw. genauer gesagt die Migration im Bezug auf den Isolator zwischen dem Gate und dem Kanal. Dieser wird ja immer dünner und besteht heutzutage nur noch aus ein paar Atomlagen von high-k Stoffen - ich denke schon, dass diese Effekte dort nach einer bestimmten Zeit auftreten. ...
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Wie sortiere ich dann aber Röntgenfotos ein, die (Alu)-Leitbahnen zeigten, die unterbrochen waren und an anderen Stellen haben sich die Leiterbahnen verdickt?

Natürlich spielt sich zwischen dem Gate und dem Source/Drain einiges ab. Hast du denn schon etwas Eigenrecherche betrieben bevor du hier gefragt hast?

MFG Bobo(2010)
 
Das hier ist vielleicht auch von Interesse.

"Lebensdauer" einer 45nm-CPU 3-5 Jahre !?
Ob das zutrifft werden wir dann ja in absehbarer Zukunft feststellen können.
 
Bobo_Oberon schrieb:
Wie sortiere ich dann aber Röntgenfotos ein, die (Alu)-Leitbahnen zeigten, die unterbrochen waren und an anderen Stellen haben sich die Leiterbahnen verdickt?

Natürlich spielt sich zwischen dem Gate und dem Source/Drain einiges ab. Hast du denn schon etwas Eigenrecherche betrieben bevor du hier gefragt hast?

MFG Bobo(2010)
Zum Vergrößern anklicken....

Stimmt, dieser Effekt hat ja die gleichen Ursachen - waren da nicht mal immense Probleme bei einer CPU? (find den Link nicht mehr). Ich war jetzt etwas star auf das Gate ausgelegt - sorry :)

Hatte auch mal mit einem Doktoranten gesprochen, der diesen Effekt untersucht hat - damals hatte er schon einen Trend festgestellt, genauere Ergebnisse hatte er aber leider noch nicht.

Für mich war jetzt nur der Grund des BurnIn Tests in erster Linie interessant, da treten die oben genannten Effekte aber nicht auf. Werde mich mal am Dienstag bei entsprechenden Leuten schlau machen und das Ergebnis posten :)
 
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