Here be dragons: Preventing static damage, latchup, and metastability in the 386
Статический разряд
Тонкий оксид под затвором транзистора (250 нм) легко пробивается статикой. Для защиты у каждого входа стоят цепочки диодов, резистор и ещё один диод; они отводят избыточное напряжение на питание или землю. На кристалле эти элементы занимают площади, во много раз превышающие сам инвертор.
Латчап
CMOS-структура образует скрытые паразитные транзисторы: если напряжение на выводе выходит за пределы 0…5 В, они включаются и создают короткое замыкание между питанием и землёй. Ток может достигать амперов и расплавить металл. Защита — это специальные защитные кольца (guard rings) из тяжело легированного кремния, которые «закорачивают» паразитные структуры и не дают им включиться.
Метастабильность
Когда асинхронный сигнал попадает в тактируемую логику, триггер может застрять в промежуточном состоянии. В 386 используют «синхронизатор» — двухступенчатый триггер, который сначала захватывает сигнал, а затем передаёт его в основную логику. Так риск метастабильности снижается до приемлемого уровня.
Новый триггер
В схеме управляющих выводов обнаружен ранее не описанный flip-flop: он одновременно работает как защита от латчапа и как синхронизатор, объединяя в себе диодную защиту, резистор и двухфазную фиксацию данных.
Итог
Вокруг каждого контакта 386 — целый «зоопарк» защитных структур: диоды, резисторы, guard rings, синхронизаторы. Эти «драконы» — неотъемлемая часть любого современного чипа, просто обычно они скрыты под металлизацией.