Производство современных процессоров. Технологический экскурс. Как работает процессор компьютера? Принцип работы Как изготавливают процессоры
Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.
А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?
Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.
Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.
Неповоротливый свет
На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.
Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.
Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа.
Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.
Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.
Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.
Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.
Как сегодня делают процессоры
Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.
Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.
Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.
Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.
На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.
Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.
После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.
Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.
Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.
Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.
13 000 телевизоров
Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.
До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.
К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.
Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.
Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.
Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.
Сколько я себя помню, всегда мечтал сделать процессор. Наконец, вчера я его сделал. Не бог весть что: 8 бит, RISC, текущая рабочая частота — 4 кГц, но он работает. Пока что в программе моделирования логических цепей, но все мы знаем: «сегодня — на модели, завтра — на деле!».
Под катом несколько анимаций, краткое введение в двоичную логику для самых маленьких, короткий рассказ про основные микросхемы логики процессора и, собственно, схема.
Двоичная логика
Двоичная система счисления (для тех, кто не в курсе) — это такая система счисления, в которой нет цифр больше единицы. Такое определение многих сбивает с толку, пока они не вспомнят, что в десятичной системе счисления нет цифр больше девятки.
Двоичная система используется в компьютерах потому, что числа в ней легко кодировать напряжением: есть напряжение — значит, единица; нет напряжения — значит, ноль. Кроме того, «ноль» и «один» легко можно понимать как «ложно» и «истинно». Более того, большая часть устройств, работающих в двоичной системе счисления, обычно относится к числам как к массиву «истинностей» и «ложностей», то есть оперирует с числами как с логическими величинами. Для самых маленьких и тех, кто не в курсе, я расскажу и покажу, как работают простейшие элементы двоичной логики.
Элемент «Буфер»
Представьте, что вы сидите в своей комнате, а ваш друг — на кухне. Вы кричите ему: «Друг, скажи, в коридоре горит свет?». Друг отвечает: «Да, горит!» или «Нет, не горит». Ваш друг — буфер между источником сигнала (лампочкой в коридоре) и приемником (вами). Более того, ваш друг — не какой-нибудь там обычный буфер, а буфер управляемый. Он был бы обычным буфером, если бы постоянно кричал: «Лампочка светится» или «Лампочка не светится».
Элемент «Не» — NOT
А теперь представьте, что ваш друг — шутник, который всегда говорит неправду. И если лампочка в коридоре светится, то он скажет вам «Нет, в коридоре совсем-совсем темно», а если не светится — то «Да, в коридоре свет горит». Если у вас есть такой друг на самом деле, значит, он воплощение элемента «Не».
Элемент «Или» — OR
Для объяснения сути элемента «Или» одной лампочки и одного друга, к сожалению, не хватит. Нужно две лампочки. Итак, у вас в коридоре две лампочки — торшер, к примеру, и люстра. Вы кричите: «Друг, скажи, хотя бы одна лампочка в коридоре светит?», и ваш друг отвечает «Да» или «Нет». Очевидно, что для ответа «Нет» все лампочки обязательно должны быть выключены.
Элемент «И» — AND
Та же самая квартира, вы, друг на кухне, торшер и люстра в коридоре. На ваш вопрос «В коридоре обе лампочки горят?» вы получаете ответ «Да» или «Нет». Поздравляю, теперь ваш друг — это элемент «И».
Элемент «Исключающее Или» — XOR
Повторим еще раз эксперимент для элемента «Или», но переформулируем свой вопрос к другу: «Друг, скажи, в коридоре только одна лампочка светит?». Честный друг ответит на такой вопрос «Да» только в том случае, если в коридоре действительно горит только одна лампочка.
Сумматоры
Четвертьсумматор
Четвертьсумматором называют элемент «Исключающее Или». Почему? Давайте разберемся.
Составим таблицу сложения для двух чисел в двоичной системе счисления:
0+0= 0
0+1= 1
1+0= 1
1+1= 10
Теперь запишем таблицу истинности элемента «Исключающее Или». Для этого обозначим светящуюся лампочку за 1, потухшую — за 0, и ответы друга «Да»/«Нет» как 1 и 0 соответственно.
0 XOR 0 = 0
0 XOR 1 = 1
1 XOR 0 = 1
1 XOR 1 = 0
Очень похоже, не так ли? Таблица сложения и таблица истинности «Исключающего Или» совпадают полностью, кроме одного-единственного случая. И этот случай называется «Переполнение».
Полусумматор
При переполнении результат сложения уже не помещается в столько же разрядов, во сколько помещались слагаемые. Слагаемые — два однозначных числа (одна значащая цифра, понимаете?), а сумма — уже двузначное (две значащих цифры). Две цифры одной лампочкой («Светится»/«Не светится») уже не передать. Нужно две лампочки. Нужно — сделаем!
Кроме XOR, для сумматора нам потребуется элемент «И» (AND).
0 XOR 0 = 0 0 AND 0 = 0
0 XOR 1 = 1 0 AND 1 = 0
1 XOR 0 = 1 1 AND 0 = 0
1 XOR 1 = 0 1 AND 1 = 1
Тадам!
0+0= 00
0+1= 01
1+0= 01
1+1= 10
Наш а вундервафля полусумматор работает. Его можно считать простейшим специализированным процессором, который складывает два числа. Полусумматор называется полусумматором потому, что с его помощью нельзя учитывать перенос (результат работы другого сумматора), то есть нельзя складывать три однозначных двоичных числа. В связи с этим из нескольких одноразрядных полусумматоров нельзя сделать один многоразрядный.
Я не буду вдаваться в подробности работы полных и многоразрядных сумматоров, просто надеюсь, что основную идею вы уловили.
Более сложные элементы
Мультиплексор
Предлагаю снова включить воображение. Итак, представьте. Вы живете в частном одноквартирном доме, возле двери этого дома стоит ваш почтовый ящик. Выходя на прогулку, вы замечаете странного почтальона, который стоит возле этого самого почтового ящика. И вот что он делает: достает кучу писем из сумки, читает номер на почтовом ящике, и в зависимости от номера на ящике бросает в него то или иное письмо. Почтальон работает мультиплексором. Он определенным образом (номер на конверте) определяет, какой отправить сигнал (письмо) по сигнальной линии (почтовый ящик).
Мультплексоры состоят обычно только из сочетаний элементов «И», «Или» и «Не». У одноразрядного мультиплексора один вход называется «выбор адреса», два входа с общим названием «входной сигнал» и один выход, который так и называется: «выходной сигнал».
Когда на «выбор адреса» подается 0, то «выходной сигнал» становится таким же, как первый «входной сигнал». Соответственно, когда на «выбор» подается 1, то «выходной сигнал» становится равным второму «входному сигналу».
Демультиплексор
А вот эта штучка работает с точностью до наоборот. На «выбор адреса» даем адрес, на «вход данных» даем данные, на выходе с номером «адрес» имеем данные со входа.
Счетчик
Для понимания работы счетчика вам опять понадобится ваш друг. Позовите его из кухни (надеюсь, он не сильно там скучал, и, главное, не съел всю вашу еду), и попросите делать вот что: пусть он запомнит число 0. Каждый раз, когда вы будете прикасаться к нему, он должен прибавить единицу к тому числу, которое помнит, сказать результат и запомнить его. Когда результат будет равен (допустим) 3, он должен выкрикнуть «Абракадабра!» и отвечать при следующем прикосновении, что сейчас он помнит число 0. Немного сложно? Смотрите:
Вы прикасаетесь к другу. Друг говорит «Один».
Вы прикасаетесь к другу. Друг говорит «Два».
Вы прикасаетесь к другу. Друг говорит «Три». Друг выкрикивает «Хабрахабр!
». Критическая атака! Вы временно парализованы и не можете двигаться.
Вы прикасаетесь к другу. Друг говорит «Ноль».
Ну, и так далее. Очень просто, верно?
Вы, конечно, поняли, что ваш друг сейчас — это счетчик. Прикосновение к другу можно считать «тактирующим сигналом» или, попросту говоря, сигналом продолжения счета. Крик «Абракадабра» показывает, что запомненное значение в счетчике — максимальное, и что при следующем тактирующем сигнале счетчик будет установлен в ноль. Есть два отличия двоичного счетчика от вашего друга. Первое: настоящий двоичный счетчик выдает запомненное значение в двоичном виде. Второе: он всегда делает только то, что вы ему говорите, и никогда не опускается до дурацких шуточек, способных нарушить работу всей процессорной системы.
Память
Триггер
Давайте продолжим издеваться над вашим несчастным (возможно, даже воображаемым) другом. Пусть теперь он запомнит число ноль. Когда вы касаетесь его левой руки, он должен запоминать число ноль, а когда правой — число один. При вопросе «Какое число ты помнишь?» друг должен всегда отвечать то число, которое запоминал — ноль или один.
Простейшей запоминающей ячейкой является RS-триггер («триггер» значит «переключатель»). RS-триггер может хранить в себе один бит данных («ноль»/«один»), и имеет два входа. Вход Set/Установка (совсем как левая рука вашего друга) записывает в триггер «один», а вход Reset/Сброс (соответственно, правая рука) — «ноль».
Регистр
Немного сложнее устроен регистр. Ваш друг превращается в регистр тогда, когда вы просите его что-нибудь запомнить, а потом говорите «Эй, напомни мне, что я говорил тебе запомнить?», и друг правильно отвечает.
Регистр обычно может хранить в себе чуть больше, чем один бит. У него обязательно есть вход данных, выход данных и вход разрешения записи. С выхода данных вы в любой момент можете прочитать то, что в этом регистре записано. На вход данных вы можете подавать те данные, которые хотите в этот регистр записать. Можете подавать данные до тех пор, пока не надоест. В регистр все равно ничего не запишется до тех пор, пока на вход разрешения записи не подать один, то есть «логическую единицу».
Сдвиговый регистр
Вы когда-нибудь стояли в очередях? Наверняка стояли. Значит, вы представляете, каково быть данными в сдвиговом регистре. Люди приходят и становятся в конец очереди. Первый человек в очереди заходит в кабинет к большой шишке. Тот, кто был вторым в очереди, становится первым, а тот, кто был третьим — теперь второй, и так далее. Очередь — это такой хитрый сдвиговый регистр, из которого «данные» (ну, то есть люди) могут убегать по делам, предварительно предупредив соседей по очереди. В настоящем сдвиговом регистре, разумеется, «данные» из очереди сбегать не могут.
Итак, у сдвигового регистра есть вход данных (через него данные попадают в «очередь») и выход данных (из которого можно прочитать самую первую запись в «очереди»). Еще у сдвигового регистра есть вход «сдвинуть регистр». Как только на этот вход приходит «логическая единица», вся очередь сдвигается.
Есть одно важное различие между очередью и сдвиговым регистром. Если сдвиговый регистр расчитан на четыре записи (например, на четыре байта), то первая в очереди запись дойдет до выхода из регистра только после четырех сигналов на вход «сдвинуть регистр».
Оперативная память
Если много-много триггеров объединить в регистры, а много-много регистров объединить в одной микросхеме, то получится микросхема оперативной памяти. У микросхемы памяти обычно есть вход адреса, двунаправленный вход данных (то есть в этот вход можно записывать, и с него же можно считывать) и вход разрешения записи. На вход адреса подаем какое-нибудь число, и это число выберет определенную ячейку памяти. После этого на входе/выходе данных мы можем прочитать то, что записано в эту самую ячейку.
Теперь мы одновременно подадим на вход/выход данных то, что хотим в эту ячейку записать, а на вход разрешения записи — «логическую единицу». Результат немного предсказуем, не так ли?
Процессор
BitBitJump
Процессоры иногда делят на CISC — те, которые умеют выполнять много разных команд, и RISC — те, которые умеют выполнять мало команд, но выполняют их хорошо. Одним прекрасным вечером мне подумалось: а было бы здорово, если бы можно было сделать полноценный процессор, который умеет выполнять всего одну команду. Вскоре я узнал, что существует целый класс однокомандных процессоров — OISC, чаще всего они используют команду Subleq (вычесть, и если меньше или равно нулю, то перейти) или Subeq (вычесть, и если равно нулю, то перейти). Изучая различные варианты OISC-процессоров, я нашел в сети сайт Олега Мазонки, который разработал простейший однокомандный язык BitBitJump. Единственная команда этого языка так и называется — BitBitJump (скопировать бит и перейти по адресу). Этот, безусловно эзотерический, язык является полным по Тьюрингу — то есть на нем можно реализовать любой компьютерный алгоритм.
Подробное описание BitBitJump и ассемблер для этого языка можно найти на сайте разработчика . Для описания алгоритма работы процессора достаточно знать следующее:
1. При включении процессора в регистрах PC, A и B записаны 0
2. Считываем ячейку памяти с адресом PC и сохраняем прочитанное в регистр A
3. Увеличиваем PC
4. Считываем ячейку памяти с адресом PC и сохраняем прочитанное в регистр B
5. Увеличиваем PC
6. Записываем в ячейку с адресом, записанным в регистре B, содержимое бита с адресом А.
7. Считываем ячейку памяти с адресом PC и сохраняем прочитанное в регистр B
8. Записываем в регистр PC содержимое регистра B
9. Переходим к пункту 2 нашего плана
10. PROFIT!!!
К сожалению, алгоритм бесконечный, и потому PROFIT достигнут не будет.
Собственно, схема
Схема строилась стихийно, поэтому правят бал в ней страх, ужас и кавардак. Тем не менее, она работает, и работает прилично. Чтобы включить процессор, нужно:
1. Ввести программу в ОЗУ
2. Нажать на включатель
3. Установить счетчик в положение 4 (это можно делать и аппаратно, но схема стала бы еще более громоздкой)
4. Включить тактовый генератор
Как видите, использованы один регистр, один сдвиговый регистр, одна микросхема ОЗУ, два двоичных счетчика, один демультиплексор (представленный компараторами), два мультиплексора и немного чистой логики.
Несколько лет тому назад компания Intel представила пошаговый процесс производства микропроцессоров: от песка до конечного продукта. Фактически полупроводниковых элементов выглядит поистине удивительным.
Шаг 1. Песок
Кремний, составляющий по общей массе около 25 процентов всех химических элементов в земной коре, является вторым по распространению после кислорода. Песок имеет высокое процентное содержание диоксида кремния (SiO 2), который является основным ингредиентом не только для производства процессоров Intel, но и вообще для полупроводникового производства.
Расплавленный кремний
Вещество очищается в течение нескольких этапов, пока не получится кремний полупроводниковой чистоты, используемый в полупроводниках. В конечном счете, он поступает в виде монокристаллических слитков диаметром около 300 миллиметров (12 дюймов). Ранее слитки имели диаметр 200 миллиметров (8 дюймов), а в далеком 1970 году - еще меньше - 50 миллиметров (2 дюйма).
На данном уровне производства процессоров после очистки чистота кристалла составляет один атом примеси на миллиард атомов кремния. Вес слитка составляет 100 килограмм.
Шаг 3. Нарезание слитка
Слиток нарезается очень тонкой пилой на отдельные ломтики, называемые подложками. Каждая из них впоследствии полируется, чтобы получилась бездефектная зеркально-гладкая поверхность. Именно на эту гладкую поверхность впоследствии будут наноситься крошечные медные провода.
Экспонирование фоторезистивного слоя
На вращающуюся с высокой скоростью подложку заливается фоторезистивная жидкость (такие же материалы используются в традиционной фотографии). При вращении на всей поверхности подложки образуется тонкий и равномерный резистивный слой.
Ультрафиолетовый лазер через маски и линзу воздействует на поверхность подложки, образуя на ней небольшие освещенные ультрафиолетовые линии. Линза делает сфокусированное изображение в 4 раза меньше маски. Везде, где ультрафиолетовые линии воздействуют на резистивный слой, возникает химическая реакция, в результате которой данные участки становятся растворимыми.
Шаг 5. Травление
Растворимый фоторезистивный материал затем полностью растворяется с помощью химического растворителя. Таким образом, для частичного растворения или травления небольшого количества полированного полупроводникового материала (подложки) используется химический травитель. Оставшаяся часть фоторезистивного материала удаляется путем похожего процесса промывки, открывая (экспонируя) протравленную поверхность подложки.
Формирование слоев
Для создания крошечных медных проводов, которые в конечном счете будут передавать электричество к/от различных соединителей, добавляются дополнительные фоторезисты (светочувствительные материалы), которые также промываются и экспонируются. В дальнейшем выполняется процесс ионного легирования для добавления примесей и защиты мест осаждения ионов меди от медного купороса во время процесса гальваностегии.
На различных этапах этих процессов производства процессора добавляются дополнительные материалы, которые протравливаются и полируются. Данный процесс повторяется 6 раз для формирования 6 слоев.
Конечный продукт выглядит как сетка из множества микроскопических медных полос, проводящих электричество. Некоторые из них соединены с другими, а некоторые - расположены на определенном расстоянии от других. Но все они используются для реализации одной цели - для передачи электронов. Другими словами, они предназначены для обеспечения так называемой «полезной работы» (например, сложение двух чисел с максимально возможной скоростью, что является сутью модели вычислений в наши дни).
Многоуровневая обработка повторяется на каждом отдельном небольшом участке поверхности подложки, на котором будут изготовлены чипы. В том числе к таким участкам относятся те из них, которые частично расположены за пределами подложки.
Шаг 7. Тестирование
Как только будут нанесены все металлические слои и созданы все транзисторы, наступает время следующего этапа производства процессоров "Интел" - тестирования. Устройство с множеством штырьков размещается в верхней части чипа. К нему прикрепляется множество микроскопических проводков. Каждый такой проводок имеет электрическое соединение с чипом.
Для воспроизведения работы чипа ему передается последовательность тестовых сигналов. При тестировании проверяются не только традиционные вычислительные способности, но также выполняется внутренняя диагностика с определением значений напряжения, каскадных последовательностей и другие функции. Ответ чипа в виде результата тестирования сохраняется в базе данных, специально выделенной для данного участка подложки. Данный процесс повторяется для каждого участка подложки.
Нарезание пластин
Для нарезания пластин применяется очень маленькая пила с алмазным наконечником. База данных, заполненная на предыдущем этапе, используется для определения, какие чипы, отрезанные от подложки, сохранены, а какие отброшены.
Шаг 9. Заключение в корпуса
Все рабочие пластины помещаются в физические корпуса. Несмотря на то, что пластины были предварительно протестированы и в отношении их было принято решение, что они работают корректно, это не означает, что они являются хорошими процессорами.
Процесс заключения в корпуса означает помещение кремниевого кристалла в материал подложки, к контактам или массиву шариковых выводов которого подсоединены миниатюрные золотые проводки. Массив шариковых выводов можно обнаружить на обратной стороне корпуса. В верхней части корпуса устанавливается теплоотвод. Он представляет собой металлический корпус. По завершении этого процесса центральный процессор выглядит как готовый продукт, предназначенный для потребления.
Примечание: металлический теплоотвод является ключевым компонентом современных высокоскоростных полупроводниковых устройств. Раньше теплоотводы были керамическими и не использовали принудительное охлаждение. Оно потребовалось для некоторых моделей 8086 и 80286 и для моделей, начиная с 80386. Предшествующие поколения процессоров имели намного меньше транзисторов.
Например, процессор 8086 имел 29 тысяч транзисторов, в то время как современные центральные процессоры имеют сотни миллионов транзисторов. Столь маленькое по нынешним меркам количество транзисторов не вырабатывало достаточно тепла, чтобы требовалось активное охлаждение. Чтобы отделить данные процессоры от нуждающихся в таком типе охлаждения, впоследствии на керамические чипы ставилось клеймо «Требуется теплоотвод».
Современные процессоры генерируют достаточно тепла, чтобы расплавиться в считанные секунды. Только наличие теплоотвода, подсоединенного к большому радиатору и вентилятору, позволяет им функционировать в течение продолжительного времени.
Сортировка процессоров по характеристикам
К этому этапу производства процессор выглядит таким, каким его покупают в магазине. Однако для завершения процесса его производства требуется еще один этап. Он называется сортировкой.
На этом этапе измеряются действительные характеристики отдельного центрального процессора. Измеряются такие параметры, как напряжение, частота, производительность, тепловыделение и другие характеристики.
Лучшие чипы откладываются как изделия более высокого класса. Они продаются не только как самые быстрые компоненты, но и как модели с низким и сверхнизким напряжением.
Чипы, которые не вошли в группу лучших процессоров, часто продаются как процессоры с более низкими тактовыми частотами. Кроме того, четырехъядерные процессоры более низкого класса могут продаваться как двух- или трехъядерные.
Производительность процессоров
В процессе сортировки определяются конечные значения скорости, напряжения и тепловые характеристики. Например, на стандартной подложке только 5 % произведенных чипов могут функционировать на частоте более 3,2 ГГц. В то же время 50 % чипов могут функционировать на частоте 2,8 ГГц.
Производители процессоров постоянно выясняют причины, почему основная часть производимых процессоров работает на частоте 2,8 ГГц вместо требуемой 3,2 ГГц. Иногда для увеличения производительности в конструкцию процессора могут быть внесены изменения.
Рентабельность производства
Рентабельность бизнеса по производству процессоров и большинства полупроводниковых элементов лежит в пределах 33-50 %. Это означает, что, по меньшей мере, от 1/3 до 1/2 пластин на каждой подложке рабочие, а компания в этом случае рентабельна.
У компании Intel операционная прибыль при применении технологии 45 нм для подложки 300 мм составляет 95 %. Это означает, что если из одной подложки возможно изготовить 500 кремниевых пластин, 475 из них будут рабочими и только 25 будут выброшены. Чем больше пластин можно получить с одной подложки, тем большую прибыль будет иметь компания.
Технологии Intel, используемые в наши дни
История применения новых технологий Intel для массового производства процессоров:
- 1999 г. - 180 нм;
- 2001 г. - 130 нм;
- 2003 г. - 90 нм;
- 2005 г. - 65 нм;
- 2007 г. - 45 нм;
- 2009 г. - 32 нм;
- 2011 г. - 22 нм;
- 2014 г. - 14 нм;
- 2019 г. - 10 нм (планируется).
В начале 2018 г. компания Intel объявила о переносе массового производства 10-нм процессоров на 2019 год. Причина этого - в большой стоимости производства. На данный момент компания продолжает поставлять 10-нм процессоры в небольших объемах.
Охарактеризуем технологии производства процессоров Intel с точки зрения стоимости. Дороговизну руководство компании объясняет длинным производственным циклом и применением большого количества масок. В основе 10-нм технологии лежит глубокая ультрафиолетовая литография (DUV) с применением лазеров, работающих на длине волны 193 нм.
Для 7-нм процесса будет использоваться экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV) с применением лазеров, работающих на длине волны 13,5 нм. Благодаря такой длине волны удастся избежать применения мультипаттернов, широко используемых для 10-нм процесса.
Инженеры компании считают, что на данный момент нужно отшлифовать технологию DUV, а не прыгать напрямую на 7-нм процесс. Таким образом, пока будут снятыми с производства процессоры, использующие 10-нм технологию.
Перспективы микропроцессорного производства компании AMD
Единственным реальным конкурентом "Интел" на рынке производства процессоров на сегодняшний день является AMD. Из-за ошибок "Интел", связанных с 10-нм технологией, AMD немного поправила свое положение на рынке. У Intel массовое производство с использованием технологического процесса 10 нм сильно запоздало. Компания AMD, как известно, использует для производства своих чипов третью сторону. И теперь сложилась ситуация, когда AMD для производства использует во всю 7-нм технологии производства процессоров, не уступающие главному конкуренту.
Основными сторонними производителями полупроводниковых устройств с использованием новых технологий для сложной логики являются Тайваньская компания производства полупроводников (TSMC), американская компания GlobalFoundaries и корейская Samsung Foundry.
AMD планирует использовать TSMC исключительно для производства микропроцессоров следующего поколения. При этом будут применяться новые технологии производства процессоров. Компания уже выпустила ряд продуктов с применением 7-нм процесса, включая 7-нм графический процессор. Первый планируется выпустить в 2019 г. Уже через 2 года планируется начать массовое производство 5-нм микросхем.
GlobalFoundaries отказалась от разработки процесса 7 нм, чтобы сосредоточить свои усилия на развитии своих 14/12 нм процессов для клиентов, ориентированных на быстрорастущие рынки. AMD вкладывает в GlobalFoundaries дополнительные инвестиции для производства процессоров AMD текущего поколения Ryzen, EPYC и Radeon.
Производство микропроцессоров в России
Основные микроэлектронные производства расположены в городах Зеленоград ("Микрон", "Ангстрем") и Москва ("Крокус"). Собственное микроэлектронное производство имеется также и в Беларуси - компания "Интеграл", использующая технологический процесс 0,35 мкм.
Производством процессоров в России занимаются компании "МЦСТ" и "Байкал Электроникс". Последняя разработка "МЦСТ" - процессор «Эльбрус-8С». Это 8-ядерный микропроцессор с тактовой частотой 1,1-1,3 ГГц. Производительность российского процессора составляет 250 гигафлопс (операций с плавающей запятой в секунду). Представителями компании заявляется, что по ряду показателей процессор может конкурировать даже с лидером отрасли - компанией Intel.
Производство продолжится моделью "Эльбрус-16" частотой 1,5 ГГц (цифровой индекс в названии обозначает количество ядер). Массовое изготовление этих микропроцессоров будет осуществляться в Тайване. Это должно способствовать уменьшению цены. Как известно, цена на продукцию компании заоблачная. При этом, по характеристикам комплектующие значительно уступают ведущим компаниям в этом секторе экономики. Пока такие процессоры будут использоваться только в государственных организациях и для оборонных целей. В качестве технологии производства процессоров этой линейки будет применяться 28-нм технологический процесс.
"Байкал Электроникс" производит процессоры, предназначенные для использования в промышленности. В частности, это относится к модели "Байкал Т1". Область ее применения - маршрутизаторы, системы с ЧПУ и офисная техника. Компания на этом не останавливается и уже разрабатывается процессор для персональных компьютеров - "Байкал М". Сведений о его характеристиках пока немного. Известно, что у него будет 8-ядерный процессор с поддержкой до 8 графических ядер. Преимущество этого микропроцессора будет заключаться в его энергоэффективности.
Процессор это сердце любого современного компьютера. Любой микропроцессор по сути является большой интегральной схемой, на которой расположены транзисторы. Пропуская электрический ток транзисторы позволяют создавать двоичную логику (вкл. – выкл.) вычислений. Современные процессоры выполняются на базе 45 нм технологии. 45нм (нанометра) это размер одного транзистора, расположенного на процессорной пластине. Еще недавно в основном использовали 90 нм технологию.
Пластины делаются из кремния, который занимает 2 место по размеру залежей в земной коре.
Кремний получают химической обработкой, очищая его от примесей. После этого его начинают выплавлять, формируя кремниевый цилиндр диаметром 300 миллиметров. Этот цилиндр, в дальнейшем разрезают на пластины алмазной нитью. Толщина каждой пластины около 1 мм. Чтобы пластина имела идеальную поверхность, после реза нитью, ее шлифуют специальной шлифовальной машиной.
После этого поверхность кремниевой пластины получается идеально ровной. Кстати многие производственные компании уже заявили о возможности работы с 450 мм пластинами. Чем больше поверхность – тем большее количество транзисторов для размещения, и тем более высокая производительность процессора.
Процессор состоит из кремниевой пластины, на поверхности которой располагается до девяти уровней транзисторов, разделенные слоями оксида, для изоляции.
Развитие технологии производства процессоров
Гордон Мур, один из основателей компании Intel, одного из лидеров производства процессоров в мире, в 1965 году на основе своих наблюдений открыл закон, по которому новые модели процессоров и микросхем появлялись через равные отрезки времени. Рост количества транзисторов в процессорах растет примерно в 2 раза за 2 года. Вот уже в течение 40 лет закон Гордона Мура работает без искажений. Освоение будущих технологий не за горами – уже есть рабочие прототипы на основе 32 нм и 22нм технологии производства процессоров. До середины 2004 года мощность процессора зависела в первую очередь от частоты процессора, но, начиная с 2005 года, частота процессоров практически перестала расти. Появилась новая технология многоядерности процессора. То есть создается несколько ядер процессора с равной тактовой частотой, и при работе мощность ядер суммируется. За счет этого повышается общая мощность процессора.
Ниже вы можете посмотреть видео о производстве процессоров.
Современные микропроцессоры - одни из сложнейших устройств, изготавливаемых человеком. Производство полупроводникового кристалла намного более ресурсоемко, чем, скажем, возведение многоэтажного дома или организация крупнейшего выставочного мероприятия. Однако благодаря массовому выпуску CPU в денежном эквиваленте мы этого не замечаем, да и редко кто задумывается обо всей грандиозности элементов, занимающих столь видное место внутри системного блока. Мы решили изучить детали производства процессоров и поведать о них в данном материале. Благо в Сети сегодня достаточно информации на эту тему, а специализированная подборка презентаций и слайдов корпорации Intel позволяет выполнить поставленную задачу максимально наглядно. Предприятия других гигантов полупроводниковой индустрии работают по тому же принципу, поэтому с уверенностью можно сказать, что все современные микросхемы проходят идентичный путь создания.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Первое, о чем стоит упомянуть, - строительный материал для процессоров. Кремний (англ. silicon) - второй после кислорода наиболее распространенный элемент на планете. Он является природным полупроводником и используется как основной материал для производства чипов всевозможных микросхем. Больше всего кремния содержится в обычном песке (особенно кварце) в виде диоксида кремния (SiO2).
Впрочем, кремний - не единственный материал. Самый близкий его родственник и заменитель - германий, однако в процессе совершенствования производства ученые выявляют хорошие полупроводниковые свойства у соединений других элементов и готовятся опробовать их на практике или уже это делают.
1 Кремний проходит многоступенчатый процесс очистки: сырье для микросхем не может содержать больше примесей, чем один чужеродный атом на миллиард.
2 Кремний расплавляют в специальной емкости и, опустив внутрь постоянно охлаждаемый вращающийся стержень, «наматывают» на него благодаря силам поверхностного натяжения вещество.
3 В итоге получаются продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, каждая массой около 100 кг.
4 Заготовку нарезают на отдельные кремниевые диски - пластины, на которых будут расположены сотни микропроцессоров. Для этих целей используются станки с алмазными режущими дисками или проволочно-абразивные установки.
5 Подложки полируют до зеркального блеска, чтобы устранить все дефекты на поверхности. Следующий шаг - нанесение тончайшего фотополимерного слоя.
6 Обработанная подложка подвергается воздействию жесткого ультрафиолетового излучения. В фотополимерном слое происходит химическая реакция: свет, проходя через многочисленные трафареты, повторяет рисунки слоев CPU.
7 Реальный размер наносимого изображения в несколько раз меньше собственно трафарета.
8 Участки, «протравленные» излучением, вымываются. На кремниевой подложке получается рисунок, который затем подвергается закреплению.
9 Следующий этап изготовления одного слоя - ионизация, в процессе которой свободные от полимера участки кремния бомбардируются ионами.
10 В местах их попадания изменяются свойства электрической проводимости.
11 Оставшийся полимер удаляют, и транзистор почти готов. В изолирующих слоях делаются отверстия, которые благодаря химической реакции заполняются атомами меди, используемыми в качестве контактов.
12 Соединение транзисторов представляет собой многоуровневую разводку. Если взглянуть в микроскоп, на кристалле можно заметить множество металлических проводников и помещенных между ними атомов кремния или его современных заменителей.
13 Часть готовой подложки проходит первый тест на функциональность. На этом этапе на каждый из выбранных транзисторов подается ток, и автоматизированная система проверяет параметры работы полупроводника.
14 Подложка с помощью тончайших режущих кругов разрезается на отдельные части.
15 Годные кристаллы, полученные в результате данной операции, используются в производстве процессоров, а бракованные отправляются в отходы.
16 Отдельный кристалл, из которого будет сделан процессор, помещают между основанием (подложкой) CPU и теплорас-пределительной крышкой и «упаковывают».
17 В ходе окончательного тестирования готовые процессоры проверяются на соответствие требуемым параметрам и лишь затем сортируются. На основании полученных данных в них прошивается микрокод, позволяющий системе должным образом определить CPU.
18 Готовые устройства упаковываются и направляются на рынок.
 |
 |
 |
 |
«Силиконовая долина» (Silicon Valley, США, Калифорния)
Получила свое название благодаря основному строительному элементу, использующемуся в производстве микрочипов.
«Почему пластины для производства процессоров круглые?» - наверняка спросите вы.
Для производства кремниевых кристаллов применяется технология, позволяющая получать только цилиндрические заготовки, которые затем режутся на части. До сих пор еще никому не удавалось изготовить квадратную пластину, лишенную дефектов.
Почему микрочипы квадратные?
Именно такая литография позволяет использовать площадь пластины с максимальной эффективностью.
Зачем процессорам столько ножек/контактов?
Помимо сигнальных линий каждый процессор для работы нуждается в стабильном питании. При энергопотреблении порядка 100-120 Вт и низком напряжении через контакты может протекать ток силой до 100 А. Значительная часть контактов CPU выделена именно под систему питания и дублируется.
Утилизация отходов производства
Раньше дефектные пластины, их остатки и бракованные микрочипы шли в отходы. На сегодняшний день ведутся разработки, позволяющие использовать их в качестве основы для производства солнечных батарей.
«Костюм кролика».
Такое название получил комбинезон белого цвета, который обязаны носить все рабочие производственных помещений. Делается это для поддержания максимальной чистоты и защиты от случайного попадания частиц пыли на производственные установки. «Костюм кролика» впервые был использован на фабриках по производству процессоров в 1973 году и с тех пор стал общепринятым стандартом.
99,9999%
Для производства процессоров пригоден только кремний высочайшей степени чистоты. Заготовки очищают спецхимией.
300 мм
Таков диаметр современных кремниевых пластин для производства процессоров.
1000 раз
Именно настолько чище воздух в помещениях фабрик для производства чипов, чем в операционной.
20 слоев
Процессорный кристалл очень тонкий (меньше миллиметра), но в нем умещаются более 20 слоев сложнейших структурных объединений транзисторов, которые выглядят как многоуровневые хайвеи.
2500
Именно столько кристаллов процессора Intel Atom (имеют наименьшую площадь среди cовременных CPU) размещаются на одной 300-миллиметровой пластине.
10 000 000 000 000 000 000
Сто квинтиллионов транзисторов в виде структурных элементов микрочипов отгружаются с фабрик каждый год. Это приблизительно в 100 раз больше, чем оценочное количество муравьев на планете.
A
Стоимость производства одного транзистора в процессоре сегодня равна цене печати одной буквы в газете.
В процессе подготовки статьи использовались материалы с официального веб-сайта корпорации Intel, www.intel.ua
