Съвременни микропроцесори. Курсова работа: Етапи на производство на микропроцесори Технология на производство на микропроцесори

Както обещах - подробен разказ за това как се правят процесорите... като се започне от пясъка. Всичко, което искахте да знаете, но се страхувахте да попитате)

Вече говорих за " Къде се произвеждат процесори?"И какво" Трудности в производството„Застанете на този път. Днес ще говорим директно за самата продукция – „отвътре и отвън“.

Производство на процесор

Когато се изгради фабриката за производство на процесори по новата технология, тя има 4 години, за да възстанови инвестицията (повече от 5 милиарда долара) и да реализира печалба. От прости тайни изчисления се оказва, че фабриката трябва да произвежда поне 100 работни плочи на час.

Накратко, процесът на производство на процесор изглежда така: единичен кристал с цилиндрична форма се отглежда от разтопен силиций на специално оборудване. Полученият слитък се охлажда и се нарязва на "палачинки", чиято повърхност се изравнява внимателно и се полира до огледален завършек. След това в "чистите помещения" на полупроводниковите фабрики се създават интегрални схеми върху силициеви пластини чрез фотолитография и ецване. След повторното почистване на плочите лабораторните специалисти под микроскоп извършват селективно тестване на процесорите – ако всичко е наред, тогава готовите плочи се нарязват на отделни процесори, които по-късно се затварят в корпуси.

Уроци по химия

Нека разгледаме по-отблизо целия процес. Съдържанието на силиций в земната кора е около 25-30% от масата, поради което този елемент заема второ място след кислорода по отношение на разпространението. Пясъкът, особено кварцовият пясък, има висок процент силиций под формата на силициев диоксид (SiO 2) и в началото на производствения процес е основният компонент за създаване на полупроводници.

Първоначално SiO 2 се приема под формата на пясък, който се редуцира с кокс в дъгови пещи (при температура около 1800 ° C):

Такъв силиций се нарича " технически„И има чистота 98-99,9%. Преработвателите изискват много по-чисти суровини, наречени " електронен силиций"- това трябва да съдържа не повече от един чужд атом на милиард силициеви атома. За да се пречисти до това ниво, силицият буквално се „преражда“. Чрез хлориране на търговския силиций се получава силициев тетрахлорид (SiCl 4), който допълнително се превръща в трихлорсилан (SiHCl 3):
Тези реакции, използващи рециклирането на образуваните странични продукти, съдържащи силиций вещества, намаляват разходите и премахват екологичните проблеми:

2SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4
2SiH 2 Cl 2 SiH 3 Cl + SiHCl 3
2SiH 3 Cl SiH 4 + SiH 2 Cl 2
SiH 4 Si + 2H 2

Полученият водород може да се използва на много места, но най-важното е, че се получи "електронен" силиций, чист-чист (99,9999999%). Малко по-късно в стопилката на такъв силиций се пуска семе („точка на растеж“), което постепенно се изважда от тигела. В резултат се образува така наречената "була" - единичен кристал с височината на възрастен. Теглото е подходящо - в производството такава цев тежи около 100 кг.

Слитъкът се обира с "нула" :) и се изрязва с диамантен трион. На изхода - вафли (с кодово име "вафла") с дебелина около 1 мм и диаметър 300 мм (~ 12 инча; точно тези, използвани за 32nm технология с HKMG, High-K / Metal Gate технология ). Едно време Intel използва дискове с диаметър 50 мм (2 "), а в близко бъдеще вече се планира преминаването към плочи с диаметър 450 мм - това е оправдано поне от гледна точка на намаляване на разходите на производствени чипове.Говорейки за спестявания, всички тези кристали се отглеждат извън Intel; те се купуват от другаде за производство на процесори.

Всяка плоча е полирана, направена идеално плоска, привеждайки повърхността си до огледален блясък.

Производството на чипове се състои от повече от триста операции, в резултат на които повече от 20 слоя образуват сложна триизмерна структура - обемът на статията, налична на Habré, няма да ни позволи да опишем накратко дори половината от този списък :) Следователно , много накратко и само за най-важните етапи.

Така. Необходимо е да се пренесе структурата на бъдещия процесор върху полираните силициеви пластини, тоест да се въведат примеси в определени области на силициевата пластина, които в крайна сметка образуват транзисторите. Как да го направим? По принцип нанасянето на различни слоеве върху субстрат на процесора е цяла наука, защото дори на теория такъв процес не е лесен (да не говорим за практиката, като се има предвид мащаба)... но е толкова хубаво да разбереш сложното;) Е, или поне се опитай да го разбереш.

Фотолитография

Проблемът се решава с помощта на фотолитографска технология - процесът на селективно ецване на повърхностния слой с помощта на защитна фотомаска. Технологията е изградена на принципа "светлина-шаблон-фоторезист" и протича по следния начин:

- Върху силиконовата подложка се нанася слой материал, от който трябва да се оформи шаблонът. Прилага се фоторезист- слой от полимерен фоточувствителен материал, който променя своите физикохимични свойства при облъчване със светлина.
- Произведено излагайки(осветяване на фотослоя за точно зададен период от време) чрез фотомаска
- Отстраняване на използвания фоторезист.

Необходимата структура се рисува върху фотомаска - като правило това е плоча от оптично стъкло, върху която се снимат непрозрачни зони. Всеки такъв шаблон съдържа един от слоевете на бъдещия процесор, така че трябва да бъде много точен и практичен.

Понякога е просто невъзможно да поставите определени материали на правилните места върху плочата, така че е много по-лесно да нанесете материала наведнъж върху цялата повърхност, премахвайки излишъка от онези места, където не е необходим - изображението по-горе показва нанасяне на фоторезиста в синьо.

Плочата се облъчва с поток от йони (положително или отрицателно заредени атоми), които проникват под повърхността на плочата на определени места и променят проводимите свойства на силиция (зелените зони са вградени чужди атоми).

Как да изолирате зони, които не изискват последваща обработка? Преди литографията се нанася повърхността на силиконовата пластина (при висока температура в специална камера) защитен филмдиелектрик - както вече казах, вместо традиционния силициев диоксид, Intel започна да използва High-K диелектрик. Той е по-дебел от силициевия диоксид, но в същото време има същите капацитивни свойства. Освен това, поради увеличаването на дебелината, токът на утечка през диелектрика се намалява и в резултат на това стана възможно да се получат по-енергийно ефективни процесори. Като цяло тук е много по-трудно да се осигури еднаквост на този филм по цялата повърхност на плочата - в това отношение се използва високоточен контрол на температурата при производството.

Значи това е. На тези места, които ще бъдат третирани с примеси, не е необходим защитен филм - той се отстранява внимателно чрез ецване (отстраняване на области от слоя, за да се образува многослойна структура с определени свойства). И как да го премахнете не навсякъде, а само в необходимите области? За това върху филма трябва да се нанесе още един слой фоторезист - поради центробежната сила на въртящата се плоча, той се нанася на много тънък слой.

Във фотографията светлината преминава през негативен филм, удря повърхността на фотографската хартия и променя нейните химически свойства. При фотолитографията принципът е подобен: светлината преминава през фотомаска върху фоторезист и на местата, където е преминала през маската, отделните зони на фоторезиста променят свойствата. Светлинната радиация се предава през маските и се фокусира върху субстрата. За точно фокусиране е необходима специална система от лещи или огледала, която не само може да намали изображението, изрязано върху маската до размера на чип, но и точно да го проектира върху детайла. Печатните плочи обикновено са четири пъти по-малки от самите маски.

Целият отработен фоторезист (който е променил разтворимостта си под действието на радиация) се отстранява със специален химичен разтвор - заедно с него се разтваря част от субстрата под осветения фоторезист. Частта от субстрата, която е била скрита от светлината от маската, няма да се разтвори. Той образува проводник или бъдещ активен елемент - резултатът от този подход са различни модели на къси съединения на всеки слой на микропроцесора.

Всъщност всички предишни стъпки бяха необходими, за да се създадат полупроводникови структури на необходимите места чрез въвеждане на донорен (n-тип) или акцептор (p-тип) примес. Да предположим, че трябва да направим зона на концентрация на носителя от p-тип в силиций, тоест лента за проводимост на дупки. За това плочата се обработва с помощта на устройство, наречено имплантатор- борните йони с огромна енергия се изстрелват от високоволтовия ускорител и се разпределят равномерно в незащитените зони, образувани чрез фотолитография.

Там, където диелектрикът е отстранен, йоните проникват в незащитения силициев слой - в противен случай те "засядат" в диелектрика. След следващия процес на ецване, остатъците от диелектрика се отстраняват и върху плочата остават зони, в които локално присъства бор. Ясно е, че съвременните процесори могат да имат няколко такива слоя - в този случай диелектричният слой отново се отглежда в получената фигура и след това всичко върви по утъпканата пътека - друг слой фоторезист, процесът на фотолитография (вече се използва нова маска) , ецване, имплантиране ... ами разбрахте.

Характерният размер на транзистора вече е 32 nm, а дължината на вълната, с която се обработва силиция, дори не е обикновена светлина, а специален ултравиолетов ексимерен лазер – 193 nm. Въпреки това, законите на оптиката не позволяват разрешаване на два обекта, разположени на разстояние по-малко от половината от дължината на вълната. Това се дължи на дифракцията на светлината. Как да бъде? За да използвате различни трикове – например, в допълнение към гореспоменатите ексимерни лазери, които блестят далеч в ултравиолетовия спектър, съвременната фотолитография използва многослойна отразяваща оптика с помощта на специални маски и специален процес на фотолитография с потапяне (потапяне).

Логическите елементи, които се формират в процеса на фотолитография, трябва да бъдат свързани помежду си. За да направите това, плочите се поставят в разтвор на меден сулфат, в който под действието на електрически ток металните атоми се "утаяват" в останалите "пасажи" - в резултат на този галваничен процес се образуват проводящи области които създават връзки между отделните части на "логиката" на процесора. Излишното проводимо покритие се отстранява чрез полиране.

Домашно разтягане

Ура - най-трудната част е зад гърба. Остава сложен начин за свързване на "остатъците" от транзисторите - принципът и последователността на всички тези връзки (шини) се наричат ​​процесорна архитектура. Тези връзки са различни за всеки процесор - въпреки че веригите изглеждат напълно плоски, в някои случаи могат да се използват до 30 нива на такива "проводници". От разстояние (при много голямо увеличение) всичко изглежда като футуристичен пътен възел - и в края на краищата някой проектира тези заплитания!

Когато обработката на вафлите приключи, вафлите се прехвърлят от производство в цеха за монтаж и тестване. Там кристалите преминават първите тестове, а тези, които преминат теста (а това е преобладаващото мнозинство), се изрязват от субстрата със специално устройство.

На следващия етап процесорът е опакован в субстрат (на фигурата процесор Intel Core i5, състоящ се от CPU и HD графичен чип).

Здравей сокет!

Субстратът, матрицата и капакът за топлопредаване са свързани заедно - това е продуктът, който ще имаме предвид, когато произнесем думата "процесор". Зеленият субстрат създава електрически и механичен интерфейс (златото се използва за електрическо свързване на силициевата микросхема към корпуса), благодарение на което ще бъде възможно да се инсталира процесора в гнездото на дънната платка - всъщност това е просто платформа, на която контактите от малкия чип са окабелени. Капакът за разпределение на топлината е термичен интерфейс, който охлажда процесора по време на работа - именно към този капак ще приляга охладителната система, било то по-охладен радиатор или здравословен воден блок.

гнездо(конектор за централен процесор) - конектор за гнездо или слот, предназначен за инсталиране на централен процесор. Използването на конектор вместо директно разпояване на процесора на дънната платка улеснява подмяната на процесора за надграждане или ремонт на вашия компютър. Конекторът може да бъде проектиран да инсталира действителния процесор или CPU карта (например в Pegasos). Всеки слот позволява инсталирането само на определен тип процесор или CPU карта.

На последния етап от производството готовите процесори преминават окончателни тестове за съответствие с основните характеристики - ако всичко е наред, тогава процесорите се сортират в правилния ред в специални тави - в тази форма процесорите ще отидат при производителите или отидете на OEM продажби. Друга партида ще бъде пусната в продажба под формата на BOX версии - в красива кутия заедно със система за охлаждане.

Край

Сега си представете, че компанията обявява например 20 нови процесора. Всички те са различни един от друг - броят на ядрата, размерите на кеша, поддържаните технологии ... Всеки модел процесор използва определен брой транзистори (изчислен в милиони и дори милиарди), собствен принцип на свързване на елементи ... И всичко това трябва да бъде проектирано и създадено / автоматизирано - шаблони, лещи, литография, стотици параметри за всеки процес, тестване ... И всичко това трябва да работи денонощно, в няколко фабрики наведнъж ... В резултат на това трябва да се появят устройства които нямат място за грешки при работа ... И цената на тези технологични шедьоври трябва да бъде в границите на приличието ... Почти съм сигурен във факта, че и вие като мен не можете да си представите целия обем работа е готово, за което се опитах да ви разкажа днес.

Е, и нещо по-изненадващо. Представете си, че сте велик учен преди пет минути - внимателно свалихте топлоразпределящия капак на процесора и през огромен микроскоп можете да видите структурата на процесора - всички тези връзки, транзистори... дори скицирахте нещо на лист хартия, за да не забравя. Смятате ли, че е лесно да се изучават принципите на процесора, като имате само тези данни и данни за това какви задачи могат да бъдат решени с помощта на този процесор? Струва ми се, че приблизително същата картина сега се вижда от учените, които се опитват да изследват работата на човешкия мозък на подобно ниво. Само ако вярвате на микробиолозите от Станфорд, в един човешки мозък

Наскоро в Московския политехнически музей щандът за компютърни технологии беше сериозно обновен - Intel постави там своя щанд, който беше наречен " От пясък до процесор„Оттук нататък този щанд ще се превърне в неразделна част от училищните екскурзии, но съветвам дори възрастните да не отлагат посещението на институцията за повече от пет години – до 2016 г. Intel планира сериозно да „надстрои” музея, за да може да влезе в десетте най-добри научни музея в света!

Към това събитие беше насочена поредица от едноименни лекции в три части. Вече минаха две лекции - съдържанието им може да намерите под слоя. Е, ако се интересувате от всичко това, тогава все още ще имате време да присъствате на третата лекция, информация за която е в края на публикацията.

Не се срамувам да призная, че по-голямата част от този текст наистина е синопсис на първата лекция, която Николай Суетин, директор на външни проекти в областта на научноизследователската и развойна дейност на Intel в Русия. В по-голямата си част ставаше дума за съвременните полупроводникови технологии и проблемите, пред които са изправени.

Предлагам да започнем да четем интересни неща и ще започнем с най-основните неща.

процесор

Технически, съвременният микропроцесор е направен под формата на единна свръхмащабна интегрална схема, състояща се от няколко милиарда елемента - това е една от най-сложните структури, създадени от човека. Ключовите елементи на всеки микропроцесор са дискретни ключове - транзистори. Чрез блокиране и пропускане на електрически ток (включване-изключване), те позволяват на логическите вериги на компютъра да работят в две състояния, тоест в двоична система. Размерите на транзисторите се измерват в нанометри. Един нанометър (nm) е една милиардна (10-9) от метър.
По-голямата част от работата по създаването на процесори изобщо не се извършва от хора, а от роботизирани механизми - именно те носят силициеви пластини напред-назад. Производственият цикъл за всяка плоча може да бъде до 2-3 месеца.

По-подробно (и визуално) за технологията на производство на процесори ще ви разкажа, но засега съвсем накратко.

Плочите всъщност са направени от пясък – силицийът е на второ място след кислорода по изобилие в земната кора. Чрез химични реакции силициевият оксид (SiO 2) се пречиства напълно, което прави „мръсното“ чисто. За микроелектрониката е необходим монокристален силиций - той се получава от стопилка. Всичко започва с малък кристал (който се спуска в стопилката) - по-късно се превръща в специална монокристална "була", висока колкото човек. Освен това основните дефекти се отстраняват и булката се нарязва на дискове със специални нишки (с диамантен прах) - всеки диск се обработва внимателно до абсолютно равна и гладка (на атомно ниво) повърхност. Дебелината на всяка плоча е около 1мм - само за да не се счупи или огъва, тоест за да можете да работите удобно с нея.

Диаметърът на всяка плоча е точно 300 мм - малко по-късно стотици или дори хиляди процесори ще "израснат" в тази област. Между другото, Intel, Samsung, Toshiba и TSMC вече обявиха, че разработват оборудване, способно да работи с 450 мм плочи (повече процесори ще се поберат в по-голяма площ и следователно цената на всеки ще бъде по-ниска) - преходът към тях е планирано още до 2012 г.

Ето изображение в напречно сечение на процесора:

Отгоре има защитен метален капак, който освен защитната функция изпълнява и ролята на топлоразпределител - именно това намазваме обилно с термопаста, когато монтираме охладителя. Под топлоразпределителя има същото парче силиций, което изпълнява всички задачи на потребителя. Още по-ниско - специален субстрат, който е необходим за извеждане (и за увеличаване на площта на "краката"), така че процесорът да може да бъде инсталиран в гнездото на дънната платка.

Самият чип се състои от силиций, върху който има до 9 метализационни слоя (изработени от мед) - това е колко нива са необходими, така че според определен закон да е възможно да се свържат транзистори, разположени върху силициевата повърхност ( тъй като е просто невъзможно да се направи всичко това на едно и също ниво). По принцип тези слоеве действат като свързващи проводници, само че в много по-малък мащаб; така че "проводниците" да не се съединяват на късо, те са разделени от слой оксид (с ниска диелектрична константа).

Както писах по-горе, елементарната клетка на процесора е полеви транзистор. Първите полупроводникови продукти са направени от германий, а първите транзистори са направени от германий. Но веднага щом започнаха да правят полеви транзистори (под портата на които има специален изолационен слой - тънък диелектричен филм, който контролира "включване" и "изключване" на транзистора), германият веднага "изчезна" , отстъпвайки място на силиция. През последните 40 години силициевият диоксид (SiO 2) се използва като основен материал за диелектрика на затвора, което се дължи на неговата технологичност и възможността за системно подобряване на характеристиките на транзисторите с намаляване на техния размер.

Правилото за мащабиране е просто - чрез намаляване на размера на транзистора, дебелината на диелектрика трябва да намалява пропорционално. Така например, в чипове с технически процес от 65 nm, дебелината на диелектричния слой на SiO2 е около 1,2 nm, което е еквивалентно на пет атомни слоя. Всъщност това е физическа граница за даден материал, тъй като в резултат на по-нататъшно намаляване на самия транзистор (и следователно намаляване на слоя от силициев диоксид) токът на утечка през диелектрика на затвора се увеличава значително, което води до значителни токови загуби и прекомерно отделяне на топлина. В този случай слой от силициев диоксид престава да бъде пречка за квантовото тунелиране на електрони, което прави невъзможно да се гарантира контрол на състоянието на транзистора. Съответно, дори при идеалното производство на всички транзистори (чият брой в съвременния процесор достига няколко милиарда), неправилната работа на поне един от тях означава грешна работацялата логика на процесора, което лесно може да доведе до катастрофа - това е, като се има предвид, че микропроцесорите контролират работата на почти всички цифрови устройства (от съвременните мобилни телефони до горивните системи в автомобилите).

Процесът на миниатюризация на транзисторите не вървеше в противоречие със законите на физиката, но компютърният прогрес, както виждаме, не спря. Това означава, че проблемът с диелектрика по някакъв начин е решен. И в края на краищата те наистина решиха – при преминаването към 45nm, Intel започна да използва нов материал, така наречения high-k диелектрик, който замени безнадеждно тънкия слой силициев диоксид. Слоят на основата на оксида на хафний от рядкоземен метал с висока (20 срещу 4 за SiO2) диелектрична константа k (high-k) стана по-дебел, но това направи възможно намаляването на тока на утечка с повече от десет пъти, докато поддържане на способността за правилно и стабилно управление на работата на транзистора. Новият диелектрик се оказа лошо съвместим с полисиликоновата порта, но това не се превърна в пречка - за да се увеличи скоростта, портата в новите транзистори беше направена от метал.

Така Intel стана първата компания в света, която премина към масово производство на микропроцесори, използващи хафний. Освен това короната все още принадлежи на корпорацията - досега никой не може да възпроизведе тази технология, т.к диелектричният филм се създава чрез атомно отлагане и материалът се отлага в последователни слоеве с дебелина само един атом.
Интересното е, че след като прочетете тези параграфи, вие сте получили идеята как са проектирани, направени и поместени милиарди транзистори в толкова малка площ? И как работи всичко това в крайна сметка и в същото време струва доста разумни пари? Станах много замислен, въпреки че по-рано смятах всичко това за очевидно и дори имах съвестта да помисля „ Хей, защо е толкова скъпо? Само за един процесор!»:)

През 1965 г. един от основателите на Intel Corporation, Гордън Мур, записва емпирично наблюдение, което по-късно се превръща в известния закон на неговото име. След като представи под формата на графика увеличаването на производителността на микросхемите на паметта, той открива интересна закономерност: нови модели микросхеми са разработени след равни интервали от време - около 18-24 месеца - след появата на техните предшественици, а капацитетът на микросхемите в същото време се увеличава приблизително два пъти всеки път.

По-късно Гордън Мур прогнозира закономерност, предполагайки, че броят на транзисторите в микропроцесорите ще се удвоява на всеки две години – всъщност, чрез непрекъснато създаване на иновативни технологии, Intel Corporation прилага закона на Мур повече от 40 години.

Броят на транзисторите продължава да расте, въпреки че размерът на изходния процесор остава относително непроменен. Отново няма тайна - става ясно, ако погледнете следната зависимост.

Както можете да видите, на всеки две години топологичните размери се намаляват с 0,7 пъти. В резултат на намаляване на размера на транзисторите, тяхната скорост на превключване е по-висока, цената е по-ниска и консумацията на енергия е по-малка.

На този момент Intel произвежда 32nm процесори. Основни технически разлики от 45nm технологията:
- Използвани са 9 нива на метализация
- използва се високо-k диелектрик от ново поколение (също хафниев оксид, но със специални добавки - полученият слой е еквивалентен на 0,9 nm силициев оксид)

Създаването на нов технологичен процес за създаване на метална порта доведе до 22% увеличение на производителността на всички транзистори (в сравнение с 45nm), както и до най-високата плътност на елементите, което изисква най-високата плътност на тока.

Производство

Intel произвежда процесори в три държави - САЩ, Израел и Ирландия. Към момента компанията разполага с 4 фабрики за масово производство на процесори по 32nm технология. То: D1Dи D1Cв Орегон, Страхотно 32в Аризона и Страхотен 11Xв Ню Мексико. Има много интересни неща в структурата на тези фабрики и в тяхната работа, но за това ще ви разкажа следващия път.

Цената на такъв завод е около 5 милиарда долара и ако изградите няколко завода наведнъж, тогава сумата на инвестицията може безопасно да се умножи. Като се има предвид, че технологията се сменя на всеки две години, се оказва, че заводът има точно 4 години, за да „възвърне“ инвестираните в него 5 милиарда долара и да реализира печалба. От което се навежда очевидният извод - икономиката много диктува развитието на техническия прогрес ... но въпреки всички тези огромни числа, разходите за производство на един транзистор продължават да падат - сега са по-малко от един милиард долара.

Не си мислете, че с преминаването на няколко фабрики към 32nm всичко изведнъж ще започне да се произвежда според този технически процес - същите чипсети и други периферни схеми просто нямат нужда от това - в повечето случаи използват 45nm. Планира се 22-нанометровото изрязване да бъде изцяло взето през следващата година, а до 2013 г. най-вероятно ще има 16 nm. Поне тази година вече е направена тестова плоча (на 22nm), на която е демонстрирана работоспособността на всички елементи, необходими за работата на процесора.

* UPD от * Необходимостта от намаляване на дебелината на диелектрика на портата е продиктувана от проста формула за плосък кондензатор:

Площта на портата на транзистора намалява и за да работи транзисторът, трябва да се поддържа капацитетът на диелектрика на портата.
Поради това се наложи да се намали дебелината му и когато стана невъзможно, беше намерен материал с по-висока диелектрична константа.

Кога ще свърши ерата на силиция? Точната дата все още не е известна, но определено не е далеч. При 22nm технология определено ще се "бори", най-вероятно ще остане в 16nm ... но тогава ще започне най-интересната част. Периодичната таблица по принцип е достатъчно голяма и има от какво да избирате) Но най-вероятно всичко ще почива не само на химията. Повишаването на ефективността на процесора може да се постигне или чрез намаляване на топологичните размери (те правят това сега), или чрез използване на други съединения с по-висока подвижност на носителя - може би галиев арсенид, вероятно "сензационният" и обещаващ графен (между другото, мобилността му е стотици пъти по-висока от силиция). Но и тук има проблеми. Сега технологиите са предназначени за обработка на плочи с диаметър 300 mm - количеството галиев арсенид, необходимо за такава плоча, просто не съществува в природата, а графенът (Думата упорито предлага да се пише "декантър") с този размер все още е изключително трудно да правят - научиха се как се прави, но има много дефекти, проблеми при възпроизвеждане, легиране и т.н.

Най-вероятно следващата стъпка ще бъде отлагането на монокристален галиев арсенид върху силиций, а след това и графен. И може би развитието на микроелектрониката ще върви не само по пътя на усъвършенстването на технологиите, но и по пътя на разработването на принципно нова логика - това също не може да бъде изключено. Ще заложим ли, господа? ;)

Като цяло сега има борба за технологии и висока мобилност. Но едно е ясно – няма причини да спрем напредъка.

Тик-так

Производственият процес за процесори се състои от две големи „части“. За първото трябва да имате самата производствена технология, а за второто трябва да разберете КАКВО и как да произвеждате - архитектурата (как са свързани транзисторите). Ако едновременно се правят и нова архитектура, и нова технология, тогава в случай на неуспех ще бъде трудно да се открият "виновните" - някои ще кажат, че "архитектите" са виновни, други, че технолозите са виновни. обвинявам. Като цяло следването на такава стратегия е много недалновидно.

В Intel въвеждането на нова технология и архитектура е разделено във времето - технология се въвежда за една година (и вече разработена архитектура се произвежда с помощта на нова технология - ако нещо се обърка, тогава технолозите ще бъдат вина); и когато се разработи новата технология, архитектите ще й направят нова архитектура и ако нещо не работи по разработената технология, тогава ще са виновни архитектите. Тази стратегия беше наречена "Тик-так".
По-ясно:

При сегашния темп на развитие на технологиите са необходими фантастични инвестиции в изследвания и разработки - всяка година Intel инвестира 4-5 милиарда долара в този бизнес. Част от работата се извършва в рамките на компанията, но голяма част - извън нея. Просто дръж цяла лаборатория в компанията като Бел лаборатории(ковашницата на нобеловите лауреати) в наше време е почти невъзможно.
По правило първите идеи се залагат в университетите - за да знаят университетите върху какво точно има смисъл да работят (какви технологии се търсят и кои ще бъдат актуални), всички "полупроводникови компании" бяха обединени в консорциум. След това те дават своеобразна пътна карта – в нея се говори за всички проблеми, с които ще се сблъска полупроводниковата индустрия през следващите 3-5-7 години. На теория всяка компания има право буквално да отиде в университета и да се "възползува" от това или онова иновативно развитие, но правата върху тях, като правило, остават на университета за разработчици - този подход се нарича "отворена иновация" . Intel не прави изключение и периодично се вслушва в идеите на студентите - след защита, селекция на инженерно ниво и тестване в реални условия, идеята има всички шансове да стане нова технология.

Ето списък с изследователски центрове по света, с които Intel работи (с изключение на университетите):

Увеличаването на производителността води до поскъпване на фабриките, а това от своя страна води до естествен подбор. Така например, за да се изплати за 4 години, всяка фабрика на Intel трябва да произвежда поне 100 работни плочи на час. На всяка плоча има хиляди чипове... и ако направите някакви изчисления, става ясно – ако Intel не беше притежавал 80% от световния пазар на процесори, компанията просто нямаше да може да възстанови разходите. Заключение - в днешно време е доста скъпо да имате собствен "дизайн" и собствено производство - поне трябва да имате огромен пазар. Резултатът от естествения подбор може да се види по-долу – както виждате, все по-малко компании вървят в крак с технологичния прогрес със своето „проектиране“ и производство. Всички останали трябваше да преминат към fabless режим – например нито Apple, нито NVIDIA, нито дори AMD имат свои фабрики и трябва да използват услугите на други компании.

Освен Intel, само две компании по света са потенциално готови за 22nm технология - Samsung и TSMC, които инвестираха над 1 милиард долара във фабриките си миналата година. Освен това TSMC няма собствен проектантски отдел (само леярна) - всъщност това е просто високотехнологична ковачница, която приема поръчки от други компании и често дори не знае какво кове.

Както виждате, естественият подбор премина достатъчно бързо - само за 3 години. От това могат да се направят два извода. Първото е, че е малко вероятно да станете лидер в индустрията без собствена фабрика; второто - всъщност можете да успеете и без собствена фабрика. Достатъчно като цяло добър компютър, мозъци и умение за "рисуване" - прагът за навлизане на пазара е паднал драстично и именно поради тази причина се появиха много "стартъпи". Някой измисля определена схема, за която има или е създаден изкуствено определен пазар - начинаещите производители се издигат... ПЕЧАЛБА! Но прагът на леярския пазар се е повишил силно и само ще нараства...

Какво друго се промени през последните години? Ако си спомняте, до 2004 г. твърдението „колкото по-висока е честотата на процесора, толкова по-добре“ беше съвсем вярно. От 2004-2005 г. честотата на процесорите почти спря да расте, което е свързано с достигане на някакъв вид физически ограничения. В днешно време производителността може да се повиши чрез многоядрени - паралелно изпълнение на задачи. Но правенето на много ядра на един чип не е голям проблем – много по-трудно е да ги накарате да работят правилно при натоварване. В резултат на това от този момент нататък ролята на софтуера се е увеличила драстично и значението на професията „програмист“ ще набира скорост в близко бъдеще.

Като цяло, обобщавайки горното:
- Законът на Мур продължава да действа
- Нарастването на разходите за разработване на нови технологии и материали, както и разходите за поддръжка на фабриките нарастват
- Производителността също се увеличава. Очакван скок при преминаване към 450 мм вложки

Като резултат:
- Разделяне на компаниите на "fabless" и "learning"
- Изнасяне на основни R&D
- Диференциране чрез разработка на софтуер

Край

Беше ли интересно да се чете? Надежда. Най-малкото ми беше интересно да напиша всичко това и още по-интересно беше да го слушам... макар че в началото и аз си помислих „Какво ще кажат на тази лекция“.

Миналата седмица се проведе втората лекция в Московския политехнически музей, която

Големите неща започват с малки. Това твърдение е вярно за много неща, но тази статия ще говори за производството на микропроцесори, които са пълни с различни домакински уреди, които ви заобикалят, от смартфони до хладилници.

Подготовка на суровини

Компютърни чипове с най-сложна структура, способни да извършват незабавни изчисления, се раждат в огромни тигли, изработени от кварцово стъкло, пълни до ръба с пясък, който е претърпял многоетапно почистване.

На първо място, "техническият" силиций се получава от пясък, събран в някаква кариера чрез добавяне на въглерод към минерала при висока температура. Полученият силиций достига 98% чистота, но все още е напълно неподходящ за използване в електронната индустрия и изисква допълнителна обработка с хлор, за да стане "електронен силиций". В хода на каскада от химични реакции с хлор, силицийът буквално се синтезира наново, отървавайки се от последните признаци на примеси.

Едва тогава тигелът с най-чистия електронен силиций се поставя в запечатана пещ, пълна с аргон. Разбира се, би било възможно да се евакуира въздух от него, но създаването на идеален вакуум на земята е много трудно, ако не и невъзможно, а от химическа гледна точка аргонът дава практически същия ефект. Този инертен газ замества кислорода, предпазвайки състава от окисление, и сам по себе си не реагира по никакъв начин със силиций в тигела.

Едва след това бившият пясък се нагрява до 1420 градуса по Целзий, което е само с 6 градуса над точката му на топене. За това се използва графитен нагревател. Изборът на материал, както в случая с тигелния кварц, се дължи на факта, че графитът не реагира със силиций и следователно не може да замърси материала на бъдещия процесор.

В нагрятия тигел се пуска тънък зародишен кристал от силиций, с размера и формата на молив. Той трябва да започне процеса на кристализация. Останалото може да се възпроизведе у дома с разтвор на сол, захар, лимонена киселина или, например, меден сулфат. Охлаждащият разтвор започва да кристализира около зародишната точка, образувайки идеална молекулярна решетка. Така се отглеждат кристалите на солта и така расте силиций.

Силициевият зародишен кристал постепенно се издига от тигела със скорост около един милиметр и половина в минута и с него растящият монокристал се издига от разтвора. Растежът на кристалите е бавен и отнема средно 26 часа на тигел, така че производството работи денонощно.

През това време се образува "була" - плътен цилиндричен кристал с диаметър 300 милиметра, дълъг до 1-2 метра и тежащ около 100 килограма. Ако го погледнете при силно увеличение, ще видите строга структура - идеална кристална решетка от силициеви атоми, напълно равномерна в целия обем.

Кристалът е толкова здрав, че теглото му може да издържи на нишка с диаметър само 3 милиметра. И така, готовата заготовка за процесорите се изважда от тигела от същия зародишен кристал.

Въпреки това, с "була" се борави по-внимателно, отколкото с антична ваза, кристалът може да издържи на огромно напрежение на опън, но е изключително крехък.

След химическо и флуороскопско изследване за проверка на чистотата на кристала и правилността на молекулярната решетка, детайлът се поставя в машина за рязане на силиций. Тя нарязва кристала на вафли с дебелина около 1 милиметър с помощта на трион с диамантено покритие.

Разбира се, не е пълен без повреди. Колкото и да е остър трионът, след рязане на повърхността на плочите остават микроскопични дефекти. Така че нарязването е последвано от стъпката на полиране.

Но дори и след като са обработени в мощна шлифовъчна машина, силициевите пластини все още не са достатъчно гладки, за да се използват за производството на микрочипове. Следователно полирането се повтаря отново и отново с помощта на химически реагенти.

Резултатът е повърхност, в сравнение с която огледалото прилича на груба шкурка. Такава плоча без счупвания и микродефекти става основа за милиони микроелектронни устройства, които образуват микросхема. Без прах, силициеви дискове, които обикновено се наричат ​​"вафла" или "вафла" в запечатани контейнери, се изпращат в чистата стая.

В чиста стая

През 1958 г. изобретателят на интегралната схема Джак Кърби прави пробив, като поставя един транзистор в своята схема. В наши дни броят на логическите елементи на микропроцесора е надхвърлил един милиард и продължава да се удвоява на всеки две години в съответствие със закона на Мур.

Работата с такива микроскопични части представлява сериозно предизвикателство за производителите на чипове, тъй като дори една прашинка може да съсипе бъдещ продукт. Следователно работилница с площ от няколко хиляди квадратни метра, напълно изолиран от външния свят, оборудван с най-сложните системи за пречистване и климатизация на въздуха, което го прави 10 000 пъти по-чист, отколкото в хирургично отделение.

Всички специалисти, работещи в такова чисто помещение, не само поддържат стерилност, но и носят защитни костюми от антистатични материали, маски, ръкавици. И все пак, въпреки всички предпазни мерки за намаляване на риска от отказ, преработвателните компании се опитват да автоматизират колкото се може повече от операциите в чистите помещения, като ги поставят на промишлени роботи.

Процесът на производство на процесори се поставя на конвейерната лента. Доставена в запечатана кутия, идеално плоска "вафла" преминава през 400-500 технологични операции и напуска магазина само няколко месеца по-късно под формата на завършен микрочип.

Създаването на микрочип от "вафла" предполага изграждането на много сложна технологична верига, която не може да бъде описана подробно поради ограниченията в обема на изделието. Дори и да не са били там, компании като Intel и AMD не бързат да споделят производствени тайни. В конструкторските отдели на компаниите се проектират най-сложните триизмерни схеми на взаимното подреждане на процесорните елементи - топологията на микросхемите. Те представляват многостепенна купчина елементи, която се разделя на слоеве и се отлага слой по слой върху силициев субстрат. Разбира се, невъзможно е да се направи на ръка, твърде деликатен процес, твърде малки елементи, буквално нанометрови размери.

Процесорите от осмо поколение на Intel, известни като Coffee Lake, са осеяни с 14 нанометрови транзистори, AMD обяви второто поколение процесори AMD Ryzen, с кодово име Pinnacle Ridge, изградени върху 12 нанометрови клетки. Най-новият NVIDIA графични картис архитектурата на Volta ядрата също са изградени по 12 нанометрова технология. Системата на чипа Qualcomm Snapdragon 835 е още по-малка – само 10 нанометра. Постоянното намаляване на размера на функционалните елементи на процесора и съответно повишаване на неговата производителност е възможно благодарение на усъвършенстването на технологията, наречена фотолитография.

Най-общо този процес може да бъде описан по следния начин:

Първо, силиконовата пластина се покрива с основа - материал, който ще трябва да стане част от бъдещата схема, след това върху равномерен слой се нанася чувствителен към светлина химически реагент. Този състав ще свърши цялата работа, но въпросът е по-късно.

Преди това силно секретна подробна диаграма на процесора се извлича от корпоративни архиви. Долният му слой е представен под формата на негатив и се пренася върху фотомаска - защитна пластина, която действа като шаблон. Той е значително по-голям от чипа, така че преминаващата през него светлина се фокусира с помощта на сложна система от лещи, намалявайки прожектираното изображение до желания размер.

На тези места, където светлината не достига до силиция, плочата остава непокътната; в осветената, тя инициира реакция в химически реагент, която променя свойствата й. След това бъдещият процесор ще бъде третиран с друго съединение и тези области ще се разтворят, оставяйки само онези области, които не са били изложени. Те също така формират проводимите логически елементи на процесора.

След това върху плочата се нанася диелектричен слой и отгоре се добавят нови компоненти на процесора, отново с помощта на фотолитография.

Някои слоеве се нагряват, други са изложени на йонизирана плазма, а други са покрити с метал. Всеки тип обработка променя свойствата на слоя и бавно създава част от пъзела, която образува конкретен модел чип. Резултатът е един вид слоеста торта, при която всеки слой има своя собствена функционалност и те са свързани по сложен начин чрез „пътечки“ от медни атоми, които се отлагат върху силициев субстрат от разтвор на меден сулфат, преминавайки през електрически ток през него.

Това е последният етап на обработка, след който микрочиповете се проверяват за работоспособност. Въпреки всички предпазни мерки и много дни усилия, процентът на отхвърляне остава висок. Роботите ще избират и изрязват само 100% работещи чипове от силиконовата пластина.
Те ще бъдат сортирани по енергийна ефективност, токове и максимални работни честоти, с различни обозначения и в крайна сметка ще се продават на различни цени.

Довършителни щрихи

По пътя си към клиентите, процесорите напускат чистото помещение и отиват на поточната линия, където готовата микросхема се залепва върху квадрат, наречен субстрат. Кристалът се запоява с него в специална фурна при температура 360 градуса по Целзий.

След това чипът се покрива с капак. Той служи както за предпазване на все още крехкия силиций от повреда, така и за отстраняване на топлината от него. Вероятно имате добра представа за това, основата на охладителната система ще бъде притисната към капака, било то охладител или топлообменник на CBO (система за водно охлаждане). Това е не по-малко важен етап от предишния. Наистина, стабилността и скоростта на неговата работа, бъдещата му максимална производителност до голяма степен зависи от това колко добре капакът на процесора отстранява топлината от кристала.

Стар Intel процесорибуквално запоени към капаците за разпределение на топлината. Последните поколения патентовани чипове обаче получават термичен интерфейс между кристала и капака и се охлаждат по-зле, което е много разочароващо за любителите на компютърния хардуер, които искат да изтръгнат максимума от покупките си. Стигна се дотам, че "скалпират" процесорите - самостоятелно премахват топлоразпределителя от тях и заменят термоинтерфейса с по-ефективен. Но нека не се разсейваме с трикове за овърклок, тъй като процесорът все още не е готов.

Последният етап е създаването на електрически контакти, които ще свържат микропроцесора дънна платкакомпютър. Обикновено за това се правят калаени цилиндри, така наречените "крака" на процесора, които първо се залепват и след това се запояват към субстрата, където предварително са предвидени места за тях. За микрочипове с голям брой връзки понякога се използват малки калаени топки вместо крачета, тъй като те са по-здрави и по-надеждни, но напоследък те бяха изоставени в полза на обикновените контактни подложки.

Готовият микрочип се измива в разтвор на вода с разтворител за отстраняване на излишния поток и мръсотия и след това се извършва окончателна проверка на качеството на извършената работа. Те могат да варират от стрес тестове до представяне в чиста стая или по-тежки тестове. Например, чипове, предназначени да работят в екстремни условия, като например в космическата и военната промишленост, са запечатани в керамични кутии и са многократно тествани при екстремни температури във вакуумни камери.

След това, в зависимост от предназначението на микропроцесора, той отива направо в ръцете на купувачите, а след това и в гнездата дънни платки, или към други фабрики, където малък силициев кристал ще заеме мястото си на компютърната платка на видеокарта, космически сателит, смарт хладилник или може би ще попадне в калъф за смартфон.

Производство на процесор

Основният химичен елемент, използван при производството на процесори, е силиций, най-разпространеният елемент на земята след кислорода. Той е основният компонент на крайбрежния пясък (силициев диоксид); в тази форма обаче не е подходящ за производството на микросхеми. Да използва силиций като материал за направата на ми

кръстосани вериги е необходим продължителен технологичен процес, който започва с производството на чисти силициеви кристали по метода Чохралски. Съгласно тази технология суровините, които се използват главно като кварцов камък, се превръщат в електродъгови пещи в металургичен силиций. След това, за отстраняване на примесите, полученият силиций се стопява, дестилира и кристализира под формата на полупроводникови блокове с много висока степен на чистота (99,999999%). След механично рязане на слитъците, получените заготовки се зареждат в кварцови тигели и се поставят в електрически сушилни пещи за изтегляне на кристали, където се топят при температури над 2500 ° по Фаренхайт. За да се предотврати образуването на замърсявания, сушилните пещи обикновено се монтират върху дебела бетонна основа. Бетонната основа от своя страна е монтирана на амортисьори, което може значително да намали вибрациите, което може да повлияе негативно на образуването на кристали. След като детайлът започне да се топи, малък, бавно въртящ се зародишен кристал се поставя в разтопения силиций. Тъй като зародишният кристал се отдалечава от повърхността на стопилката, силициевите нишки го следват, които, когато се втвърдят, образуват кристална структура. Чрез промяна на скоростта на движение на зародишния кристал (10-40 mm на час) и температурата (около 2500 ° F), получаваме силициев кристал с малък начален диаметър, който след това се отглежда до желания размер. В зависимост от размера на произвежданите микросхеми, отглежданият кристал достига 8-12 инча (20-30 mm) в диаметър и 5 фута (около 1,5 m) в дължина.

Теглото на отглеждания кристал достига няколкостотин килограма. Заготовката се вкарва в цилиндър с диаметър 200 мм (сегашният стандарт), често с плосък разрез от едната страна за позициониране и точност на обработка. След това всеки детайл се нарязва с диамантен трион на повече от хиляда кръгли субстрати с дебелина по-малка от милиметър (Фигура 2). След това основата се полира, докато повърхността му стане огледално гладка. Производството на микросхеми използва процес, наречен фотолитография. Технологията на този процес е следната: слоеве от различни материали се отлагат върху полупроводника, който служи като основа на чипа; по този начин се създават транзистори, електронни схеми и проводници (релси), през които се разпространяват сигнали. В пресечните точки на конкретни вериги можете да създадете транзистор или превключвател (клапан). Фотолитографският процес започва с покриване на субстрата с полупроводников слой със специални добавки, след което този слой се покрива с химичен състав на фоторезист и след това изображението на микросхемата се проектира върху вече светлочувствителната повърхност. В резултат на добавяне на донорни примеси към силиций (който, естествено, е диелектрик), се получава полупроводник. Проекторът използва специална фотомаска (маска), която всъщност е карта на този конкретен слой от микросхемата. (Чипът на процесора Pentium III съдържа пет слоя; други съвременни процесориможе да има шест или повече слоя. При разработването на нов процесор ще е необходимо да се проектира фотомаска за всеки слой от микросхемата.) Преминавайки през първата фотомаска, светлината се фокусира върху повърхността на субстрата, оставяйки отпечатък на изображението на този слой. След това специално устройство премества донякъде субстрата и същата фотомаска (маска) се използва за отпечатване на следващата микросхема. След като микросхемите бъдат отпечатани върху целия субстрат, каустичният алкал ще отмие областите, където светлината е въздействала върху фоторезистентното вещество, оставяйки отпечатъци от фотомаска (маска) на определен слой от микросхемата и междуслойни връзки (връзки между слоевете), както и сигнални пътища. След това върху субстрата се нанася друг слой полупроводник и отново малко фоторезистентно вещество върху него, след което следващата фотомаска (маска) се използва за създаване на следващия слой на микросхемата. По този начин слоевете се нанасят един върху друг, докато микросхемата е напълно произведена.

Последната маска добавя така наречения метализационен слой, използван за свързване на всички транзистори и други компоненти. Повечето микросхеми използват алуминий за този слой, но наскоро се използва мед. Например медта се използва при производството на процесори AMD във фабриката в Дрезден. Това се дължи на по-добрата проводимост на медта в сравнение с алуминия. Въпреки това, за повсеместното използване на медта, е необходимо да се реши проблемът с нейната корозия.

Когато обработката на кръглия субстрат приключи, върху него ще бъде отпечатан максималният възможен брой микросхеми по фото метода. Микросхемата обикновено е под формата на квадрат или правоъгълник, по ръбовете на субстрата има някои "свободни" зони, въпреки че производителите се опитват да използват всеки квадратен милиметър от повърхността. Индустрията преминава през пореден преходен период в производството на микросхеми. Напоследък се наблюдава тенденция към увеличаване на диаметъра на субстрата и намаляване на общите размери на кристала, което се отразява в намаляване на размерите на отделните вериги и транзистори и разстоянието между тях. В края на 2001 г. и началото на 2002 г. имаше преход от 0,18 към 0,13 микрона технология, замяна на алуминиевите междукристали с мед и диаметърът на субстрата се увеличи от 200 мм (8 инча) на 300 мм (12 инча). Увеличаването на диаметъра на субстрата до 300 mm удвоява броя на произведените микросхеми. Използването на 0,13-микронна технология позволява да се поставят повече транзистори върху чипа, като се запазват приемливите му размери и задоволителен процент от добивите на продукта. Това означава, че тенденцията към увеличаване на количеството кеш памет, вградена в матрицата на процесора, продължава. Като пример за това как това може да повлияе на параметрите на конкретна микросхема, разгледайте процесора Pentium 4.

Диаметърът на стандартен субстрат, използван в полупроводниковата индустрия в продължение на много години, е 200 mm, или приблизително 8 инча (фиг.). Така повърхността на субстрата достига 31 416 mm2. Първата версия на процесора Pentium 4, направена върху 200 мм субстрат, съдържаше 0,18-микроново ядро ​​Willamette с алуминиеви щифтове, разположени върху матрица с площ от около 217 мм2. Процесорът съдържа 42 милиона транзистора. 200 mm (8-инчов) субстрат може да побере до 145 от тези микросхеми. Процесорите Northwood Pentium 4 с размер 0,13 микрона включват медни схеми на 131 mm2 матрица. Този процесор вече съдържа 55 милиона транзистора. В сравнение с версията Willamette, ядрото на Northwood има двойно по-голямо количество вградена L2 кеш памет (512KB), което обяснява по-големия брой съдържащи се транзистори. Използването на 0,13-микрона технология позволява размерът на матрицата да бъде намален с около 60%, което прави възможно поставянето на до 240 микросхеми върху същия 200-мм (8-инчов) субстрат. Както си спомняте, само 145 кристала Willamette можеха да се поберат на този субстрат. В началото на 2002 г. Intel започна да произвежда чипове Northwood върху по-голям, 300 мм субстрат с площ от 70 686 мм2. Площта на този субстрат е 2,25 пъти по-голяма от площта на 200 мм субстрат, което прави възможно практически удвояване на броя на поставените върху него микросхеми. Ако говорим за процесора Pentium 4 Northwood, тогава на 300 мм субстрат могат да бъдат поставени до 540 микросхеми. Използването на съвременна 0,13-микронова технология в комбинация с субстрат с по-голям диаметър позволи повече от 3,7 пъти производството на процесори Pentium 4. Това до голяма степен се дължи на този факт, че съвременните микросхеми често имат по-ниска цена от микросхемите. предишни версии... През 2003 г. полупроводниковата индустрия премина към 0,09 микрона технология. Когато се въведе нова производствена линия, не всички чипове върху субстрата ще могат да се използват. Но с подобряването на технологията за производство на тази микросхема процентът на добрите (работещи) микросхеми, който се нарича добив на добри, също ще се увеличи. В началото на пускането на нови продукти добивът може да е под 50%, но към момента, в който пускането на този тип продукти бъде прекратено, вече е 90%. Повечето производители на чипове се крият реални числа добив на добри, тъй като познаването на действителната връзка между годни и дефектни може да бъде в ръцете на техните конкуренти. Ако една компания има конкретни данни за това колко бързо се увеличава добивът на нейните конкуренти, тя може да коригира цените на чипове или да планира производството, за да увеличи пазарния си дял в критичен момент. Например през 1997 и 1998 г. AMD имаше ниска доходност и загуби значителен пазарен дял. Въпреки че AMD положи усилия да реши този проблем, тя все пак трябваше да подпише споразумение, според което IBM Microelectronics трябваше да произвежда и доставя на AMD някои от собствените си микропроцесори. След приключване на обработката на субстрата специално устройство проверява всяка микросхема върху него и маркира дефектните, които по-късно ще бъдат отхвърлени. След това микросхемите се изрязват от субстрата с помощта на високоефективен лазерен или диамантен трион. Когато кристалите се изрязват от субстратите, всяка микросхема се тества отделно, опакова се и се тества отново. Процесът на опаковане се нарича свързване: след като кристалът се постави в кутията, специална машина свързва кристалните изводи към щифтовете (или контактите) на корпуса на микросхемата с малки златни проводници. След това микросхемата се опакова в специална торба - контейнер, който по същество я предпазва от неблагоприятните ефекти на външната среда. След като щифтовете на кристала са свързани към щифтовете на тялото на микросхемата и микросхемата е пакетирана, се извършва окончателен тест за определяне на правилната работа и номиналната скорост. Различните микросхеми от една и съща серия често имат различна скорост. Специални тестови устройства принуждават всяка микросхема да работи в различни условия (при различни налягания, температури и тактови честоти), определяйки стойностите на параметрите, при които правилното функциониране на микросхемата спира. Успоредно с това се определя максималната скорост; след това микросхемите се сортират по скорост и се разпределят между приемниците: микросхеми с подобни параметри попадат в същия приемник. Например, микросхемите Pentium 4 2.0A, 2.2, 2.26, 2.24 и 2.53 GHz са една и съща микросхема, тоест всички те са отпечатани от една и съща фотомаска, освен това са направени от един и същи детайл, но в края на производството цикъл те бяха сортирани по скорост.

История на производството на процесора

Всеки модерен процесор се състои от огромен набор от транзистори, които действат като електронни микроскопични превключватели. За разлика от конвенционалния превключвател, транзисторите са способни да превключват милиарди, дори трилиони пъти в секунда. Въпреки това, за да се постигне такава огромна скорост на превключване, е необходимо да се намали размерът на тези транзистори. Освен това производителността на всеки процесор в крайна сметка се определя от броя на самите транзистори. Ето защо, от създаването на първата интегрирана микросхема през 1959 г., развитието на индустрията върви в посока намаляване на размера на транзисторите и в същото време увеличаване на тяхната плътност върху микросхемата.

Когато се говори за прогнози за увеличаване на плътността на поставяне и намаляване на геометричните размери на транзисторите, обикновено се споменава така нареченият закон на Мур. Всичко започва през 1965 г., три години преди Гордън Е. Мур да основава Intel. По това далечно време технологията за производство на интегрални схеми направи възможно интегрирането на около три дузини транзистора в една микросхема, а група учени, ръководена от Гордън Мур, завършваше разработването на нови микросхеми, които вече комбинираха 60 транзистора. По искане на списание Electronics Гордън Мур написа статия за отбелязване на 35-годишнината от изданието. В тази статия Мур беше помолен да предвиди как ще се подобрят полупроводниковите устройства през следващите 10 години. След като анализира темповете на развитие на полупроводниковите устройства и икономическите фактори през последните шест години, Мур предположи, че броят на транзисторите на чип ще се удвоява годишно, а до 1975 г. броят на транзисторите в една интегрална схема ще бъде 65 хиляди.

Разбира се, през 1965 г. нито самият Гордън Мур, нито някой друг можеше да си представи, че публикуваната прогноза за следващите десет години не само ще се сбъдне точно, но и ще послужи като основа за формулиране на правило за развитието на всички полупроводникова технология за много години напред. Въпреки това, с прогнозата на Мур, не всичко вървеше гладко. До 1975 г. ръстът на броя на елементите в една микросхема започва леко да изостава от прогнозата. Тогава Гордън Мур коригира периода на надграждане на 24 месеца, за да компенсира очакваното увеличение на сложността на полупроводниковите компоненти. В края на 80-те години на миналия век беше направена друга поправка от изпълнителен директор на Intel и прогнозата на Мур беше да се удвоява изчислителната производителност на всеки 18 месеца (изчислителната производителност, измерена в милиони инструкции в секунда (MIPS), се увеличава поради увеличаването на броя на транзисторите ).

Досега умишлено използвахме думите "прогноза" или "предсказание" на Мур, но изразът "закон на Мур" е по-често срещан в литературата. Факт е, че след публикуването на гореспоменатата статия в списание Electronics, професор Карвър Мийд, колега на Мур от Калифорнийския технологичен институт, даде на тази прогноза името „Закон на Мур“ и тя се задържа.

Защо да намалявате транзисторите?

Намаляването на размера на транзисторите намалява площта на матрицата, а оттам и разсейването на топлината, а по-тънката порта ви позволява да прилагате по-малко напрежение за превключване, което също намалява консумацията на енергия и разсейването на топлината.

Ако дължината на портата на транзистора намалее с коефициент M, тогава работното напрежение на портата намалява със същото количество. Освен това скоростта на транзистора се увеличава с коефициент M и плътността на разположението на транзисторите върху кристала се увеличава квадратично, а разсейването на мощността намалява с коефициент M.

От дълго време свиването на транзистори е най-очевидният начин за повишаване на производителността на процесора. На практика това не беше толкова лесно за изпълнение, но беше още по-трудно да се измисли такава структура на процесора, така че неговият конвейер да работи с максимална ефективност.

Отрицателни фактори за намаляване на размера на транзисторите

През последните години „надпреварата с гигахерци“ започна забележимо да отшумява. Това се дължи на факта, че започвайки с размера на транзисторите 90 nm, всички видове не толкова силно забележими негативни фактори започнаха да се проявяват силно: токове на утечка, голямо разсейване на параметрите и експоненциално увеличаване на отделянето на топлина. Нека го разберем по ред.

Има два тока на утечка: ток на утечка на портата и подпрагово утечка. Първият се причинява от спонтанното движение на електрони между силициевия субстрат на канала и полисилициевия затвор. Вторият е спонтанното движение на електрони от източника на транзистора към дренажа. И двата ефекта водят до факта, че трябва да повишите захранващото напрежение, за да контролирате токовете в транзистора, а това се отразява негативно на разсейването на топлината. Така че, намалявайки размера на транзистора, ние, на първо място, намаляваме неговата порта и диелектричния слой, който е естествена бариера между портата и канала. От една страна, това подобрява скоростта на транзистора (времето за превключване), но от друга страна увеличава изтичането. Тоест се получава един вид порочен кръг. Така че преходът към по-тънък технологичен процес е още едно намаляване на дебелината на слоя диоксид и в същото време увеличаване на течовете. Борбата срещу течовете отново е увеличаване на управляващите напрежения и съответно значително увеличение на генерирането на топлина.

Едно от решенията е използването на SOI (силиций върху изолатор) технология, която AMD е внедрила в своите 64-битови процесори. Това обаче й коства много усилия и преодоляване на голям брой свързани трудности. Но самата технология предоставя огромен брой предимства с относително малък брой недостатъци. Същността на технологията като цяло е съвсем логична - транзисторът е отделен от силициевия субстрат с друг тънък слой изолатор. Има много предимства. Няма неконтролирано движение на електрони под канала на транзистора, което се отразява на електрическите му характеристики - този път. След подаване на отключващия ток към портата, времето за йонизация на канала до работно състояние (до момента, в който работният ток протича през него) се намалява, тоест вторият ключов параметър на работата на транзистора се подобрява, времето на неговото включване/изключване е две. Или при същата скорост можете просто да намалите тока на отключване - това са три. Или намерете някакъв компромис между увеличаване на скоростта на работа и намаляване на напрежението. При запазване на същия ток на запалване, увеличението на производителността на транзистора може да бъде до 30%. Ако честотата се остави същата, икономията на енергия може да бъде до 50%. И накрая, характеристиките на канала стават по-предвидими, а самият транзистор става по-устойчив на случайни грешки, като тези, причинени от космически частици, попадащи в субстрата на канала и непредвидимо го йонизиращи. Сега, попадайки в субстрата, разположен под слоя на изолатора, те не влияят по никакъв начин на работата на транзистора. Единственият недостатък на SOI е, че е необходимо да се намали дълбочината на източника / дренажа, което пряко и пряко влияе върху увеличаването на съпротивлението му с намаляване на дебелината.

Функцията на бариера за електрони, предотвратяваща изтичането на тока на портата, се изпълняваше от тънък слой силициев диоксид, изолатор, разположен между портата и канала. Очевидно, колкото по-дебел е този слой, толкова по-добре изпълнява изолационната си функция. Но той е неразделна част от канала и е не по-малко очевидно, че ако ще намалим дължината на канала (размера на транзистора), тогава трябва да намалим дебелината му и то с много бързи темпове . През последните няколко десетилетия дебелината на този слой е средно около 1/45 от цялата дължина на канала. Но този процес има собствено физическо ограничение - минималната дебелина на слоя трябва да бъде около 1 nm, в противен случай изтичането на тока на портата просто ще придобие нереалистични стойности.

Доскоро материалът, от който е направена портата, беше поликристален силиций (полисилиций). Полисилицийът е силиций с висока чистота със съдържание на примеси по-малко от 0,01%, състоящ се от голям брой малки кристални зърна, ориентирани произволно едно спрямо друго. Полисилицийът е суровина за производството на по-усъвършенстван вид силиций - моносилиций, и може да се използва и в чист вид заедно с моносилиций в някои области на приложение (например при производството на соларни модули).

Моносилицият се различава от поликристалната модификация по това, че неговата кристална структура е ориентирана в определена кристалографска равнина.

Ситуацията се промени, когато вместо полисилиций за производството на портата започна да се използва комбинация от нови материали и вместо силициев оксид като диелектрик на портата беше използван High-k диелектрик на базата на примес от четиривалентен хафний. Таблица 14.1. са представени етапите на развитие на технологичния процес на производство на микросхеми.

Таблица 14.1. Подобряване на технологичния процес

Пускане в производство
Технически процес
Размер на плочата (мм.)
Връзки
Диелектрик на затвора
Материал на капака	Полисилиций	Полисилиций	Полисилиций	Полисилиций	Полисилиций