Moderní mikroprocesory. Kurz: Fáze výroby mikroprocesorů Technologie výroby mikroprocesorů

Jak jsem slíbil - podrobný příběh o tom, jak se vyrábějí procesory ... počínaje pískem. Vše, co jste chtěli vědět, ale báli jste se zeptat)

Už jsem mluvil o " Kde se vyrábějí procesory?"A co" Výrobní potíže„Stůj na této cestě. Dnes si povíme přímo o výrobě samotné – „uvnitř a navenek“.

Výroba procesoru

Když se postaví továrna na výrobu procesorů pomocí nové technologie, má 4 roky na to, aby se investice (přes 5 miliard dolarů) vrátila a dosáhla zisku. Z jednoduchých tajných výpočtů vyplývá, že továrna musí vyrobit minimálně 100 pracovních desek za hodinu.

Proces výroby procesoru ve stručnosti vypadá takto: z roztaveného křemíku se na speciálním zařízení vypěstuje monokrystal válcového tvaru. Vzniklý ingot se ochladí a nakrájí na „placky“, jejichž povrch se pečlivě vyrovná a vyleští do zrcadlového lesku. Poté se v „čistých místnostech“ polovodičových závodů vytvářejí integrované obvody na křemíkových waferech fotolitografií a leptáním. Po opětovném vyčištění desek provedou laboratorní specialisté pod mikroskopem selektivní testování procesorů - pokud je vše v pořádku, pak jsou hotové desky rozřezány na samostatné procesory, které jsou později uzavřeny v pouzdrech.

Lekce chemie

Pojďme se na celý proces podívat blíže. Obsah křemíku v zemské kůře je asi 25–30 % hmotnosti, díky čemuž je tento prvek z hlediska prevalence na druhém místě za kyslíkem. Písek, zejména křemičitý, má vysoké procento křemíku ve formě oxidu křemičitého (SiO 2) a na začátku výrobního procesu je základní složkou pro tvorbu polovodičů.

Zpočátku se SiO 2 odebírá ve formě písku, který se redukuje koksem v obloukových pecích (při teplotě asi 1800 ° C):

Takový křemík se nazývá " technický"A má čistotu 98-99,9%. Procesory vyžadují mnohem čistší suroviny tzv. elektronický křemík"- toto by nemělo obsahovat více než jeden cizí atom na miliardu atomů křemíku. Pro čištění na tuto úroveň se křemík doslova „znovuzrození“. Chlorací komerčního křemíku se získává chlorid křemičitý (SiCl 4), který se dále převádí na trichlorsilan (SiHCl 3):
Tyto reakce využívající recyklaci vzniklých vedlejších produktů látek obsahujících křemík snižují náklady a eliminují ekologické problémy:

2SiHCl3SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl SiH4 + SiH2Cl2
SiH4Si + 2H2

Vzniklý vodík lze využít na mnoha místech, ale nejdůležitější je, že byl získán „elektronický“ křemík, čistý-čistý (99,9999999 %). O něco později se do taveniny takového křemíku kápne semínko („bod růstu“), které se postupně vytahuje z kelímku. V důsledku toho vzniká tzv. „boule“ – monokrystal o výšce dospělého člověka. Hmotnost je odpovídající - ve výrobě takový sud váží asi 100 kg.

Slitek je odlupován "nulou" :) a řezán diamantovou pilou. Na výstupu - wafery (kódové označení "wafle") o tloušťce cca 1 mm a průměru 300 mm (~ 12 palců; to jsou právě ty, které se používají pro 32nm procesní technologii s HKMG, High-K / Metal Gate technologií ). Kdysi Intel používal disky o průměru 50 mm (2") a v blízké budoucnosti se již plánuje přechod na wafery o průměru 450 mm - to je opodstatněné alespoň z hlediska snížení nákladů Když už mluvíme o úsporách, všechny tyto krystaly se pěstují mimo Intel, nakupují se jinde pro výrobu procesorů.

Každá deska je leštěná, dokonale plochá, čímž její povrch získává zrcadlový lesk.

Výroba třísek se skládá z více než tří set operací, v jejichž důsledku tvoří více než 20 vrstev složitou trojrozměrnou strukturu - objem článku dostupného na Habré nám nedovolí stručně popsat ani polovinu tohoto výčtu :) , velmi stručně a pouze o nejdůležitějších etapách.

Tak. Na leštěné křemíkové wafery je potřeba přenést strukturu budoucího procesoru, to znamená vnést do určitých oblastí křemíkového waferu nečistoty, které v konečném důsledku tvoří tranzistory. Jak to udělat? Obecně platí, že nanášení různých vrstev na procesorový substrát je celá věda, protože ani teoreticky takový proces není snadný (nemluvě o praxi, s přihlédnutím k měřítku) ... ale je tak hezké pochopit ten komplex;) No, nebo se na to alespoň pokuste přijít.

Fotolitografie

Problém je řešen pomocí technologie fotolitografie - proces selektivního leptání povrchové vrstvy pomocí ochranné fotomasky. Technologie je postavena na principu „světlo-šablona-fotorezist“ a probíhá následovně:

- Na křemíkový substrát se nanese vrstva materiálu, ze kterého má být vzor vytvořen. Aplikuje se fotorezist- vrstva polymerního fotosenzitivního materiálu, který při ozáření světlem mění své fyzikálně-chemické vlastnosti.
- Vyrobeny vystavující(osvětlení vrstvy fotografie po přesně nastavenou dobu) přes fotomasku
- Odstranění použitého fotorezistu.

Požadovaná struktura se nakreslí na fotomasku - zpravidla se jedná o desku z optického skla, na které se fotí neprůhledná místa. Každá taková šablona obsahuje jednu z vrstev budoucího zpracovatele, proto musí být velmi přesná a praktická.

Někdy je prostě nemožné uložit určité materiály na správná místa na desce, takže je mnohem snazší nanést materiál najednou na celý povrch a odstranit přebytek z těch míst, kde to není potřeba - obrázek výše ukazuje aplikace fotorezistu v modré barvě.

Deska je ozařována proudem iontů (kladně nebo záporně nabitých atomů), které na určených místech pronikají pod povrch desky a mění vodivé vlastnosti křemíku (zelené plochy jsou vnořené cizí atomy).

Jak izolovat oblasti, které nevyžadují následné ošetření? Před litografií se nanese povrch křemíkového plátku (při vysoké teplotě ve speciální komoře) ochranný film dielektrikum - jak jsem již řekl, namísto tradičního oxidu křemičitého začal Intel používat High-K dielektrikum. Je tlustší než oxid křemičitý, ale zároveň má stejné kapacitní vlastnosti. Kromě toho se v důsledku nárůstu tloušťky snižuje svodový proud přes dielektrikum a v důsledku toho je možné získat energeticky účinnější procesory. Obecně je zde mnohem obtížnější zajistit rovnoměrnost této fólie po celé ploše desky – v tomto ohledu se ve výrobě používá vysoce přesná regulace teploty.

Takže to je vše. Na těch místech, která budou ošetřena nečistotami, není potřeba ochranný film - opatrně se odstraňuje leptáním (odstranění oblastí vrstvy, aby se vytvořila vícevrstvá struktura s určitými vlastnostmi). A jak ji odstranit ne všude, ale pouze v nezbytných oblastech? K tomu je třeba na film nanést ještě jednu vrstvu fotorezistu – díky odstředivé síle rotující desky se nanáší ve velmi tenké vrstvě.

Při fotografii světlo prošlo negativním filmem, dopadlo na povrch fotografického papíru a změnilo jeho chemické vlastnosti. Ve fotolitografii je princip podobný: světlo prochází fotomaskou na fotorezist a v těch místech, kde maskou prošlo, mění jednotlivé oblasti fotorezistu vlastnosti. Světelné záření prochází maskami a je zaměřeno na substrát. Pro přesné ostření je potřeba speciální systém čoček nebo zrcadel, které dokážou obraz vyřezaný na masce nejen zmenšit na velikost čipu, ale také přesně promítnout na obrobek. Potištěné desky jsou obvykle čtyřikrát menší než samotné masky.

Veškerý vyčerpaný fotorezist (který působením ozáření změnil svou rozpustnost) se odstraní speciálním chemickým roztokem - spolu s ním se rozpustí i část substrátu pod osvětleným fotorezistem. Část substrátu, která byla maskou skryta před světlem, se nerozpustí. Tvoří vodič nebo budoucí aktivní prvek - výsledkem tohoto přístupu jsou různé vzory zkratů na každé vrstvě mikroprocesoru.

Ve skutečnosti byly všechny předchozí kroky nutné k vytvoření polovodičových struktur na potřebných místech zavedením donorové (n-typ) nebo akceptorové (p-typ) nečistoty. Předpokládejme, že potřebujeme vytvořit oblast koncentrace nosiče typu p v křemíku, to znamená děrový vodivý pás. K tomu je deska zpracována pomocí zařízení tzv implantátor- ionty boru s obrovskou energií jsou vystřelovány z vysokonapěťového urychlovače a jsou rovnoměrně rozmístěny v nechráněných zónách vzniklých při fotolitografii.

Tam, kde bylo dielektrikum odstraněno, pronikají ionty do nechráněné křemíkové vrstvy – jinak se v dielektriku „zaseknou“. Po dalším procesu leptání jsou zbytky dielektrika odstraněny a na desce zůstávají zóny, ve kterých je lokálně přítomen bór. Je jasné, že moderní procesory mohou mít takových vrstev několik - v tomto případě se ve výsledném obrazci opět naroste dielektrická vrstva a pak už jde vše po vyšlapané cestičce - další vrstva fotorezistu, proces fotolitografie (již s novou maskou) , leptání, implantace ... no, rozumíš.

Charakteristická velikost tranzistoru je nyní 32 nm a vlnová délka, se kterou se křemík zpracovává, není ani obyčejné světlo, ale speciální ultrafialový excimerový laser - 193 nm. Zákony optiky však neumožňují rozlišit dva objekty umístěné ve vzdálenosti menší než polovina vlnové délky. To je způsobeno difrakcí světla. Jak být? Chcete-li použít různé triky - například kromě zmíněných excimerových laserů, které svítí daleko v ultrafialovém spektru, moderní fotolitografie využívá vícevrstvou reflexní optiku pomocí speciálních masek a speciální proces imerzní (imerzní) fotolitografie.

Logické prvky, které se tvoří v procesu fotolitografie, musí být vzájemně propojeny. K tomu se desky umístí do roztoku síranu měďnatého, ve kterém se působením elektrického proudu "usazují" atomy kovu ve zbývajících "průchodech" - v důsledku tohoto galvanického procesu se vytvářejí vodivé oblasti které vytvářejí spojení mezi jednotlivými částmi procesorové "logiky". Přebytečný vodivý povlak se odstraní leštěním.

Domácí protažení

Hurá - to nejtěžší je za námi. Zůstává ošemetným způsobem zapojení „zbytků“ tranzistorů – princip a posloupnost všech těchto zapojení (sběrnic) se nazývá architektura procesoru. Tato zapojení jsou u každého procesoru jiná – i když se obvody zdají být zcela ploché, v některých případech lze použít až 30 úrovní takových „drátů“. Z dálky (při velmi velkém zvětšení) to všechno vypadá jako futuristická silniční křižovatka – a tyhle spleti koneckonců někdo navrhuje!

Po dokončení zpracování waferů jsou wafery převedeny z výroby do montážní a zkušební dílny. Tam krystaly procházejí prvními testy a ty, které testem projdou (a to je drtivá většina), jsou speciálním zařízením vyříznuty ze substrátu.

V další fázi je procesor zabalen do substrátu (na obrázku - procesor Intel Core i5, sestávající z CPU a HD grafického čipu).

Dobrý den, zásuvka!

Substrát, matrice a teplosměnný kryt jsou spojeny dohromady - to je produkt, který budeme mít na mysli, když řekneme slovo "procesor". Zelený substrát vytváří elektrické a mechanické rozhraní (k elektrickému spojení křemíkového čipu se skříní je použito zlato), díky kterému bude možné osadit procesor do patice základní desky – ve skutečnosti jde jen o platformu, na kterou kontakty z malého čipu jsou zapojeny. Kryt rozvádějící teplo je tepelné rozhraní, které během provozu ochlazuje procesor - právě na tento kryt bude navazovat chladicí systém, ať už chladič chladiče nebo zdravý vodní blok.

Zásuvka(konektor centrálního procesoru) - patice nebo slot konektor určený pro instalaci centrálního procesoru. Použití konektoru namísto přímého odpájení procesoru na základní desce usnadňuje výměnu procesoru při upgradu nebo opravě počítače. Konektor může být navržen pro instalaci skutečného procesoru nebo karty CPU (například v Pegasos). Každý slot umožňuje instalaci pouze určitého typu procesoru nebo CPU karty.

V konečné fázi výroby se hotové procesory podrobují závěrečným testům na shodu s hlavními charakteristikami - pokud je vše v pořádku, pak jsou procesory tříděny ve správném pořadí do speciálních zásobníků - v této podobě půjdou zpracovatelé k výrobcům nebo odejdou k prodeji OEM. Další várka půjde do prodeje v podobě BOX verzí - v krásné krabici spolu se skladovým chlazením.

Konec

Nyní si představte, že společnost oznámí například 20 nových procesorů. Všechny se od sebe liší – počtem jader, velikostí mezipaměti, podporovanými technologiemi... Každý model procesoru využívá určitý počet tranzistorů (počítáno v milionech a dokonce miliardách), svůj vlastní princip spojování prvků... A všechny to musí být navrženo a vytvořeno / zautomatizováno - šablony, čočky, litografie, stovky parametrů pro každý proces, testování ... A to vše by mělo fungovat nepřetržitě, v několika továrnách najednou ... Ve výsledku by se měla objevit zařízení které nemají prostor pro chybu v provozu ... A cena těchto technologických mistrovských děl by měla být v mezích slušnosti ... jsem si téměř jistý tím, že si stejně jako já nedovedete představit celý objem práce je hotovo, o kterém jsem se vám dnes pokusil vyprávět.

No a ještě něco překvapivého. Představte si, že jste před pěti minutami velký vědec - opatrně jste sundali tepelně rozvádějící kryt procesoru a obrovským mikroskopem jste viděli strukturu procesoru - všechna tato spojení, tranzistory... dokonce i něco načrtli na kus papíru, abych nezapomněl. Myslíte si, že je snadné studovat principy procesoru, mít pouze tato data a údaje o tom, jaké úkoly lze pomocí tohoto procesoru vyřešit? Zdá se mi, že přibližně stejný obrázek nyní vidí vědci, kteří se na podobné úrovni snaží studovat práci lidského mozku. Pouze pokud věříte stanfordským mikrobiologům, v jednom lidském mozku

Nedávno byl v Moskevském polytechnickém muzeu vážně aktualizován stánek výpočetní techniky - Intel tam umístil svůj stánek s názvem „ Od písku k procesoru„Od nynějška se tento stánek stane nedílnou součástí školních výletů, ale i dospělým radím, aby neodkládali návštěvu instituce na více než pět let – do roku 2016 Intel plánuje seriózně“ upgradovat „muzeum, aby mohlo vstoupit do deset nejlepších vědeckých muzeí na světě!

K této akci byl načasován stejnojmenný cyklus přednášek ve třech částech. Dvě přednášky již prošly - jejich obsah najdete pod střihem. Pokud vás tohle všechno zajímá, tak ještě stihnete navštívit třetí přednášku, o které jsou informace na konci příspěvku.

Nestydím se přiznat, že většina tohoto textu je skutečně shrnutím první přednášky Nikolay Suetin, ředitel externích projektů v oblasti výzkumu a vývoje Intel v Rusku. Z velké části šlo o moderní polovodičové technologie a problémy, se kterými se potýkají.

Navrhuji začít číst zajímavé věci a začneme od úplných základů.

procesor

Technicky je moderní mikroprocesor vyroben ve formě jediného ultravelkého integrovaného obvodu, který se skládá z několika miliard prvků - to je jedna z nejsložitějších struktur vytvořených člověkem. Klíčovými prvky každého mikroprocesoru jsou diskrétní spínače – tranzistory. Blokováním a průchodem elektrického proudu (zapnuto-vypnuto) umožňují logickým obvodům počítače pracovat ve dvou stavech, tedy ve dvojkové soustavě. Tranzistory se měří v nanometrech. Jeden nanometr (nm) je jedna miliardtina (10-9) metru.
Většinu práce při vytváření procesorů vůbec nevykonávají lidé, ale robotické mechanismy – jsou to oni, kdo nosí křemíkové plátky tam a zpět. Výrobní cyklus každé desky může být až 2-3 měsíce.

Podrobněji (a vizuálně) o technologii výroby procesorů vám povím, ale zatím docela stručně.

Desky jsou ve skutečnosti vyrobeny z písku - křemík je po kyslíku druhý, pokud jde o množství v zemské kůře. Prostřednictvím chemických reakcí se oxid křemičitý (SiO 2) důkladně čistí, čímž se stává „špinavě“ čistý. Pro mikroelektroniku je potřeba monokrystalický křemík – získává se z taveniny. Vše začíná malým krystalem (který se spouští do taveniny) – později se promění ve zvláštní monokrystalickou „bouli“ vysokou jako člověk. Dále jsou odstraněny hlavní vady a koule je nařezána na kotouče se speciálními závity (s diamantovým práškem) - každý kotouč je pečlivě zpracován na absolutně rovný a hladký (na atomární úrovni) povrch. Tloušťka každého plátu je cca 1mm - pouze proto, aby se nelámal a neohýbal, tedy aby se s ním pohodlně pracovalo.

Průměr každé desky je přesně 300mm – o něco později na této ploše „vyrostou“ stovky či dokonce tisíce procesorů. Mimochodem Intel, Samsung, Toshiba a TSMC již oznámili, že vyvíjejí zařízení schopná pracovat se 450mm plotnami (na větší plochu se vejde více procesorů, a proto bude cena každého nižší) - přechod na ně je plánován již do roku 2012.

Zde je průřezový obrázek procesoru:

Nahoře je ochranný kovový kryt, který kromě ochranné funkce funguje i jako rozvaděč tepla - právě ten hojně potíráme teplovodivou pastou, když instalujeme chladič. Pod rozvaděčem tepla je stejný kus křemíku, který plní všechny úkoly uživatele. Ještě nižší - speciální substrát, který je potřebný pro pinout (a pro zvětšení plochy „noh“), aby bylo možné procesor nainstalovat do patice základní desky.

Samotný čip se skládá z křemíku, na kterém je až 9 metalizačních vrstev (z mědi) - tolik je potřeba úrovní, aby bylo podle určitého zákona možné připojit tranzistory umístěné na povrchu křemíku ( protože je prostě nemožné dělat to všechno na stejné úrovni). V podstatě tyto vrstvy fungují jako spojovací dráty, pouze v mnohem menším měřítku; aby se "drátky" vzájemně nezkratovaly, jsou odděleny vrstvou oxidu (s nízkou dielektrickou konstantou).

Jak jsem psal výše, elementární článek procesoru je tranzistor s efektem pole. První polovodičové produkty byly vyrobeny z germania a první tranzistory byly vyrobeny z germania. Ale jakmile začali vyrábět tranzistory s efektem pole (pod jejichž bránou je speciální izolační vrstva - tenký dielektrický film, který řídí "zapnutí" a "vypnutí" tranzistoru), germanium okamžitě "vymřelo" , ustupující křemíku. Posledních 40 let se jako hlavní materiál pro hradlové dielektrikum používal oxid křemičitý (SiO 2), což bylo způsobeno jeho vyrobitelností a možností systematicky zlepšovat charakteristiky tranzistorů při zmenšování jejich velikosti.

Pravidlo škálování je jednoduché - zmenšením velikosti tranzistoru se musí úměrně zmenšit tloušťka dielektrika. Takže například u čipů s technickým procesem 65 nm byla tloušťka dielektrické vrstvy SiO2 hradla asi 1,2 nm, což je ekvivalent pěti atomárních vrstev. Ve skutečnosti se jedná o fyzikální limit pro daný materiál, protože v důsledku dalšího poklesu samotného tranzistoru (a tedy poklesu vrstvy oxidu křemičitého) se svodový proud přes dielektrikum hradla výrazně zvýší, což vede k značné ztráty proudu a nadměrné uvolňování tepla. Vrstva oxidu křemičitého v tomto případě přestává být překážkou pro kvantové tunelování elektronů, což znemožňuje zaručit kontrolu stavu tranzistoru. V souladu s tím i při ideální výrobě všech tranzistorů (jejichž počet v moderním procesoru dosahuje několika miliard) znamená nesprávná činnost alespoň jednoho z nich špatná práce celá logika procesoru, což může snadno vést ke katastrofě - to je, když uvážíte, že mikroprocesory řídí provoz téměř všech digitálních zařízení (od moderních mobilních telefonů po palivové systémy v autech).

Proces miniaturizace tranzistorů neprobíhal v rozporu s fyzikálními zákony, ale počítačový pokrok, jak vidíme, se nezastavil. To znamená, že problém s dielektrikem byl nějak vyřešen. A koneckonců se skutečně rozhodli – při přechodu na 45nm začal Intel používat nový materiál, tzv. high-k dielektrikum, které nahradilo beznadějně tenkou vrstvu oxidu křemičitého. Vrstva na bázi oxidu kovu vzácných zemin hafnia s vysokou (20 oproti 4 pro SiO2) dielektrickou konstantou k (high-k) zesílila, ale to umožnilo snížit svodový proud více než desetkrát, zatímco zachování schopnosti správně a stabilně řídit činnost tranzistoru. Ukázalo se, že nové dielektrikum je špatně kompatibilní s polysilikonovou bránou, ale to se nestalo překážkou - pro zvýšení rychlosti byla brána v nových tranzistorech vyrobena z kovu.

Intel se tak stal první společností na světě, která přešla na sériovou výrobu mikroprocesorů využívajících hafnium. Koruna navíc stále patří korporaci - až dosud nikdo nemůže tuto technologii reprodukovat, protože atomovou depozicí vzniká dielektrický film a materiál je nanášen v postupných vrstvách o tloušťce pouze jednoho atomu.
Je zajímavé, že po přečtení těchto odstavců jste získali představu, jak jsou navrženy, vyrobeny a zasazeny miliardy tranzistorů na tak malou plochu? A jak to všechno nakonec funguje a přitom to stojí celkem rozumné peníze? Začal jsem být velmi přemýšlivý, ačkoli dříve jsem to všechno považoval za samozřejmé a měl jsem dokonce svědomí myslet si: Hej, proč je to tak drahé? Pouze pro jeden procesor!»:)

V roce 1965 jeden ze zakladatelů Intel Corporation, Gordon Moore, zaznamenal empirické pozorování, které se později stalo slavným zákonem jeho jména. Poté, co ve formě grafu představil zvýšení výkonu paměťových mikroobvodů, objevil zajímavou pravidelnost: nové modely mikroobvodů byly vyvinuty ve stejných časových intervalech - asi 18-24 měsíců - po objevení se jejich předchůdců a kapacita mikroobvodů se přitom pokaždé zvýšila přibližně dvakrát.

Později Gordon Moore předpověděl vzorec, který naznačoval, že počet tranzistorů v mikroprocesorech se každé dva roky zdvojnásobí – ve skutečnosti neustálým vytvářením inovativních technologií společnost Intel Corporation prosazuje Moorův zákon již více než 40 let.

Počet tranzistorů stále roste, i když velikost výstupního procesoru zůstává relativně nezměněna. Opět zde není žádné tajemství - bude jasné, když se podíváte na následující závislost.

Jak vidíte, každé dva roky se topologické rozměry zmenšují 0,7krát. V důsledku zmenšení velikosti tranzistorů je jejich rychlost spínání vyšší, cena nižší a spotřeba energie nižší.

Na tento moment Intel vyrábí 32nm procesory. Klíčové technické rozdíly oproti 45nm technologii:
- Používá se 9 úrovní pokovení
- je použito dielektrikum nové generace high-k (také oxid hafnia, ale se speciálními přísadami - výsledná vrstva je ekvivalentní 0,9 nm oxidu křemíku)

Vytvoření nového technologického postupu pro vytvoření kovového hradla vedlo k 22% nárůstu výkonu všech tranzistorů (oproti 45nm) a také k nejvyšší hustotě prvků, která vyžadovala nejvyšší proudovou hustotu.

Výroba

Intel vyrábí procesory ve třech zemích – ve Spojených státech, Izraeli a Irsku. V tuto chvíli má společnost 4 továrny na hromadnou výrobu procesorů pomocí 32nm technologie. To: D1D a D1C v Oregonu, Fab 32 v Arizoně a Fab 11X v Novém Mexiku. Ve struktuře těchto továren a v jejich práci je mnoho zajímavých věcí, ale o tom vám povím příště.

Náklady na takový závod jsou asi 5 miliard dolarů, a pokud postavíte několik závodů najednou, lze částku investice bezpečně znásobit. Vzhledem k tomu, že technologie se mění každé dva roky, ukazuje se, že závod má přesně 4 roky na to, aby „získal“ investovaných 5 miliard dolarů a dosáhl zisku. Z čehož vyplývá zřejmý závěr - ekonomika velmi diktuje vývoj technického pokroku ... ale přes všechna tato obrovská čísla náklady na výrobu jednoho tranzistoru stále klesají - nyní je to méně než jedna miliarda dolarů.

Nemyslete si, že s přechodem několika továren na 32nm se najednou vše začne vyrábět podle této procesní technologie - stejné čipsety a další periferní obvody to prostě nepotřebují - ve většině případů používají 45nm. 22nm cutoff se plánuje naplno využít příští rok a do roku 2013 bude s největší pravděpodobností 16nm. Minimálně letos již byla vyrobena testovací deska (na 22nm), na které byla demonstrována provozuschopnost všech prvků nezbytných pro chod procesoru.

* UPD od * Potřeba snížit tloušťku dielektrika hradla je dána jednoduchým vzorcem pro plochý kondenzátor:

Oblast hradla tranzistoru se zmenšuje a aby tranzistor fungoval, musí být zachována kapacita dielektrika hradla.
Proto bylo nutné zmenšit jeho tloušťku, a když to bylo nemožné, byl nalezen materiál s vyšší dielektrickou konstantou.

Kdy skončí éra křemíku? Přesné datum zatím není známo, ale rozhodně to není daleko. Ve 22nm technologii to bude určitě "bojovat", nejspíš to zůstane u 16nm ... ale pak začne ta nejzajímavější část. Periodická tabulka je v zásadě dostatečně velká a je z čeho vybírat) Ale s největší pravděpodobností bude vše spočívat nejen na chemii. Zvýšení efektivity procesoru lze dosáhnout buď zmenšením topologických rozměrů (to dělají nyní), nebo použitím jiných sloučenin s vyšší mobilitou nosičů – třeba arsenidu galia, případně „senzačního“ a nadějného grafenu (mimochodem, jeho pohyblivost je stokrát vyšší než u křemíku). Ale i tady jsou problémy. Nyní jsou technologie navrženy pro zpracování desek o průměru 300 mm - množství arsenidu galia potřebného pro takovou desku v přírodě prostě neexistuje a grafen (Slovo vytrvale navrhuje psát "dekantér") této velikosti je stále extrémně obtížné vyrobit - naučili se to dělat, ale je tam mnoho vad, problémů reprodukce, legování atd.

S největší pravděpodobností bude dalším krokem depozice monokrystalického arsenidu galia na křemík a poté grafen. A možná, že vývoj mikroelektroniky půjde nejen cestou zdokonalování technologií, ale také cestou vývoje zásadně nové logiky - to také nelze vyloučit. Uzavřeme sázky, pánové? ;)

Obecně se nyní bojuje o technologie a vysokou mobilitu. Jedno je ale jasné – neexistují žádné důvody k zastavení pokroku.

Tick ​​tock

Výrobní proces pro procesory se skládá ze dvou velkých „částí“. Za prvé musíte mít samotnou technologii výroby a za druhé musíte pochopit CO a jak vyrábět - architekturu (jak jsou zapojeny tranzistory). Pokud se současně vyrábí nová architektura i nová technologie, pak v případě neúspěchu bude těžké najít „vinníka“ – někteří řeknou, že za to mohou „architekti“, jiní, že za to mohou technologové. obviňovat. Obecně je dodržování takové strategie velmi krátkozraké.

U Intelu je zavádění nové technologie a architektury časově odděleno – technologie je představena během jednoho roku (a pomocí nové technologie se vyrábí již vyvinutá architektura – pokud se něco „pokazí“, pak technologové obviňovat); a až se nová technologie vypracuje, tak k ní architekti udělají novou architekturu a když na rozpracované technologii něco nebude fungovat, tak za to budou architekti. Tato strategie se nazývala „Tick-tak“.
Jasněji:

Při současném tempu technologického vývoje je zapotřebí fantastických investic do výzkumu a vývoje – každý rok Intel do tohoto byznysu investuje 4-5 miliard dolarů. Část práce se odehrává uvnitř firmy, ale hodně – mimo ni. Jen udržet celou laboratoř ve společnosti jako Bellové laboratoře(kovárna laureátů Nobelovy ceny) v naší době téměř nemožné.
První nápady se zpravidla kladou na univerzitách – aby univerzity věděly, na čem přesně má smysl pracovat (jaké technologie jsou žádané a co bude relevantní), všechny „polovodičové firmy“ se spojily do konsorcia. Poté poskytují jakousi cestovní mapu – hovoří o všech problémech, kterým bude polovodičový průmysl čelit v příštích 3-5-7 letech. Teoreticky má každá společnost právo doslova jít na univerzitu a „využít“ toho či onoho inovativního vývoje, ale práva na ně zpravidla zůstávají vývojářské univerzitě - tento přístup se nazývá „otevřená inovace“ . Intel není výjimkou a pravidelně naslouchá nápadům studentů - po obhajobě, výběru na inženýrské úrovni a testování v reálných podmínkách má nápad každou šanci stát se nová technologie.

Zde je seznam výzkumných center po celém světě, se kterými Intel spolupracuje (kromě univerzit):

Zvýšení produktivity vede ke zvýšení nákladů továren, a to zase vede k přirozenému výběru. Takže například, aby se zaplatila za 4 roky, musí každá továrna Intelu vyrobit alespoň 100 pracovních desek za hodinu. Na každé desce jsou tisíce čipů ... a když uděláte nějaké výpočty, bude vám to jasné - kdyby Intel neměl 80 % světového trhu s procesory, společnost by prostě nebyla schopna vrátit náklady. Závěr - mít v dnešní době vlastní "design" a vlastní výrobu je docela drahé - minimálně je potřeba mít obrovský trh. Výsledek přirozeného výběru je vidět níže – jak je vidět, stále méně firem se svým „designem“ a výrobou kráčí krok s technologickým pokrokem. Všichni ostatní se museli přepnout do bajkového režimu – například Apple, ani NVIDIA, ba ani AMD nemají vlastní továrny a musí využívat služeb jiných společností.

Kromě Intelu jsou na 22nm technologii potenciálně připraveny pouze dvě společnosti po celém světě – Samsung a TSMC, které do svých továren loni investovaly více než 1 miliardu dolarů. Navíc TSMC nemá vlastní konstrukční divizi (pouze slévárna) - ve skutečnosti je to jen high-tech kovárna, která přijímá zakázky od jiných firem a často ani neví, co kutí.

Jak můžete vidět, přirozený výběr prošel dostatečně rychle - za pouhé 3 roky. Z toho lze vyvodit dva závěry. První je, že je nepravděpodobné, že bude možné stát se lídrem v oboru bez vlastní továrny; druhý - ve skutečnosti můžete uspět bez vlastní továrny. Celkem dost dobrý počítač, mozky a schopnost „kreslit“ – práh pro vstup na trh dramaticky klesl a právě z tohoto důvodu se objevilo mnoho „startupů“. Někdo přijde s určitým schématem, pro které je nebo je uměle vytvořen určitý trh - začínající výrobci stoupají ... ZISK! Ale práh slévárenského trhu silně vzrostl a bude dále růst ...

Co dalšího se za poslední roky změnilo? Pokud si vzpomínáte, až do roku 2004 platilo tvrzení „čím vyšší frekvence procesoru, tím lépe“. Počínaje lety 2004-2005 frekvence procesorů téměř přestala růst, což je spojeno s dosažením jakýchsi fyzických omezení. V dnešní době lze výkon zvýšit vícejádrovým – paralelním prováděním úloh. Vyrobit mnoho jader na jednom čipu ale není velký problém – přimět je ke správnému fungování při zátěži je mnohem obtížnější. V důsledku toho od té chvíle role softwaru dramaticky vzrostla a význam profese „programátor“ bude v blízké budoucnosti teprve nabírat na síle.

Obecně, shrnutím výše uvedeného:
- Moorův zákon nadále funguje
- Rostou náklady na vývoj nových technologií a materiálů, stejně jako náklady na údržbu továren
- Zvyšuje se také produktivita. Očekávaný skok při přechodu na 450mm destičky

Jako výsledek:
- Rozdělení společností na "bajky" a "slévárny"
- Zadávat hlavní výzkum a vývoj
- Diferenciace prostřednictvím vývoje softwaru

Konec

Bylo to zajímavé číst? Naděje. Minimálně pro mě bylo zajímavé tohle všechno psát a ještě zajímavější to bylo poslouchat ... i když jsem si zprvu také říkal: "Co řeknou na této přednášce."

Minulý týden se v Moskevském polytechnickém muzeu konala druhá přednáška, která

Velké věci začínají malými. Toto tvrzení platí pro mnoho věcí, ale tento článek bude hovořit o výrobě mikroprocesorů, které jsou plné různých domácích spotřebičů, které vás obklopují, od smartphonů po chladničky.

Příprava surovin

Počítačové čipy nejsložitější struktury, schopné provádět okamžité výpočty, se rodí v obrovských kelímcích vyrobených z křemenného skla, naplněných až po okraj pískem, který prošel vícestupňovým čištěním.

Předně se „technický“ křemík získává z písku nasbíraného v nějakém lomu přidáním uhlíku do minerálu při vysoké teplotě. Výsledný křemík dosahuje 98% čistoty, ale stále je zcela nevhodný pro použití v elektronickém průmyslu a vyžaduje další úpravu chlórem, aby se stal „elektronickým křemíkem“. V průběhu kaskády chemických reakcí s chlórem se křemík doslova znovu syntetizuje a zbavuje se posledních známek nečistot.

Teprve poté je kelímek s nejčistším elektronickým křemíkem umístěn do uzavřené pece naplněné argonem. Vzduch by z něj samozřejmě bylo možné evakuovat, ale vytvoření ideálního vakua na zemi je velmi obtížné, ne-li nemožné, a z chemického hlediska má argon prakticky stejný efekt. Tento inertní plyn nahrazuje kyslík, chrání kompozici před oxidací a sám o sobě nijak nereaguje s křemíkem v kelímku.

Teprve poté se bývalý písek zahřeje na 1420 stupňů Celsia, což je jen 6 stupňů nad jeho bodem tání. K tomu se používá grafitový ohřívač. Volba materiálu, stejně jako v případě kelímkového křemene, je dána tím, že grafit nereaguje s křemíkem a nemůže tedy kontaminovat materiál budoucího zpracovatele.

Do zahřátého kelímku se vhodí tenký zárodečný krystal křemíku o velikosti a tvaru tužky. Musí zahájit proces krystalizace. Zbytek lze reprodukovat doma s roztokem soli, cukru, kyseliny citrónové nebo například síranu měďnatého. Chladící roztok začíná krystalizovat kolem bodu zárodku a vytváří ideální molekulární mřížku. Takto se pěstují krystaly soli a takto roste křemík.

Zárodečný krystal křemíku se rychlostí asi jeden a půl milimetru za minutu postupně vyzvedává z kelímku a s ním stoupá z roztoku rostoucí monokrystal. Růst krystalů je pomalý a trvá v průměru 26 hodin na kelímek, takže výroba běží nepřetržitě.

Během této doby vznikne „boule“ – pevný válcovitý krystal o průměru 300 milimetrů, dlouhý až 1–2 metry a vážící asi 100 kilogramů. Když se na něj podíváte pod silným zvětšením, uvidíte přísnou strukturu - ideální krystalovou mřížku atomů křemíku, zcela jednotnou v celém objemu.

Křišťál je tak pevný, že jeho hmotnost unese závit o průměru pouhé 3 milimetry. Hotový polotovar pro zpracovatele je tedy vytažen z kelímku stejným zárodečným krystalem.

S „boulí“ se však zachází opatrněji než se starožitnou vázou, křišťál snese enormní tahové namáhání, ale je extrémně křehký.

Po chemickém a fluoroskopickém vyšetření pro kontrolu čistoty krystalu a správnosti molekulární mřížky je obrobek umístěn do křemíkového řezacího stroje. Nakrájí krystal na plátky o tloušťce asi 1 milimetr pomocí drátové pily s diamantovým povlakem.

Samozřejmě se neobejde bez poškození. Bez ohledu na to, jak ostrá je pila, po řezání zůstávají na povrchu desek mikroskopické vady. Po krájení tedy následuje krok leštění.

Ale ani po zpracování ve výkonné brusce nejsou křemíkové plátky stále dostatečně hladké, aby mohly být použity pro výrobu mikročipů. Proto se leštění znovu a znovu opakuje pomocí chemických činidel.

Výsledkem je povrch, oproti kterému zrcadlo připomíná hrubý brusný papír. Taková deska bez zlomů a mikrodefektů se stává základem pro miliony mikroelektronických zařízení, které tvoří mikroobvod. Bezprašné silikonové disky, které se běžně nazývají „wafer“ nebo „wafle“ v uzavřených nádobách, jsou odeslány do čisté místnosti.

V čisté místnosti

V roce 1958 učinil vynálezce integrovaného obvodu Jack Kirby průlom tím, že do svého obvodu umístil jeden tranzistor. V současné době počet logických prvků mikroprocesoru přesáhl jednu miliardu a nadále se každé dva roky zdvojnásobuje v souladu s Moorovým zákonem.

Práce s takovými mikroskopickými součástmi představuje vážnou výzvu pro výrobce čipů, protože i jediné smítko prachu může zničit budoucí produkt. Proto dílna o rozloze pár tisíc metrů čtverečních, zcela izolovaný od okolního světa, vybavený nejsofistikovanějšími systémy čištění vzduchu a klimatizace, díky čemuž je 10 000krát čistší než na chirurgickém oddělení.

Všichni specialisté pracující v takto čisté místnosti nejen udržují sterilitu, ale také nosí ochranné obleky z antistatických materiálů, masky, rukavice. A přesto, navzdory všem opatřením ke snížení rizika zmetků, se zpracovatelské společnosti snaží automatizovat co nejvíce operací prováděných v čistých prostorách tím, že je umístí na průmyslové roboty.

Proces výroby procesorů je umístěn na dopravním pásu. Dokonale plochý „oplatek“ dodaný v zapečetěné krabičce projde 400-500 technologickými operacemi a po několika měsících opustí obchod v podobě hotového mikročipu.

Vytvoření mikročipu z "waferu" znamená konstrukci velmi složitého technologického řetězce, který nelze podrobně popsat kvůli omezením objemu článku. I kdyby tam nebyli, společnosti jako Intel a AMD nespěchají se sdílením výrobních tajemství. V konstrukčních odděleních firem jsou navrhována nejsložitější trojrozměrná schémata vzájemného uspořádání procesorových prvků - topologie mikroobvodů. Představují víceúrovňovou hromadu prvků, která je rozdělena do vrstev a ukládána vrstva po vrstvě na křemíkový substrát. Je samozřejmě nemožné to udělat ručně, příliš jemný proces, příliš malé prvky, doslova nanometrové velikosti.

Procesory Intel osmé generace, známé jako Coffee Lake, jsou poseté 14 nanometrovými tranzistory, AMD oznámilo druhou generaci procesorů AMD Ryzen s kódovým označením Pinnacle Ridge, postavené na 12 nanometrových buňkách. Nejnovější Grafické karty NVIDIA s architekturou Volta jádra jsou také postavena pomocí 12 nanometrové technologie. Systém na čipu Qualcomm Snapdragon 835 je ještě menší – pouhých 10 nanometrů. Neustálé zmenšování funkčních prvků procesoru a následně zvyšování jeho výkonu je možné díky zdokonalování technologie zvané fotolitografie.

Obecně lze tento proces popsat takto:

Nejprve se křemíkový plátek pokryje základem - materiálem, který se bude muset stát součástí budoucího schématu, poté se na stejnoměrnou vrstvu nanese chemické činidlo citlivé na světlo. Tato sestava udělá všechnu práci, ale pointa je později.

Dříve se z podnikových archivů získával vysoce tajný podrobný diagram procesoru. Jeho spodní vrstva je prezentována ve formě negativu a přenesena na fotomasku - ochrannou desku, která působí jako šablona. Je výrazně větší než čip, takže světlo procházející přes něj je zaostřeno pomocí složitého systému čoček, čímž se promítaný obraz zmenší na požadovanou velikost.

V místech, kde se světlo nedostane ke křemíku, zůstává deska neporušená, v osvětleném vyvolá reakci v chemickém činidle, které změní její vlastnosti. Poté bude budoucí procesor ošetřen další sloučeninou a tyto oblasti se rozpustí a zůstanou pouze ty oblasti, které nebyly vystaveny. Tvoří také vodivé logické prvky procesoru.

Poté se na desku nanese dielektrická vrstva a navrch se přidají nové komponenty procesoru, opět pomocí fotolitografie.

Některé vrstvy se zahřívají, některé jsou vystaveny ionizovanému plazmatu a jiné jsou pokryty kovem. Každý typ zpracování mění vlastnosti vrstvy a pomalu vytváří dílek skládačky, který tvoří konkrétní model čipu. Výsledkem je jakýsi vrstvený koláč, kde každá vrstva má svoji funkci a jsou vzájemně složitě propojeny pomocí „drážek“ atomů mědi, které jsou na křemíkovém substrátu naneseny z roztoku síranu měďnatého, procházejícího elektrický proud přes něj.

Toto je konečná fáze zpracování, po které se kontroluje funkčnost mikročipů. Navzdory všem opatřením a mnohadennímu úsilí zůstává míra odmítnutí vysoká. Roboti vyberou a odříznou pouze 100% zpracovatelné čipy z křemíkového plátku.
Budou setříděny podle energetické účinnosti, proudů a maximálních provozních frekvencí, budou jim přiřazena různá označení a nakonec se budou prodávat za různé ceny.

Dokončovací úpravy

Na cestě k zákazníkům zpracovatelé opouštějí čistý prostor a jdou k montážní lince, kde se hotový mikroobvod nalepí na čtverec zvaný substrát. Křišťál je s ním pájen ve speciální peci při teplotě 360 stupňů Celsia.

Poté se čip přikryje víkem. Slouží jak k ochraně dosud křehkého křemíku před poškozením, tak k odvodu tepla z něj. Pravděpodobně to dobře tušíte, základna chladicího systému bude přitlačena k víku, ať už jde o chladič nebo výměník tepla CBO (systém vodního chlazení). Tato etapa není o nic méně důležitá než ta předchozí. Stabilita a rychlost jeho provozu, jeho budoucí maximální výkon totiž do značné míry závisí na tom, jak dobře kryt procesoru odvádí teplo z krystalu.

Starý procesory Intel doslova připájené na kryty rozvodů tepla. Nejnovější generace proprietárních čipů však dostávají tepelné rozhraní mezi krystalem a víkem a hůře se chladí, což je pro nadšence do počítačového hardwaru, kteří chtějí ze svých nákupů vymáčknout maximum, velkým zklamáním. Došlo to až k tomu, že „skalpují“ procesory – samostatně z nich odeberou rozvaděč tepla a tepelné rozhraní nahradí účinnějším. Ale nenechme se rozptylovat triky s přetaktováním, protože procesor ještě není připraven.

Poslední fází je vytvoření elektrických kontaktů, se kterými bude mikroprocesor spojen základní deska počítač. Obvykle se k tomu vyrábějí plechové válečky, tzv. „nohy“ procesoru, které se nejprve přilepí a následně připájejí k podkladu, kde jsou pro ně předem zajištěna místa. U mikročipů s velkým počtem vazeb se někdy místo nožiček používají malé cínové kuličky, protože jsou pevnější a spolehlivější, ale v poslední době se od nich upouští ve prospěch jednoduchých kontaktních podložek.

Hotový mikročip se promyje v roztoku vody s rozpouštědlem, aby se odstranily přebytečné tavidla a nečistoty, a poté se provede finální kontrola kvality odvedené práce. Ty se mohou pohybovat od zátěžových testů až po výkon v čisté místnosti nebo přísnější testy. Například čipy určené pro provoz v extrémních podmínkách, jako je vesmírný a vojenský průmysl, jsou uzavřeny v keramických pouzdrech a opakovaně testovány při extrémních teplotách ve vakuových komorách.

Poté, v závislosti na účelu mikroprocesoru, jde přímo do rukou kupujících a poté do patic základní desky, nebo do jiných továren, kde malý křemíkový krystal zaujme své místo na počítačové desce grafické karty, vesmírného satelitu, chytré lednice nebo možná spadne do pouzdra na smartphone.

Výroba procesoru

Hlavním chemickým prvkem používaným při výrobě procesorů je křemík, po kyslíku nejrozšířenější prvek na Zemi. Je základní složkou pobřežního písku (oxid křemičitý); v této formě však není vhodný pro výrobu mikroobvodů. Chcete-li použít křemík jako materiál pro výrobu mi

příčných obvodů je zapotřebí zdlouhavý technologický proces, který začíná výrobou čistých krystalů křemíku Czochralského metodou. Podle této technologie se suroviny, které se používají především jako křemenná hornina, přeměňují v elektrických obloukových pecích na metalurgický křemík. Poté se pro odstranění nečistot výsledný křemík roztaví, destiluje a krystalizuje ve formě polovodičových ingotů s velmi vysokým stupněm čistoty (99,999999 %). Po mechanickém rozřezání ingotů jsou výsledné předvalky naloženy do křemenných kelímků a umístěny do elektrických sušicích pecí pro tažení krystalů, kde se taví při teplotách přesahujících 2500 °F. Aby se zabránilo tvorbě nečistot, instalují se sušící pece obvykle na silný betonový základ. Betonový základ je zase namontován na tlumičích, které mohou výrazně snížit vibrace, které mohou negativně ovlivnit tvorbu krystalů. Jakmile se obrobek začne tavit, je do roztaveného křemíku umístěn malý, pomalu rotující zárodečný krystal. Jak se zárodečný krystal vzdaluje od povrchu taveniny, následují ho křemíková vlákna, která po ztuhnutí vytvoří krystalickou strukturu. Změnou rychlosti pohybu zárodečného krystalu (10-40 mm za hodinu) a teploty (asi 2500 ° Fahrenheita) získáme krystal křemíku s malým počátečním průměrem, který se pak pěstuje do požadované velikosti. V závislosti na velikosti vyrobených mikroobvodů dosahuje vyrostlý krystal 8-12 palců (20-30 mm) v průměru a 5 stop (asi 1,5 m) na délku.

Hmotnost vyrostlého krystalu dosahuje několika set liber. Obrobek se vkládá do válce o průměru 200 mm (současný standard), často s plochým řezem na jedné straně pro polohování a přesnost obrábění. Poté se každý obrobek rozřeže diamantovou pilou na více než tisíc kruhových substrátů o tloušťce menší než jeden milimetr (obrázek 2). Poté se podklad leští, dokud není jeho povrch zrcadlově hladký. Výroba mikroobvodů využívá proces zvaný fotolitografie. Technologie tohoto procesu je následující: na polovodič, který slouží jako základ čipu, jsou naneseny vrstvy různých materiálů; tak vznikají tranzistory, elektronické obvody a vodiče (dráhy), kterými se šíří signály. V průsečíkech konkrétních obvodů můžete vytvořit tranzistor nebo spínač (ventil). Fotolitografický proces začíná potažením substrátu polovodičovou vrstvou se speciálními přísadami, poté je tato vrstva pokryta fotorezistním chemickým složením a poté je obraz mikroobvodu promítnut na nyní světlocitlivý povrch. V důsledku přidání donorových nečistot do křemíku (což je přirozeně dielektrikum) se získá polovodič. Projektor používá speciální fotomasku (masku), která je ve skutečnosti mapou této konkrétní vrstvy mikroobvodu. (Čip procesoru Pentium III obsahuje pět vrstev; další moderní procesory může mít šest nebo více vrstev. Při vývoji nového procesoru bude nutné navrhnout fotomasku pro každou vrstvu mikroobvodu.) Při průchodu první fotomaskou se světlo soustředí na povrch substrátu a zanechá otisk obrazu této vrstvy. Poté speciální zařízení poněkud posune substrát a stejná fotomaska ​​(maska) se použije k tisku dalšího mikroobvodu. Po natištění mikroobvodů na celý substrát žíravá alkálie smyje oblasti, kde světlo působilo na fotorezist a zanechá otisky fotomasky (masky) konkrétní vrstvy mikroobvodu a mezivrstvových spojů (spojení mezi vrstvami), stejně jako signálové cesty. Poté se na podložku nanese další vrstva polovodiče a na ni opět trocha fotorezistové látky, poté se další fotomaska ​​(maska) použije k vytvoření další vrstvy mikroobvodu. Tímto způsobem se vrstvy nanášejí jedna na druhou, dokud není mikroobvod kompletně vyroben.

Finální masku přidává tzv. metalizační vrstva sloužící k připojení všech tranzistorů a dalších součástek. Většina mikroobvodů používá pro tuto vrstvu hliník, ale v poslední době se používá měď. Měď se například používá při výrobě procesorů AMD v továrně v Drážďanech. To je způsobeno lepší vodivostí mědi ve srovnání s hliníkem. Pro všudypřítomné využití mědi je však nutné vyřešit problém její koroze.

Po dokončení zpracování kruhového substrátu se na něj fotometodou vytiskne maximální možný počet mikroobvodů. Mikroobvod je obvykle ve tvaru čtverce nebo obdélníku, podél okrajů substrátu jsou některé "volné" oblasti, i když se výrobci snaží využít každý čtvereční milimetr povrchu. Průmysl prochází dalším přechodným obdobím ve výrobě mikroobvodů. V poslední době se projevuje tendence ke zvětšování průměru substrátu a zmenšování celkových rozměrů krystalu, což se projevuje zmenšováním rozměrů jednotlivých obvodů a tranzistorů a vzdálenosti mezi nimi. Koncem roku 2001 a začátkem roku 2002 došlo k přechodu z technologie 0,18 na 0,13 mikronu, kdy byly hliníkové interkrystaly nahrazeny mědí, a průměr substrátu se zvýšil z 200 mm (8 palců) na 300 mm (12 palců). Zvětšením průměru substrátu na 300 mm se zdvojnásobí počet vyrobených mikroobvodů. Použití 0,13mikronové technologie umožňuje umístit na čip více tranzistorů při zachování jeho přijatelných rozměrů a uspokojivého procenta výtěžnosti produktu. To znamená, že trend ke zvýšení množství vyrovnávací paměti zabudované v matrici procesoru pokračuje. Jako příklad toho, jak to může ovlivnit parametry konkrétního mikroobvodu, zvažte procesor Pentium 4.

Průměr standardního substrátu používaného v polovodičovém průmyslu po mnoho let je 200 mm nebo přibližně 8 palců (obr. Plocha substrátu tak dosahuje 31 416 mm2. První verze procesoru Pentium 4 vyrobená na 200mm substrátu obsahovala 0,18mikronové jádro Willamette s hliníkovými kolíky umístěnými na matrici o ploše cca 217mm2. Procesor obsahoval 42 milionů tranzistorů. 200 mm (8palcový) substrát mohl pojmout až 145 těchto mikroobvodů. 0,13mikronové procesory Northwood Pentium 4 obsahují měděné obvody na matrici 131 mm2. Tento procesor již obsahuje 55 milionů tranzistorů. Ve srovnání s verzí Willamette má jádro Northwood dvojnásobné množství onboard L2 cache (512 KB), což vysvětluje vyšší počet obsažených tranzistorů. Použití 0,13mikronové technologie umožňuje zmenšit velikost matrice asi o 60 %, což umožňuje umístit až 240 mikroobvodů na stejný 200mm (8palcový) substrát. Jak si vzpomínáte, na tento substrát se vešlo pouze 145 krystalů Willamette. Začátkem roku 2002 začal Intel vyrábět čipy Northwood na větším 300mm substrátu s plochou 70 686 mm2. Plocha tohoto substrátu je 2,25 krát větší než plocha 200 mm substrátu, což umožňuje prakticky zdvojnásobit počet na něm umístěných mikroobvodů. Pokud mluvíme o procesoru Pentium 4 Northwood, pak lze na 300 mm substrát umístit až 540 mikroobvodů. Použití moderní 0,13mikronové technologie v kombinaci se substrátem s větším průměrem umožnilo více než 3,7násobek výroby procesorů Pentium 4. To je z velké části způsobeno tím, že moderní mikroobvody mají často nižší cenu než mikroobvody. předchozí verze... V roce 2003 přešel polovodičový průmysl na technologii 0,09 mikronu. Když bude zavedena nová výrobní linka, ne všechny čipy na substrátu budou použitelné. Ale jak se technologie výroby tohoto mikroobvodu zdokonaluje, zvýší se i procento dobrých (pracovních) mikroobvodů, které se nazývá výtěžek dobrých. Na začátku uvádění nových produktů může být výtěžnost pod 50 %, ale v době, kdy se ukončuje uvolňování tohoto typu produktů, je to již 90 %. Většina výrobců čipů se skrývá reálná čísla výnosy dobrých, protože znalost skutečného vztahu vhodného k defektnímu může být v rukou jejich konkurentů. Pokud má společnost konkrétní údaje o tom, jak rychle se zvyšuje výtěžnost dobrých produktů od konkurence, může upravit ceny čipů nebo naplánovat výrobu tak, aby v kritické době zvýšila svůj podíl na trhu. Například v letech 1997 a 1998 měla AMD nízké výnosy a ztratila významný podíl na trhu. Přestože se AMD snažilo tento problém vyřešit, musela ještě podepsat dohodu, podle které měla IBM Microelectronics vyrábět a dodávat AMD některé své vlastní mikroprocesory. Po dokončení zpracování substrátu speciální zařízení zkontroluje každý mikroobvod na něm a označí ty vadné, které budou později zamítnuty. Mikroobvody jsou následně vyříznuty z podkladu pomocí vysoce výkonné laserové nebo diamantové pily. Když jsou krystaly vyříznuty ze substrátů, každý mikroobvod je testován samostatně, zabalen a znovu testován. Proces balení se nazývá lepení: poté, co je krystal umístěn do pouzdra, speciální stroj spojí vodiče krystalu s kolíky (nebo kontakty) na pouzdru mikroobvodu pomocí malých zlatých drátů. Poté je mikroobvod zabalen do speciálního sáčku - kontejneru, který jej v podstatě chrání před nepříznivými vlivy vnějšího prostředí. Poté, co jsou kolíky krystalu spojeny s kolíky na těle mikroobvodu a mikroobvod je zabalen, je proveden závěrečný test ke stanovení správné funkce a jmenovité rychlosti. Různé mikroobvody stejné řady mají často různé rychlosti. Speciální testovací zařízení nutí každý mikroobvod pracovat v různých podmínkách (při různých tlacích, teplotách a hodinových frekvencích), přičemž určují hodnoty parametrů, při kterých se správná funkce mikroobvodu zastaví. Paralelně se určí maximální rychlost; poté jsou mikroobvody seřazeny podle rychlosti a rozděleny mezi přijímače: mikroobvody s podobnými parametry spadají do stejného přijímače. Například mikroobvody Pentium 4 2.0A, 2.2, 2.26, 2.24 a 2.53 GHz jsou stejný mikroobvod, tj. všechny byly vytištěny ze stejné fotomasky, navíc jsou vyrobeny ze stejného obrobku, ale na konci výroby cyklu byly seřazeny podle rychlosti.

Historie výroby procesoru

Každý moderní procesor se skládá z obrovské sady tranzistorů, které fungují jako elektronické mikroskopické spínače. Na rozdíl od konvenčního spínače jsou tranzistory schopny přepínat miliardy, dokonce bilionykrát za sekundu. Pro dosažení tak obrovské spínací rychlosti je však nutné tyto tranzistory zmenšit. Výkon každého procesoru je navíc nakonec určen počtem samotných tranzistorů. Proto od vytvoření prvního integrovaného mikroobvodu v roce 1959 šel vývoj průmyslu směrem ke snižování velikosti tranzistorů a zároveň zvyšování jejich hustoty na mikroobvodu.

Když se mluví o předpovědích nárůstu hustoty uložení a zmenšení geometrických rozměrů tranzistorů, obvykle se hovoří o tzv. Moorově zákonu. Všechno to začalo v roce 1965, tři roky předtím, než Gordon E. Moore spoluzaložil Intel. Technologie výroby integrovaných mikroobvodů v té době umožňovala integrovat asi tři desítky tranzistorů do jednoho mikroobvodu a skupina vědců v čele s Gordonem Moorem dokončovala vývoj nových mikroobvodů, které již kombinovaly 60 tranzistorů. Na žádost časopisu Electronics napsal Gordon Moore článek k 35. výročí vydání. V tomto článku byl Moore požádán, aby předpověděl, jak se polovodičová zařízení zlepší během příštích 10 let. Po analýze tempa vývoje polovodičových součástek a ekonomických faktorů za posledních šest let Moore předpokládal, že se počet tranzistorů na čipu ročně zdvojnásobí a do roku 1975 bude počet tranzistorů v jednom integrovaném obvodu 65 tisíc.

V roce 1965 samozřejmě nemohl ani Gordon Moore sám, ani nikdo jiný předpokládat, že zveřejněná předpověď na příštích deset let se nejen přesně splní, ale poslouží také jako základ pro formulaci základního pravidla pro vývoj všech polovodičové technologie na mnoho let dopředu. S Moorovou předpovědí však nešlo vše hladce. V roce 1975 začal růst počtu prvků v jednom mikroobvodu mírně zaostávat za prognózou. Poté Gordon Moore upravil dobu upgradu na 24 měsíců, aby kompenzoval očekávaný nárůst složitosti polovodičových součástek. Koncem 80. let minulého století byl proveden další dodatek vedoucím pracovníkem Intelu a Moore předpovídal zdvojnásobení výpočetního výkonu každých 18 měsíců (výpočetní výkon, měřený v milionech instrukcí za sekundu (MIPS), se zvyšuje kvůli nárůstu počtu tranzistorů). ).

Až dosud jsme záměrně používali Mooreova slova „prognóza“ nebo „předpověď“, ale v literatuře je běžnější výraz „Moorův zákon“. Faktem je, že po zveřejnění zmíněného článku v časopise Electronics dal profesor Carver Mead, Mooreův kolega z Kalifornského technologického institutu, této prognóze název „Moorův zákon“ a ustála.

Proč zmenšovat tranzistory?

Zmenšením velikosti tranzistorů se zmenšuje plocha matrice, a tím i rozptyl tepla, a tenčí hradlo vám umožňuje použít menší napětí pro spínání, což také snižuje spotřebu energie a rozptyl tepla.

Pokud se délka hradla tranzistoru zmenší o faktor M, pak se o stejnou hodnotu sníží i provozní napětí hradla. Kromě toho se rychlost tranzistoru zvyšuje faktorem M a hustota umístění tranzistorů na krystalu se zvyšuje kvadraticky a ztrátový výkon se snižuje faktorem M.

Po dlouhou dobu byly zmenšující se tranzistory nejviditelnějším způsobem, jak zvýšit výkon procesoru. V praxi to nebylo tak snadné implementovat, ale ještě obtížnější bylo vymyslet takovou strukturu procesoru, aby jeho pipeline fungovala s maximální efektivitou.

Negativní faktory zmenšování velikosti tranzistorů

V posledních letech začala „gigahertzová rasa“ znatelně ustupovat. Je to dáno tím, že počínaje velikostí tranzistorů 90 nm se začaly silně projevovat nejrůznější dříve ne tak silně vnímatelné negativní faktory: svodové proudy, velký rozptyl parametrů a exponenciální nárůst uvolňování tepla. Pojďme na to přijít popořadě.

Existují dva svodové proudy: hradlový svodový proud a podprahový svod. První je způsoben spontánním pohybem elektronů mezi křemíkovým substrátem kanálu a polysilikonovým hradlem. Druhým je samovolný pohyb elektronů ze zdroje tranzistoru do kolektoru. Oba tyto vlivy vedou k tomu, že pro řízení proudů v tranzistoru musíte zvýšit napájecí napětí a to negativně ovlivňuje odvod tepla. Zmenšením velikosti tranzistoru tedy v prvé řadě zmenšíme jeho hradlo a dielektrickou vrstvu, která je přirozenou bariérou mezi hradlem a kanálem. Na jednu stranu se tím zlepší rychlost tranzistoru (doba sepnutí), ale na druhou stranu se zvýší svod. To znamená, že se ukazuje jakýsi začarovaný kruh. Takže přechod na tenčí technologický proces je dalším úbytkem tloušťky vrstvy oxidu a zároveň nárůstem netěsností. Boj proti netěsnostem je opět zvýšením řídicích napětí, a tedy výrazným zvýšením tvorby tepla.

Jedním z řešení je využití technologie SOI (silicon on insulator), kterou AMD implementovalo do svých 64bitových procesorů. Stálo ji to však mnoho úsilí a překonání velkého množství s tím spojených potíží. Ale samotná technologie poskytuje obrovské množství výhod s relativně malým počtem nevýhod. Podstata technologie je obecně zcela logická - tranzistor je oddělen od křemíkového substrátu další tenkou vrstvou izolátoru. Existuje mnoho výhod. Žádný nekontrolovaný pohyb elektronů pod kanálem tranzistoru, který ovlivňuje jeho elektrické vlastnosti - tentokrát. Po přivedení odblokovacího proudu do hradla se zkrátí doba pro ionizaci kanálu do provozního stavu (do okamžiku, kdy jím proteče provozní proud), to znamená, že se zlepší druhý klíčový parametr výkonu tranzistoru, doba jeho zapnutí / vypnutí je dva. Nebo při stejné rychlosti můžete jednoduše snížit odblokovací proud - to jsou tři. Nebo najít nějaký kompromis mezi zvýšením rychlosti práce a snížením napětí. Při zachování stejného vypalovacího proudu může být zvýšení výkonu tranzistoru až o 30 %. Pokud je frekvence ponechána stejná, může být úspora energie až 50 %. Konečně se vlastnosti kanálu stávají předvídatelnější a samotný tranzistor se stává odolnějším vůči náhodným chybám, jako jsou ty způsobené kosmickými částicemi, které padají do substrátu kanálu a nečekaně jej ionizují. Nyní, když se dostanou do substrátu umístěného pod vrstvou izolátoru, žádným způsobem neovlivňují činnost tranzistoru. Jedinou nevýhodou SOI je, že je nutné zmenšit hloubku oblasti zdroje/odvodu, což přímo a přímo ovlivňuje nárůst jejího odporu při zmenšování tloušťky.

Funkci bariéry pro elektrony, zabraňující úniku hradlového proudu, plnila tenká vrstva oxidu křemičitého, izolátor, umístěná mezi hradlem a kanálem. Je zřejmé, že čím silnější je tato vrstva, tím lépe plní svou izolační funkci. Ale je nedílnou součástí kanálu a je neméně zřejmé, že pokud budeme zmenšovat délku kanálu (velikost tranzistoru), musíme snížit jeho tloušťku, a to velmi rychlým tempem. . Během posledních několika desetiletí dosahovala tloušťka této vrstvy v průměru asi 1/45 celé délky kanálu. Tento proces má ale své fyzikální omezení – minimální tloušťka vrstvy by měla být asi 1 nm, jinak bude únik hradlového proudu jednoduše nabývat nereálných hodnot.

Donedávna byl materiál, ze kterého se brána vyráběla, polykrystalický křemík (polysilicon). Polysilicon je vysoce čistý křemík s obsahem nečistot menším než 0,01 %, sestávající z velkého počtu malých krystalických zrn orientovaných náhodně vůči sobě navzájem. Polysilicon je surovinou pro výrobu pokročilejšího typu křemíku - monosiliconu a lze jej v některých oblastech použití (například při výrobě solárních modulů) použít i v čisté formě spolu s monosilikonem.

Monokřemík se od polykrystalické modifikace liší tím, že jeho krystalová struktura je orientována v určité krystalografické rovině.

Situace se změnila, když se místo polysilikonu začala pro výrobu hradla používat kombinace nových materiálů a místo oxidu křemíku bylo jako hradlové dielektrikum použito High-k dielektrikum na bázi příměsi čtyřmocného hafnia. Tabulka 14.1. jsou uvedeny etapy vývoje technologického postupu výroby mikroobvodů.

Tabulka 14.1. Zlepšení technologického procesu

Uvedení do výroby
Technický proces
Velikost desky (mm.)
Spojení
Dielektrikum závěrky
Materiál závěrky	Polysilikon	Polysilikon	Polysilikon	Polysilikon	Polysilikon