Sodobni mikroprocesorji. Predmet: Faze izdelave mikroprocesorjev Tehnologija izdelave mikroprocesorjev

Kot obljubljeno - podrobna zgodba o izdelavi procesorjev ... začenši s peskom. Vse, kar ste želeli vedeti, a ste se bali vprašati)

sem že govoril o " Kjer so izdelani procesorji"In kaj" Proizvodne težave»Stoj na tej poti. Danes bomo govorili neposredno o sami proizvodnji - "znotraj in zunaj".

Proizvodnja procesorja

Ko se zgradi tovarna za proizvodnjo predelovalcev po novi tehnologiji, so na voljo 4 leta, da povrne naložbo (več kot 5 milijard dolarjev) in ustvari dobiček. Iz preprostih skrivnih izračunov se izkaže, da mora tovarna izdelati vsaj 100 delovnih plošč na uro.

Na kratko je postopek izdelave procesorja videti takole: iz staljenega silicija se na posebni opremi goji en sam kristal valjaste oblike. Nastali ingot ohladimo in razrežemo na "palačinke", katerih površina je skrbno izravnana in polirana do zrcalne barve. Nato v »čistih sobah« polprevodniških obratov s fotolitografijo in jedkanjem nastajajo integrirana vezja na silikonskih rezinah. Po ponovnem čiščenju plošč laboratorijski strokovnjaki pod mikroskopom opravijo selektivno testiranje procesorjev - če je vse v redu, se končne plošče razrežejo na ločene procesorje, ki se kasneje zaprejo v ohišja.

Lekcije kemije

Oglejmo si celoten postopek podrobneje. Vsebnost silicija v zemeljski skorji je približno 25-30 masnih odstotkov, zaradi česar je ta element po razširjenosti na drugem mestu za kisikom. Pesek, zlasti kremenčev, ima visok odstotek silicija v obliki silicijevega dioksida (SiO 2) in je na začetku proizvodnega procesa osnovna sestavina za ustvarjanje polprevodnikov.

Sprva se SiO 2 vzame v obliki peska, ki se reducira s koksom v obločnih pečeh (pri temperaturi približno 1800 ° C):

Ta silicij se imenuje " tehnični”In ima čistost 98-99,9%. Predelovalci zahtevajo veliko čistejših surovin, imenovanih " elektronski silicij"- ta ne sme vsebovati več kot enega tujega atoma na milijardo silicijevih atomov. Za čiščenje do te ravni se silicij dobesedno "preroji". S kloriranjem komercialnega silicija dobimo silicijev tetraklorid (SiCl 4), ki se nato pretvori v triklorosilan (SiHCl 3):
Te reakcije z recikliranjem nastalih stranskih produktov, ki vsebujejo silicij, zmanjšujejo stroške in odpravljajo okoljske težave:

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 + 2H2

Nastali vodik lahko uporabimo marsikje, najpomembneje pa je, da je bil pridobljen "elektronski" silicij, čist-čist (99,9999999%). Malo kasneje se v talino takšnega silicija spusti seme ("točka rasti"), ki se postopoma izvleče iz lončka. Posledično nastane tako imenovana "boule" - en sam kristal v višini odrasle osebe. Teža je primerna - v proizvodnji takšen sod tehta približno 100 kg.

Ingot se odlušči z "ničlo" :) in razreže z diamantno žago. Na izhodu - rezine (s kodnim imenom "waffle") z debelino približno 1 mm in premerom 300 mm (~ 12 palcev; to so tiste, ki se uporabljajo za 32nm procesno tehnologijo s tehnologijo HKMG, High-K / Metal Gate) . Nekoč je Intel uporabljal diske s premerom 50 mm (2 "), v bližnji prihodnosti pa je že načrtovan prehod na rezine s premerom 450 mm - to je upravičeno vsaj v smislu znižanja stroškov izdelave čipov Ko že govorimo o prihrankih, vsi ti kristali so pridelani zunaj Intela, kupljeni so drugje za proizvodnjo procesorjev.

Vsaka plošča je polirana, narejena popolnoma ravna, tako da je njena površina zrcalna.

Proizvodnja čipov je sestavljena iz več kot tristo operacij, zaradi katerih več kot 20 plasti tvori zapleteno tridimenzionalno strukturo - obseg članka, ki je na voljo na Habréju, nam ne bo omogočil, da bi na kratko opisali niti polovico tega seznama :) Zato , zelo na kratko in le o najpomembnejših fazah.

Torej. Strukturo prihodnjega procesorja je treba prenesti na polirane silicijeve rezine, torej vnesti nečistoče v določena področja silicijeve rezine, ki na koncu tvorijo tranzistorje. Kako narediti? Nasploh je nanos različnih plasti na procesorski substrat cela znanost, saj tudi v teoriji tak postopek ni enostaven (da ne omenjam prakse, ob upoštevanju obsega) ... je pa tako lepo razumeti kompleks;) No, ali vsaj poskusite ugotoviti.

Fotolitografija

Problem je rešen s pomočjo fotolitografske tehnologije – postopka selektivnega jedkanja površinske plasti z uporabo zaščitne fotomaske. Tehnologija je zgrajena po principu "svetloba-predloga-fotorezist" in poteka na naslednji način:

- Na silikonsko podlago se nanese plast materiala, iz katerega se oblikuje vzorec. Uporablja se fotorezist- plast polimernega fotoobčutljivega materiala, ki ob obsevanju s svetlobo spremeni svoje fizikalno-kemijske lastnosti.
- Proizvedeno razstavljati(osvetlitev foto plasti za natančno določeno časovno obdobje) skozi fotomasko
- Odstranitev rabljenega fotorezista.

Zahtevana struktura je narisana na fotomaski - praviloma gre za ploščo iz optičnega stekla, na kateri so fotografirana neprozorna območja. Vsaka taka predloga vsebuje eno od plasti bodočega procesorja, zato mora biti zelo natančna in praktična.

Včasih je preprosto nemogoče odložiti določene materiale na prava mesta na plošči, zato je veliko lažje nanesti material takoj na celotno površino in odstraniti presežek s tistih mest, kjer to ni potrebno - zgornja slika prikazuje uporabo fotorezist v modri barvi.

Plošča je obsevana s tokom ionov (pozitivno ali negativno nabitih atomov), ki na določenih mestih prodrejo pod površino plošče in spremenijo prevodne lastnosti silicija (zelene površine so vgrajeni tuji atomi).

Kako izolirati območja, ki ne zahtevajo naknadne obdelave? Pred litografijo se nanese površina silicijeve rezine (pri visoki temperaturi v posebni komori). zaščitna folija dielektrik - kot sem že rekel, je Intel namesto tradicionalnega silicijevega dioksida začel uporabljati High-K dielektrik. Je debelejši od silicijevega dioksida, hkrati pa ima enake kapacitivne lastnosti. Poleg tega se zaradi povečanja debeline zmanjša tok puščanja skozi dielektrik in posledično je bilo mogoče pridobiti energetsko učinkovitejše procesorje. Na splošno je tukaj veliko težje zagotoviti enakomernost tega filma po celotni površini plošče - v zvezi s tem se pri proizvodnji uporablja visoko natančen nadzor temperature.

Torej to je to. Na tistih mestih, ki bodo obdelana z nečistočami, zaščitni film ni potreben - previdno se odstrani z jedkanjem (odstranitev površin plasti, da se tvori večplastna struktura z določenimi lastnostmi). In kako ga odstraniti ne povsod, ampak samo na potrebnih območjih? Za to je treba na film nanesti še en sloj fotorezista - zaradi centrifugalne sile vrtljive plošče se nanese v zelo tankem sloju.

Pri fotografiji je svetloba prešla skozi negativni film, udarila na površino fotografskega papirja in spremenila njegove kemične lastnosti. Pri fotolitografiji je princip podoben: svetloba prehaja skozi fotomasko na fotorezist in na tistih mestih, kjer je prešla skozi masko, se posamezne predele fotorezista spremenijo lastnosti. Svetlobno sevanje se prenaša skozi maske in je usmerjeno na podlago. Za natančno ostrenje je potreben poseben sistem leč ali ogledal, ki lahko ne le zmanjša sliko, izrezano na maski na velikost čipa, ampak jo tudi natančno projicira na obdelovanec. Tiskane plošče so običajno štirikrat manjše od samih mask.

Ves izrabljen fotorezist (ki je pod vplivom sevanja spremenil topnost) se odstrani s posebno kemično raztopino - skupaj z njim se raztopi del podlage pod osvetljenim fotorezistom. Del substrata, ki ga je maska ​​skrila pred svetlobo, se ne bo raztopil. Tvori prevodnik ali prihodnji aktivni element - rezultat tega pristopa so različni vzorci kratkih stikov na vsaki plasti mikroprocesorja.

Pravzaprav so bili vsi prejšnji koraki potrebni za ustvarjanje polprevodniških struktur na potrebnih mestih z vnosom donorske (n-tipa) ali akceptorja (p-tip) nečistoč. Recimo, da moramo v siliciju narediti območje koncentracije nosilca p-vrste, to je luknjasti pas. Za to se plošča obdela z napravo, imenovano implantator- iz visokonapetostnega pospeševalnika se izstrelijo ioni bora z ogromno energijo in se enakomerno porazdelijo po nezaščitenih območjih, ki jih tvori fotolitografija.

Kjer je bil dielektrik odstranjen, ioni prodrejo v nezaščiteno plast silicija – sicer se v dielektriku »zataknejo«. Po naslednjem postopku jedkanja se odstranijo ostanki dielektrika, na plošči pa ostanejo cone, v katerih je lokalno prisoten bor. Jasno je, da imajo sodobni procesorji lahko več takšnih plasti - v tem primeru se v nastali figuri spet zraste dielektrični sloj in potem gre vse po uhojeni poti - še ena plast fotorezista, postopek fotolitografije (že z uporabo nove maske). ), jedkanje, implantacija ... no, razumeli ste.

Značilna velikost tranzistorja je zdaj 32 nm, valovna dolžina, s katero se silicij obdeluje, pa niti ni navadna svetloba, ampak poseben ultravijolični ekscimerni laser - 193 nm. Vendar zakoni optike ne dovoljujejo razreševanja dveh predmetov, ki se nahajata na razdalji, manjši od polovice valovne dolžine. To je posledica difrakcije svetlobe. Kako biti? Za uporabo različnih trikov – na primer poleg že omenjenih ekscimernih laserjev, ki sijejo daleč v ultravijoličnem spektru, sodobna fotolitografija uporablja večplastno odsevno optiko z uporabo posebnih mask in posebnega postopka imersion (imersion) fotolitografije.

Logični elementi, ki nastanejo v procesu fotolitografije, morajo biti med seboj povezani. Da bi to naredili, so plošče postavljene v raztopino bakrovega sulfata, v kateri se pod delovanjem električnega toka kovinski atomi "naselijo" v preostalih "prehodih" - zaradi tega galvanskega procesa nastanejo prevodne regije. ki ustvarjajo povezave med posameznimi deli "logike" procesorja. Odvečno prevodno prevleko odstranimo s poliranjem.

Domači razteg

Ura - najtežji del je zadaj. Ostaja zapleten način povezovanja "ostankov" tranzistorjev - načelo in zaporedje vseh teh povezav (vodil) se imenuje arhitektura procesorja. Te povezave so različne za vsak procesor – čeprav se vezja zdijo povsem ravna, je v nekaterih primerih mogoče uporabiti do 30 nivojev takšnih "žic". Od daleč (pri zelo veliki povečavi) je vse videti kot futuristično cestno križišče – ​​in navsezadnje nekdo snuje te zaplete!

Ko je obdelava rezin končana, se rezine prenesejo iz proizvodnje v delavnico za montažo in testiranje. Tam kristali opravijo prve preskuse, tiste, ki opravijo test (in to je velika večina), pa s posebno napravo izrežemo s podlage.

Na naslednji stopnji je procesor zapakiran v substrat (na sliki - procesor Intel Core i5, sestavljen iz CPU in HD grafičnega čipa).

Pozdravljena vtičnica!

Substrat, matrica in pokrov za prenos toplote so povezani skupaj - na ta izdelek bomo mislili, ko izgovorimo besedo "procesor". Zeleni substrat ustvarja električni in mehanski vmesnik (zlato se uporablja za električno povezavo silikonskega mikrovezja z ohišjem), zahvaljujoč kateremu bo mogoče namestiti procesor v vtičnico matične plošče - pravzaprav je to le platforma, na kateri kontakti iz majhnega čipa so ožičeni. Pokrov za distribucijo toplote je termični vmesnik, ki med delovanjem hladi procesor - na ta pokrov bo nameščen hladilni sistem, naj bo to hladilni radiator ali zdrav vodni blok.

Vtičnica(priključek osrednjega procesorja) - priključek vtičnice ali reže, zasnovan za namestitev osrednjega procesorja. Uporaba priključka namesto neposrednega razpakiranja procesorja na matični plošči olajša zamenjavo procesorja za nadgradnjo ali popravilo računalnika. Konektor je lahko zasnovan za namestitev dejanskega procesorja ali kartice CPU (na primer v Pegasosu). Vsaka reža omogoča namestitev le določene vrste procesorske ali CPU kartice.

V končni fazi proizvodnje so končni predelovalci podvrženi končnim testom za skladnost z glavnimi lastnostmi - če je vse v redu, potem so procesorji razvrščeni v pravem vrstnem redu v posebne pladnje - v tej obliki bodo predelovalci šli proizvajalcem ali odšli za prodajo OEM. Druga serija bo v prodaji v obliki BOX različic - v čudoviti škatli skupaj s sistemom za hlajenje.

Konec

Zdaj si predstavljajte, da podjetje napoveduje na primer 20 novih procesorjev. Vsi se med seboj razlikujejo - število jeder, velikosti predpomnilnika, podprte tehnologije ... Vsak model procesorja uporablja določeno število tranzistorjev (izračunano v milijonih in celo milijardah), svoj princip povezovanja elementov ... In vse to je treba oblikovati in ustvariti / avtomatizirati - predloge, leče, litografije, na stotine parametrov za vsak proces, testiranje ... In vse to bi moralo delovati 24 ur na dan, v več tovarnah hkrati ... Posledično bi se morale pojaviti naprave ki nimajo pravice do napake pri delovanju ... In cena teh tehnoloških mojstrovin bi morala biti v mejah spodobnosti ... Skoraj sem prepričan, da si tudi vi, tako kot jaz, ne morete predstavljati celotnega obsega dela opravljeno, o čemer sem vam danes poskušal povedati.

No, in še nekaj presenetljivega. Predstavljajte si, da ste brez petih minut odličen znanstvenik - skrbno ste odstranili pokrov za porazdelitev toplote procesorja in skozi ogromen mikroskop lahko videli strukturo procesorja - vse te povezave, tranzistorje ... celo nekaj skicirali na kosu papirja, da ne pozabim. Ali menite, da je enostavno preučiti načela procesorja, saj imajo le te podatke in podatke o tem, katere naloge je mogoče rešiti s pomočjo tega procesorja? Zdi se mi, da je približno enaka slika zdaj vidna znanstvenikom, ki poskušajo preučiti delo človeških možganov na podobni ravni. Samo če verjamete Stanfordskim mikrobiologom, v enem človeškem možganu

Pred kratkim so v moskovskem politehničnem muzeju stojnico za računalniško tehnologijo resno posodobili - Intel je tam postavil svoje stojalo, ki so ga poimenovali " Od peska do procesorja"Odslej bo ta stojnica postala sestavni del šolskih izletov, vendar celo odraslim svetujem, naj obiska ustanove ne odlagajo za več kot pet let - do leta 2016 namerava Intel resno" nadgraditi "muzej, da bo lahko vstopil v deset najboljših znanstvenih muzejev na svetu!

S tem dogodkom je bila časovno načrtovana tudi tridelna serija predavanj z istim imenom. Dve predavanji sta že minili - njuno vsebino najdete pod kotom. No, če vas vse to zanima, potem boste imeli še čas, da se udeležite tretjega predavanja, informacije o katerem so na koncu objave.

Ni me sram priznati, da je večina tega besedila res povzetek prvega predavanja, ki Nikolaj Suetin, direktor zunanjih projektov na področju raziskav in razvoja Intel v Rusiji. Večinoma je šlo za sodobne polprevodniške tehnologije in težave, s katerimi se soočajo.

Predlagam, da začnem brati zanimive stvari in začeli bomo z osnovami.

CPE

Tehnično je sodoben mikroprocesor izdelan v obliki enega samega ultra velikega integriranega vezja, sestavljenega iz več milijard elementov - to je ena najbolj zapletenih struktur, ki jih je ustvaril človek. Ključni elementi katerega koli mikroprocesorja so diskretna stikala - tranzistorji. Z blokiranjem in prenosom električnega toka (vklop-izklop) omogočajo logičnim vezjem računalnika delovanje v dveh stanjih, torej v binarnem sistemu. Velikosti tranzistorjev se merijo v nanometrih. En nanometer (nm) je milijarda (10-9) metra.
Glavnega dela pri ustvarjanju procesorjev sploh ne opravljajo ljudje, ampak robotski mehanizmi - ti nosijo silicijeve rezine naprej in nazaj. Proizvodni cikel za vsako ploščo je lahko do 2-3 mesece.

Podrobneje (in jasno) vam bom povedal več o tehnologiji proizvodnje procesorjev, vendar zaenkrat precej na kratko.

Plošče so pravzaprav narejene iz peska – silicij je po številčnosti v zemeljski skorji drugi takoj za kisikom. S kemičnimi reakcijami se silicijev oksid (SiO 2) temeljito očisti, tako da postane "umazan" čist. Za mikroelektroniko je potreben monokristalni silicij - pridobivamo ga iz taline. Vse se začne z majhnim kristalom (ki ga spustijo v talino) - kasneje se spremeni v posebno monokristalno "bulo", visoko kot človek. Nadalje se odstranijo glavne napake in bule se razreže na diske s posebnimi nitmi (z diamantnim prahom) - vsak disk je skrbno obdelan na popolnoma enakomerno in gladko (na atomski ravni) površino. Debelina posamezne plošče je približno 1 mm - izključno zato, da se ne zlomi ali upogiba, torej da lahko z njo udobno delate.

Premer vsake plošče je natanko 300 mm - malo kasneje bo na tem področju "zraslo" na stotine ali celo tisoče procesorjev. Mimogrede, Intel, Samsung, Toshiba in TSMC so že napovedali, da razvijajo opremo, ki bi lahko delovala s 450 mm ploščami (na večjo površino bo prišlo več procesorjev, zato bo cena vsakega nižja) - prehod na njih je načrtovan že do leta 2012.

Tukaj je slika v preseku procesorja:

Zgoraj se nahaja zaščitni kovinski pokrov, ki poleg zaščitne funkcije deluje tudi kot razpršilec toplote – prav to ob vgradnji hladilnika obilno namažemo s termo pasto. Pod razpršilnikom toplote je isti kos silicija, ki opravlja vse naloge uporabnika. Še nižje je poseben substrat, ki je potreben za pinout (in povečanje površine "nog"), da se procesor lahko namesti v vtičnico matične plošče.

Čip sam sestoji iz silicija, na katerem je do 9 metalizacijskih plasti (iz bakra) - točno toliko nivojev je potrebno, da je po določenem zakonu mogoče povezati tranzistorje, ki se nahajajo na površini silicija. (saj je preprosto nemogoče vse to narediti na isti ravni). V bistvu te plasti delujejo kot povezovalne žice, le v precej manjšem obsegu; tako da "žice" ne pridejo med seboj v kratek stik, so ločene s plastjo oksida (z nizko dielektrično konstanto).

Kot sem napisal zgoraj, je osnovna celica procesorja poljski tranzistor. Prvi polprevodniški izdelki so bili izdelani iz germanija, prvi tranzistorji pa iz germanija. Toda takoj, ko so začeli izdelovati tranzistorje na polju (pod vrati katerih je posebna izolacijska plast - tanek dielektrični film, ki nadzoruje "vklop" in "izklop" tranzistorja), je germanij takoj "izmrl" , ki daje mesto siliciju. Zadnjih 40 let se silicijev dioksid (SiO 2) uporablja kot glavni material za dielektrik vrat, kar je bilo posledica njegove proizvodnosti in možnosti sistematičnega izboljševanja lastnosti tranzistorjev z zmanjšanjem njihove velikosti.

Pravilo skaliranja je preprosto - z zmanjšanjem velikosti tranzistorja se mora debelina dielektrika sorazmerno zmanjšati. Tako je bila na primer v čipih s tehničnim postopkom 65 nm debelina dielektrične plasti SiO2 vrat približno 1,2 nm, kar je enako petim atomskim slojem. Pravzaprav je to fizična meja za dani material, saj se zaradi nadaljnjega zmanjšanja samega tranzistorja (in s tem zmanjšanja plasti silicijevega dioksida) tok uhajanja skozi dielektrik vrat znatno poveča, kar vodi do znatne tokovne izgube in prekomerno sproščanje toplote. V tem primeru plast silicijevega dioksida preneha biti ovira za kvantno tuneliranje elektronov, zaradi česar je nemogoče zagotoviti nadzor nad stanjem tranzistorja. V skladu s tem tudi pri idealni izdelavi vseh tranzistorjev (katerih v sodobnem procesorju doseže več milijard) nepravilno delovanje vsaj enega od njih pomeni napačno delo vsa logika procesorja, ki lahko zlahka pripelje do katastrofe – to je, če upoštevamo, da mikroprocesorji nadzorujejo delovanje skoraj vseh digitalnih naprav (od sodobnih mobilnih telefonov do sistemov za gorivo v avtomobilih).

Proces miniaturizacije tranzistorjev ni šel v nasprotju z zakoni fizike, vendar se računalniški napredek, kot vidimo, ni ustavil. To pomeni, da je bil problem z dielektrikom nekako rešen. In navsezadnje so se res odločili-pri prehodu na 45 nm je Intel začel uporabljati nov material, tako imenovani dielektrik z visokim k, ki je nadomestil brezupno tanko plast silicijevega dioksida. Plast na osnovi oksida redke zemeljske kovine hafnija z visoko (20 proti 4 za SiO2) dielektrično konstanto k (high-k) je postala debelejša, vendar je to omogočilo zmanjšanje uhajanja toka za več kot desetkrat, medtem ko je ohranjanje sposobnosti pravilnega in stabilnega nadzora delovanja tranzistorja. Izkazalo se je, da je novi dielektrik slabo združljiv s polisilikonskimi vrati, vendar to ni postalo ovira - za povečanje hitrosti so bila vrata v novih tranzistorjih kovinska.

Tako je Intel postal prvo podjetje na svetu, ki je prešlo na množično proizvodnjo mikroprocesorjev z uporabo hafnija. Poleg tega krona še vedno pripada korporaciji - do zdaj te tehnologije nihče ne more reproducirati, ker z atomskim brizganjem nastane dielektrični film, material pa se odlaga v zaporednih plasteh debeline le en atom.
Zanimivo je, da ste po branju teh odstavkov dobili idejo o tem, kako so bile načrtovane, izdelane in nameščene milijarde tranzistorjev na tako majhnem območju? In kako na koncu vse skupaj deluje in hkrati stane precej razumno? Postal sem zelo premišljen, čeprav sem prej menil, da je vse to očitno in sem imel celo vest, da sem razmišljal. " Hej, zakaj je tako drago? Samo za en procesor!»:)

Leta 1965 je eden od ustanoviteljev korporacije Intel, Gordon Moore, zabeležil empirično opazovanje, ki je pozneje postalo slavni zakon njegovega imena. Ko je v obliki grafa predstavil povečanje zmogljivosti pomnilniških mikrovezij, je odkril zanimivo zakonitost: novi modeli mikrovezij so se razvili v enakih časovnih intervalih - približno 18-24 mesecev - po pojavu njihovih predhodnikov in zmogljivost mikrovezij se je hkrati povečala približno dvakrat.

Kasneje je Gordon Moore napovedal vzorec, ki je predlagal, da bi se število tranzistorjev v mikroprocesorjih vsaki dve leti podvojilo – pravzaprav je Intel Corporation z nenehnim ustvarjanjem inovativnih tehnologij uveljavljala Moorov zakon že več kot 40 let.

Število tranzistorjev še naprej raste, čeprav velikost izhodnega procesorja ostaja relativno nespremenjena. Spet ni skrivnost - postane jasno, če pogledate naslednjo odvisnost.

Kot lahko vidite, se topološke dimenzije zmanjšajo za 0,7-krat vsaki dve leti. Zaradi zmanjšanja velikosti tranzistorjev je njihova hitrost preklapljanja večja, cena nižja in poraba energije manjša.

Vklopljeno ta trenutek Intel proizvaja 32nm procesorje. Ključne tehnične razlike od 45nm tehnologije:
- Uporablja se 9 stopenj metalizacije
- uporabljena je nova generacija visokok dielektrika (tudi hafnijev oksid, vendar s posebnimi dodatki - nastala plast je enaka 0,9 nm silicijevega oksida)

Ustvarjanje novega tehnološkega postopka za izdelavo kovinskih vrat je privedlo do 22-odstotnega povečanja zmogljivosti vseh tranzistorjev (v primerjavi s 45 nm), pa tudi do največje gostote elementov, ki zahtevajo največjo gostoto toka.

Proizvodnja

Intel proizvaja procesorje v treh državah – ZDA, Izraelu in na Irskem. Trenutno ima podjetje 4 tovarne za množično proizvodnjo procesorjev po 32nm tehnologiji. To: D1D in D1C v Oregonu, Čudovito 32 v Arizoni in Fab 11X v Novi Mehiki. V strukturi teh tovarn in v njihovem delu je veliko zanimivih stvari, a o tem vam bom povedal naslednjič.

Stroški takšne tovarne znašajo približno 5 milijard dolarjev, in če zgradite več obratov hkrati, potem lahko znesek naložbe varno pomnožite. Glede na to, da se tehnologija spreminja vsaki dve leti, se izkaže, da ima tovarna natanko 4 leta, da "poplača" 5 milijard dolarjev, vloženih vanj, in ustvari dobiček. Iz česar se nakazuje očiten zaključek - gospodarstvo zelo narekuje razvoj tehničnega napredka ... toda kljub vsem tem ogromnim številkam stroški proizvodnje enega tranzistorja še naprej padajo - zdaj so manj kot milijarda dolarjev.

Ne mislite, da se bo s prehodom več tovarn na 32nm vse nenadoma začelo proizvajati po tem tehničnem postopku - enaki čipi in druga periferna vezja tega preprosto ne potrebujejo - v večini primerov uporabljajo 45nm. 22nm cutoff naj bi v celoti prevzel naslednje leto, do leta 2013 pa bo najverjetneje 16nm. Vsaj letos je bila že izdelana testna plošča (pri 22nm), na kateri je bilo dokazano delovanje vseh elementov, potrebnih za delovanje procesorja.

* UPD od * Potrebo po zmanjšanju debeline dielektrika vrat narekuje preprosta formula za ploščati kondenzator:

Območje vrat tranzistorja se zmanjša in za delovanje tranzistorja je treba ohraniti kapaciteto vratnega dielektrika.
Zato je bilo treba zmanjšati njegovo debelino, in ko je to postalo nemogoče, so našli material z višjo dielektrično konstanto.

Kdaj se bo končala doba silicija? Točen datum še ni znan, vsekakor pa ni daleč. Pri 22nm tehnologiji se bo zagotovo "boril", najverjetneje bo ostal v 16nm ... potem pa se bo začelo najbolj zanimivo. Periodični sistem je načeloma dovolj velik in obstaja veliko izbire) Toda najverjetneje bo vse ostalo ne le na kemiji. Povečanje učinkovitosti procesorja je mogoče doseči bodisi z zmanjšanjem topoloških dimenzij (to počnejo zdaj) bodisi z uporabo drugih spojin z večjo mobilnostjo nosilcev - morda galijevega arzenida, morda "senzacionalnega" in obetavnega grafena (mimogrede, njegov mobilnost je stokrat večja od silicija). Toda tudi tukaj so težave. Zdaj so tehnologije zasnovane za obdelavo plošč s premerom 300 mm - količina galijevega arzenida, potrebna za takšno ploščo, preprosto ne obstaja v naravi, grafen (Beseda vztrajno predlaga pisanje "dekanterja") pa je iz tega še vedno izjemno težko narediti. velikost - naučili so se, kako to narediti, vendar je veliko napak, težav pri reprodukciji, legiranju itd.

Najverjetneje bo naslednji korak nanos monokristalnega galijevega arzenida na silicij in nato grafena. In morda bo razvoj mikroelektronike šel ne le po poti izboljševanja tehnologij, ampak tudi po poti razvoja bistveno nove logike - tudi tega ni mogoče izključiti. Ali lahko stavimo, gospodje? ;)

Na splošno je zdaj boj za tehnologijo in visoko mobilnost. Toda ena stvar je jasna - ni razlogov za zaustavitev napredka.

Tik-tak

Proizvodni proces za procesorje je sestavljen iz dveh velikih "delov". Za prvo morate imeti samo tehnologijo izdelave, za drugo pa morate razumeti, KAJ in kako izdelati - arhitekturo (kako so tranzistorji povezani). Če se hkrati izdelata tako nova arhitektura kot nova tehnologija, potem bo v primeru neuspeha težko najti "krivce" - nekateri bodo rekli, da so krivi "arhitekti", drugi, da so tehnologi krivda. Na splošno je sledenje takšni strategiji zelo kratkovidno.

Pri Intelu je uvedba nove tehnologije in arhitekture časovno razporejena – tehnologija je uvedena v enem letu (in že razvita arhitektura je izdelana z uporabo nove tehnologije – če gre kaj "narobe", bodo tehnologi krivda); in ko bo nova tehnologija izdelana, bodo arhitekti zanjo naredili novo arhitekturo in če na izdelani tehnologiji kaj ne bo delovalo, potem bodo arhitekti krivi. Ta strategija se je imenovala "tik-tak".
Bolj jasno:

S trenutnim tempom razvoja tehnologije so potrebne fantastične naložbe v raziskave in razvoj - Intel vsako leto v ta posel vloži 4-5 milijard dolarjev. Nekaj ​​dela poteka v podjetju, veliko pa zunaj njega. Samo obdržati cel laboratorij v podjetju kot Bell laboratoriji(kovačnica Nobelovih nagrajencev) v našem času skoraj nemogoča.
Praviloma so prve ideje položene na univerzah – da bi univerze vedele, na čem je točno smiselno delati (po katerih tehnologijah se povprašuje in kaj bo relevantno), so bila vsa »polprevodniška podjetja« združena v konzorcij. Po tem zagotavljajo nekakšen načrt-govori o vseh težavah, s katerimi se bo industrija polprevodnikov soočila v naslednjih 3-5-7 letih. Teoretično ima vsako podjetje pravico dobesedno iti na univerzo in "izkoristiti" ta ali oni inovativni razvoj, vendar pravice do njih praviloma ostanejo pri univerzi za razvijalce - ta pristop se imenuje "odprta inovacija". . Intel ni izjema in občasno prisluhne idejam študentov - po zagovoru, izboru na inženirski ravni in testiranju v realnih pogojih ima ideja vse možnosti, da postane nova tehnologija.

Tu je seznam raziskovalnih centrov po vsem svetu, s katerimi Intel sodeluje (razen univerz):

Povečanje produktivnosti vodi v dvig stroškov tovarn, to pa vodi v naravno selekcijo. Tako mora na primer vsaka Intelova tovarna izdelati vsaj 100 delovnih plošč na uro, da bi se plačala v 4 letih. Na vsaki plošči je na tisoče čipov ... in če naredite nekaj izračunov, postane jasno - če Intel ne bi imel 80% svetovnega trga procesorjev, podjetje preprosto ne bi moglo povrniti stroškov. Sklep - danes je precej drago imeti svoj "dizajn" in lastno proizvodnjo - vsaj imeti moraš ogromen trg. Rezultat naravne selekcije si lahko ogledate spodaj – kot vidite, vse manj podjetij s svojim »oblikovanjem« in proizvodnjo koraka v korak s tehnološkim napredkom. Vsi drugi so morali preklopiti na fabless način - na primer niti Apple, niti NVIDIA niti celo AMD nimajo svojih tovarn in morajo uporabljati storitve drugih podjetij.

Poleg Intela sta na 22nm tehnologijo potencialno pripravljeni le dve podjetji po svetu – Samsung in TSMC, ki sta lani v svoje tovarne vložila več kot milijardo dolarjev. Poleg tega TSMC nima svojega oblikovalskega oddelka (samo livarna) - pravzaprav je to le visokotehnološka kovačnica, ki sprejema naročila drugih podjetij in pogosto niti ne ve, kaj kova.

Kot vidite, je naravna selekcija minila dovolj hitro - v samo 3 letih. Iz tega je mogoče izpeljati dva zaključka. Prvi je, da je malo verjetno, da bo mogoče postati vodilni v panogi brez lastne tovarne; drugi - pravzaprav lahko uspeš brez lastne tovarne. Na splošno dovolj dober računalnik, možgani in sposobnost »risanja« – prag za vstop na trg se je drastično znižal in prav zaradi tega se je pojavilo veliko »starupov«. Nekdo pripravi določeno shemo, za katero obstaja ali je umetno ustvarjen določen trg - proizvajalci začetniki se dvignejo ... DOBIČEK! Toda prag na livarski trg se je močno dvignil in bo le še rasel ...

Kaj se je v zadnjih letih še spremenilo? Če se spomnite, je bila do leta 2004 trditev "višja kot je frekvenca procesorja, bolje" povsem resnična. Od leta 2004-2005 je frekvenca procesorjev skoraj prenehala rasti, kar je povezano z doseganjem nekakšnih fizičnih omejitev. Zdaj lahko povečate zmogljivost zaradi večjedrnega opravljanja nalog vzporedno. Toda izdelava več jeder na enem samem čipu ni velika težava – veliko težje jih je pripraviti do pravilnega delovanja pod obremenitvijo. Posledično se je od tega trenutka vloga programske opreme močno povečala in pomen poklica "programer" se bo v bližnji prihodnosti le še povečal.

Na splošno, če povzamem zgoraj:
- Moorov zakon še naprej deluje
- Rast stroškov razvoja novih tehnologij in materialov ter stroškov vzdrževanja tovarn rastejo
- Poveča se tudi produktivnost. Pričakovan skok pri prehodu na 450 mm vložke

Kot rezultat:
- Delitev podjetij na "fabless" in "foundry"
- Oddajajo glavne raziskave in razvoj
- Diferenciacija z razvojem programske opreme

Konec

Je bilo zanimivo brati? upam. Vsaj meni je bilo zanimivo vse to napisati, še bolj zanimivo pa poslušati ... čeprav sem sprva tudi pomislil: "Kaj bodo povedali na tem predavanju."

Prejšnji teden je bilo v moskovskem politehničnem muzeju drugo predavanje, ki je

Velike stvari se začnejo z majhnimi. Ta izjava velja za marsikaj, vendar bo ta članek govoril o izdelavi mikroprocesorjev, ki so polni različnih gospodinjskih aparatov, ki vas obdajajo, od pametnih telefonov do hladilnikov.

Priprava surovin

Računalniški čipi najkompleksnejše strukture, ki lahko izvajajo takojšnje izračune, se rodijo v ogromnih lončkih iz kremenčevega stekla, napolnjenih do roba s peskom, ki je bil podvržen večstopenjskemu čiščenju.

Prvič, »tehnični« silicij pridobivajo iz peska, zbranega v nekem kamnolomu, z dodajanjem ogljika mineralu pri visoki temperaturi. Nastali silicij doseže 98-odstotno čistost, vendar je še vedno popolnoma neprimeren za elektronsko industrijo in zahteva dodatno obdelavo s klorom, da postane "elektronski silicij". Med kaskado kemičnih reakcij s klorom se silicij dobesedno na novo sintetizira in se znebi zadnjih znakov nečistoč.

Šele nato je lonček z najčistejšim elektronskim silicijem postavljen v zapečateno peč, napolnjeno z argonom. Seveda bi bilo mogoče iz njega evakuirati zrak, vendar je ustvarjanje idealnega vakuuma na zemlji zelo težko, če ne celo nemogoče, s kemičnega vidika pa daje argon skoraj enak učinek. Ta inertni plin nadomešča kisik in ščiti sestavo pred oksidacijo, sam pa na noben način ne reagira s silicijem v lončku.

Šele po tem se nekdanji pesek segreje na 1420 stopinj Celzija, kar je le 6 stopinj nad njegovim tališčem. Za to se uporablja grafitni grelec. Izbira materiala, tako kot v primeru kremena v lončku, je posledica dejstva, da grafit ne reagira s silicijem in zato ne more kontaminirati materiala prihodnjega procesorja.

Tanek semenski kristal silicija, velikosti in oblike svinčnika, spustimo v segret lonček. Začeti mora postopek kristalizacije. Ostalo lahko reproduciramo doma z raztopino soli, sladkorja, citronske kisline ali na primer bakrovega sulfata. Hladilna raztopina začne kristalizirati okoli semenske točke in tvori idealno molekularno mrežo. Tako rastejo kristali soli in tako raste silicij.

Silicijev kristalni kristal se postopoma dvigne iz lončka s hitrostjo približno enega milimetra in pol na minuto, z njim pa se iz raztopine dvigne naraščajoči monokristal. Rast kristalov je počasna in traja v povprečju 26 ur na lonček, tako da proizvodnja teče 24 ur na dan.

V tem času nastane "boule" - trden cilindrični kristal s premerom 300 milimetrov, dolg do 1-2 metra in težak približno 100 kilogramov. Če ga pogledate pod močno povečavo, boste videli strogo strukturo - idealno kristalno mrežo atomov silicija, popolnoma enakomerno po celotnem volumnu.

Kristal je tako močan, da njegova teža zdrži nit s premerom le 3 milimetre. Končni surovec za procesorje torej izvleče iz lončka isti semenski kristal.

Vendar pa se z "boule" ravna bolj previdno kot s starinsko vazo, kristal lahko prenese ogromno natezno obremenitev, vendar je izjemno krhek.

Po kemični in fluoroskopski preiskavi za preverjanje čistosti kristala in pravilnosti molekularne mreže se obdelovanec postavi v stroj za rezanje silicija. Kristal nareže na rezine, debele približno 1 milimeter, z diamantno žično žago.

Seveda brez poškodb ne gre. Ne glede na to, kako ostra je žaga, po rezanju ostanejo mikroskopske napake na površini plošč. Torej rezanju sledi korak poliranja.

Toda tudi po obdelavi v zmogljivem brusilnem stroju silikonske rezine še niso dovolj gladke, da bi jih lahko uporabili za proizvodnjo mikročipov. Zato se poliranje vedno znova ponavlja s kemičnimi reagenti.

Rezultat je površina, v primerjavi s katero zrcalo spominja na grob brusni papir. Takšna plošča brez zlomov in mikrodefektov postane osnova za milijone mikroelektronskih naprav, ki tvorijo mikrovezje. Silikonske plošče brez prahu, ki jih običajno imenujemo "vaflji" ali "vaflji" v zaprtih posodah, se pošljejo v čisto sobo.

V čisti sobi

Leta 1958 je izumitelj integriranega vezja Jack Kirby naredil preboj z umestitvijo enega tranzistorja v svoje vezje. Dandanes je število logičnih elementov mikroprocesorja preseglo milijardo in se v skladu z Moorovim zakonom še naprej podvoji vsaki dve leti.

Delo s takšnimi mikroskopskimi deli predstavlja resen izziv za proizvajalce čipov, saj lahko že en sam prah uniči prihodnji izdelek. Zato delavnica s površino nekaj tisoč kvadratnih metrov, popolnoma izolirana od zunanjega sveta, opremljena z najsodobnejšimi sistemi za čiščenje zraka in klimatizacijo, zaradi česar je 10.000-krat čistejša kot na kirurškem oddelku.

Vsi strokovnjaki, ki delajo v tako čisti sobi, ne vzdržujejo le sterilnosti, ampak nosijo tudi zaščitne obleke iz antistatičnih materialov, maske, rokavice. Kljub vsem previdnostnim ukrepom za zmanjšanje tveganja zavrnitve se predelovalna podjetja trudijo avtomatizirati čim več operacij, ki se izvajajo v čisti sobi, in jih prepustijo industrijskim robotom.

Postopek izdelave procesorjev je postavljen na tekoči trak. Dostavljena v zaprti škatli, popolnoma ravna »oblatinka« preide skozi 400-500 tehnoloških operacij in le nekaj mesecev pozneje zapusti trgovino v obliki dodelanega mikročipa.

Izdelava mikročipa iz "vafla" pomeni izgradnjo zelo kompleksne tehnološke verige, ki je ni mogoče podrobno opisati zaradi omejitev volumna artikla. Tudi če jih ne bi bilo, se podjetjem, kot sta Intel in AMD, ne mudi z delitvijo proizvodnih skrivnosti. V projektantskih oddelkih podjetij so zasnovane najkompleksnejše tridimenzionalne sheme medsebojne razporeditve elementov procesorja - topologija mikrovezij. Predstavljajo večnivojski kup elementov, ki je razdeljen na plasti in po plasteh odložen na silikonski substrat. Seveda je to nemogoče narediti ročno, preveč občutljiv postopek, premajhni elementi, dobesedno veliki nanometer.

Intelovi procesorji osme generacije, znani kot Coffee Lake, so posejani s 14 nanometrskimi tranzistorji, AMD je napovedal drugo generacijo procesorjev AMD Ryzen s kodnim imenom Pinnacle Ridge, zgrajenih na 12 nanometrskih celicah. Najnovejše grafične kartice NVIDIA z arhitekturo Volta jeder so zgrajeni tudi z uporabo 12 nanometrske tehnologije. Sistem na čipu Qualcomm Snapdragon 835 je še manjši – le 10 nanometrov. Nenehno zmanjševanje velikosti funkcionalnih elementov procesorja in posledično povečanje njegove zmogljivosti je mogoče zahvaljujoč izboljšanju tehnologije, imenovane fotolitografija.

Na splošno lahko ta postopek opišemo na naslednji način:

Najprej je silicijeva rezina prekrita s podlago - materialom, ki bo moral postati del prihodnje sheme, nato se na enakomerno plast nanese kemični reagent, ki je občutljiv na svetlobo. Ta zasedba bo opravila vse delo, a bistvo je kasneje.

Prej je bil zelo skrivni podroben diagram procesorja pridobljen iz korporativnih arhivov. Njen spodnji sloj je predstavljen v obliki negativa in prenesen na fotomasko - zaščitno ploščo, ki deluje kot šablona. Je bistveno večji od čipa, tako da se svetloba, ki prehaja skozenj, fokusira s pomočjo kompleksnega sistema leč, ki zmanjša projicirano sliko na želeno velikost.

Na tistih mestih, kjer svetloba ne doseže silicija, plošča ostane nedotaknjena, v osvetljenem pa sproži reakcijo v kemičnem reagentu, ki spremeni njene lastnosti. Potem bo bodoči procesor obdelan z drugo spojino in ta področja se bodo raztopila, pri čemer bodo ostala le tista področja, ki niso bila izpostavljena. Tvorijo tudi prevodne logične elemente procesorja.

Nato se na ploščo nanese dielektrični sloj in na vrh dodajo nove komponente procesorja, spet s fotolitografijo.

Nekatere plasti so segrete, nekatere so izpostavljene ionizirani plazmi, druge pa so prekrite s kovino. Vsaka vrsta obdelave spremeni lastnosti plasti in počasi ustvari del sestavljanke, ki tvori določen model čipa. Rezultat je nekakšna večplastna pogača, kjer ima vsaka plast svojo funkcionalnost in sta med seboj kompleksno povezana s pomočjo "sledov" atomov bakra, ki se nanesejo na silicijevo podlago iz raztopine bakrovega sulfata, ki prehaja skozi električni tok skozi njega.

To je zadnja faza obdelave, po kateri se mikročipi preverijo glede delovanja. Kljub vsem previdnostnim ukrepom in večdnevnemu trudu je stopnja zavrnitev še vedno visoka. Roboti bodo iz silikonske rezine izbrali in izrezali le 100 % delovne čipe.
Razvrščeni bodo po energetski učinkovitosti, tokovih in največjih delovnih frekvencah, dodeljeni bodo različnim oznakam in na koncu prodani po različnih cenah.

Zaključni dotiki

Na poti do kupcev procesorji zapustijo čisti prostor in gredo na montažno linijo, kjer je končno mikrovezje prilepljeno na kvadrat, imenovan substrat. Kristal se z njim spajka v posebni pečici pri temperaturi 360 stopinj Celzija.

Nato je čip pokrit s pokrovom. Služi tako za zaščito še vedno krhkega silicija pred poškodbami kot za odvajanje toplote iz njega. Verjetno imate dobro predstavo o tem, osnova hladilnega sistema bo pritisnjena na pokrov, pa naj bo to hladilnik ali toplotni izmenjevalec CBO (vodnega hladilnega sistema). To ni nič manj pomembna faza kot prejšnja. Dejansko sta stabilnost in hitrost njegovega delovanja, njegova prihodnja največja zmogljivost, v veliki meri odvisna od tega, kako dobro pokrov procesorja odstranjuje toploto iz kristala.

Star Intel procesorji dobesedno spajkana na pokrove za porazdelitev toplote. Najnovejše generacije čipov z blagovno znamko pa prejemajo termični vmesnik med kristalom in pokrovom ter so slabše ohlajeni, kar zelo moti navdušence nad računalniško strojno opremo, ki želijo iz svojih nakupov iztisniti maksimum. Prišlo je do tega, da procesorje »skalpirajo« – z njih samostojno odstranijo razpršilnik toplote in zamenjajo termični vmesnik z učinkovitejšim. A naj vas ne motijo ​​triki za overclocking, saj procesor še ni pripravljen.

Končna faza je ustvarjanje električnih kontaktov, ki bodo povezali mikroprocesor matična plošča računalnik. Običajno so za to izdelani pločevinasti valji, tako imenovane "noge" procesorja, ki se najprej zlepijo in nato spajkajo na podlago, kjer so za njih vnaprej predvidena mesta. Za mikročipe z velikim številom vezi se včasih namesto nog uporabljajo majhne kositrne kroglice, saj so močnejši in zanesljivejši, v zadnjem času pa so jih opustili v korist preprostih kontaktnih blazinic.

Končni mikročip speremo v raztopini vode s topilom, da odstranimo odvečni tok in umazanijo, nato pa se izvede končno preverjanje kakovosti opravljenega dela. To so lahko testi delovanja izjemnih situacij, tako v čisti sobi, kot tudi težji testi. Na primer, čipi, zasnovani za delovanje v ekstremnih pogojih, na primer v vesoljski in vojaški industriji, so zapečateni v keramičnih ohišjih in se večkrat testirajo pri ekstremnih temperaturah v vakuumskih komorah.

Nato, odvisno od namena mikroprocesorja, gre neposredno v roke kupcev in nato v vtičnice matične plošče, ali v druge tovarne, kjer bo majhen silicijev kristal zasedel svoje mesto na računalniški plošči grafične kartice, vesoljskega satelita, pametnega hladilnika ali pa morda padel v ohišje pametnega telefona.

Proizvodnja procesorja

Glavni kemični element, ki se uporablja pri izdelavi procesorjev, je silicij, ki je za kisikom najbolj razširjen element na zemlji. Je osnovna komponenta, ki sestavlja obalni pesek (silicijev dioksid); vendar v tej obliki ni primeren za izdelavo mikrovezij. Za uporabo silicija kot materiala za izdelavo mi

navzkrižnih tokokrogov je potreben dolgotrajen tehnološki proces, ki se začne s proizvodnjo čistih kristalov silicija po metodi Czochralskega. Po tej tehnologiji se surovina, ki se uporablja predvsem kot kremenova kamnina, v električnih obločnih pečeh pretvori v metalurški silicij. Nato se za odstranitev nečistoč nastali silicij stali, destilira in kristalizira v obliki polprevodniških ingotov z zelo visoko stopnjo čistosti (99,9999999%). Po mehanskem rezanju ingotov se nastale gredice naložijo v kremenčeve lončke in dajo v električne sušilne peči za vlečenje kristalov, kjer se talijo pri temperaturah nad 2500 ° Fahrenheita. Da bi preprečili nastanek nečistoč, se sušilne peči običajno vgradijo na debelo betonsko podlago. Betonska podlaga pa je nameščena na blažilnike, kar lahko znatno zmanjša vibracije, kar lahko negativno vpliva na nastanek kristalov. Ko se obdelovanec začne topiti, se v staljeni silicij položi majhen, počasi vrteč semenski kristal. Ko se semenski kristal odmika od površine taline, mu sledijo silicijevi filamenti, ki, ko se strdijo, tvorijo kristalno strukturo. S spreminjanjem hitrosti gibanja semenskega kristala (10-40 mm na uro) in temperature (približno 2500 °F) dobimo silicijev kristal z majhnim začetnim premerom, ki ga nato zrastemo do želene velikosti. Odvisno od velikosti izdelanih mikrovezij doseže zrasli kristal 8-12 palcev (20-30 mm) v premeru in 5 čevljev (približno 1,5 m) v dolžino.

Teža gojenega kristala doseže nekaj sto funtov. Obdelovanec je vstavljen v cilinder s premerom 200 mm (trenutni standard), pogosto z ravnim rezom na eni strani za pozicioniranje in natančnost obdelave. Nato se vsak obdelovanec z diamantno žago razreže na več kot tisoč krožnih podlag, debelih manj kot milimeter (slika 2). Po tem se podlaga polira, dokler njena površina ne postane zrcalno gladka. Izdelava mikrovezij uporablja postopek, imenovan fotolitografija. Tehnologija tega postopka je naslednja: plasti različnih materialov se nalagajo ena za drugo na polprevodnik, ki služi kot osnova čipa; tako nastanejo tranzistorji, elektronska vezja in prevodniki (tiri), po katerih se širijo signali. Na presečiščih določenih vezij lahko ustvarite tranzistor ali stikalo (ventil). Fotolitografski postopek se začne s prevleko substrata s polprevodniškim slojem s posebnimi dodatki, nato ta sloj prekrijemo s kemično sestavo fotorezistov, nato pa se slika mikrovezja projicira na zdaj svetlobno občutljivo površino. Zaradi dodajanja donorskih nečistoč siliciju (ki je seveda dielektrik) dobimo polprevodnik. Projektor uporablja posebno fotomasko (masko), ki je v resnici zemljevid te posebne plasti mikrovezja. (Procesorski čip Pentium III vsebuje pet slojev; druge sodobnih procesorjev lahko ima šest ali več plasti. Pri razvoju novega procesorja bo treba oblikovati fotomasko za vsako plast mikrovezja.) Ko prehaja skozi prvo fotomasko, se svetloba usmeri na površino podlage, tako da ostane odtis slike te plasti. Nato posebna naprava nekoliko premakne substrat in ista fotomaska ​​(maska) se uporabi za tiskanje naslednjega mikrovezja. Ko so mikrovezja natisnjena na celotno podlago, bo kavstična alkalija izprala področja, kjer je svetloba vplivala na fotorezistentno snov, pri čemer bodo ostali odtisi fotomaske (maske) določene plasti mikrovezja in medslojnih povezav (povezav med plastmi). , kot tudi signalne poti. Po tem se na podlago nanese druga plast polprevodnika in nanjo spet malo fotorezistentne snovi, nato pa se z naslednjo fotomasko (masko) ustvari naslednja plast mikrovezja. Na ta način se plasti nanesejo ena na drugo, dokler mikrovezje ni v celoti izdelano.

Končna maska ​​dodaja tako imenovano plast metalizacije, ki se uporablja za povezavo vseh tranzistorjev in drugih komponent. Večina mikrovezij za to plast uporablja aluminij, v zadnjem času pa je bil uporabljen baker. Na primer, baker se uporablja pri proizvodnji procesorjev AMD v tovarni v Dresdnu. To je posledica boljše prevodnosti bakra v primerjavi z aluminijem. Vendar pa je za vseprisotno uporabo bakra potrebno rešiti problem njegove korozije.

Ko bo obdelava krožnega substrata končana, bo nanj s foto metodo natisnjeno največje možno število mikrovezij. Mikrovezje je običajno v obliki kvadrata ali pravokotnika, nekaj "prostih" območij ostane ob robovih podlage, čeprav se proizvajalci trudijo izkoristiti vsak kvadratni milimeter površine. Industrija doživlja še eno prehodno obdobje v proizvodnji mikrovezij. V zadnjem času se pojavlja težnja po povečanju premera substrata in zmanjšanju skupnih dimenzij kristala, kar se odraža v zmanjševanju dimenzij posameznih vezij in tranzistorjev ter razdalje med njimi. Konec leta 2001 in v začetku leta 2002 je prišlo do prehoda s tehnologije 0,18 na 0,13 mikrona, pri čemer so aluminijeve interkristale zamenjali z bakrenimi povezavami, premer substrata pa se je povečal z 200 mm (8 palcev) na 300 mm (12 palcev). Povečanje premera podlage na 300 mm omogoča podvojitev števila proizvedenih mikrovezji. Uporaba 0,13-mikronske tehnologije omogoča postavitev večjega števila tranzistorjev na čip ob ohranjanju njegovih sprejemljivih dimenzij in zadovoljivega odstotka izkoristka izdelka. To pomeni, da se trend povečanja količine predpomnilnika, vgrajenega v procesorski matrici, nadaljuje. Kot primer, kako to lahko vpliva na parametre določenega mikrovezja, si oglejte procesor Pentium 4.

Premer standardne podlage, ki se v industriji polprevodnikov uporablja več let, je 200 mm ali približno 8 palcev (slika). Tako površina substrata doseže 31.416 mm2. Prva različica procesorja Pentium 4, izdelana na 200 mm substratu, je vsebovala 0,18-mikronsko jedro Willamette z aluminijastimi zatiči, nameščenimi na matrici s površino približno 217 mm2. Procesor je vseboval 42 milijonov tranzistorjev. 200 mm (8-palčni) substrat lahko sprejme do 145 teh mikrovezij. 0,13-mikronski procesor Northwood Pentium 4 vključuje bakreno vezje na 131 mm2 matrici. Ta procesor že vsebuje 55 milijonov tranzistorjev. V primerjavi z različico Willamette ima jedro Northwood dvakrat večjo količino vgrajenega predpomnilnika L2 (512 KB), kar pojasnjuje večje število tranzistorjev. Uporaba 0,13-mikronske tehnologije omogoča zmanjšanje velikosti matrice za približno 60%, kar omogoča namestitev do 240 mikrovezjev na isto 200-milimetrsko (8-palčno) podlago. Kot se spomnite, se je na ta substrat lahko prilegalo le 145 kristalov Willamette. V začetku leta 2002 je Intel začel proizvajati čipe Northwood na večjem, 300 mm substratu s površino 70.686 mm2. Površina tega substrata je 2,25-krat večja od površine 200 mm substrata, kar omogoča praktično podvojitev števila mikrovezij, nameščenih na njem. Če govorimo o procesorju Pentium 4 Northwood, potem lahko na 300 mm substrat postavimo do 540 mikrovezij. Uporaba sodobne 0,13-mikronske tehnologije v kombinaciji z večjim substratom je omogočila več kot 3,7-kratno proizvodnjo procesorjev Pentium 4. To je v veliki meri posledica dejstva, da imajo sodobna mikrovezja pogosto nižjo ceno kot mikrovezja. prejšnje različice... Leta 2003 je polprevodniška industrija prešla na 0,09 mikronsko tehnologijo. Ko bo uvedena nova proizvodna linija, vsi čipi na substratu ne bodo uporabni. Toda ko se bo tehnologija izdelave tega mikrovezja izboljševala, se bo povečal tudi odstotek dobrih (delujočih) mikrovezij, ki se imenuje donos dobrih. Na začetku sproščanja novih izdelkov je lahko donos pod 50 %, ob prekinitvi izdaje tovrstnih izdelkov pa je že 90 %. Večina proizvajalcev čipov se skriva realne številke donos dobrih, saj je poznavanje dejanskega razmerja med primernostjo in pomanjkljivostjo lahko v rokah njihovih konkurentov. Če ima podjetje konkretne podatke o tem, kako hitro se povečuje donos dobrih konkurentov, lahko prilagodi cene čipov ali načrtuje proizvodnjo, da poveča svoj tržni delež v kritičnem času. Na primer, v letih 1997 in 1998 je imel AMD nizke donose in izgubil pomemben tržni delež. Čeprav si je AMD prizadeval rešiti to težavo, je vseeno moral podpisati pogodbo, po kateri naj bi IBM Microelectronics proizvajala in dobavila AMD nekaj svojih mikroprocesorjev. Po zaključku obdelave substrata posebna naprava preveri vsako mikrovezje na njem in označi pokvarjene, ki bodo kasneje zavrnjene. Mikrovezja se nato izrežejo iz substrata z visoko zmogljivo lasersko ali diamantno žago. Ko so matrice izrezane iz substratov, se vsako mikrovezje testira posebej, zapakira in ponovno testira. Postopek pakiranja se imenuje lepljenje: ko je kristal nameščen v ohišje, poseben stroj s tankimi zlatimi žicami poveže kristalne vodnike z zatiči (ali kontakti) na ohišju mikrovezja. Nato je mikrovezje zapakirano v posebno vrečko - posodo, ki ga v bistvu ščiti pred škodljivimi vplivi zunanjega okolja. Ko so zatiči kristala povezani z zatiči na telesu mikrovezja in je mikrovezje zapakirano, se izvede končni test za določitev pravilnega delovanja in nazivne hitrosti. Različna mikrovezja iste serije imajo pogosto različno hitrost. Posebne preskusne naprave prisilijo vsako mikrovezje, da deluje v različnih pogojih (pri različnih tlakih, temperaturah in frekvencah ur), pri čemer določajo vrednosti parametrov, pri katerih se pravilno delovanje mikrovezja ustavi. Vzporedno se določi največja hitrost; po tem se mikro vezja razvrstijo po hitrosti in razdelijo med sprejemnike: mikrovezja s podobnimi parametri padejo v isti sprejemnik. Na primer, mikrovezja Pentium 4 2.0A, 2.2, 2.26, 2.24 in 2.53 GHz so isto mikrovezje, torej so bila vsa natisnjena iz iste fotomaske, poleg tega pa so izdelana iz istega obdelovanca, vendar na koncu proizvodnje cikla so bili razvrščeni po hitrosti.

Zgodovina proizvodnje procesorja

Vsak sodoben procesor je sestavljen iz ogromnega nabora tranzistorjev, ki delujejo kot elektronska mikroskopska stikala. Za razliko od običajnega stikala so tranzistorji sposobni preklopiti milijarde, celo trilijone krat na sekundo. Vendar pa je za dosego tako velike preklopne hitrosti potrebno zmanjšati velikost teh tranzistorjev. Poleg tega je zmogljivost katerega koli procesorja na koncu odvisna od števila samih tranzistorjev. Zato je od nastanka prvega integriranega mikrovezja leta 1959 razvoj industrije šel v smeri zmanjševanja velikosti tranzistorjev in hkrati povečanja njihove gostote na mikrovezju.

Ko govorimo o napovedih povečanja gostote umestitve in zmanjšanja geometrijskih dimenzij tranzistorjev, se običajno omenja tako imenovani Moorov zakon. Vse se je začelo leta 1965, tri leta preden je Gordon E. Moore soustanovil Intel. V tistem daljnem času je tehnologija za proizvodnjo integriranih vezij omogočila integracijo približno tri ducate tranzistorjev v eno mikrovezje, skupina znanstvenikov pod vodstvom Gordona Moora pa je dokončala razvoj novih mikrovezij, ki so združevala že 60 tranzistorjev. Na zahtevo revije Electronics je Gordon Moore napisal članek ob 35. obletnici objave. V tem članku so Moora prosili, naj napove, kako se bodo polprevodniške naprave izboljšale v naslednjih 10 letih. Po analizi hitrosti razvoja polprevodniških naprav in gospodarskih dejavnikov v zadnjih šestih letih je Moore predlagal, da se bo število tranzistorjev na čipu letno podvojilo in do leta 1975 bo število tranzistorjev v enem integriranem vezju znašalo 65 tisoč.

Seveda si leta 1965 niti sam Gordon Moore niti kdorkoli drug ni mogel predstavljati, da se bo objavljena napoved za naslednjih deset let ne le točno uresničila, ampak bo služila tudi kot osnova za oblikovanje osnovnega pravila za razvoj vseh polprevodniško tehnologijo v prihodnjih letih. Vendar pa Moorova napoved ni bila vse gladka. Do leta 1975 je rast števila elementov v enem mikrovezju začela rahlo zaostajati za napovedjo. Nato je Gordon Moore prilagodil obdobje nadgradnje na 24 mesecev, da bi nadomestil pričakovano povečanje kompleksnosti polprevodniških komponent. V poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je izvršni direktor Intela naredil še eno spremembo in Mooreova napoved je bila podvojitev računalniške zmogljivosti vsakih 18 mesecev (računalniška zmogljivost, merjena v milijonih navodil na sekundo (MIPS), se poveča zaradi povečanja števila tranzistorjev). ).

Do zdaj smo namenoma uporabljali Mooreove besede »napoved« ali »predvidevanje«, v literaturi pa je pogostejši izraz »Moorov zakon«. Dejstvo je, da je po objavi omenjenega članka v reviji Electronics profesor Carver Mead, Moorejev kolega s kalifornijskega tehnološkega inštituta, tej napovedi dal ime "Moorejev zakon" in se je obdržalo.

Zakaj zmanjšati tranzistorje?

Zmanjšanje velikosti tranzistorjev zmanjša površino matrice in s tem proizvodnjo toplote, tanjša vrata pa vam omogočajo, da uporabite manj napetosti za preklapljanje, kar tudi zmanjša porabo energije in odvajanje toplote.

Če se dolžina vrat tranzistorja zmanjša za faktor M, se delovna napetost vrat zmanjša za enako količino. Poleg tega se hitrost tranzistorja poveča za faktor M in gostota namestitve tranzistorjev na čip se poveča kvadratno, izguba moči pa se zmanjša za faktor M.

Dolgo časa je bilo krčenje tranzistorjev najbolj očiten način za povečanje zmogljivosti procesorja. V praksi to ni bilo tako enostavno izvedljivo, še težje pa je bilo pripraviti takšno strukturo procesorja, da bi njegov cevovod deloval z največjo učinkovitostjo.

Negativni dejavniki zmanjšanja velikosti tranzistorjev

V zadnjih letih se je "gigahertska dirka" začela opazno umirjati. To je posledica dejstva, da so se od velikosti 90 nm tranzistorjev začeli močno manifestirati vse vrste prej ne tako močno zaznavnih negativnih dejavnikov: uhajalni tokovi, velik razpršenost parametrov in eksponentno povečanje sproščanja toplote. Ugotovimo po vrsti.

Obstajata dva toka uhajanja: tok uhajanja vrat in uhajanje pod pragom. Prvi je posledica spontanega gibanja elektronov med silicijevim substratom kanala in polisilicijevimi vrati. Drugi je spontano gibanje elektronov od vira tranzistorja do odtoka. Oba učinka vodita do dejstva, da morate dvigniti napajalno napetost za nadzor tokov v tranzistorju, kar negativno vpliva na odvajanje toplote. Torej, z zmanjšanjem velikosti tranzistorja, najprej zmanjšamo njegova vrata in dielektrično plast, ki je naravna pregrada med vrati in kanalom. Po eni strani to izboljša hitrost tranzistorja (preklopni čas), po drugi strani pa poveča puščanje. To pomeni, da se izkaže za nekakšen začaran krog. Torej je prehod na tanjši tehnološki proces še eno zmanjšanje debeline sloja dioksida in hkrati povečanje puščanja. Boj proti puščanju je spet povečanje krmilnih napetosti in s tem znatno povečanje proizvodnje toplote.

Ena od rešitev je uporaba tehnologije SOI (silicij na izolatorju), ki jo je AMD implementiral v svoje 64-bitne procesorje. Vendar jo je to stalo veliko truda in premagovanja velikega števila s tem povezanih težav. Toda sama tehnologija zagotavlja ogromno prednosti z relativno majhnim številom pomanjkljivosti. Bistvo tehnologije je na splošno povsem logično - tranzistor je ločen od silicijeve podlage z drugo tanko plastjo izolatorja. Prednosti je veliko. Nobenega nenadzorovanega gibanja elektronov pod kanalom tranzistorja, ki tokrat vpliva na njegove električne lastnosti. Po dovajanju odklepnega toka na vrata se skrajša čas ionizacije kanala v obratovalno stanje (do trenutka, ko skozi njega teče obratovalni tok), torej se izboljša drugi ključni parameter delovanja tranzistorja, čas od njegovega vklopa/izklopa je dva. Ali pa lahko pri isti hitrosti preprosto znižate tok odklepanja - to je tri. Ali pa poiščite kakšen kompromis med povečanjem hitrosti dela in zniževanjem napetosti. Ob ohranjanju enakega vžigalnega toka se lahko poveča zmogljivost tranzistorja do 30%. Če je frekvenca enaka, lahko prihranek energije doseže 50%. Nazadnje postanejo značilnosti kanala bolj predvidljive, sam tranzistor pa postane bolj odporen na naključne napake, kot so tiste, ki jih povzročijo kozmični delci, ki padejo v substrat kanala in ga nepričakovano ionizirajo. Zdaj, ko pridejo v podlago, ki se nahaja pod izolacijsko plastjo, na noben način ne vplivajo na delovanje tranzistorja. Edina pomanjkljivost SOI je, da je treba zmanjšati globino območja izvora/odtoka, kar neposredno in neposredno vpliva na povečanje njegove odpornosti z zmanjšanjem debeline.

Funkcijo pregrade za elektrone, ki preprečuje uhajanje toka vrat, je opravljal tanek sloj silicijevega dioksida, izolator, ki se nahaja med vrati in kanalom. Očitno je, da je debelejša ta plast, bolje opravlja svojo izolacijsko funkcijo. Je pa sestavni del kanala in nič manj očitno je, da če želimo zmanjšati dolžino kanala (velikost tranzistorja), moramo zmanjšati njegovo debelino in to zelo hitro . V zadnjih nekaj desetletjih je debelina te plasti v povprečju znašala približno 1/45 celotne dolžine kanala. Toda ta proces ima svojo fizično omejitev - najmanjša debelina plasti mora biti približno 1 nm, sicer bo uhajanje toka vrat preprosto dobilo nerealne vrednosti.

Do nedavnega je bil material, iz katerega so bila izdelana vrata, polikristalni silicij (polisilicij). Polisilicij je silicij visoke čistosti z vsebnostjo nečistoč manj kot 0,01 %, sestavljen iz velikega števila majhnih kristalnih zrn, naključno usmerjenih drug proti drugemu. Polisilicij je surovina za proizvodnjo naprednejše vrste silicija - monosilicija in se lahko uporablja tudi v čisti obliki skupaj z monosilicijem na nekaterih področjih uporabe (na primer pri proizvodnji solarnih modulov).

Monosilicij se od polikristalne modifikacije razlikuje po tem, da je njegova kristalna struktura usmerjena v določeno kristalografsko ravnino.

Položaj se je spremenil, ko so namesto polisilicija za izdelavo vrat začeli uporabljati kombinacijo novih materialov, namesto silicijevega oksida pa je bil kot vrata uporabljen dielektrik High-k na osnovi nečistote tetravalentnega hafnija dielektrik. Tabela 14.1. predstavljene so faze razvoja tehnološkega procesa proizvodnje mikrovezij.

Tabela 14.1. Izboljšanje tehnološkega procesa

Dajanje v proizvodnjo
Tehnični postopek
Velikost plošče (mm.)
Povezave
Dielektrik zaklopa
Material zaklopa	Polisilicij	Polisilicij	Polisilicij	Polisilicij	Polisilicij