Как разрабатываются и производятся процессоры: изготовление чипа
Это третья статья из серии о проектировании ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй статье говорилось о проектировании и реализации некоторых компонентов чипа. В третьей части мы узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.
Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберёмся.
Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)
Как говорилось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика составлены из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Мы сказали, что существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.
Чтобы превратить кремниевую пластину в практическую электрическую схему добавлением транзисторов, производственные инженеры используют процесс под названием «легирование«. Легирование — это процесс добавления в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два вида транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.
Процесс изготовления пластины до размещения чипов в корпусе.
Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда взялось название типа (n — negative) и буква «n» в nMOS. Добавляя на кремний такие элементы-акцепторы электронов, как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда взялась буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive). Конкретные процессы добавления этих примесей к кремнию называются ионной имплантацией и диффузией; их мы в статье рассматривать не будем.
Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре соединения. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). В n-канальном устройстве ток обычно входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном устройстве он обычно течёт из истока и выходит из стока. Затвор (Gate) — это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. Наконец, у устройства есть тело транзистора (Body), которое не относится к процессору, поэтому мы не будем его рассматривать.
Физическая структура инвертора в кремнии. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Заметьте, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа
Технические подробности работы транзисторов и взаимодействия отдельных областей — это содержание целого курса колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы — это разводной мост над рекой. Автомобили — электроны в транзисторе — хотят перетечь с одной стороны реки на другую, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не заряжен, разводной мост поднят и электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.
Для точного контроля над расположением на кремнии разных областей p и n производители, например Intel и TSMC используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании тратят миллиарды долларов на его усовершенствование для того, чтобы создавать более мелкие, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, который можно использовать для рисования на кремнии паттернов для каждой области.
Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины (подложки). Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный фоторезистивный полимер. Освещая полимер светом определённых частот, мы можем обнажать полимер в тех областях, где хотим выполнять легирование. Это этап литографии, и он схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.
Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в местах, где был удалён полимер. Затем фоторезист убирается, оставляя только находящийся под ним оксидный слой. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует оксид.
Этот процесс маскирования, формирования и легирования повторяется десятки раз для медленного построения каждого уровня элементов в полупроводнике. После завершения базового уровня кремния поверх можно создать металлические соединения, соединяющие разные транзисторы. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.
Разумеется, производители чипов не выполняют процесс создания транзисторов под одному. При проектировании нового чипа они генерируют маски для каждого этапа процесса изготовления. Эти маски содержат местоположения каждого элемента миллиардов транзисторов чипа. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются совместно на одном кристалле.
После изготовления пластины она разрезается на отдельные кристаллы, которые помещаются
в корпуса. Каждая пластина может содержать сотни или даже больше чипов. Обычно чем более мощный производится чип, тем больше будет кристалл, и тем меньше чипов производитель может получить с каждой пластины.
Можно подумать, что нам просто стоит производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства. Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора сломана, то может быть выброшен весь чип. При увеличении размера процессоров вероятность неисправности чипа повышается.
Продуктивность процессов изготовления своих чипов компании тщательно скрывают, но её можно примерно оценить в 70-90%. Компании обычно изготавливают чипы с запасом, потому что знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный, потому что рассчитывает, что одно или два ядра могут быть сломаны. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене. Этот процесс называется binning.
Один из самых серьёзных маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов — это размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нанометровый процесс, AMD использует для некоторых GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нанометровым процессом. Но что означают все эти числа? Традиционно размером элемента называется минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. В процессе развития технологий мы научились уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. При уменьшении транзисторов они также становятся всё быстрее и быстрее.
Глядя на эти числа, важно помнить, что некоторые компании могут основывать размер техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что процессы с разным размером у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. С другой стороны, не все транзисторы в отдельном техпроцессе имеют одинаковый размер. Проектировщики могут решить ради компромиссов сделать некоторые транзисторы крупнее других. Мелкий транзистор будет быстрее, потому на зарядку и разрядку его затвора требуется меньше времени. Однако мелкие транзисторы могут управлять только очень малым количеством выходов. Если какой-то кусок логики будет управлять чем-то, требующим много мощности, например, контактом вывода, то его придётся сделать намного больше. Такие транзисторы вывода могут быть на порядки величин больше, чем транзисторы внутренней логики.
Снимок кристалла современного процессора AMD Zen. Эта конструкция состоит из нескольких миллиардов транзисторов.
Однако проектирование и изготовление транзисторов — это только половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте многоуровневую дорожную развязку с въездами, выездами и кучей пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. У разных процессоров разное количество металлических связующих слоёв над транзисторами. Транзисторы уменьшаются, и для маршрутизации всех сигналов требуется всё больше слоёв металлизации. Сообщается, что в будущем 5-нанометровом техпроцессе TMSC будет использоваться 15 слоёв. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку — это даст вам представление о том, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.
На показанном ниже изображении с микроскопа показана решётка, образованная семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и при поднимании вверх слои становятся больше, чтобы способствовать снижению сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, которые используются для перехода на более высокий уровень. Обычно каждый слой меняет направление относительно слоя под ним, чтобы снизить нежелательные ёмкостные сопротивления. Нечётные слои металлизации могут использоваться для создания горизонтальных соединений, а чётные — для вертикальных соединений.
Можно понять, что управление всеми этими сигналами и слоями металлизации очень быстро становится невероятно сложным. Чтобы способствовать решению этой проблемы, применяются компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции программы даже могут транслировать функции высокоуровневого кода на C вниз до физических расположений каждого проводника и транзистора. Обычно разработчики чипов позволяют компьютерам генерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.
Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют проектировщикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Проектировщики могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который хотят произвести. Затем они отправляют на фабрику — место, где необработанный кремний превращается в рабочие чипы — электрические схемы транзисторов чипа и слоёв металлизации. Эти схемы превращаются в маски, которые используются в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как может выглядеть процесс проектирования чрезвычайно простого чипа.
Первой мы видим схему инвертора, который является стандартной ячейкой. Заштрихованный зелёный прямоугольник наверху — это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник — это поликремниевый затвор, синие области — это металлизация 1, а сиреневые области — металлизация 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металлизации 2.
Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта конструкция может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными входами. Идущие вверх заштрихованные синие проводники это слои металлизации 3. Немного более крупные квадраты на концах проводников — это перемычки, соединяющие два слоя.
Наконец, объединив вместе множество ячеек и примерно 2 000 транзисторов, мы получили простой 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырёх слоях металлизации. Увидев, насколько он сложен, можно только представлять, как трудно проектировать 64-битный процессор с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и 20 с лишним этапами конвейера. Учитывая то, что у современных высокопроизводительных ЦП есть до 5-10 миллиардов транзисторов и дюжина слоёв металлизации, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.
Это даёт нам понять, почему новый процессор является таким дорогостоящим куском технологий и почему AMD и Intel так долго выпускают новые продукты. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от чертёжной доски до рынка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые современные чипы созданы на технологиях, которым уже несколько лет, и что мы ещё много лет не увидим чипов с современным уровнем технологий изготовления.
В четвёртой и последней статье серии мы вернёмся к физической сфере и рассмотрим современные тенденции в отрасли. Что разрабатывают исследователи, чтобы сделать следующее поколении компьютеров ещё быстрее?
- процессоры
- amd
- intel
- tmsc
- производство чипов
- кремниевые пластины
- фотолитография
- изготовление процессоров
- Производство и разработка электроники
- Компьютерное железо
- Научно-популярное
- Процессоры
- Электроника для начинающих
Как из кремния производят процессоры. Песок превращается в вафлю
В закладки
Смартфоны и компьютеры уже умеют отвечать человеческим языком на любой вопрос, показывать реалистичную графику в играх, обрабатывать сотни кадров в секунду для создания одной фотографии.
«Мозгами» всей техники служат процессоры, развитие которых и помогает индустрии на наших глазах делать прыжки в технологиях.
Вы, наверное, не раз слышали, что чипы сделаны из обычного кремния , 14-го элемента в таблице Менделеева с обозначением Si.
Петербург, отпечатанный методом литографии. Ниже поймёте, причем тут он
Apple даже решила не париться и называет свои процессоры для Mac просто Apple Silicon, «Кремний от Apple».
Это второй самый распространённый элемент на планете после кислорода.
Но найти его в чистом виде почти невозможно. Только выделить.
А вот как сырой минерал превращают в технологичные пластины с узором глубиной в молекулу, расскажу ниже. На всё уходит три больших этапа.
Почему кремний? Его добывают из кварца, которого навалом
Кремний используют как базу для процессоров, потому что он является полупроводником – в зависимости от химических элементов рядом может быть как изолятором, так и проводником электричества. Отсюда и приставка в названии «полу-».
В природе кремний (Si) добывают из кварца (SiO2).
Кварца по всей планете полно, процесс добычи дешевый, и это ещё одна причина популярности именно кремния.
Песок с его содержанием можно найти на любом континенте планеты, но наиболее богаты им страны с песчаными пляжами океанов и рек.
���� Земная кора больше, чем на четверть (28%) состоит из кремния (Si).
Среди лидеров по производству США, Австралия, Бельгия.
Главные заказчики это Китай, Канада, Япония, Италия.
Весь процесс создания чипов делится на три больших этапа: превращение сырого материала в чистейший и правильной структуры, подготовка пластин из него и печать процессора.
Этап 1. Песок варят, парят, а потом плавят
Производство металлургического кремния
Металлургический кремний
Чтобы материал стал пригодным для работы с ним, добытый песок проходит три обработки разными веществами под высокими температурами.
По формуле кварца (SiO2) видно, что в нём кремний (Si) химически связан с кислородом (O).
Чтобы отделить одно от другого и получить чистый кремний, песок смешивают с углём (C) и насыпают в электродуговую печь.
В смесь опускают стержни и дают по ним мощный разряд. За счёт нагрева до 1900ºC происходит реакция, из которой получается ядовитый газ монооксид углерода (CO) и жидкий кремний (Si) с примесями. Далее он застывает и получается металлургический кремний.
Его применяют в создании солнечных панелей, алюминиевых сплавов, производстве красок, но не для чипов.
Чистота элемента на этом этапе составляет до 99%, но оставшийся процент критически необходимо убрать.
Производство поликристалического кремния
Поликристаллический кремний
Для этого металлургический кремний под высокой температурой смешивают с ядовитым газом хлороводородом (HCl), благодаря чему получается газ трихлорсилан (HCl3Si).
Когда газ остывает до 20ºС, он становится жидкостью.
На создание чистого кремния для чипов уходит всего 1% мирового производства металлургического кремния.
Далее трихлорсилан испаряют в другом реакторе и смешивают с водородом (H). Происходит реакция (называется «химическое осаждение из паровой фазы»), и чистейший кремний оседает на подготовленные в реакторе стержни. Выделившиеся хлор и водород выводятся в виде газа.
Мы почти на последнем этапе.
Вот такое вытягивание кристалла кремния занимает около 140 дней
Кристалл кремния с правильной структурой в центре
Получившийся кремний называют поликристаллическим. Он подходит для создания, например, солнечных панелей. Но его молекулярная структура хаотичная и потому хрупкая.
Чтобы создать чистый кристалл кремния, материал топят, а затем в течение 140 дней наращивают на стержень, постепенно вытягивая его из ёмкости. Чистота этого кремния такая, что только 1 атом из 10 млн атомов не является кремнием.
Получается монокристалл кремния – конечная форма материала, который попадёт в ваш смартфон.
Этап 2. Каменные блины делают идеально плоскими
Не считая двух последних, это все этапы превращения кристалла кремния в базу для чипов
Чипы «печатают» на пласте кремния, который получают из этого кристалла. Чтобы сделать его идеально гладким, камень проходит несколько этапов.
Из-за «вытягивания» кристалл имеет плечи, которые отрезают мощной пилой, а из-за вибраций во время выращивания он неровный, что решается шлифовкой внешнего слоя.
Далее кремний нарезают на тонкие блины с помощью алмазной проволоки. Затем пластины полируют алмазным же станком. Их края закругляют, чтобы панели не раскололись при дальнейших жёстких нагрузках во время печати. Их будут нагревать, окислять, испарять и облучать десятки раз.
Нарезание кристалла на вафли
Шлифовка вафель из кремния
С помощью химических ванн и центрифуг полированные «вафли» очищают от металлических загрязнений и пыли.
Они проходят стадии очистки как жидкими, так и газовыми соединениями, чтобы получилась идеально ровная поверхности для следующего этапа.
В итоге получаются блины диаметром до 300 миллиметров и толщиной не больше миллиметра.
Немного базы. Как кремний обращают в нули и единицы
На нарезанных вафлях кремния видны отпечатанные чипы с миллиардами транзисторов
Выдам базу, чтобы вы поняли последний этап.
Транзисторы играют роль базовых строительных блоков в любом современном чипе. Чем их больше, тем лучше. В одном процессоре их может быть миллиарды, о чём, например, Apple рассказывает на каждой своей презентации.
Кроме количества транзисторов важны их размер, строение, материалы, чувствительность, сопряжение друг с другом.
От эффективности в дизайне всех этих переменных и зависит скорость работы чипа.
У этого строительного блока простой механизм работы. Когда подаётся достаточно много тока, транзистор прогоняет заряд через себя – это «единица». Если тока пришло недостаточно, транзистор не проводит заряд – получается «ноль».
В зависимости от того, сколько энергии требуется транзистору для «активации», формируется та самая энергоэффективность чипа. Чувствительность, в свою очередь, зависит от размеры транзистора.
Сделал для вас простую схему транзистора. По факту они разной структуры и состава материалов
На картинке выше видно, что по белому контакту в центре ток не идёт. Транзистор в покое.
За работу транзистора отвечает три базовых элемента: источник (отрицательный заряд), база (полупроводник n‑типа + ворота из поликристаллического кремния) и коллектор (положительный заряд).
К каждому элементу подведены контакты. В современных процессорах роль контактов играет нанометровый слой металла.
Полупроводник p-типа — кремний, насыщенный бором. В таком материале есть места для свободных электронов, поскольку в боре (B) на 1 внешний электрон меньше, чем у кремния (три против четырёх).
На картинке выше их два: на источник подаётся отрицательный заряд, на коллектор положительный.
Полупроводник n-типа – кремний, насыщенный фосфором. В этом материале один электрон лишний, поскольку у фосфора пять внешних электронов против четырёх у кремния.
На картинке выше он один, это база.
Красным выделены «ворота» из поликристаллического кремния. Через них и проходит активация. Если на этот центральный элемент попадает достаточно энергии, он начинает притягивать электроны из большой оранжевой n-кремниевой базы к центру.
Реальное фото транзистора. Слева коллектор, в центре «ворота», справа источник
Получается мост между двумя p-проводниками, и ток между ними оказывается зациклен. Цепь замкнута, состояние «единицы».
И таких операций происходит миллиарды за секунду в вашем процессоре смартфона, часов, компьютера и наушников.
Но как весь этот конструктор собирают на молекулярном уровне?
Этап 3. Процессоры выжигают по трафаретам
Чипы печатают разными технологиями, здесь одна из самых новых – с несколькими масками одновременно. Одна такая машина компании ASML стоит около $200 млн
Поскольку речь идёт о структуре размером в нанометры, механическими инструментами объединить все её составляющие элементы нельзя.
Процессоры буквально печатают слой за слоем на кремний с помощью литографии. Раньше таким образом делали принты на одежде и картины, но в нашем случае процесс более тонкий.
Простая схема литографии процессоров такая:
1. Наносят слой строительного материала
2. На него полимер. Сверху ставят трафарет
3. Полимер твердеет в открытых местах под облучением ультрафиолетом
4. Очищают всё, что не затвердело (полимер+кремний)
5. Повторяют по новой сотни раз до нужной структуры.☝️ Картины методом литографии пишут так же. Сначала один слой цвета, потом второй, и так далее. Где-то они пересекаются и получается комплексный материал.
На чистый кремний с помощью центрифуги идеально ровно наносится слой нужного материала из описанных выше. Этот компонент примет форму, задуманную инженерами – на каждом этапе используется свой элемент.
Далее поверх наносится слой полимерного светочувствительного материала. Потом накладывается трафарет, у каждого процессора на каждом этапе свой.
Ускоренная схема литографии, если бы пластину не очищали на каждом этапе от излишек после облучения. Источник тут
Лазер облучает пластину. Куда попал свет, там стало твёрдо. Куда не попал, место полностью очищают до нужного инженерам слоя: нагревают, опрыскивают химикатами, обдают газом.
Полимер убирают, элемент под ним в принятой форме остаётся, остальное вырезается.
Далее наносится новый слой с нужным элементом, поверх него снова полимер. Опять обжиг трафаретом, в этот раз новой формы. Снова очистка того, что не затвердело.
Фабрика TCMC, главного производителя процессоров Apple
Одна из стадий печати чипов
И так может быть сотня слоёв, пока на кремний не напечатают задуманную инженерами структуру процессора из миллиардов транзисторов.
В ходе этих процедур базу из кремния могут нагревать, купать и прожигать десятки раз, чтобы добиться нужного отпечатка.
После завершения всех этапов литографии пластины проверяют через микроскоп, режут и слой за слоем накладывают друг на друга в один чип.
Вот почему технологии «высокие»
В литографических лабораториях идеальная стерильность. Сотрудникам запрещено краситься, надевать кольца, курить и использовать парфюм.
Помещения без остановки очищают воздух, чтобы малейшие частицы не попали на кремниевые вафли.
Контроль качества инженеры проводят с помощью микроскопа.
И в итоге на вафлях после печати получается золотисто-радужный оттенок, потому что на поверхности камня формируется идеальный рисунок из транзисторов, в состав которого входят разные виды металлических напылений и кремниевых композитов толщиной в несколько молекул .
У прогресса транзисторов есть главная сложность: чтобы потреблять меньше тока, они должны стать более чувствительными, для этого их нужно делать миниатюрнее. Поэтому инженеры и разрабатывают новые структуры, как расположить проводники внутри каркаса умнее. Поэтому, например, Apple и рассказывает, что GPU в A17 Pro из iPhone 15 Pro полностью переделан.
И по той же причине Apple добилась высокой энергоэффективности с помощью технологии arm. Инженерам оказалось проще работать с транзисторами, которые разработанны с учётом этой архитектуры.
И по той же причине, например, A16 из iPhone 15 и iPhone 14 Pro мощнее, чем Qualcomm Snapdragon 8 Gen 2, хотя в обоих находится по 16 млрд транзисторов. Apple наверняка использовала более эффективное расположение каждого строительного блока по отношению к друг другу и тщательнее заточила под свой софт.
Потому что в тот момент, когда камень превратился в умное железо, разработчики начинают точить под него свои операционные системы.
Что такое техпроцесс в микрочипах и как он влияет на производство полупроводников
Ключевым элементом практически каждой вычислительной схемы является транзистор. Это полупроводниковый элемент, который служит для управления токами. Из транзисторов собираются основные логические элементы, а на их основе создаются различные комбинационные схемы и уже непосредственно процессоры.
Чем больше транзисторов в процессоре — тем выше его производительность, ведь можно поместить на кристалл большее количество логических элементов для выполнения разных операций.
В 1971 году вышел первый микропроцессор — Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978 мир увидел Intel 8086 и в нем помещались целых 29 000 транзисторов. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона. Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например, в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.
| Модель | Год выпуска | Кол-во транзисторов |
| Xeon Broadwell-E5 | 2016 | 7 200 000 000 |
| Ryzen 5 1600 X | 2017 | 4 800 000 000 |
| Apple A12 Bionic (шестиядерный ARM64) | 2018 | 6 900 000 000 |
| Qualcomm Snapdragon 8cx | 2018 | 8 500 000 000 |
| AMD Ryzen 7 3700X | 2019 | 5 990 000 000 |
| AMD Ryzen 9 3900X | 2019 | 9 890 000 000 |
| Apple M1 ARM | 2020 | 16 000 000 000 |
Много это или мало? На 2020 год на нашей планете приблизительно 7,8 миллиардов человек. Если представить, что каждый из них это один транзистор, то полтора населения планеты
с легкостью поместилась бы в процессоре Apple A14 Bionic.
В 1975 году Гордон Мур, основатель Intel, вывел скорректированный закон, согласно которому число транзисторов на схеме удваивается каждые 24 месяца.
Нетрудно посчитать, что с момента выхода первого процессора до сего дня, а это всего-то 50 лет, число транзисторов увеличилось в 10 000 000 раз!
Казалось бы, поскольку транзисторов так много, то и схемы должны вырасти в размерах на несколько порядков. Площадь кристалла у первого процессора Intel 4004 — 12 мм², а у современных процессоров AMD Epyc — 717 мм² (33,5 млрд. транзисторов). Получается, по площади кристалла процессоры выросли всего в 60 раз.
Как же инженерам удается втискивать такое огромное количество транзисторов в столь маленькие площади? Ответ очевиден — размер транзисторов также уменьшается. Так
и появился термин, который дал обозначение размеру используемых
полупроводниковых элементов.
Упрощенно говоря, техпроцесс — это толщина транзисторного слоя, который применяется в процессорах.
Чем мельче транзисторы, тем меньше они потребляют энергии, но при этом сохраняют текущую производительность. Именно поэтому новые процессоры имеют большую вычислительную мощность, но при этом практически не увеличиваются в размерах
и не потребляют киловатты энергии.
Какие существуют техпроцессы: вчера и сегодня
Первые микросхемы до 1990-х выпускались по технологическому процессу 3,5 микрометра. Эти показатели означали непосредственно линейное разрешение литографического оборудования. Если вам трудно представить, насколько небольшая величина в 3 микрометра, то давайте узнаем, сколько транзисторов может поместиться в ширине человечного волоса.
Уже тогда транзисторы были настолько маленькими, что пару десятков с легкостью помещались в толщине человеческого волоса. Сейчас техпроцесс принято соотносить с длиной затвора транзисторов, которые используются в микросхеме. Нынешние транзисторы вышли на размеры в несколько нанометров.
Для Intel актуальный техпроцесс — 14 нм. Насколько это мало? Посмотрите в сравнении
с вирусом:
Однако по факту текущие числа — это частично коммерческие наименования. Это означает, что в продуктах по техпроцессу 5 нм на самом деле размер транзисторов не ровно столько, а лишь приближенно. Например, в недавнем исследовании эксперты сравнили транзисторы от Intel по усовершенствованному техпроцессу 14 нм и транзисторы от компании TSMC на 7 нм. Оказалось, что фактические размеры на самом деле отличаются не на много, поэтому величины на самом деле относительные.
Рекордсменом сегодня является компания Samsung, которая уже освоила техпроцесс 5 нм. По нему производятся чипы Apple A14 для мобильной техники. Одна из последних новинок Apple M1 — первый ARM процессор, который будет установлен в ноутбуках от Apple.
Продукцию по техпроцессу в 3 нм Samsung планирует выпускать уже к 2021 году. Если разработчикам действительно удастся приблизиться к таким размерам, то один транзистор можно будет сравнить уже с некоторыми молекулами.
Насколько маленьким может быть техпроцесс
Уменьшение размеров транзисторов позволяет делать более энергоэффективные и мощные процессоры, но какой предел? На самом деле ответа никто не знает.
Проблема кроется в самой конструкции транзистора. Уменьшение прослойки между эмиттером и коллектором приводит к тому, что электроны начинают самостоятельно просачиваться, а это делает транзистор неуправляемым. Ток утечки становится слишком большим, что также повышает потребление энергии.
Не стоит забывать, что каждый транзистор выделяет тепло. Уже сейчас процессоры Intel Core i9-10ХХХ нагреваются до 95 градусов Цельсия, и это вполне нормальный показатель. Однако при увеличении плотности транзисторов температуры дойдут до таких пределов, когда даже водяное охлаждение окажется полностью бесполезным.
Самые смелые предсказания — это техпроцесс в 1,4 нм к 2029 году. Разработка еще меньших транзисторов, по словам ученых, будет нерентабельной, поэтому инженерам придется искать другие способы решения проблемы. Среди возможных альтернатив — использование передовых материалов вместо кремния, например, графена.
От песка до процессора: как производятся чипы
Процессоры окружают нас повсюду. Они есть в каждом электронном девайсе и отвечают за его работу. На их характеристики мы обращаем внимание при покупке компьютеров и сотовых телефонов. Однако мало кому известно, как и из чего делают эти сложнейшие миниатюрные устройства.
В техническом плане современный процессор представляет собой большую микросхему, состоящую из миллиардов элементов — транзисторов, они же дискретные переключатели. Транзисторы отвечают за включение и выключение, то есть пропуск и блокировку электрического тока.
Дискретные переключатели позволяют логическим схемам компьютера функционировать в двоичной системе. Проход электротока — это единица, а отключение — ноль. Различная последовательность этих цифр и образует информацию: программы, текст, видео, картинки или музыку.
Размеры транзисторов измеряют в нанометрах, это миллиардная часть метра. Давайте посмотрим, как удается производить такие микроскопические элементы.
Экскурсия на производство
Для начала представим, что вы попали на завод по производству чипов. Первое, что попросят сделать — тщательно умыться и вымыть руки. Косметика и парфюм строго запрещены. После гигиенических процедур нужно надеть специальный костюм: комбинезон, ботинки и сетку для волос. Перед помещением, где непосредственно изготавливают чипы, выполняют обдув сильным потоком, чтобы обеспечить максимальную стерильность.
Попадание на рабочую заготовку мельчайшей частицы пыли чревато браком — отсюда и беспрецедентные меры по защите. Воздух в цехах чище, чем в операционных — класс чистоты 10. Это значит, что в каждом кубическом метре содержится не больше десяти частиц толщиной в полмикрона (размером с небольшую бактерию).
В почти стерильных помещениях очень тихо. Вибрация практически отсутствует, раздается лишь небольшой гул от работающего оборудования. В таких условиях и проходят основные этапы производственного процесса, но что происходит до этого?
Сначала был кремний
Точнее, диоксид кремния, который в больших количествах содержится в обычном песке. Атомная структура SiO2 дает возможность изготавливать микросхемы любой конфигурации. Из рыхлой горной породы получают технический, а затем электронный кремний с чистотой 99,9999999%.
На следующем этапе электронный кремний расплавляют, помещают в него затравочный кристалл в форме карандаша, вокруг которого вырастет кристаллическое твердое тело — буля. Диаметр такого слитка составляет 300 мм, высота — около 2 м, а вес — до 100 кг.
В процессе роста затравочный кристалл вращается и медленно поднимается, увлекая за собой монокристалл. После достижения нужных размеров булю тестируют на соответствие параметрам чистоты, далее устанавливают на алмазную резку. Ее разрезают на тончайшие пластины толщиной 1 мм. Поверхность каждой пластины полируют до зеркального блеска. Теперь кремниевая заготовка готова для отправки на завод по изготовлению чипов.
Основные этапы производства процессоров
Производственный процесс включает более двух тысяч операций. Выделим из них три основных этапа.
- Печать транзисторов — микросхемы печатают посредством фотолитографии на специальных машинах. Цель технологии — сформировать на кремниевой подложке изображение, чтобы получить заданную топологию микросхемы. На пластину наносят тончайший слой светочувствительного полимера — фоторезиста. Далее осуществляют облучение через оптическую систему, проявление и обработку поверхности. Процесс напоминает печать черно-белых фотографий, когда на пленку светят лампой, подложив снизу фотобумагу. Машина повторяет операцию несколько десятков раз. Между слоями находится диэлектрик, выполняющий роль изолятора. В результате образуются миллиарды транзисторов, которые пока еще не соединены между собой.
- Соединение дискретных переключателей выполняют в определенном порядке, который зависит от архитектуры процессора. Производители держат ее в секрете. На данном этапе наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют транзисторы.
- Тестирование и нарезка пластины. Каждую микросхему проверяют на брак, затраты электроэнергии и нагревание. После этого пластины разрезают на 100–150 отдельных чипов, которые оснащают крышкой для защиты кристалла от механических повреждений и отвода тепла. Самые удачные микропроцессоры устанавливают в дорогие серверные продукты. Если ЦП имеет небольшие недочеты, его не бракуют, а отдают в массовую продажу.
На протяжении всего процесса производства кремниевые пластины находятся в фупах — герметичных контейнерах с классом чистоты 1 (кубический метр воздуха содержит не более одной частицы размером в полмикрона). По производственной линии фупы передвигают сотни роботов. Они бегают по рельсовым дорожкам, доставляя кремниевые заготовки к различным инструментам.
Сроки производства
Сколько времени уходит на создание чипов? Производители микропроцессоров уверяют, что это не забег на короткую дистанцию.
На выращивание були необходимо два месяца. После этого заготовки отправляют на завод чипмейкера. Выполнение основных этапов может занимать три месяца. На изготовление тестовой партии производитель тратит больше полугода, если считать время со всеми необходимыми тестами. Любой сбой на производственной линии вызывает простои. Возобновляют работу только после исправления выявленных недочетов.
Если начинать бизнес с нуля, потребуется не меньше пяти лет и огромные финансовые затраты. По самым скромным подсчетам строительство фабрики для производства микросхем обойдется в 8,5 миллиарда долларов, а в исследования и разработки придется вложить минимум 2 миллиарда.
Проблемы будущего
Первый коммерческий чип на кремниевой подложке создала компания Intel. Она показала свое революционное изобретение в 1971 году. Intel 4004 содержал 2250 дискретных переключателей. К 1978 году число транзисторов увеличилось в десятки тысяч раз. В Intel 8086 оно составило уже 29 000. В современных ЦП это количество достигает нескольких миллиардов.
Один из основателей Intel Гордон Мур в 1965 году выявил важную закономерность. Число переключателей каждые два года увеличивалось вдвое. Уменьшение геометрических размеров транзистора — единственный способ удваивать их количество, в результате повышая производительность процессора.
Сделать это без изменения техпроцесса невозможно. Техпроцессом чипа называют длину затвора, который решает — тока нет (0) или же ток есть (1). В какой-то момент технология производства достигла того, что параметры затвора больше нельзя было уменьшать. Тогда на помощь пришло еще одно открытие — новая структура FinFET. Затвор оказался приподнят над кремниевой подложкой, что дало возможность продолжать менять размеры дискретных переключателей в меньшую сторону.
После того как технология достигла 32 нм, понятие техпроцесса больше стало напоминать маркетинговую уловку производителей, чем действительные характеристики. Для потребителя выполнение закона Мура означает, что каждый новый процессор лучше предыдущего. Однако до сих пор не существует единого метода подсчета. На деле получается, что под техпроцессом, например, 10 нм каждый чипмейкер подразумевает что-то свое. В итоге количество и плотность транзисторов — приблизительные метрики.
Весной 2022 года компания AMD представила первую серию потребительских процессоров на техпроцессе 5 нм под названием Ryzen 7000. Samsung Electronics летом этого года анонсировала запуск производства микросхем с техпроцессом 3 нм. TSMC тоже планирует наладить выпуск продукции с аналогичными характеристиками. Intel не спешит догонять и перегонять конкурентов, остановившись на техпроцессе 10 нм. Ее микропроцессоры уступают в нанометрах, зато превосходят в производительности за счет более высокой плотности транзисторов.
15 лет назад Мур заявил, что выведенный им принцип больше не действует. Он обосновал это тем, что по естественным законам природы процессоры не могут функционировать еще быстрее. По прогнозам, эмпирическое наблюдение об удвоении числа транзисторов формально будет считаться рабочим до конца 2025 года. Как пойдет развитие чипов дальше, пока неясно.