Prije nekoliko godina, Intel je uveo korak po korak proces za proizvodnju mikroprocesora, od pijeska do finalnog proizvoda. Zapravo, proces proizvodnje poluvodičkih ćelija izgleda zaista nevjerovatno.
Korak 1. Obriši
Silicijum, koji čini oko 25 posto svih hemijskih elemenata u zemljinoj kori po ukupnoj masi, drugi je po zastupljenosti nakon kiseonika. Pijesak ima visok postotak silicijum dioksida (SiO 2), koji je glavni sastojak ne samo za proizvodnju Intel procesora, već i za industriju poluprovodnika općenito.
Ratopljeni silicijum
Supstanca se pročišćava u nekoliko faza dok se ne dobije silicijum poluprovodničke klase koji se koristi u poluprovodnicima. Konačno, dolazi u obliku monokristalnih ingota prečnika oko 300 milimetara (12 inča). Ranije su ingoti imali prečnik od 200 milimetara (8 inča), a daleke 1970. godine - još manje - 50 milimetara (2 inča).
Na ovom nivou proizvodnje procesora, nakon pročišćavanja, kristalna čistoća je jedan atom nečistoće na milijardu atoma silicijuma. Težina ingota je 100 kilograma.
Korak 3. Rezanje ingota
Ingot se reže vrlo finom testerom na pojedinačne kriške koje se nazivaju oblatne. Svaki od njih se naknadno polira kako bi se dobila zrcalno glatka površina bez oštećenja. Na ovu glatku površinu će se naknadno nanijeti sitne bakrene žice.
Izlaganje sloja fotorezista
Tečnost fotorezista se sipa na podlogu koja se okreće velikom brzinom (isti materijali se koriste u tradicionalnoj fotografiji). Tokom rotacije, na cijeloj površini podloge formira se tanak i ujednačen otporni sloj.
Ultraljubičasti laser, kroz maske i sočivo, djeluje na površinu podloge, formirajući male osvijetljene ultraljubičaste linije na njoj. Objektiv čini fokusiranu sliku 4 puta manjom od maske. Gdje god ultraljubičaste linije utječu na otporni sloj, dolazi do kemijske reakcije, uslijed koje ove oblasti postaju rastvorljive.
Korak 5. Etching
Topljivi fotootporni materijal se zatim potpuno rastvara u hemijskom rastvaraču. Stoga se kemijski nagrizač koristi za djelomično otapanje ili jetkanje male količine poliranog poluvodičkog materijala (podloge). Ostatak fotootpornog materijala uklanja se sličnim postupkom ispiranja, otkrivajući urezanu površinu podloge.
Formiranje slojeva
Dodatni fotootpornici (materijali osjetljivi na svjetlost) se dodaju kako bi se stvorile male bakrene žice koje će na kraju prenositi električnu energiju na/iz raznih konektora, koji se također peru i izlažu. Nakon toga, vrši se proces legiranja jona kako bi se dodale nečistoće i zaštitila mjesta taloženja jona bakra od bakar sulfata tokom procesa galvanizacije.
U različitim fazama ovih procesa proizvodnje procesora, dodaju se dodatni materijali koji se urezuju i poliraju. Ovaj proces se ponavlja 6 puta kako bi se formiralo 6 slojeva.
Krajnji proizvod izgleda kao mreža od mnogih mikroskopskih bakrenih traka koje provode električnu energiju. Neki od njih su povezani s drugima, a neki se nalaze na određenoj udaljenosti od drugih. Ali svi se koriste u istu svrhu - za prijenos elektrona. Drugim riječima, dizajnirani su tako da obezbijede takozvani "korisni rad" (na primjer, sabiranje dva broja što je brže moguće, što je suština računarskog modela ovih dana).
Višeslojna obrada se ponavlja na svakoj zasebnoj maloj površini površine podloge na kojoj će se napraviti čips. Uključujući takva područja, spadaju i ona koja se djelimično nalaze izvan podloge.
Korak 7. Testiranje
Čim se nanose svi metalni slojevi i kreiraju svi tranzistori, dolazi vrijeme za sljedeću fazu proizvodnje Intel procesora – testiranje. Uređaj sa više pinova je postavljen na vrh čipa. Na njega su pričvršćene mnoge mikroskopske žice. Svaka takva žica je električno povezana s čipom.
Da bi se reproducirao rad čipa, na njega se prenosi niz testnih signala. Test ne samo da provjerava tradicionalne računarske sposobnosti, već i obavlja internu dijagnostiku s vrijednostima napona, kaskadnim sekvencama i drugim funkcijama. Odgovor čipa u obliku rezultata testa pohranjen je u bazi podataka posebno dodijeljenoj za ovaj dio podloge. Ovaj postupak se ponavlja za svaki dio podloge.
Ploče za rezanje
Za rezanje umetaka koristi se vrlo mala pila sa dijamantskim vrhom. Baza podataka završena u prethodnom koraku koristi se za određivanje koji se čipovi, izrezani iz podloge, zadržavaju, a koji se odbacuju.
Korak 9. Ograđivanje u kućištima
Sve radne ploče su smeštene u fizičkim kućištima. Uprkos činjenici da su ploče prethodno testirane i odlučeno je da rade ispravno, to ne znači da su dobri procesori.
Proces inkapsulacije se odnosi na inkapsulaciju silikonskog čipa u materijalu supstrata sa minijaturnim zlatnim žicama povezanim na njegove igle ili niz kuglica. BGA se može naći na poleđini kućišta. U gornjem dijelu kućišta ugrađen je hladnjak. To je metalno tijelo. Po završetku ovog procesa, CPU izgleda kao gotov proizvod namijenjen potrošnji.
Napomena: Metalni hladnjak je ključna komponenta današnjih poluvodičkih uređaja velike brzine. Ranije su hladnjaci bili keramički i nisu koristili prisilno hlađenje. Bio je potreban za neke modele 8086 i 80286 i za modele koji počinju sa 80386. Prethodne generacije procesora imale su mnogo manje tranzistora.
Na primjer, 8086 je imao 29.000 tranzistora, dok moderne centralne procesorske jedinice imaju stotine miliona tranzistora. Tako mali broj tranzistora po današnjim standardima nije generirao dovoljno topline da bi zahtijevao aktivno hlađenje. Kako bi se ovi procesori odvojili od onih koji zahtijevaju ovu vrstu hlađenja, keramički čipovi su naknadno označeni kao „Zahtijeva hladnjak“.
Moderni procesori stvaraju dovoljno topline da se rastopi u sekundi. Samo prisustvo hladnjaka spojenog na veliki hladnjak i ventilator omogućava im da funkcionišu dugo vremena.
Sortiranje procesora po karakteristikama
U ovoj fazi proizvodnje procesor izgleda onako kako je kupljen u radnji. Međutim, potreban je još jedan korak da se završi proces proizvodnje. To se zove sortiranje.
Ovaj korak mjeri stvarne performanse pojedinačnog CPU-a. Mere se parametri kao što su napon, frekvencija, performanse, rasipanje toplote i druge karakteristike.
Najbolji čips se deponuje kao proizvodi višeg kvaliteta. Prodaju se ne samo kao najbrže komponente, već i kao modeli niskog i ultra niskog napona.
Čipovi koji nisu stigli do vrhunske grupe procesora često se oglašavaju kao niži taktovi. Pored toga, procesori sa četiri jezgra niže klase mogu se prodavati kao dvojezgarni ili trojezgarni.
Performanse procesora
Proces sortiranja određuje konačne vrijednosti brzine, napona i termičkih karakteristika. Na primjer, na standardnoj podlozi, samo 5% proizvedenih čipova može raditi na frekvencijama iznad 3,2 GHz. Istovremeno, 50% čipova može raditi na 2,8 GHz.
Proizvođači procesora stalno istražuju razloge zašto većina proizvedenih procesora radi na 2,8 GHz umjesto potrebnih 3,2 GHz. Povremeno se mogu napraviti promjene u dizajnu procesora kako bi se poboljšale performanse.
Profitabilnost proizvodnje
Profitabilnost poslovanja za proizvodnju procesora i većine poluprovodničkih elemenata kreće se u rasponu od 33-50%. To znači da najmanje 1/3 do 1/2 vafla na svakoj podlozi radi, a kompanija je u ovom slučaju profitabilna.
Intel ima operativnu marginu od 95% koristeći 45nm tehnologiju za svoju podlogu od 300 mm. To znači da ako se od jedne podloge može napraviti 500 silikonskih pločica, njih 475 će raditi, a samo 25 će biti odbačeno. Što se više pločica može dobiti od jedne podloge, to će kompanija imati veći profit.
Intelove tehnologije koje se danas koriste
Istorija primene novih Intel tehnologija za masovnu proizvodnju procesora:
- 1999 - 180 nm;
- 2001 - 130 nm;
- 2003. - 90 nm;
- 2005 - 65 nm;
- 2007 - 45 nm;
- 2009 - 32 nm;
- 2011 - 22 nm;
- 2014 - 14 nm;
- 2019 - 10 nm (planirano).
Intel je početkom 2018. najavio odlaganje masovne proizvodnje 10nm procesora za 2019. godinu. Razlog tome je visoka cijena proizvodnje. U ovom trenutku, kompanija nastavlja da isporučuje 10nm procesore u malim količinama.
Okarakterizirajmo Intelove procesorske tehnologije u smislu cijene. Uprava kompanije visoku cijenu objašnjava dugim proizvodnim ciklusom i upotrebom velikog broja maski. 10nm tehnologija je bazirana na dubokoj ultraljubičastoj litografiji (DUV) koristeći lasere koji rade na talasnoj dužini od 193nm.
7nm proces će koristiti ekstremnu ultraljubičastu litografiju (EUV) koristeći lasere koji rade na 13,5nm. Ova talasna dužina izbegava višestruke uzorke koji se obično koriste za 10nm proces.
Inženjeri kompanije smatraju da je u ovom trenutku potrebno polirati DUV tehnologiju, a ne prelaziti direktno na 7nm proces. Dakle, procesori koji koriste 10nm tehnologiju će za sada biti povučeni.
Perspektiva proizvodnje AMD mikroprocesora
AMD je jedini pravi konkurent Intelu na današnjem tržištu procesora. Zbog Intelovih grešaka vezanih za 10nm tehnologiju, AMD je malo popravio svoju poziciju na tržištu. Intelova masovna proizvodnja koja koristi 10nm proizvodni proces je daleko iza. Poznato je da AMD koristi treće strane za proizvodnju svojih čipova. A sada je nastala situacija kada AMD za proizvodnju koristi sve 7-nm procesorske tehnologije koje nisu inferiorne u odnosu na glavnog konkurenta.
Glavni proizvođači poluprovodničkih uređaja trećih strana koji koriste nove tehnologije za složenu logiku su Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), GlobalFoundaries sa sjedištem u SAD-u i korejska Samsung Foundry.
AMD planira koristiti TSMC isključivo za svoje mikroprocesore sljedeće generacije. U ovom slučaju će se primijeniti nove tehnologije za proizvodnju procesora. Kompanija je već objavila niz proizvoda koji koriste 7nm proces, uključujući 7nm GPU. Planirano je da prva bude objavljena 2019. Planirano je da se započne masovna proizvodnja 5-nm mikrokola za 2 godine.
GlobalFoundaries je odustao od razvoja 7nm procesa kako bi se fokusirao na razvoj svojih 14/12nm procesa za kupce koji ciljaju na tržišta sa visokim rastom. AMD dodatno ulaže u GlobalFoundaries za proizvodnju AMD Ryzen, EPYC i Radeon procesora trenutne generacije.
Proizvodnja mikroprocesora u Rusiji
Glavni proizvodni pogoni mikroelektronike nalaze se u gradovima Zelenograd (Mikron, Angstrem) i Moskva (Crocus). Bjelorusija ima i sopstvenu mikroelektronsku proizvodnju - kompaniju Integral, koja koristi tehnološki proces od 0,35 mikrona.
Procesori su proizvedeni u Rusiji od strane kompanija MCST i Baikal Electronics. Najnoviji razvoj MCST-a je procesor Elbrus-8S. To je 8-jezgarni mikroprocesor koji radi na 1,1-1,3 GHz. Performanse ruskog procesora su 250 gigaflopsa (operacije s pomičnim zarezom u sekundi). Predstavnici kompanije izjavljuju da se po brojnim pokazateljima procesor može takmičiti čak i sa liderom u industriji - Intelom.
Proizvodnja će se nastaviti sa modelom Elbrus-16 sa frekvencijom od 1,5 GHz (digitalni indeks u nazivu označava broj jezgara). Ovi mikroprocesori će se masovno proizvoditi na Tajvanu. To bi trebalo pomoći u smanjenju cijene. Kao što znate, cijena proizvoda kompanije je previsoka. Istovremeno, po karakteristikama, komponente su značajno inferiorne od vodećih kompanija u ovom sektoru privrede. Za sada će se takvi procesori koristiti samo u vladinim organizacijama iu svrhe odbrane. Kao tehnologija za proizvodnju procesora ove linije koristit će se 28-nm tehnološki proces.
Baikal Electronics proizvodi procesore za industrijsku upotrebu. To se posebno odnosi na model Baikal T1. Područje njegove primjene su ruteri, CNC sistemi i uredska oprema. Kompanija se tu ne zaustavlja i već razvija procesor za personalne računare - "Baikal M". Još uvijek ima malo informacija o njegovim karakteristikama. Poznato je da ima 8-jezgarni procesor sa podrškom za do 8 grafičkih jezgara. Prednost ovog mikroprocesora biće njegova energetska efikasnost.
Moderni mikroprocesori spadaju u najsloženije uređaje koje je napravio čovjek. Proizvodnja poluvodičkog kristala je mnogo intenzivnija od, recimo, izgradnje višespratnice ili organizacije većeg izložbenog događaja. Međutim, zahvaljujući masovnom izdavanju CPU-a u novčanom smislu, to ne primjećujemo, a rijetko ko razmišlja o cjelokupnoj veličini elemenata koji zauzimaju tako istaknuto mjesto unutar sistemske jedinice. Odlučili smo proučiti detalje proizvodnje procesora i ispričati o njima u ovom materijalu. Srećom, danas na webu ima dovoljno informacija o ovoj temi, a specijalizirani izbor prezentacija i slajdova iz Intel Corporation omogućava vam da zadatak obavite što je jasnije moguće. Poduzeća drugih giganata industrije poluvodiča rade na istom principu, tako da sa sigurnošću možemo reći da sva moderna mikro kola prolaze identičan put stvaranja.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Prva stvar koju treba spomenuti su građevni blokovi za procesore. Silicijum je drugi najzastupljeniji element na planeti nakon kiseonika. Prirodni je poluvodič i koristi se kao glavni materijal za proizvodnju čipova svih vrsta mikro krugova. Većina silicijuma se nalazi u običnom pijesku (posebno kvarcnom) u obliku silicijum dioksida (SiO2).
Međutim, silicijum nije jedini materijal. Njegov najbliži srodnik i zamena je germanijum, međutim, u procesu unapređenja proizvodnje, naučnici otkrivaju dobra poluprovodnička svojstva u jedinjenjima drugih elemenata i spremaju se da ih testiraju u praksi ili to već rade.
1 Silicijum prolazi kroz višestepeni proces pročišćavanja: sirovine za mikro kola ne mogu sadržati više nečistoća od jednog stranog atoma u milijardu.
2 Silicijum se topi u posebnoj posudi i, spuštanjem stalno ohlađene rotirajuće šipke unutra, tvar se "namota" na nju zahvaljujući silama površinske napetosti.
3 Kao rezultat, dobivaju se uzdužne gredice (monokristali) kružnog poprečnog presjeka, od kojih svaka teži oko 100 kg.
4 Radni komad se izrezuje na zasebne silikonske diskove - vafle na kojima će se nalaziti stotine mikroprocesora. U ove svrhe koriste se mašine sa dijamantskim diskovima za rezanje ili žičano-abrazivne mašine.
5 Podloge su polirane do zrcalne završne obrade kako bi se uklonile sve površinske nesavršenosti. Sljedeći korak je nanošenje najtanjeg sloja fotopolimera.
6 Tretirana podloga je izložena jakom ultraljubičastom zračenju. U sloju fotopolimera odvija se hemijska reakcija: svjetlost, prolazeći kroz brojne šablone, ponavlja uzorke CPU slojeva.
7 Stvarna veličina primijenjene slike je nekoliko puta manja od stvarne šablone.
8 Područja "urezana" zračenjem se ispiru. Na silikonskoj podlozi se formira uzorak koji se zatim očvršćava.
9 Sljedeća faza u izradi jednog sloja je jonizacija, tokom koje se silicijumske regije bez polimera bombardiraju jonima.
10 Na mjestima gdje udare mijenjaju se svojstva električne provodljivosti.
11 Preostali polimer je uklonjen i tranzistor je skoro gotov. U izolacionim slojevima se prave rupe, koje su usled hemijske reakcije ispunjene atomima bakra koji se koriste kao kontakti.
12 Veza tranzistora je ožičenje na više nivoa. Ako pogledate kroz mikroskop, možete vidjeti mnoge metalne provodnike na kristalu i atome silicija ili njegove moderne zamjene smještene između njih.
13 Dio gotove podloge prolazi prvi funkcionalni test. U ovoj fazi struja se dovodi do svakog od odabranih tranzistora, a automatizirani sistem provjerava parametre poluvodiča.
14 Podloga se reže na pojedinačne komade pomoću najfinijih reznih točkova.
15 Dobri kristali dobijeni kao rezultat ove operacije koriste se u proizvodnji procesora, a neispravni se odlažu u otpad.
16 Između baze (podloge) CPU-a i poklopca hladnjaka postavlja se zasebna matrica od koje će se praviti procesor i "upakuje".
17 Tokom završnog testiranja, gotovi procesori se provjeravaju na usklađenost sa traženim parametrima i tek onda sortiraju. Na osnovu primljenih podataka, mikrokod se ubacuje u njih, omogućavajući sistemu da pravilno identifikuje CPU.
18 Gotovi uređaji se pakuju i šalju na tržište.
 |
 |
 |
 |
Zanimljive činjenice o procesorima i njihovoj proizvodnji
"Silicijumska dolina" (Silicijumska dolina, SAD, Kalifornija)
Ime je dobio po glavnom gradivnom bloku koji se koristi u proizvodnji mikročipova.
Zašto su ploče procesora okrugle?- verovatno pitate.
Za proizvodnju silicijumskih kristala koristi se tehnologija koja omogućava da se dobiju samo cilindrični komadi, koji se zatim režu na komade. Do sada nikome nije pošlo za rukom da proizvede kvadratnu ploču bez nedostataka.
Zašto su mikročipovi kvadratni?
Upravo ova vrsta litografije omogućava maksimalno efikasno korištenje površine ploče.
Zašto je procesorima potrebno toliko pinova/pinova?
Pored signalnih linija, svakom procesoru je potrebno stabilno napajanje za rad. Sa potrošnjom energije od oko 100-120 W i niskim naponom, kroz kontakte može teći struja do 100 A. Značajan dio CPU kontakata je namijenjen posebno za sistem napajanja i dupliran.
Odlaganje proizvodnog otpada
Ranije su neispravne ploče, njihovi ostaci i neispravni mikročipovi odlazili u otpad. Danas je u toku razvoj koji im omogućava da se koriste kao osnova za proizvodnju solarnih ćelija.
"Zec kostim".
Ovaj naziv je dobio bijeli kombinezon koji moraju nositi svi radnici u proizvodnim pogonima. Ovo se radi kako bi se održala maksimalna čistoća i spriječilo da slučajno uđu čestice prašine u proizvodne pogone. Odijelo za zeko je prvi put korišteno u tvornicama procesora 1973. godine i od tada je postalo prihvaćeni standard.
99,9999%
Samo silicijum najveće čistoće je pogodan za proizvodnju procesora. Radni predmeti se čiste posebnim hemikalijama.
300 mm
Ovo je prečnik modernih silikonskih pločica za proizvodne procesore.
1000 puta
Samo je u prostorijama fabrika za proizvodnju čipsa vazduh mnogo čistiji nego u operacionoj sali.
20 slojeva
Kristal procesora je vrlo tanak (manje od milimetra), ali sadrži više od 20 slojeva najsloženijih strukturnih kombinacija tranzistora, koji izgledaju kao autoputevi na više nivoa.
2500
Ovo je broj kristala Intel Atom procesora (koji imaju najmanju površinu među modernim CPU-ima) koji se nalaze na jednoj pločici od 300 mm.
10 000 000 000 000 000 000
Stotinu kvintiliona tranzistora u obliku građevnih blokova mikročipa isporučuje se iz tvornica svake godine. Ovo je oko 100 puta više od procijenjenog broja mrava na planeti.
A
Cijena proizvodnje jednog tranzistora u procesoru danas je jednaka cijeni štampanja jednog slova u novinama.
U procesu pripreme članka korišteni su materijali sa službene web stranice Intel Corporation, www.intel.ua
Kao što sam obećao - detaljna priča o tome kako se prave procesori... počevši od pijeska. Sve što ste hteli da znate, ali ste se plašili da pitate)
Već sam pričao o " Gdje se proizvode procesori?"I šta" Poteškoće u proizvodnji„Stajte na ovu stazu. Danas ćemo razgovarati direktno o samoj proizvodnji - "iznutra i izvana".
Proizvodnja procesora
Kada se izgradi fabrika za proizvodnju procesora po novoj tehnologiji, ima 4 godine da povrati investiciju (više od 5 milijardi dolara) i ostvari profit. Iz jednostavnih tajnih proračuna ispada da fabrika mora proizvesti najmanje 100 radnih ploča na sat.Ukratko, proces proizvodnje procesora izgleda ovako: jedan kristal cilindričnog oblika se uzgaja iz rastopljenog silicija na posebnoj opremi. Dobiveni ingot se ohladi i reže na "palačinke", čija se površina pažljivo izravnava i polira do zrcalne završne obrade. Zatim, u "čistim sobama" fabrika poluprovodnika, fotolitografijom i jetkanjem se stvaraju integrisana kola na silikonskim pločicama. Nakon ponovnog čišćenja ploča, laboratorijski stručnjaci pod mikroskopom vrše selektivno testiranje procesora - ako je sve u redu, tada se gotove ploče režu u zasebne procesore, koji se kasnije zatvaraju u kućišta.
Lekcije hemije
Pogledajmo detaljnije cijeli proces. Sadržaj silicijuma u zemljinoj kori iznosi oko 25-30% mase, zbog čega ovaj element zauzima drugo mjesto nakon kisika po zastupljenosti. Pijesak, posebno kvarcni pijesak, ima visok postotak silicija u obliku silicijum dioksida (SiO 2) i na početku procesa proizvodnje je osnovna komponenta za stvaranje poluprovodnika.U početku se SiO 2 uzima u obliku pijeska, koji se redukuje koksom u lučnim pećima (na temperaturi od oko 1800 ° C):
Ove reakcije uz korištenje recikliranja nastalih nusproizvoda tvari koje sadrže silicijum smanjuju troškove i eliminiraju ekološke probleme:
2SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4Dobijeni vodonik se može koristiti na mnogo mjesta, ali najvažnije je da je dobijen "elektronski" silicijum, čisto-čist (99,9999999%). Nešto kasnije, sjeme ("tačka rasta") ispušta se u talog takvog silicijuma, koji se postepeno izvlači iz lončića. Kao rezultat, formira se takozvani "boule" - pojedinačni kristal visine odrasle osobe. Težina je prikladna - u proizvodnji takva cijev teži oko 100 kg.
2SiH 2 Cl 2 SiH 3 Cl + SiHCl 3
2SiH 3 Cl SiH 4 + SiH 2 Cl 2
SiH 4 Si + 2H 2
Ingot se oguli sa "nulom" :) i reže dijamantskom testerom. Na izlazu - oblatne (kodnog naziva "waffle") debljine oko 1 mm i prečnika 300 mm (~ 12 inča; upravo one koje se koriste za 32nm procesnu tehnologiju sa HKMG, High-K / Metal Gate tehnologijom ). Nekada je Intel koristio diskove prečnika 50 mm (2"), a u bliskoj budućnosti se već planira prelazak na ploče prečnika 450 mm - to je opravdano barem sa stanovišta smanjenja troškova Kada govorimo o uštedi, svi ovi kristali se uzgajaju izvan Intela, kupuju se na drugom mestu za proizvodnju procesora.
Svaka ploča je uglačana, savršeno ravna, dovodeći svoju površinu do zrcalnog sjaja.
Proizvodnja čipova sastoji se od više od tri stotine operacija, zbog čega više od 20 slojeva formira složenu trodimenzionalnu strukturu - obim članka dostupnog na Habré-u neće nam omogućiti da ukratko opišemo ni polovicu ove liste :) Stoga , vrlo kratko i samo o najvažnijim fazama.
Dakle. Neophodno je prenijeti strukturu budućeg procesora na polirane silikonske pločice, odnosno unijeti nečistoće u određene dijelove silikonske pločice, koje u konačnici formiraju tranzistore. Kako uraditi? Generalno, nanošenje različitih slojeva na podlogu procesora je čitava nauka, jer ni u teoriji takav proces nije lak (da ne spominjemo praksu, uzimajući u obzir razmere) ... ali tako je lepo razumeti kompleks;) Pa, ili barem pokušajte to shvatiti.
Fotolitografija
Problem je riješen uz pomoć fotolitografske tehnologije - procesa selektivnog jetkanja površinskog sloja korištenjem zaštitne fotomaske. Tehnologija je izgrađena na principu "svjetlo-šablon-fotootpor" i radi na sljedeći način:- Na silikonsku podlogu se nanosi sloj materijala od kojeg se formira uzorak. Primjenjuje se fotootpor- sloj polimernog fotoosjetljivog materijala koji mijenja svoja fizičko-hemijska svojstva kada je ozračen svjetlom.Potrebna struktura je nacrtana na fotomaski - u pravilu je to ploča od optičkog stakla, na kojoj se fotografiraju neprozirna područja. Svaki takav šablon sadrži jedan od slojeva budućeg procesora, tako da mora biti vrlo precizan i praktičan.
- Proizvedeno izlaganje(osvetljenje foto sloja za tačno zadati vremenski period) kroz fotomasku
- Uklanjanje iskorištenog fotorezista.
Ponekad je jednostavno nemoguće postaviti određene materijale na prava mjesta na ploči, pa je mnogo lakše nanijeti materijal odjednom na cijelu površinu, uklanjajući višak sa onih mjesta gdje nije potreban - slika iznad pokazuje nanošenje fotorezista u plavoj boji.
Ploča je ozračena strujom jona (pozitivno ili negativno nabijenih atoma), koji na određenim mjestima prodiru ispod površine ploče i mijenjaju vodljiva svojstva silicija (zelene površine su ugrađeni strani atomi).
Kako izolovati područja koja ne zahtijevaju naknadni tretman? Prije litografije, zaštitni dielektrični film se nanosi na površinu silikonske pločice (na visokoj temperaturi u posebnoj komori) - kao što sam već rekao, umjesto tradicionalnog silicijum dioksida, Intel je počeo koristiti High-K dielektrik. Gušći je od silicijum dioksida, ali istovremeno ima ista kapacitivna svojstva. Štoviše, zbog povećanja debljine, struja curenja kroz dielektrik je smanjena, a kao rezultat, postalo je moguće dobiti energetski efikasnije procesore. Općenito, ovdje je mnogo teže osigurati ujednačenost ovog filma na cijeloj površini ploče - s tim u vezi, u proizvodnji se koristi visoko precizna kontrola temperature.
To je to. Na onim mjestima koja će biti tretirana nečistoćama, zaštitni film nije potreban - pažljivo se uklanja jetkanjem (uklanjanjem područja sloja kako bi se formirala višeslojna struktura s određenim svojstvima). I kako to ukloniti ne svugdje, već samo u potrebnim područjima? Za to se na film mora nanijeti još jedan sloj fotorezista - zbog centrifugalne sile rotirajuće ploče, nanosi se u vrlo tankom sloju.
U fotografiji je svjetlost prolazila kroz negativ film, udarala u površinu fotografskog papira i mijenjala njegova hemijska svojstva. U fotolitografiji je princip sličan: svjetlost prolazi kroz fotomasku na fotorezist, a na onim mjestima gdje je prošla kroz masku, pojedina područja fotorezista mijenjaju svojstva. Svjetlosno zračenje se prenosi kroz maske i fokusira se na podlogu. Za precizno fokusiranje potreban je poseban sistem sočiva ili ogledala koji ne samo da može smanjiti sliku izrezanu na maski na veličinu čipa, već je i precizno projicirati na radni komad. Štampane ploče su obično četiri puta manje od samih maski.
Sav istrošeni fotorezist (koji je pod dejstvom zračenja promenio svoju rastvorljivost) uklanja se posebnim hemijskim rastvorom - zajedno sa njim se rastvara i deo podloge ispod osvetljenog fotorezista. Dio podloge koji je maska sakrila od svjetlosti neće se otopiti. Formira provodnik ili budući aktivni element - rezultat ovog pristupa su različiti obrasci kratkih spojeva na svakom sloju mikroprocesora.
Zapravo, svi prethodni koraci su bili neophodni da bi se uvođenjem donorske (n-tip) ili akceptorske (p-tip) nečistoće stvorile poluprovodničke strukture na potrebnim mestima. Pretpostavimo da trebamo napraviti područje koncentracije nosioca p-tipa u silicijumu, to jest, provodljivo područje rupa. Za to se ploča obrađuje pomoću uređaja tzv implantator- joni bora sa ogromnom energijom ispaljuju se iz visokonaponskog akceleratora i ravnomjerno se raspoređuju u nezaštićenim zonama formiranim fotolitografijom.
Tamo gdje je dielektrik uklonjen, ioni prodiru u nezaštićeni silicijumski sloj - inače se "zaglave" u dielektriku. Nakon sljedećeg procesa jetkanja, ostaci dielektrika se uklanjaju, a na ploči ostaju zone u kojima je lokalno prisutan bor. Jasno je da moderni procesori mogu imati nekoliko takvih slojeva - u ovom slučaju, dielektrični sloj se ponovo uzgaja u rezultirajućoj figuri i onda sve ide utabanim putem - još jedan sloj fotorezista, proces fotolitografije (već koristeći novu masku) , graviranje, implantacija... pa, shvatili ste.
Karakteristična veličina tranzistora sada je 32 nm, a talasna dužina kojom se obrađuje silicijum nije čak ni obična svetlost, već specijalni ultraljubičasti ekscimer laser - 193 nm. Međutim, zakoni optike ne dozvoljavaju razrješavanje dvaju objekata koji se nalaze na udaljenosti manjoj od polovine valne dužine. To je zbog difrakcije svjetlosti. Kako biti? Za korištenje raznih trikova – na primjer, pored spomenutih excimer lasera, koji sijaju daleko u ultraljubičastom spektru, moderna fotolitografija koristi višeslojnu reflektirajuću optiku pomoću posebnih maski i posebnog procesa imersion (imersion) fotolitografije.
Logički elementi koji nastaju u procesu fotolitografije moraju biti međusobno povezani. Da bi se to postiglo, ploče se stavljaju u otopinu bakar sulfata, u kojoj se pod djelovanjem električne struje atomi metala "talože" u preostale "prolaze" - kao rezultat ovog galvanskog procesa formiraju se provodne regije. koji stvaraju veze između pojedinačnih delova procesorske "logike". Višak provodljivog premaza uklanja se poliranjem.
Home stretch
Ura - najteži dio je iza. Ostaje lukav način povezivanja "ostataka" tranzistora - princip i redoslijed svih ovih veza (sabirnica) naziva se arhitektura procesora. Ove veze su različite za svaki procesor - iako se kola čine potpuno ravnim, u nekim slučajevima se može koristiti i do 30 nivoa takvih "žica". Iz daljine (na veoma velikom uvećanju), sve to izgleda kao futuristički raskrsnica - a na kraju krajeva, neko dizajnira ove zavrzlame!
Po završetku obrade vafla, oblatne se iz proizvodnje prenose u radionicu za montažu i ispitivanje. Tamo se kristali podvrgavaju prvim testovima, a oni koji prođu test (a to je velika većina) se posebnim uređajem izrezuju iz podloge.
U sledećoj fazi, procesor je upakovan u podlogu (na slici, Intel Core i5 procesor, koji se sastoji od CPU-a i HD grafičkog čipa).
Hello socket!
Podloga, matrica i poklopac za prijenos topline povezani su zajedno - to je proizvod na koji ćemo misliti kada kažemo riječ "procesor". Zeleni supstrat stvara električno i mehaničko sučelje (zlato se koristi za električno povezivanje silikonskog mikrokola sa kućištem), zahvaljujući kojem će biti moguće instalirati procesor u utičnicu matične ploče - u stvari, ovo je samo platforma na kojoj kontakti iz malog čipa su ožičeni. Poklopac za distribuciju toplote je termalni interfejs koji hladi procesor tokom rada - na ovaj poklopac će se nalaziti sistem hlađenja, bilo da se radi o hladnjaku radijatora ili zdravom vodenom bloku.
Socket(konektor za centralni procesor) - konektor za utičnicu ili slot dizajniran za ugradnju centralnog procesora. Upotreba konektora umjesto direktnog odlemljenja procesora na matičnoj ploči olakšava zamjenu procesora radi nadogradnje ili popravke vašeg računara. Konektor može biti dizajniran za instaliranje stvarnog procesora ili CPU kartice (na primjer, u Pegasos). Svaki slot omogućava instalaciju samo određene vrste procesora ili CPU kartice.
U završnoj fazi proizvodnje, gotovi prerađivači prolaze završne testove na usklađenost s glavnim karakteristikama - ako je sve u redu, onda se procesori sortiraju u pravom redoslijedu u posebne ladice - u ovom obliku, prerađivači će ići proizvođačima ili idite na OEM prodaju. Još jedna serija će se naći u prodaji u obliku BOX verzija - u prekrasnoj kutiji zajedno sa standardnim sistemom hlađenja.
Kraj
Sada zamislite da kompanija najavljuje, na primjer, 20 novih procesora. Svi se razlikuju jedni od drugih - broj jezgara, veličine keš memorije, podržane tehnologije... Svaki model procesora koristi određeni broj tranzistora (izračunato u milionima, pa čak i milijardama), svoj princip povezivanja elemenata... I sve ovo mora biti dizajnirano i kreirano/automatizirano - šabloni, sočiva, litografija, stotine parametara za svaki proces, testiranje... I sve to treba raditi 24 sata dnevno, u nekoliko tvornica odjednom... Kao rezultat, trebali bi se pojaviti uređaji koji nemaju mjesta greškama u radu... A cijena ovih tehnoloških remek-djela bi trebala biti u granicama pristojnosti... Gotovo sam siguran u činjenicu da ni vi, kao i ja, ne možete zamisliti cijeli obim posla je gotovo, o čemu sam danas pokušao da vam ispričam.Pa, i još nešto iznenađujuće. Zamislite da ste pre pet minuta veliki naučnik - pažljivo ste skinuli poklopac za distribuciju toplote sa procesora i kroz ogroman mikroskop ste mogli da vidite strukturu procesora - sve ove veze, tranzistori... čak ste skicirali nešto na komad papira da se ne zaboravi. Mislite li da je lako proučavati principe procesora, posjedujući samo ove podatke i podatke o tome koji se zadaci mogu riješiti uz pomoć ovog procesora? Čini mi se da je otprilike ista slika sada vidljiva naučnicima koji pokušavaju da proučavaju rad ljudskog mozga na sličnom nivou. Samo ako vjerujete mikrobiolozima sa Stanforda, u jednom ljudskom mozgu
GDJE se proizvode Intel procesori
Kao što sam napisao u prethodnom postu, Intel trenutno ima 4 fabrike sposobne za masovnu proizvodnju 32nm procesora: D1D i D1C u Oregonu, Fab 32 u Arizoni i Fab 11X u Novom Meksiku.
Hajde da vidimo kako rade
Visina svake fabrike Intel procesora Nivo ventilacionog sistema Mikroprocesor se sastoji od miliona tranzistora Nivo čiste sobe Pod pokriva površinu nekoliko fudbalskih terena Pored povećanih zahtjeva za sterilnošću prostorije, Niži nivo Dizajniran za sisteme koji podržavaju rad Inženjerski nivo |
Potrebno je oko 3 godine da se izgradi fabrika ovog nivoa i oko 5 milijardi - to je taj iznos koji će fabrika morati da "povrati" u naredne 4 godine (do pojave novog tehnološkog procesa i arhitekture, potrebne performanse jer ovo je oko 100 radnih silikonskih pločica na sat). Za izgradnju postrojenja trebat će vam:
- više od 19.000 tona čelika
- više od 112.000 kubnih metara betona
- više od 900 kilometara kabla
KAKO se prave mikroprocesori
Tehnički, moderni mikroprocesor je napravljen u obliku jednog integrisanog kola ultra velikih razmera, koji se sastoji od nekoliko milijardi elemenata - ovo je jedna od najsloženijih struktura koje je stvorio čovek. Ključni elementi svakog mikroprocesora su diskretni prekidači - tranzistori. Blokiranjem i propuštanjem električne struje (on-off) omogućavaju rad logičkih kola računara u dva stanja, odnosno u binarnom sistemu. Tranzistori se mjere u nanometrima. Jedan nanometar (nm) je milijarditi dio metra.
Ukratko, proces proizvodnje procesora izgleda ovako: jedan kristal cilindričnog oblika se uzgaja iz rastopljenog silicija na posebnoj opremi. Dobiveni ingot se ohladi i reže na "palačinke", čija se površina pažljivo izravnava i polira do zrcalne završne obrade. Zatim, u "čistim sobama" fabrika poluprovodnika, fotolitografijom i jetkanjem se stvaraju integrisana kola na silikonskim pločicama. Nakon ponovnog čišćenja ploča, laboratorijski stručnjaci pod mikroskopom vrše selektivno testiranje procesora - ako je sve u redu, tada se gotove ploče režu u zasebne procesore, koji se kasnije zatvaraju u kućišta.
Pogledajmo detaljnije cijeli proces.
U početku se SiO2 uzima u obliku pijeska, koji se redukuje koksom u lučnim pećima (na temperaturi od oko 1800 ° C):
SiO2 + 2C = Si + 2CO
Takav silicijum se naziva "tehnički" i ima čistoću od 98-99,9%. Procesori zahtijevaju mnogo čistiju sirovinu koja se zove "elektronski silicijum" - ne bi trebalo biti više od jednog stranog atoma na milijardu atoma silicijuma. Da bi se pročistio do ovog nivoa, silicijum se bukvalno „ponovo rađa“. Kloriranjem komercijalnog silicijuma dobija se silicijum tetrahlorid (SiCl4), koji se dalje pretvara u trihlorosilan (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3
Ove reakcije uz korištenje recikliranja nastalih nusproizvoda tvari koje sadrže silicijum smanjuju troškove i eliminiraju ekološke probleme:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2
Dobijeni vodonik se može koristiti na mnogo mjesta, ali najvažnije je da je dobijen "elektronski" silicijum, čisto-čist (99,9999999%). Nešto kasnije, sjeme ("tačka rasta") ispušta se u talog takvog silicijuma, koji se postepeno izvlači iz lončića. Kao rezultat, formira se takozvani "boule" - pojedinačni kristal visine odrasle osobe. Težina je prikladna - u proizvodnji takva bola teži oko 100 kg.
Ingot se oguli sa "nulom" :) i reže dijamantskom testerom. Na izlazu - oblatne (kodnog naziva "waffle") debljine oko 1 mm i prečnika 300 mm (~ 12 inča; upravo one koje se koriste za 32nm procesnu tehnologiju sa HKMG, High-K / Metal Gate tehnologijom ).
Sada je najzanimljivije da je potrebno strukturu budućeg procesora prenijeti na polirane silikonske pločice, odnosno unijeti nečistoće u određene dijelove silikonske pločice, koje u konačnici formiraju tranzistore. Kako uraditi?
Problem je riješen uz pomoć fotolitografske tehnologije - procesa selektivnog jetkanja površinskog sloja korištenjem zaštitne fotomaske. Tehnologija je izgrađena na principu "svjetlo-šablon-fotootpor" i radi na sljedeći način:
- Na silikonsku podlogu se nanosi sloj materijala od kojeg se formira uzorak. Na njega se nanosi fotorezist - sloj polimernog fotoosjetljivog materijala koji mijenja svoja fizička i kemijska svojstva kada je ozračen svjetlom.
- Ekspozicija se vrši (osvetljenje foto sloja u tačno određenom vremenskom periodu) preko fotomaske
- Uklanjanje iskorištenog fotorezista.
Potrebna struktura je nacrtana na fotomaski - u pravilu je to ploča od optičkog stakla, na kojoj se fotografiraju neprozirna područja. Svaki takav šablon sadrži jedan od slojeva budućeg procesora, tako da mora biti vrlo precizan i praktičan.
Ploča je ozračena strujom jona (pozitivno ili negativno nabijenih atoma), koji na određenim mjestima prodiru ispod površine ploče i mijenjaju vodljiva svojstva silicija (zelene površine su ugrađeni strani atomi).
U fotografiji je svjetlost prolazila kroz negativ film, udarala u površinu fotografskog papira i mijenjala njegova hemijska svojstva. U fotolitografiji je princip sličan: svjetlost prolazi kroz fotomasku na fotorezist, a na onim mjestima gdje je prošla kroz masku, pojedina područja fotorezista mijenjaju svojstva. Svjetlosno zračenje se prenosi kroz maske i fokusira se na podlogu. Za precizno fokusiranje potreban je poseban sistem sočiva ili ogledala koji ne samo da može smanjiti sliku izrezanu na maski na veličinu čipa, već je i precizno projicirati na radni komad. Štampane ploče su obično četiri puta manje od samih maski. 
Sav istrošeni fotorezist (koji je pod dejstvom zračenja promenio svoju rastvorljivost) uklanja se posebnim hemijskim rastvorom - zajedno sa njim se rastvara i deo supstrata ispod osvetljenog fotorezista. Dio podloge koji je maska sakrila od svjetlosti neće se otopiti. Formira provodnik ili budući aktivni element - rezultat ovog pristupa su različiti obrasci kratkih spojeva na svakom sloju mikroprocesora.
Zapravo, svi prethodni koraci su bili neophodni da bi se uvođenjem donorske (n-tip) ili akceptorske (p-tip) nečistoće stvorile poluprovodničke strukture na potrebnim mestima. Pretpostavimo da trebamo napraviti područje koncentracije nosioca p-tipa u silicijumu, to jest, provodljivo područje rupa. Za to se ploča obrađuje pomoću uređaja koji se zove implantator - joni bora se upućuju ogromnom energijom iz visokonaponskog akceleratora i ravnomjerno se raspoređuju u nezaštićenim zonama formiranim tokom fotolitografije.
Tamo gdje je dielektrik uklonjen, ioni prodiru u nezaštićeni silicijumski sloj - inače se "zaglave" u dielektriku. Nakon sljedećeg procesa jetkanja, ostaci dielektrika se uklanjaju, a na ploči ostaju zone u kojima je lokalno prisutan bor. Jasno je da moderni procesori mogu imati nekoliko takvih slojeva - u ovom slučaju, dielektrični sloj se ponovo uzgaja u rezultirajućoj figuri i onda sve ide utabanim putem - još jedan sloj fotorezista, proces fotolitografije (već koristi novu masku ), graviranje, implantacija...
Logički elementi koji nastaju u procesu fotolitografije moraju biti međusobno povezani. Da bi se to postiglo, ploče se stavljaju u otopinu bakar sulfata, u kojoj se pod djelovanjem električne struje atomi metala "talože" u preostale "prolaze" - kao rezultat ovog galvanskog procesa formiraju se provodne regije. koji stvaraju veze između pojedinačnih delova procesorske "logike". Višak provodljivog premaza uklanja se poliranjem.
Ura - najteži dio je iza. Ostaje lukav način povezivanja "ostataka" tranzistora - princip i redoslijed svih ovih veza (sabirnica) naziva se arhitektura procesora. Ove veze su različite za svaki procesor - iako se kola čine potpuno ravnim, u nekim slučajevima se može koristiti i do 30 nivoa takvih "žica".
Po završetku obrade vafla, oblatne se iz proizvodnje prenose u radionicu za montažu i ispitivanje. Tamo se kristali podvrgavaju prvim testovima, a oni koji prođu test (a to je velika većina) se posebnim uređajem izrezuju iz podloge.
U sledećoj fazi, procesor je upakovan u podlogu (na slici, Intel Core i5 procesor, koji se sastoji od CPU-a i HD grafičkog čipa).
Podloga, matrica i poklopac za prijenos topline povezani su zajedno - to je proizvod na koji ćemo misliti kada kažemo riječ "procesor". Zeleni supstrat stvara električno i mehaničko sučelje (zlato se koristi za električno povezivanje silikonskog mikrokola sa kućištem), zahvaljujući kojem će biti moguće instalirati procesor u utičnicu matične ploče - u stvari, ovo je samo platforma na kojoj kontakti iz malog čipa su ožičeni. Poklopac za distribuciju toplote je termalni interfejs koji hladi procesor tokom rada - na ovaj poklopac će se nalaziti sistem hlađenja, bilo da se radi o hladnjaku radijatora ili zdravom vodenom bloku.
Sada zamislite da kompanija najavljuje, na primjer, 20 novih procesora. Svi se razlikuju jedni od drugih - broj jezgara, veličine keš memorije, podržane tehnologije... Svaki model procesora koristi određeni broj tranzistora (izračunato u milionima, pa čak i milijardama), svoj princip povezivanja elemenata... I sve ovo mora biti dizajnirano i kreirano/automatizirano - šabloni, sočiva, litografije, stotine parametara za svaki proces, testiranje... I sve to treba raditi 24 sata, u nekoliko tvornica odjednom... Kao rezultat, trebali bi se pojaviti uređaji koji nemaju mjesta za greške u radu... A cijena ovih tehnoloških remek-djela bi trebala biti u granicama pristojnosti...
