Cu câțiva ani în urmă, Intel a introdus un proces pas cu pas pentru fabricarea microprocesoarelor, de la nisip până la produsul final. De fapt, procesul de fabricație pentru celulele semiconductoare arată cu adevărat uimitor.
Pasul 1. Nisip
Siliciul, care reprezintă aproximativ 25% din toate elementele chimice din scoarța terestră din masa totală, este al doilea ca abundență după oxigen. Nisipul are un procent ridicat de dioxid de siliciu (SiO 2), care este ingredientul principal nu numai pentru producția de procesoare Intel, ci și pentru industria semiconductoarelor în general.
Siliciu topit
Substanța este purificată în mai multe etape până se obține un siliciu de calitate semiconductor utilizat în semiconductori. În cele din urmă, vine sub formă de lingouri monocristaline cu un diametru de aproximativ 300 de milimetri (12 inci). Anterior, lingourile aveau un diametru de 200 de milimetri (8 inci), iar în îndepărtatul 1970 - chiar mai puțin - 50 de milimetri (2 inci).
La acest nivel de producție a procesorului, după purificare, puritatea cristalului este de un atom de impuritate per miliard de atomi de siliciu. Greutatea lingoului este de 100 de kilograme.
Pasul 3. Tăierea lingoului
Lingoul este tăiat cu un ferăstrău foarte fin în felii individuale numite napolitane. Fiecare dintre ele este ulterior lustruit pentru a obține o suprafață netedă, fără defecte. Pe această suprafață netedă vor fi aplicate ulterior firele minuscule de cupru.
Expunerea stratului de fotorezist
Un lichid fotorezistent este turnat pe un substrat care se rotește cu o viteză mare (aceleași materiale sunt folosite în fotografia tradițională). În timpul rotației, se formează un strat rezistiv subțire și uniform pe întreaga suprafață a substratului.
Laserul ultraviolet, prin măști și lentile, acționează pe suprafața substratului, formând pe acesta mici linii ultraviolete iluminate. Obiectivul face imaginea focalizată de 4 ori mai mică decât masca. Oriunde liniile ultraviolete afectează stratul rezistiv, are loc o reacție chimică, în urma căreia aceste zone devin solubile.
Pasul 5. Gravare
Materialul fotorezistent solubil este apoi complet dizolvat cu un solvent chimic. Astfel, un agent chimic de gravare este utilizat pentru a dizolva sau a grava parțial o cantitate mică de material semiconductor lustruit (substrat). Restul de material fotorezistent este îndepărtat printr-un proces similar de clătire, expunând suprafața gravată a substratului.
Formarea straturilor
Se adaugă fotoreziste suplimentare (materiale sensibile la lumină) pentru a crea fire minuscule de cupru care vor transmite în cele din urmă electricitate către/de la diferiții conectori, care sunt, de asemenea, spălați și expuși. Ulterior, procesul de aliere ionică este efectuat pentru a adăuga impurități și pentru a proteja locurile de depunere a ionilor de cupru de sulfatul de cupru în timpul procesului de galvanizare.
La diferitele etape ale acestor procese de fabricație a procesoarelor, materiale suplimentare sunt adăugate și gravate și lustruite. Acest proces se repetă de 6 ori pentru a forma 6 straturi.
Produsul final arată ca o rețea de multe benzi microscopice de cupru care conduc electricitatea. Unele dintre ele sunt conectate la altele, iar unele sunt situate la o anumită distanță de altele. Dar toate sunt folosite în același scop - pentru a transfera electroni. Cu alte cuvinte, acestea sunt concepute pentru a oferi așa-numita „muncă utilă” (de exemplu, adăugarea a două numere cât mai rapid posibil, care este esența modelului de calcul în zilele noastre).
Prelucrarea multistrat se repetă pe fiecare zonă mică separată a suprafeței substratului pe care vor fi făcute cipurile. Incluzând astfel de zone includ cele care sunt parțial situate în afara substratului.
Pasul 7. Testare
De îndată ce toate straturile metalice sunt aplicate și toate tranzistoarele sunt create, vine timpul pentru următoarea etapă a producției procesoarelor Intel - testarea. Un dispozitiv cu mai mulți pini este plasat în partea de sus a cipului. Multe fire microscopice sunt atașate de el. Fiecare astfel de fir este conectat electric la cip.
Pentru a reproduce funcționarea cipului, îi este transmisă o secvență de semnale de testare. Testul nu numai că verifică capacitățile de calcul tradiționale, dar efectuează și diagnosticare internă cu valori de tensiune, secvențe în cascadă și alte funcții. Răspunsul cipului sub forma unui rezultat al testului este stocat într-o bază de date special alocată pentru această secțiune a substratului. Acest proces se repetă pentru fiecare porțiune a substratului.
Plăci de tăiere
Pentru tăierea inserțiilor se folosește un ferăstrău foarte mic cu vârf de diamant. Baza de date completată în pasul anterior este utilizată pentru a determina ce așchii, tăiate din substrat, sunt reținute și care sunt aruncate.
Pasul 9. Incinta in carcase
Toate plăcile de lucru sunt găzduite în incinte fizice. În ciuda faptului că platourile au fost pre-testate și s-a decis că funcționează corect, asta nu înseamnă că sunt procesoare bune.
Procesul de încapsulare se referă la încapsularea unui cip de siliciu într-un material substrat cu fire de aur în miniatură conectate la pinii sau la matricea de bile. BGA poate fi găsit pe spatele carcasei. Un radiator este instalat în partea superioară a carcasei. Este un corp metalic. La finalizarea acestui proces, procesorul arată ca un produs finit destinat consumului.
Notă: Radiatorul metalic este o componentă cheie a dispozitivelor semiconductoare de mare viteză de astăzi. Anterior, radiatoarele erau ceramice și nu foloseau răcire forțată. Era necesar pentru unele modele 8086 și 80286 și pentru modelele începând cu 80386. Generațiile anterioare de procesoare aveau mult mai puține tranzistoare.
De exemplu, 8086 avea 29.000 de tranzistori, în timp ce unitățile centrale moderne de procesare au sute de milioane de tranzistori. Un număr atât de mic de tranzistori conform standardelor actuale nu a generat suficientă căldură pentru a necesita răcire activă. Pentru a separa aceste procesoare de cele care necesită acest tip de răcire, cipurile ceramice au fost ulterior marcate „Necesită un radiator”.
Procesoarele moderne generează suficientă căldură pentru a se topi în câteva secunde. Doar prezența unui radiator conectat la radiatorul mare și la ventilator le permite să funcționeze mult timp.
Sortarea procesoarelor după caracteristici
În această etapă de producție, procesorul arată așa cum este cumpărat din magazin. Cu toate acestea, este necesar încă un pas pentru a finaliza procesul de producție. Se numește sortare.
Acest pas măsoară performanța reală a unui procesor individual. Sunt măsurați parametri precum tensiunea, frecvența, performanța, disiparea căldurii și alte caracteristici.
Cele mai bune chips-uri sunt depuse ca produse de calitate superioară. Sunt comercializate nu numai ca cele mai rapide componente, ci și ca modele de joasă și ultra-joasă tensiune.
Chipurile care nu au ajuns în grupul de procesoare de top sunt adesea comercializate ca viteze de ceas mai mici. În plus, procesoarele quad-core de vârf pot fi comercializate ca dual-sau triple-core.
Performanța procesorului
Procesul de sortare determină valorile finale ale vitezei, tensiunii și caracteristicilor termice. De exemplu, pe un substrat standard, doar 5% din cipurile fabricate pot funcționa la frecvențe de peste 3,2 GHz. În același timp, 50% dintre cipuri pot funcționa la 2,8 GHz.
Producătorii de procesoare investighează în mod constant motivele pentru care majoritatea procesoarelor produse sunt tactate la 2,8 GHz în loc de 3,2 GHz necesar. Ocazional, pot fi aduse modificări designului procesorului pentru a îmbunătăți performanța.
Rentabilitatea producției
Rentabilitatea afacerii pentru producția de procesoare și majoritatea elementelor semiconductoare este în intervalul 33-50%. Aceasta înseamnă că cel puțin 1/3 până la 1/2 din napolitanele de pe fiecare substrat funcționează, iar compania este profitabilă în acest caz.
Intel are o marjă de operare de 95% folosind tehnologia 45nm pentru substratul său de 300 mm. Aceasta înseamnă că, dacă dintr-un substrat pot fi făcute 500 de plachete de siliciu, 475 dintre ele vor funcționa și doar 25 vor fi aruncate. Cu cât se pot obține mai multe napolitane dintr-un singur substrat, cu atât va avea mai mult profit compania.
Tehnologiile Intel folosite astăzi
Istoria aplicării noilor tehnologii Intel pentru producția de masă a procesoarelor:
- 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 (prevăzut).
La începutul lui 2018, Intel a anunțat amânarea producției în masă a procesoarelor de 10 nm pentru 2019. Motivul pentru aceasta este costul ridicat de producție. În acest moment, compania continuă să furnizeze procesoare de 10 nm în volume mici.
Să caracterizăm tehnologiile procesoarelor Intel în termeni de cost. Conducerea companiei explică costul ridicat printr-un ciclu lung de producție și utilizarea unui număr mare de măști. Tehnologia de 10 nm se bazează pe litografie ultravioletă profundă (DUV) folosind lasere care funcționează la o lungime de undă de 193 nm.
Procesul de 7 nm va folosi litografie ultravioletă extremă (EUV) folosind lasere care funcționează la 13,5 nm. Această lungime de undă evită modelele multiple utilizate în mod obișnuit pentru procesul de 10 nm.
Inginerii companiei cred că în acest moment este necesar să lustruiți tehnologia DUV și să nu treceți direct la procesul de 7 nm. Astfel, procesoarele care folosesc tehnologia 10nm vor fi eliminate deocamdată.
Perspectiva producției de microprocesoare AMD
AMD este singurul concurent real al Intel pe piața procesoarelor în prezent. Din cauza erorilor Intel legate de tehnologia 10nm, AMD și-a îmbunătățit ușor poziția pe piață. Producția de masă Intel folosind procesul de fabricație de 10 nm este cu mult în urmă. Se știe că AMD folosește o terță parte pentru a-și fabrica cipurile. Și acum a apărut o situație când AMD pentru producție folosește toate tehnologiile de procesor de 7 nm care nu sunt inferioare concurentului principal.
Principalii producători terți de dispozitive semiconductoare care folosesc noi tehnologii pentru o logică complexă sunt Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), GlobalFoundaries din SUA și Samsung Foundry din Coreea.
AMD intenționează să folosească TSMC exclusiv pentru microprocesoarele sale de generație următoare. În acest caz, se vor aplica noi tehnologii pentru producția de procesoare. Compania a lansat deja o serie de produse folosind procesul de 7 nm, inclusiv un GPU de 7 nm. Primul este planificat să fie lansat în 2019. Este planificat să înceapă producția de masă a microcircuitelor de 5 nm în 2 ani.
GlobalFoundaries a renunțat la dezvoltarea proceselor de 7 nm pentru a se concentra pe dezvoltarea proceselor sale de 14/12 nm pentru clienții care vizează piețele cu creștere mare. AMD face investiții suplimentare în GlobalFoundaries pentru a produce procesoare AMD Ryzen, EPYC și Radeon din generația actuală.
Producția de microprocesoare în Rusia
Principalele unități de producție microelectronice sunt situate în orașele Zelenograd (Mikron, Angstrem) și Moscova (Crocus). Belarus are și propria sa producție de microelectronice - compania Integral, care utilizează procesul tehnologic de 0,35 microni.
Procesoarele sunt fabricate în Rusia de companiile MCST și Baikal Electronics. Cea mai recentă dezvoltare a MCST este procesorul Elbrus-8S. Este un microprocesor cu 8 nuclee tactat la 1,1-1,3 GHz. Performanța procesorului rus este de 250 gigaflops (operații în virgulă mobilă pe secundă). Reprezentanții companiei declară că pe o serie de indicatori procesorul poate concura chiar și cu liderul industriei - Intel.
Producția va continua cu modelul Elbrus-16 cu o frecvență de 1,5 GHz (indexul digital din nume indică numărul de nuclee). Aceste microprocesoare vor fi produse în serie în Taiwan. Acest lucru ar trebui să contribuie la reducerea prețului. După cum știți, prețul produselor companiei este exorbitant. În același timp, din punct de vedere al caracteristicilor, componentele sunt semnificativ inferioare companiilor lider din acest sector al economiei. Până acum, astfel de procesoare vor fi utilizate numai în organizațiile guvernamentale și în scopuri de apărare. Ca tehnologie pentru producerea procesoarelor din această linie, va fi utilizat un proces tehnologic de 28 nm.
Baikal Electronics produce procesoare pentru uz industrial. În special, acest lucru se aplică modelului Baikal T1. Domeniul său de aplicare este routerele, sistemele CNC și echipamentele de birou. Compania nu se oprește aici și dezvoltă deja un procesor pentru computere personale - „Baikal M”. Există încă puține informații despre caracteristicile sale. Se știe că are un procesor cu 8 nuclee cu suport pentru până la 8 nuclee grafice. Avantajul acestui microprocesor va fi eficiența energetică.
Microprocesoarele moderne sunt printre cele mai complexe dispozitive realizate de om. Fabricarea unui cristal semiconductor necesită mult mai multe resurse decât, de exemplu, construirea unei clădiri cu mai multe etaje sau organizarea unui eveniment expozițional major. Cu toate acestea, datorită lansării masive a procesorului în termeni monetari, nu observăm acest lucru și aproape nimeni nu se gândește la întreaga măreție a elementelor care ocupă un loc atât de proeminent în interiorul unității de sistem. Am decis să studiem detaliile producției de procesoare și să spunem despre ele în acest material. Din fericire, astăzi există suficiente informații despre acest subiect pe Web, iar o selecție specializată de prezentări și diapozitive de la Intel Corporation vă permite să finalizați sarcina cât mai clar posibil. Întreprinderile altor giganți ai industriei semiconductoarelor funcționează pe același principiu, așa că putem spune cu încredere că toate microcircuitele moderne trec pe o cale identică de creație.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Primul lucru care merită menționat sunt elementele de bază ale procesoarelor. Siliciul este al doilea element cel mai abundent de pe planetă, după oxigen. Este un semiconductor natural și este folosit ca material principal pentru producerea de cipuri de tot felul de microcircuite. Majoritatea siliciului se găsește în nisipul obișnuit (în special cuarț) sub formă de dioxid de siliciu (SiO2).
Cu toate acestea, siliciul nu este singurul material. Cea mai apropiată rudă și înlocuitor al acestuia este germaniul, cu toate acestea, în procesul de îmbunătățire a producției, oamenii de știință dezvăluie proprietăți semiconductoare bune în compușii altor elemente și se pregătesc să le testeze în practică sau o fac deja.
1 Siliciul trece printr-un proces de purificare în mai multe etape: materiile prime pentru microcircuite nu pot conține mai multe impurități decât un atom străin într-un miliard.
2 Siliciul este topit într-un recipient special și, coborând în interior o tijă rotativă răcită constant, substanța este „înfășurată” pe el datorită forțelor tensiunii superficiale.
3 Ca urmare, se obțin țagle longitudinale (monocristale) de secțiune transversală circulară, fiecare cântărind aproximativ 100 kg.
4 Piesa de prelucrat este tăiată în discuri separate de siliciu - plachete pe care vor fi amplasate sute de microprocesoare. În aceste scopuri se folosesc mașini cu discuri de tăiat diamantate sau mașini abrazive cu sârmă.
5 Substraturile sunt lustruite până la un finisaj în oglindă pentru a elimina toate imperfecțiunile suprafeței. Următorul pas este aplicarea celui mai subțire strat de fotopolimer.
6 Substratul tratat este expus la radiații ultraviolete dure. În stratul de fotopolimer are loc o reacție chimică: lumina, trecând prin numeroase șabloane, repetă tiparele straturilor CPU.
7 Dimensiunea reală a imaginii aplicate este de câteva ori mai mică decât șablonul real.
8 Zonele „gravate” de radiații sunt spălate. Se formează un model pe substratul de siliciu, care este apoi întărit.
9 Următoarea etapă în fabricarea unui strat este ionizarea, în timpul căreia regiunile de siliciu fără polimeri sunt bombardate cu ioni.
10 În locurile în care se lovesc, proprietățile conductivității electrice se schimbă.
11 Polimerul rămas este îndepărtat și tranzistorul este aproape complet. În straturile izolatoare se fac găuri care, datorită unei reacții chimice, sunt umplute cu atomi de cupru folosiți ca contacte.
12 Conexiunea tranzistoarelor este o cablare pe mai multe niveluri. Dacă te uiți printr-un microscop, poți vedea mulți conductori metalici pe atomii de cristal și siliciu sau înlocuitorii săi moderni plasați între ei.
13 O parte din substratul finit trece primul test funcțional. În această etapă, curent este furnizat fiecăruia dintre tranzistoarele selectate, iar sistemul automat verifică parametrii semiconductorului.
14 Substratul este tăiat în bucăți individuale folosind cele mai fine roți de tăiere.
15 Cristalele bune obținute în urma acestei operațiuni sunt folosite la fabricarea procesoarelor, iar cele defecte sunt trimise la deșeuri.
16 O matriță separată, din care va fi făcut procesorul, este plasată între baza (substratul) CPU și capacul radiatorului și „ambalată”.
17 În timpul testării finale, procesoarele finite sunt verificate pentru conformitatea cu parametrii necesari și abia apoi sortate. Pe baza datelor primite, microcodul este introdus în ele, permițând sistemului să identifice corect procesorul.
18 Dispozitivele finite sunt ambalate și trimise pe piață.
 |
 |
 |
 |
Fapte interesante despre procesoare și fabricarea lor
„Silicon Valley” (Silicon Valley, SUA, California)
Și-a primit numele de la blocul de construcție principal utilizat în producția de microcipuri.
De ce plăcile procesorului sunt rotunde?- probabil întrebi.
Pentru producerea cristalelor de siliciu se folosește o tehnologie care face posibilă obținerea doar a semifabricatelor cilindrice, care apoi sunt tăiate în bucăți. Pana acum nimeni nu a reusit sa produca o placa patrata fara defecte.
De ce microcipurile sunt pătrate?
Acest tip de litografie face posibilă utilizarea zonei plăcii cu eficiență maximă.
De ce au nevoie procesoarele de atât de mulți pini/pini?
Pe lângă liniile de semnal, fiecare procesor are nevoie de o sursă de alimentare stabilă pentru a funcționa. Cu un consum de energie de aproximativ 100-120 W și o tensiune scăzută, prin contacte poate trece un curent de până la 100 A. O parte semnificativă din contactele CPU sunt alocate special pentru sistemul de alimentare și sunt duplicate.
Eliminarea deșeurilor de producție
Anterior, plăcile defecte, rămășițele lor și microcipurile defecte au fost irosite. Astăzi, sunt în desfășurare dezvoltări care le permit să fie folosite ca bază pentru producția de celule solare.
„Costum de iepure”.
Acest nume a fost dat salopetelor albe, care trebuie purtate de toți muncitorii din unitățile de producție. Acest lucru se face pentru a menține curățenia maximă și pentru a preveni intrarea accidentală a particulelor de praf în unitățile de producție. Costumul de iepuraș a fost folosit pentru prima dată în fabricile de procesoare în 1973 și de atunci a devenit standardul acceptat.
99,9999%
Doar siliciul de cea mai înaltă puritate este potrivit pentru producția de procesoare. Piesele de prelucrat sunt curățate cu substanțe chimice speciale.
300 mm
Acesta este diametrul plachetelor moderne de siliciu pentru procesoarele de fabricație.
de 1000 de ori
Este un aer mult mai curat în incinta fabricilor pentru producția de chipsuri decât în sala de operație.
20 de straturi
Cristalul procesorului este foarte subțire (mai puțin de un milimetru), dar conține mai mult de 20 de straturi din cele mai complexe combinații structurale de tranzistori, care arată ca niște autostrăzi pe mai multe niveluri.
2500
Acesta este numărul de cristale de procesor Intel Atom (care au cea mai mică suprafață dintre procesoarele moderne) care sunt plasate pe un wafer de 300 mm.
10 000 000 000 000 000 000
O sută de chintilioane de tranzistoare sub formă de blocuri de construcție cu microcip sunt livrate din fabrici în fiecare an. Acesta este de aproximativ 100 de ori numărul estimat de furnici de pe planetă.
A
Costul producerii unui tranzistor într-un procesor astăzi este egal cu costul tipăririi unei scrisori într-un ziar.
În procesul de pregătire a articolului, au fost utilizate materiale de pe site-ul oficial al Intel Corporation, www.intel.ua
După cum am promis - o poveste detaliată despre cum sunt fabricate procesoarele ... începând cu nisipul. Tot ce ai vrut să știi, dar ți-a fost teamă să întrebi)
Am vorbit deja despre " Unde sunt fabricate procesoarele?"Si ce" Dificultăți de producție„Stai pe această cale. Astăzi vom vorbi direct despre producția în sine - „în interior și în exterior”.
Fabricarea procesorului
Când se construiește fabrica pentru producția de procesoare care utilizează noua tehnologie, are la dispoziție 4 ani pentru a recupera investiția (mai mult de 5 miliarde de dolari) și a obține profit. Din simple calcule secrete, reiese că fabrica trebuie să producă cel puțin 100 de plăci de lucru pe oră.Pe scurt, procesul de fabricare a unui procesor arată astfel: un singur cristal de formă cilindrică este crescut din siliciu topit pe un echipament special. Lingoul rezultat este răcit și tăiat în „clătite”, a căror suprafață este nivelată cu grijă și lustruită până la un finisaj în oglindă. Apoi, în „camerele curate” ale uzinelor de semiconductori, se creează circuite integrate pe plachete de siliciu prin fotolitografie și gravare. După recurățarea plăcilor, specialiștii de laborator la microscop efectuează testarea selectivă a procesoarelor - dacă totul este în regulă, atunci plăcile finite sunt tăiate în procesoare separate, care sunt ulterior închise în carcase.
Lecții de chimie
Să aruncăm o privire mai atentă asupra întregului proces. Conținutul de siliciu din scoarța terestră este de aproximativ 25-30% din masă, datorită căruia acest element este al doilea după oxigen în ceea ce privește prevalența. Nisipul, în special nisipul de cuarț, are un procent mare de siliciu sub formă de dioxid de siliciu (SiO 2) iar la începutul procesului de producție este componenta de bază pentru crearea semiconductorilor.Inițial, SiO 2 este luat sub formă de nisip, care este redus cu cocs în cuptoare cu arc (la o temperatură de aproximativ 1800 ° C):
Aceste reacții cu utilizarea reciclării substanțelor formate care conțin siliciu reduc costurile și elimină problemele de mediu:
2SiHCl3SiH2CI2 + SiCI4Hidrogenul rezultat poate fi folosit în multe locuri, dar cel mai important este că s-a obținut siliciu „electronic”, pur-pur (99,9999999%). Puțin mai târziu, o sămânță („punctul de creștere”) este aruncată în topitura unui astfel de siliciu, care este scoasă treptat din creuzet. Ca rezultat, se formează așa-numitul „boule” - un singur cristal de înălțimea unui adult. Greutatea este adecvată - în producție, un astfel de butoi cântărește aproximativ 100 kg.
2SiH2CI2SiH3CI + SiHCl3
2SiH3Cl SiH4 + SiH2Cl2
SiH4Si + 2H2
Lingoul se jupuieste cu „zero” :) si se taie cu un fierastrau cu diamant. La ieșire - napolitane (denumite în cod „waffle”) cu grosimea de aproximativ 1 mm și diametrul de 300 mm (~ 12 inci; acestea sunt tocmai cele folosite pentru tehnologia procesului 32nm cu tehnologia HKMG, High-K / Metal Gate ). Pe vremuri, Intel folosea discuri cu diametrul de 50 mm (2 "), iar în viitorul apropiat este deja planificată trecerea la plăci cu diametrul de 450 mm - acest lucru este justificat cel puțin din punctul de vedere al reducerii costului. Apropo de economii, toate aceste cristale sunt cultivate în afara Intel și sunt achiziționate în altă parte pentru fabricarea procesoarelor.
Fiecare farfurie este lustruită, făcută perfect plată, aducând suprafața ei la o strălucire ca oglindă.
Producția de așchii constă în peste trei sute de operațiuni, în urma cărora mai mult de 20 de straturi formează o structură tridimensională complexă - volumul articolului disponibil pe Habré nu ne va permite să descriem pe scurt nici măcar jumătate din această listă :) Prin urmare , foarte pe scurt și doar despre cele mai importante etape.
Asa de. Este necesar să se transfere structura viitorului procesor pe plăcile de siliciu lustruite, adică să se introducă impurități în anumite zone ale plăcilor de siliciu, care în cele din urmă formează tranzistori. Cum să o facă? În general, aplicarea diferitelor straturi pe un substrat de procesor este o întreagă știință, pentru că nici în teorie un astfel de proces nu este ușor (ca să nu mai vorbim de practică, ținând cont de scară)... dar e atât de frumos să înțelegi complexul;) Ei bine, sau cel puțin încearcă să-ți dai seama.
Fotolitografie
Problema este rezolvată cu ajutorul tehnologiei fotolitografiei - procesul de gravare selectivă a stratului de suprafață cu ajutorul unei fotomască de protecție. Tehnologia este construită pe principiul „light-template-photorezist” și procedează după cum urmează:- Se aplică un strat de material pe substratul de siliciu, din care urmează să fie format modelul. Se aplica fotorezist- un strat de material polimer fotosensibil care își modifică proprietățile fizico-chimice atunci când este iradiat cu lumină.Structura necesară este desenată pe o fotomască - de regulă, este o placă din sticlă optică, pe care sunt fotografiate zone opace. Fiecare astfel de șablon conține unul dintre straturile viitorului procesor, așa că trebuie să fie foarte precis și practic.
- Fabricat exponând(iluminarea stratului foto pentru o perioadă de timp stabilită cu precizie) printr-o mască foto
- Îndepărtarea fotorezistului uzat.
Uneori este pur și simplu imposibil să depuneți anumite materiale în locurile potrivite pe farfurie, deci este mult mai ușor să aplicați materialul dintr-o dată pe întreaga suprafață, eliminând excesul din acele locuri în care nu este necesar - imaginea de mai sus arată aplicarea fotorezistului în albastru.
Placa este iradiată cu un flux de ioni (atomi încărcați pozitiv sau negativ), care pătrund sub suprafața plăcii în locuri specificate și modifică proprietățile conductoare ale siliciului (zonele verzi sunt atomi străini încorporați).
Cum se izolează zonele care nu necesită post-tratament? Înainte de litografie, pe suprafața plachetei de siliciu se aplică o peliculă dielectrică de protecție (la o temperatură ridicată într-o cameră specială) - așa cum am spus deja, în loc de dioxidul de siliciu tradițional, Intel a început să folosească un dielectric High-K. Este mai gros decât dioxidul de siliciu, dar în același timp are aceleași proprietăți capacitive. Mai mult, datorită creșterii grosimii, curentul de scurgere prin dielectric este redus și, ca urmare, a devenit posibilă obținerea de procesoare mai eficiente energetic. În general, aici este mult mai dificil să se asigure uniformitatea acestei pelicule pe întreaga suprafață a plăcii - în acest sens, în producție se utilizează controlul de înaltă precizie a temperaturii.
Deci asta este. În acele locuri care vor fi tratate cu impurități, nu este necesară o peliculă de protecție - se îndepărtează cu grijă prin gravare (înlăturarea zonelor stratului pentru a forma o structură multistrat cu anumite proprietăți). Și cum să-l eliminați nu peste tot, ci numai în zonele necesare? Pentru aceasta, deasupra peliculei trebuie aplicat încă un strat de fotorezist - datorită forței centrifuge a plăcii rotative, acesta se aplică într-un strat foarte subțire.
În fotografie, lumina a trecut prin filmul negativ, a lovit suprafața hârtiei fotografice și și-a schimbat proprietățile chimice. În fotolitografie, principiul este similar: lumina este trecută printr-o mască foto pe un fotorezist, iar în acele locuri în care a trecut prin mască, zonele individuale ale fotorezist își schimbă proprietățile. Radiația luminoasă este transmisă prin măști și este focalizată pe substrat. Pentru o focalizare precisă, este necesar un sistem special de lentile sau oglinzi, care nu numai că poate reduce imaginea tăiată pe mască la dimensiunea unui cip, ci și o poate proiecta cu precizie pe piesa de prelucrat. Plăcile imprimate sunt de obicei de patru ori mai mici decât măștile în sine.
Tot fotorezistul uzat (care și-a schimbat solubilitatea sub acțiunea radiației) este îndepărtat cu o soluție chimică specială - împreună cu acesta, o parte din substratul de sub fotorezistul iluminat se dizolvă. Partea substratului care a fost ascunsă de lumină de mască nu se va dizolva. Formează un conductor sau un viitor element activ - rezultatul acestei abordări este modele diferite de scurtcircuite pe fiecare strat al microprocesorului.
De fapt, toți pașii anteriori au fost necesari pentru a crea structuri semiconductoare în locurile necesare prin introducerea unei impurități donor (tip n) sau acceptor (tip p). Să presupunem că trebuie să facem o regiune de concentrare a purtătorului de tip p în siliciu, adică o bandă de conducție în gaură. Pentru aceasta, placa este prelucrată folosind un dispozitiv numit implantator- ionii de bor cu energie enormă sunt trageți de la acceleratorul de înaltă tensiune și sunt distribuiți uniform în zonele neprotejate formate în timpul fotolitografiei.
Acolo unde dielectricul a fost îndepărtat, ionii pătrund în stratul de siliciu neprotejat - în caz contrar, „se blochează” în dielectric. După următorul proces de gravare, resturile dielectricului sunt îndepărtate, iar zonele rămân pe placa în care borul este prezent local. Este clar că procesoarele moderne pot avea mai multe astfel de straturi - în acest caz, un strat dielectric este din nou crescut în figura rezultată și apoi totul merge pe o cale călcată - un alt strat de fotorezist, procesul de fotolitografie (folosind deja o mască nouă) , gravare, implantare... bine, ai inteles.
Dimensiunea caracteristică a tranzistorului este acum de 32 nm, iar lungimea de undă cu care este procesat siliciul nu este nici măcar lumină obișnuită, ci un laser special cu excimer ultraviolet - 193 nm. Totuși, legile opticii nu permit rezolvarea a două obiecte situate la o distanță mai mică de jumătate din lungimea de undă. Acest lucru se datorează difracției luminii. Cum să fii? Pentru a folosi diverse trucuri - de exemplu, pe lângă laserele excimeri menționate mai sus, care strălucesc departe în spectrul ultraviolet, fotolitografia modernă folosește optică reflectorizantă multistrat folosind măști speciale și un proces special de fotolitografie prin imersie (imersie).
Elementele logice care se formează în procesul de fotolitografie trebuie conectate între ele. Pentru a face acest lucru, plăcile sunt plasate într-o soluție de sulfat de cupru, în care, sub acțiunea unui curent electric, atomii de metal „se așează” în „pasajele” rămase - ca urmare a acestui proces galvanic, se formează regiuni conductoare. care creează conexiuni între părțile individuale ale „logicii” procesorului. Învelișul conductor în exces este îndepărtat prin lustruire.
Întindere acasă
Ura – partea cea mai grea este în urmă. Rămâne o modalitate dificilă de a conecta „rămășițele” tranzistoarelor - principiul și secvența tuturor acestor conexiuni (autobuze) se numește arhitectura procesorului. Aceste conexiuni sunt diferite pentru fiecare procesor - deși circuitele par complet plate, în unele cazuri pot fi folosite până la 30 de niveluri de astfel de „fire”. De la distanță (la o mărire foarte mare), totul arată ca un nod rutier futurist - și la urma urmei, cineva proiectează aceste încurcături!
Când procesarea napolitanelor este completă, napolitanele sunt transferate din producție în atelierul de asamblare și testare. Acolo, cristalele sunt supuse primelor teste, iar cele care trec testul (și aceasta este majoritatea covârșitoare) sunt tăiate de pe substrat cu un dispozitiv special.
În etapa următoare, procesorul este împachetat într-un substrat (în figură, un procesor Intel Core i5, format dintr-un procesor și un cip grafic HD).
Salut socket!
Substratul, matrița și capacul de transfer de căldură sunt conectate împreună - acesta este produsul la care ne vom referi când spunem cuvântul „procesor”. Substratul verde creează o interfață electrică și mecanică (aurul este folosit pentru a conecta electric microcircuitul de siliciu la carcasă), datorită căreia va fi posibilă instalarea procesorului într-o priză a plăcii de bază - de fapt, aceasta este doar o platformă pe care contactele de la cip mic sunt cablate. Capacul de distribuire a căldurii este o interfață termică care răcește procesorul în timpul funcționării - de acest capac se va alătura sistemul de răcire, fie că este un radiator mai rece sau un bloc de apă sănătos.
Priză(conector procesor central) - un conector priză sau slot conceput pentru instalarea unui procesor central. Utilizarea unui conector în loc de dezlipirea directă a procesorului de pe placa de bază facilitează înlocuirea procesorului pentru a face upgrade sau repararea computerului. Conectorul poate fi proiectat pentru a instala procesorul propriu-zis sau placa CPU (de exemplu, în Pegasos). Fiecare slot permite instalarea doar a unui anumit tip de procesor sau card CPU.
În etapa finală a producției, procesoarele finite sunt supuse testelor finale pentru conformitatea cu principalele caracteristici - dacă totul este în ordine, atunci procesoarele sunt sortate în ordinea corectă în tăvi speciale - în această formă, procesoarele vor merge la producători sau mergeți la vânzări OEM. Un alt lot va intra în vânzare sub formă de versiuni BOX - într-o cutie frumoasă împreună cu un sistem de răcire stoc.
Sfarsit
Acum imaginați-vă că compania anunță, de exemplu, 20 de procesoare noi. Toate sunt diferite unele de altele - numărul de nuclee, dimensiunile memoriei cache, tehnologiile acceptate... Fiecare model de procesor folosește un anumit număr de tranzistori (calculat în milioane și chiar miliarde), propriul său principiu de conectare... Și toate acesta trebuie proiectat și creat/automatizat - șabloane, lentile, litografie, sute de parametri pentru fiecare proces, testare... Și toate acestea ar trebui să funcționeze non-stop, la mai multe fabrici deodată... Ca urmare, ar trebui să apară dispozitive care nu au loc de eroare în funcționare... Și costul acestor capodopere tehnologice ar trebui să fie în limitele decenței... Sunt aproape sigur că și tu, ca și mine, nu-ți poți imagina întregul volum de muncă gata, despre care am încercat să vă povestesc astăzi.Ei bine, și ceva mai surprinzător. Imaginează-ți că ești un mare om de știință cu cinci minute înainte - ai îndepărtat cu grijă capacul de distribuire a căldurii al procesorului și printr-un microscop imens puteai vedea structura procesorului - toate aceste conexiuni, tranzistori... chiar au schițat ceva pe un bucată de hârtie pentru a nu uita. Crezi că este ușor să studiezi principiile procesorului, având doar aceste date și date despre ce sarcini pot fi rezolvate cu ajutorul acestui procesor? Mi se pare că aproximativ aceeași imagine este acum vizibilă pentru oamenii de știință care încearcă să studieze activitatea creierului uman la un nivel similar. Doar dacă îi crezi pe microbiologii de la Stanford, într-un singur creier uman
UNDE sunt fabricate procesoarele Intel
După cum am scris într-o postare anterioară, Intel are în prezent 4 fabrici capabile să producă în masă procesoare de 32 nm: D1D și D1C în Oregon, Fab 32 în Arizona și Fab 11X în New Mexico.
Să vedem cum funcționează
Înălțimea fiecărei fabrici de procesoare Intel Nivelul sistemului de ventilație Microprocesorul este format din milioane de tranzistori Nivelul camerei curate Podeaua acoperă zona mai multor terenuri de fotbal Pe lângă cerințele crescute pentru sterilitatea camerei, Nivel inferior Proiectat pentru sistemele care susțin funcționarea Nivel de inginerie |
Este nevoie de aproximativ 3 ani pentru a construi o fabrică de acest nivel și aproximativ 5 miliarde - este această sumă pe care uzina va trebui să o „recapture” în următorii 4 ani (până la apariția unui nou proces tehnologic și arhitectură, performanța necesară pentru aceasta este aproximativ 100 de plachete de siliciu de lucru pe oră). Pentru a construi o plantă veți avea nevoie de:
- peste 19.000 de tone de oțel
- peste 112.000 de metri cubi de beton
- peste 900 de kilometri de cablu
CUM sunt fabricate microprocesoarele
Din punct de vedere tehnic, un microprocesor modern este realizat sub forma unui singur circuit integrat la scară foarte mare, format din câteva miliarde de elemente - aceasta este una dintre cele mai complexe structuri create de om. Elementele cheie ale oricărui microprocesor sunt întrerupătoarele discrete - tranzistoarele. Prin blocarea și trecerea unui curent electric (pornit-oprit), ele permit circuitelor logice ale computerului să funcționeze în două stări, adică într-un sistem binar. Tranzistoarele sunt măsurate în nanometri. Un nanometru (nm) este o miliardime dintr-un metru.
Pe scurt, procesul de fabricare a unui procesor arată astfel: un singur cristal de formă cilindrică este crescut din siliciu topit pe un echipament special. Lingoul rezultat este răcit și tăiat în „clătite”, a căror suprafață este nivelată cu grijă și lustruită până la un finisaj în oglindă. Apoi, în „camerele curate” ale uzinelor de semiconductori, se creează circuite integrate pe plachete de siliciu prin fotolitografie și gravare. După recurățarea plăcilor, specialiștii de laborator la microscop efectuează testarea selectivă a procesoarelor - dacă totul este în regulă, atunci plăcile finite sunt tăiate în procesoare separate, care sunt ulterior închise în carcase.
Să aruncăm o privire mai atentă asupra întregului proces.
Inițial, SiO2 este luat sub formă de nisip, care este redus cu cocs în cuptoare cu arc (la o temperatură de aproximativ 1800 ° C):
SiO2 + 2C = Si + 2CO
Un astfel de siliciu este numit „tehnic” și are o puritate de 98-99,9%. Procesoarele necesită o materie primă mult mai curată numită „siliciu electronic” - nu ar trebui să existe mai mult de un atom străin pe miliard de atomi de siliciu. Pentru a purifica la acest nivel, siliciul este literalmente „renaște”. Prin clorurarea siliciului comercial, se obține tetraclorură de siliciu (SiCl4), care este ulterior transformată în triclorosilan (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3
Aceste reacții cu utilizarea reciclării substanțelor formate care conțin siliciu reduc costurile și elimină problemele de mediu:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2
Hidrogenul rezultat poate fi folosit în multe locuri, dar cel mai important este că s-a obținut siliciu „electronic”, pur-pur (99,9999999%). Puțin mai târziu, o sămânță („punctul de creștere”) este aruncată în topitura unui astfel de siliciu, care este scoasă treptat din creuzet. Ca rezultat, se formează așa-numitul „boule” - un singur cristal de înălțimea unui adult. Greutatea este adecvată - în producție, o astfel de boule cântărește aproximativ 100 kg.
Lingoul se jupuieste cu „zero” :) si se taie cu un fierastrau cu diamant. La ieșire - napolitane (denumite în cod „waffle”) cu grosimea de aproximativ 1 mm și diametrul de 300 mm (~ 12 inci; acestea sunt tocmai cele folosite pentru tehnologia procesului 32nm cu tehnologia HKMG, High-K / Metal Gate ).
Acum, cel mai interesant lucru este că este necesar să se transfere structura viitorului procesor pe plăcile de siliciu lustruite, adică să se introducă impurități în anumite zone ale plăcilor de siliciu, care în cele din urmă formează tranzistoarele. Cum să o facă?
Problema este rezolvată cu ajutorul tehnologiei fotolitografiei - procesul de gravare selectivă a stratului de suprafață cu ajutorul unei fotomască de protecție. Tehnologia este construită pe principiul „light-template-photorezist” și procedează după cum urmează:
- Se aplică un strat de material pe substratul de siliciu, din care urmează să fie format modelul. I se aplică un fotorezistent - un strat dintr-un material fotosensibil polimer care își schimbă proprietățile fizice și chimice atunci când este iradiat cu lumină.
- Expunerea se face (iluminarea stratului foto pentru o perioadă de timp stabilită cu precizie) printr-o mască foto
- Îndepărtarea fotorezistului uzat.
Structura necesară este desenată pe o fotomască - de regulă, este o placă din sticlă optică, pe care sunt fotografiate zone opace. Fiecare astfel de șablon conține unul dintre straturile viitorului procesor, așa că trebuie să fie foarte precis și practic.
Placa este iradiată cu un flux de ioni (atomi încărcați pozitiv sau negativ), care pătrund sub suprafața plăcii în locuri specificate și modifică proprietățile conductoare ale siliciului (zonele verzi sunt atomi străini încorporați).
În fotografie, lumina a trecut prin filmul negativ, a lovit suprafața hârtiei fotografice și și-a schimbat proprietățile chimice. În fotolitografie, principiul este similar: lumina este trecută printr-o mască foto pe un fotorezist, iar în acele locuri în care a trecut prin mască, zonele individuale ale fotorezist își schimbă proprietățile. Radiația luminoasă este transmisă prin măști și este focalizată pe substrat. Pentru o focalizare precisă, este necesar un sistem special de lentile sau oglinzi, care nu numai că poate reduce imaginea tăiată pe mască la dimensiunea unui cip, ci și o poate proiecta cu precizie pe piesa de prelucrat. Plăcile imprimate sunt de obicei de patru ori mai mici decât măștile în sine. 
Tot fotorezistul uzat (care și-a schimbat solubilitatea sub acțiunea radiației) este îndepărtat cu o soluție chimică specială - împreună cu acesta, o parte din substratul de sub fotorezistul iluminat se dizolvă. Partea substratului care a fost ascunsă de lumină de mască nu se va dizolva. Formează un conductor sau un viitor element activ - rezultatul acestei abordări este modele diferite de scurtcircuite pe fiecare strat al microprocesorului.
De fapt, toți pașii anteriori au fost necesari pentru a crea structuri semiconductoare în locurile necesare prin introducerea unei impurități donor (tip n) sau acceptor (tip p). Să presupunem că trebuie să facem o regiune de concentrare a purtătorului de tip p în siliciu, adică o bandă de conducție în gaură. Pentru a face acest lucru, placa este procesată folosind un dispozitiv numit implantator - ionii de bor cu o energie extraordinară sunt trageți de la un accelerator de înaltă tensiune și sunt distribuiți uniform în zonele neprotejate formate în timpul fotolitografiei.
Acolo unde dielectricul a fost îndepărtat, ionii pătrund în stratul de siliciu neprotejat - în caz contrar, „se blochează” în dielectric. După următorul proces de gravare, resturile dielectricului sunt îndepărtate, iar zonele rămân pe placa în care borul este prezent local. Este clar că procesoarele moderne pot avea mai multe astfel de straturi - în acest caz, un strat dielectric este din nou crescut în figura rezultată și apoi totul merge pe o cale călcată - un alt strat de fotorezist, procesul de fotolitografie (folosind deja o nouă mască ), gravare, implantare...
Elementele logice care se formează în procesul de fotolitografie trebuie conectate între ele. Pentru a face acest lucru, plăcile sunt plasate într-o soluție de sulfat de cupru, în care, sub acțiunea unui curent electric, atomii de metal „se așează” în „pasajele” rămase - ca urmare a acestui proces galvanic, se formează regiuni conductoare. care creează conexiuni între părțile individuale ale „logicii” procesorului. Învelișul conductor în exces este îndepărtat prin lustruire.
Ura – partea cea mai grea este în urmă. Rămâne o modalitate dificilă de a conecta „rămășițele” tranzistoarelor - principiul și secvența tuturor acestor conexiuni (autobuze) se numește arhitectura procesorului. Aceste conexiuni sunt diferite pentru fiecare procesor - deși circuitele par complet plate, în unele cazuri pot fi folosite până la 30 de niveluri de astfel de „fire”.
Când procesarea napolitanelor este completă, napolitanele sunt transferate din producție în atelierul de asamblare și testare. Acolo, cristalele sunt supuse primelor teste, iar cele care trec testul (și aceasta este majoritatea covârșitoare) sunt tăiate de pe substrat cu un dispozitiv special.
În etapa următoare, procesorul este împachetat într-un substrat (în figură, un procesor Intel Core i5, format dintr-un procesor și un cip grafic HD).
Substratul, matrița și capacul de transfer de căldură sunt conectate împreună - acesta este produsul la care ne vom referi când spunem cuvântul „procesor”. Substratul verde creează o interfață electrică și mecanică (aurul este folosit pentru a conecta electric microcircuitul de siliciu la carcasă), datorită căreia va fi posibilă instalarea procesorului într-o priză a plăcii de bază - de fapt, aceasta este doar o platformă pe care contactele de la cip mic sunt cablate. Capacul de distribuire a căldurii este o interfață termică care răcește procesorul în timpul funcționării - de acest capac se va alătura sistemul de răcire, fie că este un radiator mai rece sau un bloc de apă sănătos.
Acum imaginați-vă că compania anunță, de exemplu, 20 de procesoare noi. Toate sunt diferite unele de altele - numărul de nuclee, dimensiunile memoriei cache, tehnologiile acceptate... Fiecare model de procesor folosește un anumit număr de tranzistori (calculat în milioane și chiar miliarde), propriul principiu al elementelor de conectare... Și toate acesta trebuie proiectat și creat / automatizat - șabloane, lentile, litografii, sute de parametri pentru fiecare proces, testare... Și toate acestea ar trebui să funcționeze non-stop, la mai multe fabrici deodată... Ca urmare, ar trebui să apară dispozitive care nu au loc de eroare în funcționare... Și costul acestor capodopere tehnologice ar trebui să fie în limitele decenței...
