Как делают процессоры для компьютера

Как на самом деле делают процессоры?

Хотя то, как работают процессоры, может показаться волшебством, это результат десятилетий умной инженерии. По мере того как транзисторы — строительные блоки любого микрочипа — сжимаются до микроскопических размеров, способ их изготовления становится все более сложным.

Фотолитография

Транзисторы сейчас настолько малы, что производители не могут создавать их обычными методами. Хотя прецизионные токарные станки и даже 3D-принтеры могут создавать невероятно сложные творения, они обычно достигают максимальной точности на уровне микрометра (то есть около одной тридцатитысячной доли дюйма) и не подходят для нанометрового масштаба, на котором построены современные чипы.

Фотолитография решает эту проблему, избавляя от необходимости очень точно перемещать сложное оборудование. Вместо этого оно использует свет, чтобы запечатать изображение на чипе — как старинный проектор, который вы можете найти в классных комнатах, но наоборот, масштабируя трафарет до желаемой точности.

Изображение проецируется на кремниевую пластину, которая обрабатывается с очень высокой точностью в контролируемых лабораториях, поскольку любая пылинка на пластине может означать потерю тысяч долларов. Пластина покрыта материалом, называемым фоторезистом, который реагирует на свет и смывается, оставляя травление ЦП, которое может быть заполнено медью или легировано для образования транзисторов. Затем этот процесс повторяется много раз, наращивая ЦП так же, как 3D-принтер наращивает слои пластика.

Проблемы с наноразмерной фотолитографией

Не имеет значения, можете ли вы сделать транзисторы меньше, если они не заработают, а ведь нанотехнологии сталкиваются с множеством проблем с физикой. Транзисторы должны останавливать электрический ток, когда они выключены, но они становятся настолько маленькими, что электроны могут проходить сквозь них. Это называется квантовым туннелированием и представляет собой серьёзную проблему для инженеров по кремнию.

Ещё одна проблема — дефекты. Даже у фотолитографии есть предел точности. В настоящее время литейные предприятия пытаются смягчить этот эффект, используя «экстремальный» ультрафиолетовый свет, с помощью лазеров в вакуумной камере, длина волны которого гораздо более высокая, чем может воспринимать человек. Но проблема не исчезнет, когда размер станет меньше.

Дефекты иногда можно устранить с помощью процесса, называемого биннингом — если дефект затрагивает ядро ЦП, это ядро отключается, и микросхема продаётся как деталь более низкого уровня. Фактически, большинство модельных рядов процессоров производятся по одной и той же схеме, но с отключёнными ядрами и продаются по более низкой цене. Если дефект попадает в кэш или другой важный компонент, этот чип, возможно, придётся выбросить, что приведёт к снижению доходности и более высокой цене. Новые технологические узлы, такие как 7-нм и 10-нм, будут иметь более высокий процент дефектов и в результате будут более дорогими.

Упаковка

Упаковка ЦП для потребительского использования — это больше, чем просто положить его в коробку с пенопластом. Когда завершается работа над процессором, он по-прежнему бесполезен, если он не может подключиться к остальной системе. Процесс «упаковки» относится к методу, при котором тонкий силиконовый кристалл прикрепляется к печатной плате, которую большинство людей называют «процессором».

Этот процесс требует большой точности, но не такой, как предыдущие шаги. Кристалл ЦП установлен на силиконовой плате, и электрические соединения проходят ко всем контактам, контактирующим с материнской платой. Современные процессоры могут иметь тысячи контактов, а в высокопроизводительном AMD Threadripper их 4094.

Поскольку ЦП выделяет много тепла и должен быть защищён спереди, наверху установлен «встроенный теплоотвод». Он соприкасается с матрицей и передаёт тепло охладителю, установленному сверху. По мнению некоторых энтузиастов, термопаста, используемая для этого соединения, недостаточно хороша, что приводит к тому, что люди скальпируют свои процессоры, чтобы применить более качественное решение.

Когда все будет собрано, его можно упаковать в настоящие коробки, готовые попасть на полки магазинов, а потом и в ваш компьютер. Учитывая сложность производства, удивительно, что большинство процессоров стоит всего пару сотен долларов.

Если вам интересно узнать ещё больше технической информации о том, как создаются процессоры, ознакомьтесь с объяснениями процессов литографии и микроархитектур в Wikichip.

Связанные статьи:

• Как контролировать температуру процессора компьютера (100%)
• Как разогнать процессор AMD с помощью Ryzen Master (92.2%)
• Как контролировать температуру видеокарты компьютера (84.6%)
• Как узнать, сколько ядер у процессора в компьютере (65.4%)
• Инструкция по использованию ThrottleStop (альтернатива Intel Extreme Tuning Utility для андервольтинга) (57.6%)
• Как скрыть или отключить «Провести собрание» в Windows 10 (RANDOM — 50%)

Как на самом деле производят процессоры

Чтобы создать сверхмощный процессор, достаточно простого.

Песок. В наших компьютерах в буквальном смысле песок, вернее — составляющий его кремний. Это основной элемент, благодаря которому в компьютерах всё работает. А вот как из песка получаются компьютеры.

Что такое процессор

Процессор — это небольшой чип внутри вашего компьютера или телефона, который производит все вычисления. Об основе вычислений мы уже писали — это транзисторы, которые собраны в сумматоры и другие функциональные блоки.

Если очень упрощённо — это сложная система кранов и труб, только вместо воды по ним течёт ток. Если правильным образом соединить эти трубы и краны, ток будет течь полезным для человека образом и получатся вычисления: сначала суммы, потом из сумм можно получить более сложные математические операции, потом числами можно закодировать текст, цвет, пиксели, графику, звук, 3D, игры, нейросети и что угодно ещё.

Кремний

Почти все процессоры, которые производятся в мире, делаются на кремниевой основе. Это связано с тем, что у кремния подходящая внутренняя атомная структура, которая позволяет делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Самый доступный источник кремния — песок. Но кремний, который получается из песка, на самом первом этапе недостаточно чистый: в нём есть 0,5% примесей. Может показаться, что чистота 99,5% — это круто, но для процессоров нужна чистота уровня 99,9999999%. Такой кремний называется электронным, и его можно получить после цепочки определённых химических реакций.

Когда цепочка заканчивается и остаётся только чистый кремний, можно начинать выращивать кристалл.

Кристалл и подложка

Кристаллы — это такие твёрдые тела, в которых атомы и молекулы вещества находятся в строгом порядке. Проще говоря, атомы в кристалле расположены предсказуемым образом в любой точке. Это позволяет точно понимать, как будет вести себя это вещество при любом воздействии на него. Именно это свойство кристаллической решётки используют на производстве процессоров.

Самые распространённые кристаллы — соль, драгоценные камни, лёд и графит в карандаше.

Большой кристалл можно получить, если кремний расплавить, а затем опустить туда заранее подготовленный маленький кристалл. Он сформирует вокруг себя новый слой кристаллической решётки, получившийся слой сделает то же самое, и в результате мы получим один большой кристалл. На производстве он весит под сотню килограмм, но при этом очень хрупкий.

После того, как кристалл готов, его нарезают специальной пилой на диски толщиной в миллиметр. При этом диаметр такого диска получается около 30 сантиметров — на нём будет создаваться сразу несколько десятков процессоров.

Каждую такую пластинку тщательно шлифуют, чтобы поверхность получилась идеально ровной. Если будут зазубрины или шероховатости, то на следующих этапах диск забракуют.

Печатаем транзисторы

Когда диски отполированы, на них можно формировать процессоры. Процесс очень похож на то, как раньше печатали чёрно-белые фотографии: брали плёнку, светили сверху лампой, а снизу клали фотобумагу. Там, куда попадал свет, бумага становилось тёмной, а те места, которые закрыло чёрное изображение на плёнке, оставались белыми.

С транзисторами всё то же самое: на диск наносят специальный слой, который при попадании света реагирует с молекулами диска и изменяет его свойства. После такого облучения в этих местах диск начинает проводить ток чуть иначе — сильнее или слабее.

Чтобы так поменять только нужные участки, на пути света помещают фильтр — прямо как плёнку в фотопечати, — который закрывает те места, где менять ничего не надо.

Потом получившийся слой покрывают тонким слоем диэлектрика — это вещество, которое не проводит ток, типа изоленты. Это нужно, чтобы слои процессора не взаимодействовали друг с другом. Процесс повторяется несколько десятков раз. В результате получаются миллионы мельчайших транзисторов, которые теперь нужно соединить между собой.

Соединяем всё вместе

То, как соединяются между собой транзисторы в процессоре, называется процессорной архитектурой. У каждого поколения и модификации процессоров своя архитектура. Все производители держат в секрете тонкости архитектуры, потому что от этого может зависеть скорость работы или стоимость производства.

Так как транзисторов много, а связей между ними нужно сделать немало, то поступают так: наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют проводники в нужном месте. Потом слой диэлектрика и снова токопроводящий слой. В результате выходит бутерброд из проводников, которые друг другу не мешают, а транзисторы получают нужные соединения.

В чём сложность

Современные процессоры производятся на нанометровом уровне, то есть размеры элементов измеряются нанометрами, это очень мало.

Если, например, во время печати очень толстый мальчик упадёт на пол в соседнем цехе, еле заметная ударная волна прокатится по перекрытиям завода и печатная форма немного сдвинется, а напечатанные таким образом транзисторы окажутся бракованными. Пылинка, попавшая на пластину во время печати — это, считай, загубленное ядро процессора.

Поэтому на заводах, где делают процессоры, соблюдаются жёсткие стандарты чистоты, все ходят в масках и костюмах, на всех воздуховодах стоят фильтры, а сами заводы находятся на сейсмических подушках, чтобы толчки земной коры не мешали производить процессоры.

Крышка и упаковка

Когда дорожки готовы, диск отправляют на тесты. Там смотрят на то, как работает каждый процессор, как он греется и сколько ему нужно энергии, заодно проверяют на брак.

В зависимости от результатов процессоры с одной пластины могут получить разную маркировку и продаваться по разной стоимости. Те процессоры, которые получились более удачными, становятся дорогими серверными продуктами. Те, где кто-то рядом чихнул или вздохнул, имеют некоторые несовершенства и дефекты, их могут отправить на потребительскую линию.

После тестов диск разрезают на готовые процессорные ядра.

После этого к ядру процессора добавляют контакты, чтобы можно было вставить его в материнскую плату, и накрывают крышкой. Чёрный или металлический прямоугольник, из которого торчат ножки, — это как раз крышка.

Крышка выполняет две функции: защищает сам кристалл от повреждений и отводит от него тепло во время работы. Дело в том, что миллионы транзисторов при работе нагреваются, и если процессор не остужать, то он перегреется и кристалл может испортиться. Чтобы такого не произошло, на крышку процессора ставят воздушные кулеры или делают водяное охлаждение.

Система на чипе

Чипы процессоров уже настолько маленькие, что под одной крышкой можно поместить какое-нибудь ещё устройство. Например, видеосистему — то, что обсчитывает картинку перед выводом на экран. Или устройство радиосвязи с антенной.

В какой-то момент на маленьком чипе площадью около 1 см 2 уже можно было поместить процессор, видео, модем и блютус, сделать всё нужное для поддержки памяти и периферии — в общем, система на чипе. Подключаете к этому хозяйству экран, нужное количество антенн, портов и кнопок, а главное — здоровенную батарею, и у вас готовый смартфон. По сути, все «мозги» вашего смартфона находятся на одном маленьком чипе, а 80% пространства за экраном занимает батарея.

Получите ИТ-профессию

В «Яндекс Практикуме» можно стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером цифровых продуктов. Первая часть обучения всегда бесплатная, чтобы попробовать и найти то, что вам по душе. Дальше — программы трудоустройства.

Как разрабатываются и создаются процессоры? Часть 3: Изготовление чипа

Это третья часть нашего цикла, посвященного разработке процессоров. В первой части мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй – рассказывалось о проектировании и реализации отдельных компонентов чипа. В третьей части мы шагнём дальше и узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.

Как же все эти песчинки превращаются в современный процессор? Давайте разберёмся.

Как мы уже говорили, процессоры и вся другая цифровая логика основана на транзисторах. Транзистор – это переключатель с электрическим управлением, который включается с помощью электрического сигнала, подаваемого на затвор. Мы сказали, что существует два основных типа транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток при включенном затворе, а pMOS-устройства – при выключенном. Базовая структура процессора – это кремниевые транзисторы. Кремний известен как полупроводник, потому что он занимает некое промежуточное положение между проводником и изолятором.

Чтобы превратить кремниевую пластину в функциональную электрическую схему с транзисторами, производственные инженеры используют процесс под названием легирование. Легирование – это внедрение в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения свойств его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два типа транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.

Пластина с будущими чипами на одной из стадий своего изготовления. Фото: Evan Lissoos

Если мы добавим точно рассчитанное количество электронодонорных элементов, 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, к слову, и взялось название этого типа проводимости (n — negative, поскольку электроны имеют отрицательный заряд) и буква «n» в nMOS. Добавляя же на кремний примесь из акцепторных элементов, таких как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда, соответственно, буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive, поскольку носителями заряда являются положительно заряженные «дырки»). Сам процесс легирования, добавления примесей к кремнию, выполняется, в основном, с помощью таких технологий как ионная имплантация и термодиффузия. Их подробное рассмотрение несколько выходит за рамки данной статьи.

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, полевой транзистор МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре выхода. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). Как правило, в n-канальном устройстве ток входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном – из истока в сток. Затвор (Gate) – это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. И наконец, у устройства есть выход корпуса или подложки транзистора (Body), функциональность которого не сильно затрагивает обсуждаемую нами тему.

Физическая структура инвертора на кремниевой основе. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Обратите внимание, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа.

(A – вход; Y – выход; GND – земля; V_DD – питание; p substrate – подложка p-типа; n well – карман n-типа; SiO₂ – кремниевая основа пластины; polysilicon – поликремниевый слой; n+ diffusion – n-канал; p+ diffusion – p-канал; metal1 – первый слой металлизации)

Рассмотрение всех технических подробностей работы транзисторов и взаимодействия их отдельных областей хватит на целый курс колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы – это разводной мост через реку. Автомобили – электроны в транзисторе – хотят попасть с одного берега реки на другой, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не активен, «разводной мост» поднят и электроны не могут двигаться. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Включение затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.

Чтобы иметь возможность с высочайшей точностью располагать на кремнии разные p и n области, производители, например Intel и TSMC, используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании вкладывают миллиарды долларов в его усовершенствование для того, чтобы создавать более миниатюрные, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, с помощью которого наносятся различные рисунки для каждой области на кремнии.

Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины. Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный полимер фоторезиста. Экспонируя фоторезистивный слой светом определённых частот, мы можем вырезать его в тех областях, где хотим выполнить легирование. Этот этап литографии схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.

Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в тех местах, где был удалён фоторезист. Затем фоторезист полностью снимается, оставляя только вырезанный с помощью него слой SiO₂. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует диоксид кремния.

Схема основных этапов процесса фотолитографии. 1) Чистая кремниевая пластина (подложка); 2) Подготовка пластины: нанесение слоя диоксида кремния и слоя фоторезиста; 3) Экспонирование фоторезиста через шаблон (маску) для удаления его в местах будущего легирования; 4) Вытравливание плавиковой кислотой участков слоя диоксида кремния в местах будущего легирования; 5) Удаление фоторезиста и легирование подложки ионами мышьяка; 6) Имплантированные ионы образовали в подложке карман (n-well) с обратной подложке проводимостью в том месте, где отсутствовал диоксид кремния.

Этот процесс экспонирования, вытравливания и легирования повторяется десятки раз, слой за слоем выстраивая структуру полупроводника. После создания главного кремниевого слоя, поверх накладываются слои металлических проводников, с помощью которых создаются соединения между транзисторами. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.

Разумеется, производители чипов не выполняют эти процессы всякий раз для каждого транзистора. Для спроектированного чипа они создают маски-шаблоны для всех этапов изготовления всего чипа. Эти маски содержат местоположения каждого из миллиардов транзисторов на чипе. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются разом на одной пластине.

Готовая пластина нарезается на отдельные кристаллы, которые запаиваются в корпуса. В зависимости от размера чипа, на каждой пластине может размещаться сотни и более чипов. Обычно, чем более мощный производится чип, тем больше будет его кристалл, и тем меньше таких чипов производитель может получить с каждой пластины.

Казалось бы, нам просто нужно 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 повреждена, то можно выбрасывать весь чип. Увеличивая размер процессоров, мы увеличиваем и вероятность его брака.

Фактическую эффективность своих производственных процессов компании тщательно скрывают, но цифры в 70-90% считаются хорошим показателем. Компании обычно изготавливают чипы с некоторым запасом, потому что знают, что некоторые части могут не работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его как 6-ядерный, допуская, что один-два ядра могут оказаться браком. Как правило, чипы с необычно низким количеством дефектов отделяется от остальных для продажи по более высокой цене. Такой подход известен как биннинг.

Одним из важнейших маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов, является размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нм технологический процесс, AMD использует для некоторых своих GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нм техпроцессом. Но что означают все эти числа? Размером элемента принято называть минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. По мере развития технологий мы стараемся уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. А вместе с уменьшением транзистора, повышается и его скорость.

Смотря на эти числа, необходимо заметить, что некоторые компании могут основывать размер своего техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что разные техпроцессы у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. Кроме того, сами по себе транзисторы не обязательно должны быть одинаковы по размерам. Инженеры, по тем или иным причинам, могут сделать одни транзисторы крупнее, другие мельче. Мелкий транзистор будет быстрее, потому что на включение/отключение его затвора требуется меньше времени. В то же время, мелкий транзистор не может управлять большим количеством выходов. И если какой-то элемент логики управляет чем-то энергоёмким, например выходным сигналом, то такой элемент придётся сделать намного большего размера. Эти выходные транзисторы могут быть на порядки крупнее транзисторов внутренней логики.

Снимок кристалла современного процессора AMD Zen, состоящего из нескольких миллиардов транзисторов.

Однако проектирование и изготовление транзисторов – это лишь половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте себе многоуровневую транспортную развязку с въездами, выездами с неё и массой пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. Количество металлических соединительных слоёв над транзисторами в каждом техпроцессе может быть разным. По мере уменьшения транзисторов, требуется всё больше слоёв проводников, чтобы выполнить все необходимые соединения. Так, TMSC в своём 5-нм техпроцессе планирует использовать 15 слоёв металлизации. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку, и это даст вам представление о том, насколько сложна сеть проводников внутри чипа.

Ниже представлена фотография с микроскопа, где мы видим решётку, образованную семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и по мере наслоения, увеличивается в толщине для снижения сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, служащие для перехода на слой выше. Для уменьшения нежелательного ёмкостного сопротивления, направленность слоёв обычно чередуется. Нечётные слои металлизации могут использоваться для образования горизонтальных соединений, а чётные – для вертикальных.

Понятно, что с таким количеством всех этих сигналов и проводников ни один человек в короткое время не справится, и на помощь приходят компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции, программы даже могут преобразовывать функции высокоуровневого кода в физическое расположение каждого проводника и транзистора. Как правило, разработчики позволяют компьютерам сгенерировать 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 разработчикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Разработчики собирают из этих стандартных ячеек свой чип и отправляют схемы его слоя транзисторов и слоёв металлизации на завод, где необработанный кремний превращается в рабочий чип. На основе этих схем и создаются маски-шаблоны, используемые в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как выглядит процесс проектирования простейшего чипа.

Для начала перед нами стандартный инвертор. Заштрихованный зелёный прямоугольник сверху – это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольный контур внизу – nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник – это поликремниевый затвор, синие области – это первый слой металлизации, а сиреневые области – второй слой металлизации. Слева мы видим вход (A), справа – выход (Y). А сверху и снизу – контакты питания (vdd) и заземления (gnd), выполненные на втором слое металлизации.

Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта схема может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными данными. Главным образом вертикальные голубые заштрихованные проводники это третий слой металлизации. Укрупнения на их концах – это перемычки, соединяющие два слоя.

Наконец, собрав воедино множество ячеек и примерно 2000 транзисторов, мы получили простой 4-разрядный процессор с 8 байтами оперативной памяти на четырёх слоях металлизации. Глядя, насколько он сложен, можно только представить, как трудно проектировать 64-разрядный процессор с мегабайтами кэш-памяти, несколькими ядрами и 20-ю с лишним ступенями конвейера команд (пайплайна). С учетом, что современные высокопроизводительные процессоры состоят из более чем 5-10 миллиардов транзисторов и дюжины слоёв металлизации, можно без преувеличения сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.

Нам теперь понятно, за что мы платим немалые деньги, покупая новый процессор, и почему AMD и Intel выводят на рынок новые процессоры не ежедневно. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от проекта до прилавка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые сегодняшние чипы – это технологии 3-5 летней давности, и что сегодняшние технологии мы ещё нескоро сможем увидеть на прилавках.

На этом мы закончим наше знакомство с технологией создания процессоров.

Сегодня мы узнали о физике транзисторов, как все их детали изготавливаются на кремниевой основе и как все они соединяются в работающий чип.

В четвёртой, заключительной части цикла мы покинем техническую сторону и обратим свой взгляд на современные тенденции в отрасли. Над чем сейчас работают учёные, чтобы сделать следующее поколение компьютеров ещё быстрее?

Также рекомендуем почитать:

• Часть 1: Фундаментальные основы архитектуры процессоров;
• Часть 2: Процесс проектирования процессора

От песка до процессора

Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?

Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )

Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».

Производство процессоров

Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Уроки химии

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO₂) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Первоначально берется SiO₂ в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl₄), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl₃):

3SiCl₄ + 2H₂ + Si ↔ 4SiHCl₃

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:

2SiHCl₃ ↔ SiH₂Cl₂ + SiCl₄
2SiH₂Cl₂ ↔ SiH₃Cl + SiHCl₃
2SiH₃Cl ↔ SiH₄ + SiH₂Cl₂
SiH₄ ↔ Si + 2H₂

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.

Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Фотолитография

Проблема решается с помощью технологии фотолитографии — процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:

— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.

Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.

Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.

Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Финишная прямая

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

Привет, сокет!

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.

The end

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.

Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?

BONUS

Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.

Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.

Успехов!

• Блог компании Intel
• Производство и разработка электроники
• Научно-популярное
• Процессоры