Co je křemík a proč se z něj vyrábějí počítačové čipy? Jak se vyrábějí mikroprocesory Proč jsou procesory vyrobeny z křemíku

Jak se vyrábějí mikroobvody?

Abychom pochopili, jaký je hlavní rozdíl mezi těmito dvěma technologiemi, je nutné udělat si krátký exkurz do samotné technologie výroby moderních procesorů či integrovaných obvodů.

Jak víte ze školního kurzu fyziky, v moderní elektronice jsou hlavními součástmi integrovaných obvodů polovodiče typu p a n (v závislosti na typu vodivosti). Polovodič je látka, jejíž vodivost je lepší než dielektrika, ale nižší než kovy. Základem obou typů polovodičů může být křemík (Si), který ve své čisté formě (tzv. intrinsický polovodič) špatně vede elektřina Přídavek (zavedení) určité nečistoty do křemíku však může radikálně změnit jeho vodivé vlastnosti. Existují dva typy nečistot: donor a akceptor. Donorová nečistota vede k tvorbě polovodičů typu n s elektronovou vodivostí a akceptorová nečistota vede k tvorbě polovodičů typu p s vodivostí děrového typu. Kontakty p- a n-polovodičů umožňují vytvářet tranzistory - hlavní konstrukční prvky moderních mikroobvodů. Tyto tranzistory, nazývané CMOS tranzistory, mohou existovat ve dvou základních stavech: otevřené, když vedou elektřinu, a vypnuté, když elektřinu nevedou. Protože tranzistory CMOS jsou hlavními prvky moderních mikroobvodů, promluvme si o nich podrobněji.

Jak funguje tranzistor CMOS?

Nejjednodušší tranzistor CMOS typu n má tři elektrody: zdroj, hradlo a kolektor. Samotný tranzistor je vyroben z polovodiče typu p s děrovou vodivostí a polovodiče typu n s elektronovou vodivostí jsou vytvořeny v oblasti kolektoru a zdroje. Přirozeně díky difúzi děr z p-oblasti do n-oblasti a zpětné difúzi elektronů z n-oblasti do p-oblasti vznikají ochuzovací vrstvy (vrstvy, ve kterých nejsou žádné hlavní nosiče náboje). na hranicích přechodů p- a n-oblastí. Ve svém normálním stavu, to znamená, když na hradlo není přivedeno žádné napětí, je tranzistor v „uzamčeném“ stavu, to znamená, že není schopen vést proud ze zdroje do kolektoru. Situace se nemění ani při přivedení napětí mezi kolektor a zdroj (nebereme v úvahu svodové proudy způsobené pohybem pod vlivem generovaných elektrických polí menšinových nosičů náboje, tedy otvorů pro n-oblast a elektrony pro p-oblast).

Pokud se však na bránu aplikuje kladný potenciál (obr. 1), situace se radikálně změní. Vlivem elektrického pole hradla jsou díry zatlačovány hluboko do p-polovodiče a elektrony jsou naopak vtahovány do oblasti pod hradlem a tvoří mezi zdrojem a odtokem kanál bohatý na elektrony. Pokud je na bránu přivedeno kladné napětí, tyto elektrony se začnou pohybovat od zdroje k odtoku. V tomto případě tranzistor vede proud; tranzistor se nazývá „otevřený“. Pokud je napětí hradla odstraněno, elektrony přestanou být vtahovány do oblasti mezi zdrojem a kolektorem, vodivý kanál je zničen a tranzistor přestane procházet proud, to znamená, že se „vypne“. Změnou napětí hradla tedy můžete otevřít nebo zavřít tranzistor, podobně jako můžete zapnout nebo vypnout běžný přepínač a ovládat tok proudu obvodem. To je důvod, proč se tranzistory někdy nazývají elektronické spínače. Na rozdíl od konvenčních mechanických spínačů jsou však tranzistory CMOS prakticky bez setrvačnosti a jsou schopny přepnout ze zapnuto na vypnuto bilionkrát za sekundu! Právě tato vlastnost, tedy schopnost okamžitého přepínání, v konečném důsledku určuje výkon procesoru, který se skládá z desítek milionů takových jednoduchých tranzistorů.

Takže moderní integrovaný obvod sestává z desítek milionů jednoduchých tranzistorů CMOS. Podívejme se podrobněji na proces výroby mikroobvodů, jehož první fází je výroba křemíkových substrátů.

Krok 1. Pěstování polotovarů

Vytvoření takových substrátů začíná růstem válcového monokrystalu křemíku. Následně jsou tyto monokrystalické polotovary (polotovary) rozřezány na kulaté plátky (wafery), jejichž tloušťka je přibližně 1/40 palce a průměr je 200 mm (8 palců) nebo 300 mm (12 palců). Jedná se o křemíkové substráty používané pro výrobu mikroobvodů.

Při vytváření waferů z monokrystalů křemíku se bere v úvahu skutečnost, že u ideálních krystalových struktur fyzikální vlastnosti do značné míry závisí na zvoleném směru (vlastnost anizotropie). Například odpor křemíkového substrátu se bude lišit v podélném a příčném směru. Stejně tak v závislosti na orientaci krystalové mřížky bude křemíkový krystal reagovat odlišně na jakékoli vnější vlivy spojené s jeho dalším zpracováním (například leptání, naprašování atd.). Proto musí být deska vyříznuta z monokrystalu tak, aby orientace krystalové mřížky vzhledem k povrchu byla striktně zachována v určitém směru.

Jak již bylo uvedeno, průměr obrobku z monokrystalu křemíku je buď 200 nebo 300 mm. Navíc průměr je 300 mm, což je relativní nová technologie, o kterém budeme hovořit níže. Je jasné, že deska tohoto průměru pojme více než jeden mikroobvod, i když mluvíme o procesoru Intel Pentium 4. Na jedné takové substrátové desce je skutečně vytvořeno několik desítek mikroobvodů (procesorů), ale pro jednoduchost zvažte pouze procesy probíhající na malé ploše jednoho budoucího mikroprocesoru.

Krok 2. Nanesení ochranného filmu dielektrika (SiO2)

Po vytvoření křemíkového substrátu začíná fáze vytváření složité polovodičové struktury.

K tomu je nutné zavést do křemíku tzv. donorové a akceptorové nečistoty. Nabízí se však otázka: jak zavést nečistoty podle přesně specifikovaného vzoru? Aby to bylo možné, jsou oblasti, do kterých není třeba vnášet nečistoty, chráněny speciálním filmem oxidu křemičitého, přičemž jsou exponovány pouze oblasti, které jsou předmětem dalšího zpracování (obr. 2). Proces vytváření takového ochranného filmu požadovaného vzoru se skládá z několika fází.

V první fázi je celý křemíkový plátek zcela pokryt tenkým filmem oxidu křemičitého (SiO2), který je velmi dobrým izolantem a působí jako ochranný film při dalším zpracování křemíkového krystalu. Desky jsou umístěny v komoře, kde při vysoké teplotě (od 900 do 1100 °C) a tlaku difunduje kyslík do povrchových vrstev waferů, což vede k oxidaci křemíku a tvorbě povrchového filmu oxidu křemičitého. Aby měl film oxidu křemičitého přesně specifikovanou tloušťku a byl bez defektů, je nutné během oxidačního procesu přísně udržovat konstantní teplotu na všech místech waferu. Pokud nemá být celý plátek pokryt filmem oxidu křemičitého, pak se nejprve na křemíkový substrát nanese maska ​​Si3N4, aby se zabránilo nežádoucí oxidaci.

Krok 3. Aplikace fotorezistu

Poté, co je křemíkový substrát pokryt ochranným filmem oxidu křemičitého, je nutné tento film odstranit z těch oblastí, které budou předmětem dalšího zpracování. Fólie se odstraní leptáním a pro ochranu zbylých míst před leptáním se na povrch waferu nanese vrstva tzv. fotorezistu. Termín „fotorezistenty“ označuje sloučeniny, které jsou citlivé na světlo a odolné vůči agresivním faktorům. Použité kompozice musí mít na jedné straně určité fotografické vlastnosti (pod vlivem ultrafialového světla se stávají rozpustnými a při procesu leptání se vymývají) a na druhé straně odolné, aby odolávaly leptání v kyselinách a zásadách. , topení atd. Hlavním účelem fotorezistů je vytvořit ochranný reliéf požadované konfigurace.

Proces nanášení fotorezistu a jeho další ozařování ultrafialovým světlem podle daného vzoru se nazývá fotolitografie a zahrnuje tyto základní operace: vytvoření vrstvy fotorezistu (zpracování substrátu, nanášení, sušení), vytvoření ochranného reliéfu (expozice, vyvolání , sušení) a přenos obrazu na substrát (leptání, naprašování atd.).

Před nanesením vrstvy fotorezistu (obr. 3) na substrát se tento podrobí předúprava, v důsledku čehož se zlepšuje jeho přilnavost k vrstvě fotorezistu. Pro nanesení stejnoměrné vrstvy fotorezistu se používá metoda odstřeďování. Substrát je umístěn na rotujícím disku (centrifuze) a vlivem odstředivých sil je fotorezist rozmístěn po povrchu substrátu v téměř rovnoměrné vrstvě. (Když mluvíme o téměř stejnoměrné vrstvě, bereme v úvahu skutečnost, že vlivem odstředivých sil se tloušťka výsledného filmu od středu k okrajům zvětšuje, nicméně tento způsob nanášení fotorezistu snese kolísání vrstvy tloušťka v rozmezí ±10%)

Krok 4. Litografie

Po nanesení a zaschnutí vrstvy fotorezistu začíná fáze tvorby potřebného ochranného reliéfu. Reliéf vzniká v důsledku skutečnosti, že pod vlivem ultrafialového záření dopadajícího na určité oblasti vrstvy fotorezistu, fotorezist mění vlastnosti rozpustnosti, například se osvětlené oblasti přestávají rozpouštět v rozpouštědle, což odstraňuje oblasti vrstva, která nebyla vystavena osvětlení, nebo naopak - osvětlené oblasti se rozpouštějí. Na základě způsobu tvorby reliéfu se fotorezisty dělí na negativní a pozitivní. Negativní fotorezisty, když jsou vystaveny ultrafialovému záření, vytvářejí ochranné reliéfní oblasti. Pozitivní fotorezisty naopak vlivem ultrafialového záření získávají vlastnosti tekutosti a jsou rozpouštědlem vymývány. V souladu s tím je ochranná vrstva vytvořena v těch oblastech, které nejsou vystaveny ultrafialovému záření.

K osvětlení požadovaných oblastí vrstvy fotorezistu se používá speciální maskovací šablona. Nejčastěji se k tomuto účelu používají optické skleněné desky s neprůhlednými prvky získanými fotograficky nebo jinak. Ve skutečnosti taková šablona obsahuje výkres jedné z vrstev budoucího mikroobvodu (celkem může být několik stovek takových vrstev). Vzhledem k tomu, že tato šablona je referenční, musí být vytvořena s velkou přesností. Navíc s přihlédnutím k tomu, že z jedné fotomasky bude vyrobeno mnoho fotodesek, musí být odolná a odolná proti poškození. Z toho je zřejmé, že fotomaska ​​je velmi drahá věc: v závislosti na složitosti mikroobvodu může stát desítky tisíc dolarů.

Ultrafialové záření procházející takovou šablonou (obr. 4) osvětluje pouze nezbytné oblasti povrchu vrstvy fotorezistu. Po ozáření prochází fotorezist vývojem, v důsledku čehož jsou odstraněny zbytečné oblasti vrstvy. Tím se obnaží odpovídající část vrstvy oxidu křemičitého.

Navzdory zjevné jednoduchosti fotolitografického procesu je tato fáze výroby mikroobvodů nejsložitější. Faktem je, že v souladu s Moorovou předpovědí se počet tranzistorů na jednom čipu zvyšuje exponenciálně (zdvojnásobuje se každé dva roky). Takové zvýšení počtu tranzistorů je možné pouze díky zmenšení jejich velikosti, ale právě tento pokles „spočívá“ na procesu litografie. Aby se tranzistory zmenšily, je nutné zmenšit geometrické rozměry čar nanesených na vrstvu fotorezistu. Ale vše má své meze, zaostřit laserový paprsek na bod není tak snadné. Faktem je, že v souladu se zákony vlnové optiky se mimo jiné určuje minimální velikost bodu, do kterého je laserový paprsek zaostřen (ve skutečnosti nejde jen o bod, ale o difrakční obrazec). vlnovou délkou světla. Vývoj litografické technologie od jejího vynálezu na počátku 70. let se ubíral směrem ke snižování vlnové délky světla. To umožnilo zmenšit velikost prvků integrovaných obvodů. Od poloviny 80. let začala fotolitografie využívat ultrafialové záření produkované laserem. Myšlenka je jednoduchá: vlnová délka ultrafialového záření je kratší než vlnová délka viditelného světla, proto je možné získat jemnější čáry na povrchu fotorezistu. Donedávna litografie využívala hluboké ultrafialové záření (DUV) s vlnovou délkou 248 nm. Když se však fotolitografie posunula za 200 nm, vyvstaly vážné problémy, které poprvé zpochybnily další používání této technologie. Například při vlnových délkách menších než 200 mikronů je příliš mnoho světla absorbováno fotocitlivou vrstvou, čímž se komplikuje a zpomaluje proces přenosu šablony obvodu do procesoru. Podobné problémy povzbuzují výzkumníky a výrobce, aby hledali alternativy k tradiční litografické technologii.

Nová litografická technologie nazvaná EUV litografie (Extreme UltraViolet ultra-hard ultrafialové záření) je založena na využití ultrafialového záření o vlnové délce 13 nm.

Přechod od DUV k EUV litografii poskytuje více než 10násobné snížení vlnové délky a přechod do rozsahu, kdy je srovnatelná s velikostí pouhých několika desítek atomů.

Současná litografická technologie umožňuje vzor s minimální šířkou drátu 100 nm, zatímco EUV litografie umožňuje tisknout mnohem menší šířky čar, až 30 nm. Ovládání ultrakrátkého záření není tak snadné, jak se zdá. Vzhledem k tomu, že EUV záření je dobře absorbováno sklem, zahrnuje nová technologie použití řady čtyř speciálních konvexních zrcadel, která redukují a zaostřují obraz získaný po aplikaci masky (obr. 5, ,). Každé takové zrcadlo obsahuje 80 jednotlivých kovových vrstev o tloušťce přibližně 12 atomů.

Krok 5: Leptání

Po obnažení vrstvy fotorezistu začne fáze leptání odstraňovat film oxidu křemičitého (obr. 8).

Proces leptání je často spojen s kyselými koupelemi. Tato metoda leptání kyselinou je dobře známá radioamatérům, kteří si vyrobili vlastní desky plošných spojů. K tomu se na fólii potaženou DPS s lakem, který působí jako ochranná vrstva, nanese vzor kolejí pro budoucí desku a poté se deska spustí do lázně s kyselinou dusičnou. Nepotřebné části fólie jsou odleptány, čímž se obnaží čistá DPS. Tato metoda má řadu nevýhod, z nichž hlavní je neschopnost přesně řídit proces odstraňování vrstvy, protože proces leptání ovlivňuje příliš mnoho faktorů: koncentrace kyseliny, teplota, konvekce atd. Kyselina navíc interaguje s materiálem ve všech směrech a postupně proniká pod okraj masky fotorezistu, to znamená, že ze strany ničí vrstvy pokryté fotorezistem. Proto se při výrobě procesorů používá metoda suchého leptání, nazývaná také plazma. Tato metoda umožňuje přesné řízení procesu leptání a k destrukci leptané vrstvy dochází striktně ve vertikálním směru.

Suché leptání využívá ionizovaný plyn (plazma) k odstranění oxidu křemičitého z povrchu plátku, který reaguje s povrchem oxidu křemičitého za vzniku těkavých vedlejších produktů.

Po proceduře leptání, to znamená, když jsou exponovány požadované oblasti čistého křemíku, je zbývající část fotovrstvy odstraněna. Vzor vytvořený oxidem křemičitým tedy zůstává na křemíkovém substrátu.

Krok 6. Difúze (iontová implantace)

Připomeňme, že předchozí proces vytváření požadovaného vzoru na křemíkovém substrátu byl nutný k vytvoření polovodičových struktur na správných místech zavedením donorové nebo akceptorové nečistoty. Proces vnášení nečistot se provádí difúzním (obr. 9) rovnoměrným vnášením atomů nečistot do krystalové mřížky křemíku. K získání polovodiče typu n se obvykle používá antimon, arsen nebo fosfor. K získání polovodiče typu p se jako nečistoty používá bor, gallium nebo hliník.

Iontová implantace se používá pro proces difúze dopantu. Implantační proces spočívá v tom, že ionty požadované nečistoty jsou „vystřeleny“ z vysokonapěťového urychlovače a při dostatečné energii pronikají do povrchových vrstev křemíku.

Takže na konci fáze iontové implantace byla vytvořena nezbytná vrstva polovodičové struktury. V mikroprocesorech však může být několik takových vrstev. Pro vytvoření další vrstvy ve výsledném vzoru obvodu se naroste další tenká vrstva oxidu křemičitého. Poté se nanese vrstva polykrystalického křemíku a další vrstva fotorezistu. Ultrafialové záření prochází druhou maskou a zvýrazní odpovídající vzor na fotografické vrstvě. Poté opět následují fáze rozpouštění fotovrstvy, leptání a implantace iontů.

Krok 7. Naprašování a nanášení

Nanášení nových vrstev se provádí několikrát, přičemž pro mezivrstvové spoje jsou ve vrstvách ponechána „okna“, která jsou vyplněna atomy kovu; V důsledku toho se na krystalu vytvoří vodivé oblasti kovových pásků. Moderní procesory tímto způsobem vytvářejí spojení mezi vrstvami, které tvoří složitý trojrozměrný obvod. Proces pěstování a zpracování všech vrstev trvá několik týdnů a samotný výrobní cyklus se skládá z více než 300 fází. Výsledkem je, že na křemíkové destičce jsou vytvořeny stovky identických procesorů.

Aby vydržely nárazy, kterým jsou destičky vystaveny během procesu vrstvení, jsou křemíkové destičky zpočátku vyrobeny poměrně tlusté. Před rozřezáním waferu na jednotlivé procesory se tedy zmenší jeho tloušťka o 33 % a ze zadní strany se odstraní nečistoty. Poté se na zadní stranu substrátu nanese vrstva speciálního materiálu pro zlepšení uchycení krystalu k tělu budoucího procesoru.

Krok 8. Závěrečná fáze

Na konci formovacího cyklu jsou všechny procesory důkladně testovány. Poté se z podložky pomocí speciálního zařízení vyříznou specifické krystaly, které již prošly testem (obr. 10).

Každý mikroprocesor je zabudován v ochranném krytu, který také zajišťuje elektrické spojení mezi čipem mikroprocesoru a externími zařízeními. Typ krytu závisí na typu a zamýšleném použití mikroprocesoru.

Po utěsnění v pouzdře je každý mikroprocesor znovu testován. Vadné procesory jsou odmítnuty a fungující jsou podrobeny zátěžovým testům. Procesory se pak třídí na základě jejich chování při různých taktech a napájecích napětích.

Nadějné technologie

Technologický postup výroby mikroobvodů (zejména procesorů) jsme zvážili velmi zjednodušeně. Ale i taková povrchní prezentace nám umožňuje pochopit technologické potíže, se kterými se setkáváme při zmenšování velikosti tranzistorů.

Než se však budeme zabývat novými perspektivními technologiemi, odpovíme si na otázku položenou na samém začátku článku: jaký je konstrukční standard technologického procesu a jak se ve skutečnosti liší konstrukční standard 130 nm od standardu 180 nm? 130 nm nebo 180 nm je charakteristická minimální vzdálenost mezi dvěma sousedními prvky v jedné vrstvě mikroobvodu, to je druh mřížkového stupně, ke kterému jsou prvky mikroobvodu připojeny. Je zcela zřejmé, že čím menší je tato charakteristická velikost, tím více tranzistorů lze umístit na stejnou plochu mikroobvodu.

V současné době používají procesory Intel procesní technologii 0,13 mikronů. Tato technologie se používá k výrobě procesoru Intel Pentium 4 s jádrem Northwood, procesoru Intel Pentium III s jádrem Tualatin a procesoru Intel Celeron. Při použití takového technologického postupu je užitečná šířka kanálu tranzistoru 60 nm a tloušťka vrstvy oxidu hradla nepřesahuje 1,5 nm. Celkem procesor Intel Pentium 4 obsahuje 55 milionů tranzistorů.

Spolu se zvyšováním hustoty tranzistorů v procesorovém čipu má technologie 0,13 mikronů, která nahradila technologii 0,18 mikronů, další novinky. Za prvé používá měděné spoje mezi jednotlivými tranzistory (u technologie 0,18 mikronů byly spoje hliníkové). Za druhé, 0,13mikronová technologie poskytuje nižší spotřebu energie. Pro mobilní zařízení to například znamená, že spotřeba energie mikroprocesorů se sníží a provozní doba od baterie více.

No a poslední novinkou, která byla implementována při přechodu na 0,13mikronový technologický proces, je použití křemíkových waferů (wafer) o průměru 300 mm. Připomeňme, že předtím se většina procesorů a mikroobvodů vyráběla na základě 200 mm waferů.

Zvětšení průměru waferu umožňuje snížit náklady každého zpracovatele a zvýšit výtěžnost produktů odpovídající kvality. Plocha waferu o průměru 300 mm je skutečně 2,25krát větší než plocha waferu o průměru 200 mm, a tedy počet procesorů získaných z jednoho waferu o průměru 300 mm je více než dvakrát větší.

V roce 2003 se očekává zavedení nového technologického postupu s ještě menším konstrukčním standardem, a to 90nanometrového. Nový proces, kterým bude Intel vyrábět většinu svých produktů, včetně procesorů, čipsetů a komunikačního vybavení, byl vyvinut v pilotní továrně Intel D1C 300mm wafer v Hillsboro v Oregonu.

23. října 2002 Intel oznámil otevření nového závodu v hodnotě 2 miliard dolarů v Rio Rancho v Novém Mexiku. Nový závod s názvem F11X bude využívat moderní technologie, která bude vyrábět procesory na 300mm waferech procesní technologií s konstrukční normou 0,13 mikronu. V roce 2003 bude závod převeden na technologický proces s konstrukčním standardem 90 nm.

Kromě toho Intel již oznámil obnovení výstavby dalšího výrobního závodu ve Fab 24 v Leixlip (Irsko), který je určen k výrobě polovodičových součástek na 300mm křemíkových waferech s konstrukčním standardem 90 nm. Nový podnik o celkové ploše více než 1 milion metrů čtverečních. stop se zvláště čistými místnostmi o rozloze 160 tisíc metrů čtverečních. ft. by měla být uvedena do provozu v první polovině roku 2004 a bude zaměstnávat více než tisíc zaměstnanců. Náklady na zařízení jsou asi 2 miliardy dolarů.

90nm proces využívá řadu pokročilých technologií. Jedná se o nejmenší sériově vyráběné tranzistory CMOS na světě s délkou brány 50 nm (obr. 11), která poskytuje zvýšený výkon při současném snížení spotřeby energie, a nejtenčí vrstvou oxidu hradla ze všech tranzistorů, který byl kdy vyroben – pouze 1,2 nm (obr. 12), nebo méně než 5 atomových vrstev, a první implementace vysoce výkonné technologie napjatého křemíku v tomto odvětví.

Z uvedených charakteristik je třeba komentovat snad jen pojem „strained silicon“ (obr. 13). V takovém křemíku je vzdálenost mezi atomy větší než u běžného polovodiče. To zase umožňuje volnější proudění proudu, podobně jako se provoz pohybuje volněji a rychleji na silnici s širšími jízdními pruhy.

V důsledku všech inovací se výkonnostní charakteristiky tranzistorů zlepšují o 10-20%, zatímco výrobní náklady se zvyšují pouze o 2%.

Navíc v 90nm technologický postup Používá sedm vrstev na čip (obrázek 14), o jednu vrstvu více než 130nm proces a měděné propojení.

Všechny tyto funkce v kombinaci s 300mm křemíkovým plátkem poskytují Intelu výhody ve výkonu, objemu výroby a nákladech. Spotřebitelé také těží, protože nové technologie Proces Intel umožňuje průmyslu pokračovat ve vývoji v souladu s Moorovým zákonem a znovu a znovu zvyšovat výkon procesoru.

Výroba mikroobvodů je velmi obtížná záležitost a uzavřenost tohoto trhu je dána především vlastnostmi dnes dominantní fotolitografické technologie. Mikroskopické elektronické obvody jsou promítány na křemíkový plátek prostřednictvím fotomasek, přičemž cena každé z nich může dosáhnout 200 000 USD. Přidejte k tomu náklady na „pokus a omyl“ při vývoji nových modelů a pochopíte, že pouze velmi velké společnosti mohou vyrábět procesory ve velmi velkých množstvích.

Co by měly dělat vědecké laboratoře a high-tech startupy, které potřebují nestandardní návrhy? Co bychom měli udělat pro armádu, pro kterou nákup procesorů od „pravděpodobného nepřítele“ mírně řečeno není comme il faut?

Navštívili jsme ruský výrobní areál nizozemské společnosti Mapper, díky kterému může výroba mikroobvodů přestat být nebeským údělem a proměnit se v činnost pro pouhé smrtelníky. No, nebo skoro jednoduše. Zde, na území moskevské Technopole, se s finanční podporou společnosti Rusnano Corporation vyrábí klíčová součást technologie Mapper - elektronově optický systém.

Než však pochopíme nuance Mapperovy bezmaskové litografie, stojí za to si připomenout základy konvenční fotolitografie.

Nemotorné světlo

Na moderním procesoru Intel Core i7 pojme asi 2 miliardy tranzistorů (v závislosti na modelu), z nichž každý má velikost 14 nm. Ve snaze o výpočetní výkon výrobci každoročně zmenšují velikost tranzistorů a zvyšují jejich počet. Za pravděpodobný technologický limit v tomto závodě lze považovat 5 nm: na takové vzdálenosti se začínají objevovat kvantové efekty, díky nimž se elektrony v sousedních buňkách mohou chovat nepředvídatelně.

K ukládání mikroskopických polovodičových struktur na křemíkový plátek používají proces podobný použití fotografického zvětšovacího přístroje. Pokud není jeho cílem pravý opak – udělat obrázek co nejmenší. talíř (příp ochranný film) jsou potaženy fotorezistem - polymerním fotocitlivým materiálem, který při ozáření světlem mění své vlastnosti. Požadovaný vzor čipu je vystaven fotorezistu přes masku a sběrnou čočku. Vytištěné plátky jsou obvykle čtyřikrát menší než masky.

Látky jako křemík nebo germanium mají na své vnější energetické úrovni čtyři elektrony. Tvoří krásné krystaly, které vypadají jako kov. Ale na rozdíl od kovu nevedou elektřinu: všechny jejich elektrony jsou zapojeny do silných kovalentních vazeb a nemohou se pohybovat. Vše se však změní, pokud k nim přidáte trochu donorové nečistoty z látky s pěti elektrony na vnější úrovni (fosfor nebo arsen). Čtyři elektrony se spojí s křemíkem a jeden zůstane volný. Křemík s donorovou nečistotou (typ n) je dobrý vodič. Pokud ke křemíku přidáte akceptorovou nečistotu z látky se třemi elektrony na vnější úrovni (bór, indium), podobným způsobem se vytvoří „díry“, virtuální analogie kladného náboje. V tomto případě mluvíme o polovodiči typu p. Spojením vodičů typu p a n získáme diodu - polovodičové zařízení, které prochází proud pouze jedním směrem. kombinace p-n-p nebo n-p-n nám dává tranzistor - proud jím protéká, pouze pokud je na centrální vodič přivedeno určité napětí.

Difrakce světla se tomuto procesu přizpůsobuje: paprsek procházející otvory masky se mírně láme a místo jednoho bodu je exponována řada soustředných kruhů jako z kamene hozeného do bazénu. . Naštěstí je difrakce nepřímo úměrná vlnové délce, čehož inženýři využívají při použití ultrafialového světla o vlnové délce 195 nm. Proč ne ještě méně? Jde jen o to, že kratší vlna se nebude lámat sběrnou čočkou, paprsky projdou bez zaostření. Je také nemožné zvýšit sběrnou schopnost čočky - sférická aberace to nedovolí: každý paprsek projde optickou osou ve svém vlastním bodě a naruší zaostření.

Maximální šířka obrysu, kterou lze zobrazit pomocí fotolitografie, je 70 nm. Čipy s vyšším rozlišením se tisknou v několika krocích: nanesou se 70nanometrové kontury, obvod se vyleptá a další část se exponuje přes novou masku.

V současné době je ve vývoji technologie hluboké ultrafialové fotolitografie využívající světlo s extrémní vlnovou délkou asi 13,5 nm. Technologie zahrnuje použití vakuových a vícevrstvých zrcadel s odrazem na základě mezivrstvové interference. Maska také nebude průsvitný, ale reflexní prvek. Zrcadla jsou prostá jevu lomu, takže mohou pracovat se světlem jakékoli vlnové délky. Ale zatím je to jen koncept, který může být použit v budoucnu.

Jak se dnes vyrábějí procesory

Dokonale vyleštěná kulatá silikonová destička o průměru 30 cm je potažena tenkou vrstvou fotorezistu. Odstředivá síla pomáhá rovnoměrně rozložit fotorezist.

Budoucí obvod je vystaven fotorezistu přes masku. Tento proces se mnohokrát opakuje, protože z jednoho plátku se vyrábí mnoho čipů.

Část fotorezistu, která byla vystavena ultrafialovému záření, se stává rozpustnou a lze ji snadno odstranit pomocí chemikálií.

Oblasti křemíkového plátku, které nejsou chráněny fotorezistem, jsou chemicky leptané. Na jejich místě se tvoří deprese.

Na wafer se opět nanese vrstva fotorezistu. Tentokrát expozice odkryje ty oblasti, které budou vystaveny iontovému bombardování.

Vlivem elektrického pole se ionty nečistot urychlují na rychlost vyšší než 300 000 km/h a pronikají do křemíku, čímž mu dodávají vlastnosti polovodiče.

Po odstranění zbývajícího fotorezistu zůstanou hotové tranzistory na waferu. Nahoře je nanesena vrstva dielektrika, ve které jsou stejnou technologií vyleptány otvory pro kontakty.

Deska se vloží do roztoku síranu měďnatého a pomocí elektrolýzy se na ni nanese vodivá vrstva. Poté se celá vrstva odstraní broušením, ale kontakty v otvorech zůstanou.

Kontakty jsou propojeny vícepatrovou sítí kovových „drátů“. Počet „pater“ může dosáhnout 20 a celkové schéma zapojení se nazývá architektura procesoru.

Teprve nyní je deska rozřezána na mnoho jednotlivých hranolků. Každý „krystal“ je testován a teprve poté instalován na desku s kontakty a zakrytý stříbrným uzávěrem chladiče.

13 000 televizorů

Alternativou k fotolitografii je elektrolitografie, kdy se expozice neprovádí světlem, ale elektrony, nikoli fotorezistem, ale elektrorezistem. Elektronový paprsek je snadno zaostřen do bodu minimální velikost až 1 nm. Technologie je podobná katodové trubici v televizi: soustředěný proud elektronů je vychylován řídicími cívkami a maluje obraz na křemíkové destičce.

Tato technologie nemohla donedávna konkurovat tradiční metodě pro svou nízkou rychlost. Aby elektrorezist reagoval na ozáření, musí přijmout určitý počet elektronů na jednotku plochy, takže jeden paprsek může exponovat v nejlepším případě 1 cm2/h. To je přijatelné pro jednotlivé objednávky z laboratoří, ale není použitelné v průmyslu.

Bohužel je nemožné vyřešit problém zvýšením energie paprsku: podobné náboje se navzájem odpuzují, takže jak se proud zvyšuje, elektronový paprsek se rozšiřuje. Počet paprsků však můžete zvýšit expozicí několika zón současně. A pokud je několik 13 000, jako v technologii Mapper, pak je podle propočtů možné vytisknout deset plnohodnotných čipů za hodinu.

Spojení 13 000 katodových trubic do jednoho zařízení by samozřejmě nebylo možné. V případě Mapperu je záření ze zdroje směrováno do kolimátorové čočky, která tvoří široký paralelní paprsek elektronů. V cestě mu stojí aperturní matrice, která jej promění na 13 000 jednotlivých paprsků. Paprsky procházejí matricí záslepky - křemíkovým plátkem s 13 000 otvory. V blízkosti každého z nich je umístěna vychylovací elektroda. Pokud je na něj aplikován proud, elektrony „minou“ svůj otvor a jeden z 13 000 paprsků se vypne.

Po průchodu záslepkami jsou paprsky směrovány do matrice deflektorů, z nichž každý může vychýlit svůj paprsek o několik mikronů doprava nebo doleva vzhledem k pohybu desky (takže Mapper stále připomíná 13 000 obrazovek). Nakonec je každý paprsek dále zaostřen vlastní mikročočkou a poté směrován na elektrorezist. Technologie Mapper byla dosud testována ve francouzském výzkumném ústavu mikroelektroniky CEA-Leti a ve společnosti TSMC, která vyrábí mikroprocesory pro přední hráče na trhu (mj. Apple iPhone 6S). Klíčové komponenty systému, včetně silikonových elektronických čoček, jsou vyráběny v moskevském závodě.

Technologie Mapper slibuje nové vyhlídky nejen pro výzkumné laboratoře a drobnou (včetně vojenské) výroby, ale také pro velké hráče. V současné době je pro testování prototypů nových procesorů potřeba vyrobit úplně stejné fotomasky jako pro sériovou výrobu. Možnost poměrně rychle prototypovat obvody slibuje nejen snížení nákladů na vývoj, ale také urychlení pokroku v oboru. Což v konečném důsledku prospívá masovému spotřebiteli elektroniky, tedy nám všem.

KDE se vyrábí procesory Intel?

JAK se vyrábějí mikroprocesory

Stručně, proces výroby procesoru vypadá takto: válcový monokrystal se vypěstuje z roztaveného křemíku pomocí speciálního zařízení. Výsledný ingot se ochladí a nakrájí na „palačinky“, jejichž povrch se pečlivě vyrovná a vyleští do zrcadlového lesku. V „čistých prostorách“ továren na výrobu polovodičů se pak pomocí fotolitografie a leptání vytvářejí integrované obvody na křemíkových destičkách. Po opětovném vyčištění waferů provedou laboratorní specialisté selektivní testování procesorů pod mikroskopem – pokud je vše „OK“, pak jsou hotové wafery rozřezány na jednotlivé procesory, které jsou později uzavřeny v pouzdrech.

Podívejme se na celý proces podrobněji.

Zpočátku se SiO2 odebírá ve formě písku, který se redukuje koksem v obloukových pecích (při teplotě asi 1800 °C):
Si02 + 2C = Si + 2CO

Takový křemík se nazývá „technický“ a má čistotu 98-99,9 %. Výrobní procesory vyžadují mnohem čistší surovinu zvanou „elektronický křemík“, která by neměla obsahovat více než jeden cizí atom na miliardu atomů křemíku. K očištění na tuto úroveň se křemík doslova „znovu narodil“. Chlorací technického křemíku se získá chlorid křemičitý (SiCl4), který se následně přemění na trichlorsilan (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3

Tyto reakce využívající recyklaci výsledných vedlejších produktů obsahujících křemík snižují náklady a eliminují ekologické problémy:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2

Výsledný vodík lze použít na mnoha místech, ale nejdůležitější je, že byl získán „elektronický“ křemík, čistý, velmi čistý (99,9999999 %). O něco později je do taveniny takového křemíku ponořeno semínko („bod růstu“), které se postupně vytahuje z kelímku. V důsledku toho se vytvoří takzvaná „boule“ - monokrystal vysoký jako dospělý. Hmotnost je přiměřená - ve výrobě taková koule váží cca 100 kg.

Slitek je obroušen “nulou” :) a řezán diamantovou pilou. Výstupem jsou wafery (kódové označení „wafer“) o tloušťce asi 1 mm a průměru 300 mm (~12 palců; to jsou ty, které se používají pro 32nm proces s technologií HKMG, High-K/Metal Gate).

Nyní je nejzajímavější, že je nutné přenést strukturu budoucího procesoru do leštěných křemíkových waferů, tedy vnést do určitých oblastí křemíkového waferu nečistoty, které v konečném důsledku tvoří tranzistory. Jak to udělat?

Problém je řešen pomocí technologie fotolitografie - proces selektivního leptání povrchové vrstvy pomocí ochranné fotomasky. Technologie je postavena na principu „light-template-photoresist“ a probíhá následovně:
— Na křemíkový substrát se nanese vrstva materiálu, ze kterého se má vytvořit vzor. Je na ni nanesen fotorezist - vrstva polymerního světlocitlivého materiálu, který při ozáření světlem mění své fyzikální a chemické vlastnosti.
— Expozice se provádí (osvětlení vrstvy fotografie po přesně nastavenou dobu) přes fotomasku
— Odstranění použitého fotorezistu.
Požadovaná struktura se nakreslí na fotomasku - zpravidla se jedná o desku z optického skla, na kterou jsou fotograficky aplikovány neprůhledné plochy. Každá taková šablona obsahuje jednu z vrstev budoucího zpracovatele, proto musí být velmi přesná a praktická.

Destička je ozařována proudem iontů (kladně nebo záporně nabitých atomů), které v určených místech pronikají pod povrch destičky a mění vodivé vlastnosti křemíku (zelené plochy jsou zapuštěné cizí atomy).

Ve fotografii světlo prošlo negativním filmem, dopadlo na povrch fotografického papíru a změnilo jeho chemické vlastnosti. Ve fotolitografii je princip podobný: světlo prochází fotomaskou na fotorezist a v místech, kde prošlo maskou, oddělené oblasti vlastnosti fotorezistu se mění. Přes masky je přenášeno světelné záření, které je zaměřeno na podklad. Pro přesné zaostření potřebujete speciální systémčočky nebo zrcadla, schopné nejen zmenšit obraz vyříznutý na masce na velikost čipu, ale také přesně promítnout na obrobek. Vytištěné oplatky jsou obvykle čtyřikrát menší než samotné masky.

Veškerý použitý fotorezist (který vlivem ozáření změnil svou rozpustnost) se odstraní speciálním chemickým roztokem - spolu s ním se rozpustí i část substrátu pod osvětleným fotorezistem. Část substrátu, která byla maskou chráněna před světlem, se nerozpustí. Tvoří vodič nebo budoucí aktivní prvek – výsledkem tohoto přístupu jsou různé obvodové vzory na každé vrstvě mikroprocesoru.

Ve skutečnosti byly všechny předchozí kroky nutné k vytvoření polovodičových struktur na požadovaných místech zavedením donorové (n-typ) nebo akceptorové (p-typ) nečistoty. Řekněme, že potřebujeme vytvořit oblast koncentrace nosičů typu p v křemíku, tedy zónu děrového vedení. K tomu se plátek zpracovává pomocí zařízení zvaného implantátor – ionty boru s obrovskou energií jsou vystřelovány z vysokonapěťového urychlovače a jsou rovnoměrně rozmístěny v nechráněných zónách vzniklých při fotolitografii.

Tam, kde bylo dielektrikum odstraněno, ionty pronikají do vrstvy nechráněného křemíku – jinak se „zaseknou“ v dielektriku. Po dalším procesu leptání je zbývající dielektrikum odstraněno a na desce zůstávají zóny, ve kterých je místní bór. Je jasné, že moderní procesory mohou mít takových vrstev několik - v tomto případě se na výsledném obrázku opět naroste dielektrická vrstva a pak už jde vše po vyšlapané cestě - další vrstva fotorezistu, proces fotolitografie (s použitím nové masky) , leptání, implantace...

Logické prvky, které se tvoří během procesu fotolitografie, musí být vzájemně propojeny. K tomu se desky umístí do roztoku síranu měďnatého, ve kterém se pod vlivem elektrického proudu „usazují“ atomy kovu ve zbývajících „průchodech“ - v důsledku tohoto galvanického procesu se vytvářejí vodivé oblasti , vytvářející spojení mezi jednotlivými částmi procesorové „logiky“. Přebytečný vodivý povlak se odstraní leštěním.

Hurá – to nejtěžší je za námi. Zbývá jen mazaný způsob, jak propojit „zbytky“ tranzistorů – princip a posloupnost všech těchto spojení (sběrnic) se nazývá architektura procesoru. Tato zapojení jsou u každého procesoru odlišná – i když se obvody zdají být zcela ploché, v některých případech lze použít až 30 úrovní takových „drátů“.

Po dokončení zpracování waferů jsou wafery přesunuty z výroby do montážní a zkušební dílny. Tam krystaly procházejí prvními testy a ty, které testem projdou (a to je naprostá většina), se speciálním zařízením vyřežou ze substrátu.

V další fázi je procesor zabalen do substrátu (na obrázku - procesor Intel Core i5, skládající se z CPU a HD grafického čipu).

Substrát, krystal a kryt rozvodu tepla jsou spojeny dohromady – to je produkt, který budeme mít na mysli, když řekneme slovo „procesor“. Zelený substrát vytváří elektrické a mechanické rozhraní (k elektrickému spojení křemíkového čipu s pouzdrem je použito zlato), které umožňuje instalaci procesoru do patice základní deska- ve skutečnosti je to jen platforma, na kterou jsou směrovány kontakty z malého čipu. Kryt rozvodu tepla je tepelné rozhraní, které během provozu ochlazuje procesor - právě na tento kryt bude připevněn chladicí systém, ať už jde o chladič chladiče nebo zdravý vodní blok.

Nyní si představte, že firma oznámí například 20 nových procesorů. Všechny jsou různé - počet jader, velikosti mezipaměti, podporované technologie... Každý model procesoru používá určitý počet tranzistorů (počítá se v milionech i miliardách), vlastní princip spojování prvků... A to vše musí být navrženo a vytvořeno/automatizováno - šablony, čočky, litografie, stovky parametrů pro každý proces, testování... A to vše by mělo fungovat nepřetržitě, ve více továrnách najednou... Ve výsledku by se měla objevit zařízení, která nemají žádné prostor pro chyby v provozu... A cena těchto technologických mistrovských děl by měla být v mezích slušnosti...

Moderního spotřebitele elektroniky je velmi těžké překvapit. Už jsme si zvykli, že naši kapsu po právu okupuje chytrý telefon, v tašce notebook, chytré hodinky poslušně počítají kroky na ruce a sluchátka s aktivním systémem redukce hluku nás hladí v uších.

Je to legrační věc, ale jsme zvyklí nosit s sebou ne jeden, ale dva, tři nebo více počítačů najednou. Ostatně přesně tak se dá nazvat zařízení, které má procesor. A vůbec nezáleží na tom, jak konkrétní zařízení vypadá. Za jeho provoz je zodpovědný miniaturní čip, který překonal turbulentní a rychlý vývoj.

Proč jsme nastolili téma procesorů? Je to jednoduché. Za posledních deset let došlo ve světě mobilních zařízení ke skutečné revoluci.

Mezi těmito zařízeními je rozdíl pouze 10 let. Nokia N95 nám ale tehdy připadala jako vesmírné zařízení a dnes se na ARKit díváme s jistou nedůvěrou

Všechno ale mohlo dopadnout jinak a otlučené Pentium IV by zůstalo konečným snem běžného kupce.

Snažili jsme se vyhnout složitým technickým termínům a říct, jak procesor funguje, a zjistit, která architektura je budoucnost.

1. Jak to všechno začalo

První procesory byly zcela odlišné od toho, co můžete vidět po otevření víka. systémová jednotka váš počítač.

Místo mikroobvodů ve 40. letech XX století používali elektromechanická relé, doplněné elektronkami. Lampy fungovaly jako dioda, jejíž stav bylo možné regulovat snižováním nebo zvyšováním napětí v obvodu. Takové struktury vypadaly takto:

K provozu jednoho gigantického počítače byly potřeba stovky, někdy i tisíce procesorů. Ale zároveň byste na takovém počítači nemohli spustit ani jednoduchý editor jako NotePad nebo TextEdit ze standardní sady Windows a macOS. Počítač by prostě neměl dostatek energie.

2. Vznik tranzistorů

První tranzistory s efektem pole se objevil v roce 1928. Svět se ale změnil až po příchodu tzv bipolární tranzistory , otevřena v roce 1947.

Na konci čtyřicátých let vyvinuli experimentální fyzik Walter Brattain a teoretik John Bardeen první bodový tranzistor. V roce 1950 byl nahrazen prvním planárním tranzistorem a v roce 1954 oznámil známý výrobce Texas Instruments křemíkový tranzistor.

Opravdová revoluce ale přišla v roce 1959, kdy vědec Jean Henri vyvinul první křemíkový planární (plochý) tranzistor, který se stal základem pro monolitické integrované obvody.

Ano, je to trochu komplikované, pojďme se tedy ponořit trochu hlouběji a pochopit teoretickou část.

3. Jak funguje tranzistor

Takže úkolem takové elektrické součásti, jako je tranzistor je ovládat proud. Jednoduše řečeno, tento malý záludný spínač ovládá tok elektřiny.

Hlavní výhodou tranzistoru oproti klasickému spínači je, že nevyžaduje přítomnost člověka. Tito. Takový prvek je schopen nezávisle řídit proud. Navíc to funguje mnohem rychleji, než kdybyste sami zapínali nebo vypínali elektrický obvod.

Pravděpodobně si ze svého školního kurzu informatiky pamatujete, že počítač „rozumí“ lidské řeči kombinací pouhých dvou stavů: „zapnuto“ a „vypnuto“. V chápání stroje je to stav „0“ nebo „1“.

Úkolem počítače je reprezentovat elektrický proud jako čísla.

A jestliže dříve úkol přepínání stavů vykonávala nemotorná, objemná a neúčinná elektrická relé, nyní tuto rutinní práci převzal tranzistor.

Od počátku 60. let se tranzistory začaly vyrábět z křemíku, což umožnilo nejen učinit procesory kompaktnějšími, ale také výrazně zvýšit jejich spolehlivost.

Nejprve se ale vypořádejme s diodou

Křemík(aka Si - „křemík“ v periodické tabulce) patří do kategorie polovodičů, což znamená, že na jedné straně prochází proudem lépe než dielektrikum, na druhé straně hůře než kov.

Ať se nám to líbí nebo ne, abychom pochopili práci a další historii vývoje procesorů, budeme se muset ponořit do struktury jednoho atomu křemíku. Nebojte se, uděláme to stručně a velmi jasně.

Úkolem tranzistoru je zesilovat Slabý signál kvůli dodatečnému zdroji energie.

Atom křemíku má čtyři elektrony, díky kterým tvoří vazby (abych byl přesný - kovalentní vazby) se stejnými blízkými třemi atomy, které tvoří krystalovou mřížku. Zatímco většina elektronů je ve vazbě, malá část z nich je schopna se pohybovat krystalovou mřížkou. Právě kvůli tomuto částečnému přechodu elektronů je křemík klasifikován jako polovodič.

Ale tak slabý pohyb elektronů by neumožnil použití tranzistoru v praxi, a tak se vědci rozhodli zvýšit výkon tranzistorů o doping nebo jednoduše řečeno přidání krystalové mřížky křemíku atomy prvků s charakteristickým uspořádáním elektronů.

Začali tedy používat nečistotu 5-valentního fosforu, díky které získali tranzistory typu n. Přítomnost dalšího elektronu umožnila urychlit jejich pohyb a zvýšit tok proudu.

Při dopování tranzistorů p-typ Takovým katalyzátorem se stal bor, který obsahuje tři elektrony. Díky absenci jednoho elektronu se v krystalové mřížce objevují díry (fungující jako kladný náboj), ale díky tomu, že elektrony jsou schopny tyto díry zaplnit, výrazně se zvyšuje vodivost křemíku.

Řekněme, že jsme vzali křemíkový plátek a dopovali jednu část příměsí typu p a druhou část příměsí typu n. Tak jsme dostali dioda– základní prvek tranzistoru.

Nyní elektrony umístěné v n-části budou mít tendenci se pohybovat do děr umístěných v p-části. V tomto případě bude mít n-strana mírně záporný náboj a p-strana mírně kladný náboj. Elektrické pole, bariéra, vytvořená v důsledku této „gravitace“, zabrání dalšímu pohybu elektronů.

Pokud připojíte zdroj energie k diodě tak, že se „–“ dotkne p-strany destičky a „+“ se dotkne n-strany, nebude tok proudu možný kvůli skutečnosti, že se budou přitahovat otvory k negativnímu kontaktu zdroje energie a elektrony budou přitahovány ke kladnému a spojení mezi elektrony na straně p a n se ztratí v důsledku expanze kombinované vrstvy.

Pokud ale připojíte napájení s dostatečným napětím naopak, tzn. "+" od zdroje ke straně p a "-" - na stranu n, elektrony umístěné na straně n budou odpuzovány záporným pólem a vytlačeny na stranu p, přičemž obsadí otvory v p-oblast.

Nyní jsou však elektrony přitahovány ke kladnému pólu napájecího zdroje a pokračují v pohybu přes p-otvory. Tento jev byl tzv předpětí diody.

Dioda + dioda = tranzistor

Samotný tranzistor si lze představit jako dvě vzájemně propojené diody. V tomto případě se p-oblast (ta, kde jsou umístěny otvory) mezi nimi stává společnou a nazývá se „základna“.

U N-P-N tranzistor dvě n-oblasti s dodatečnými elektrony – jsou také „emitorem“ a „kolektorem“ a jedna, slabá oblast s dírami – p-oblast, nazývaná „základna“.

Pokud připojíte napájecí zdroj (říkejme mu V1) do n-oblastí tranzistoru (bez ohledu na pól), jedna dioda se stane zpětně předpětím a tranzistor bude ZAVŘENO.

Jakmile však připojíme další zdroj napájení (říkejme mu V2), nastavíme kontakt „+“ na „centrální“ oblast p (základna) a kontakt „–“ na oblast n (emitor), některé elektrony budou protékat znovu vytvořeným řetězcem (V2) a část bude přitahována pozitivní n-oblast. V důsledku toho budou elektrony proudit do oblasti kolektoru a slabý elektrický proud bude zesílen.

Pojďme vydechnout!

4. Jak tedy počítač funguje?

A teď nejdůležitější.

V závislosti na použitém napětí může být tranzistor buď OTEVŘENO nebo ZAVŘENO. Pokud napětí nestačí k překonání potenciálové bariéry (stejné na přechodu desek p a n) - tranzistor bude v uzavřeném stavu - ve stavu „vypnuto“ nebo jinými slovy, binární systém – "0".

Při dostatečném napětí se tranzistor otevře a v binární soustavě dostaneme hodnotu „on“ nebo „1“.

Tento stav, 0 nebo 1, se v počítačovém průmyslu nazývá „bit“.

Tito. získáme hlavní vlastnost samotného přepínače, který otevřel lidstvu cestu k počítačům!

První elektronický digitální počítač ENIAC, nebo jednodušeji řečeno první počítač, používal asi 18 tisíc triodových výbojek. Počítač byl velký jako tenisový kurt a vážil 30 tun.

Abyste pochopili, jak procesor funguje, musíte porozumět dalším dvěma klíčovým bodům.

Moment 1. Takže jsme se rozhodli, co to je bit. Ale s jeho pomocí můžeme získat pouze dvě charakteristiky něčeho: buď „ano“ nebo „ne“. Aby se nám počítač naučil lépe rozumět, přišli s kombinací 8 bitů (0 nebo 1), kterou nazvali byte.

Pomocí bajtu můžete zakódovat číslo od nuly do 255. Pomocí těchto 255 čísel – kombinací nul a jedniček, můžete zakódovat cokoliv.

Moment 2. Mít čísla a písmena bez jakékoli logiky by nám nic nedalo. Proto se koncept objevil logické operátory.

Připojením pouze dvou tranzistorů určitým způsobem můžete dosáhnout několika logických akcí najednou: „a“, „nebo“. Kombinace napětí na každém tranzistoru a typu zapojení umožňuje získat různé kombinace nul a jedniček.

Díky úsilí programátorů se hodnoty nul a jedniček, binárního systému, začaly převádět na desítkové, abychom pochopili, co přesně počítač „říká“. A abychom mohli zadávat příkazy, měli bychom reprezentovat naše obvyklé akce, jako je zadávání písmen z klávesnice, jako binární řetězec příkazů.

Jednoduše řečeno, představte si, že existuje vyhledávací tabulka, řekněme ASCII, ve které každé písmeno odpovídá kombinaci 0 a 1. Stiskli jste tlačítko na klávesnici a v tu chvíli se na procesoru díky programu tranzistory se přepnou tak, že se na obrazovce objeví písmeno napsané na klávese.

Jde o poměrně primitivní vysvětlení principu fungování procesoru a počítače, ale právě jeho pochopení nám umožňuje jít dál.

5. A začal závod tranzistorů

Poté, co britský radiotechnik Geoffrey Dahmer navrhl v roce 1952 umístit prvoky elektronické komponenty v oblasti monolitického polovodičového čipu udělal počítačový průmysl skoky vpřed.

Od integrovaných obvodů navržených Dahmerem inženýři rychle přešli na mikročipy, které byly založeny na tranzistorech. Na druhé straně, několik takových čipů již bylo vytvořeno procesor.

Rozměry takových procesorů se samozřejmě těm moderním příliš nepodobají. Navíc až do roku 1964 měly všechny procesory jeden problém. Vyžadovaly individuální přístup – pro každý procesor jiný programovací jazyk.

• 1964 IBM System/360. Počítač kompatibilní s Universal Code. Instrukční sadu pro jeden model procesoru lze použít pro jiný.
• 70. léta. Vzhled prvních mikroprocesorů. Jednočipový procesor od Intelu. Intel 4004 – 10 mikronů TC, 2 300 tranzistorů, 740 kHz.
• 1973 Intel 4040 a Intel 8008. 3 000 tranzistorů, 740 kHz pro Intel 4040 a 3 500 tranzistorů při 500 kHz pro Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6mikronové TC a 6000 tranzistory. Frekvence hodin je asi 5 000 kHz. Právě tento procesor byl použit v počítači Altair-8800. Domácí kopií Intel 8080 je procesor KR580VM80A, vyvinutý Kyjevským výzkumným ústavem mikrozařízení. 8 bitů.
• 1976 Intel 8080. 3 mikronové TC a 6500 tranzistory. Frekvence hodin 6 MHz. 8 bitů.
• 1976 Zilog Z80. 3mikronové TC a 8500 tranzistory. Frekvence hodin až 8 MHz. 8 bitů.
• 1978 Intel 8086. 3 mikronové TC a 29 000 tranzistorů. Frekvence hodin je asi 25 MHz. Instrukční systém x86, který se používá dodnes. 16 bit.
• 1980 Intel 80186. 3 mikronové TC a 134 000 tranzistorů. Frekvence hodin – až 25 MHz. 16 bit.
• 1982 Intel 80286. 1,5 mikronu TC a 134 000 tranzistorů. Frekvence – až 12,5 MHz. 16 bit.
• 1982 Motorola 68000. 3 mikrony a 84 000 tranzistorů. Tento procesor byl použit v Počítač Apple Lisa.
• 1985 Intel 80386. TP 1,5 mikronu a tranzistory 275 000. Frekvence – až 33 MHz ve verzi 386SX.

Zdálo by se, že ve výčtu by se dalo pokračovat donekonečna, ale pak inženýři Intelu čelili vážnému problému.

6. Moorův zákon aneb jak se mohou výrobci čipů posunout dál

Je konec 80. let. Na počátku 60. let jeden ze zakladatelů Intelu, Gordon Moore, formuloval takzvaný „Moorův zákon“. Zní to takto:

Každých 24 měsíců se počet tranzistorů umístěných na čipu integrovaného obvodu zdvojnásobí.

Je těžké tento zákon nazvat zákonem. Přesnější by bylo nazvat to empirickým pozorováním. Při srovnání tempa vývoje technologií Moore dospěl k závěru, že by se mohl vytvořit podobný trend.

Ale už během vývoje čtvrté generace U procesorů Intel i486 se inženýři potýkali s tím, že již dosáhli výkonnostního stropu a více procesorů se již do stejné oblasti nevešlo. Technika to tehdy neumožňovala.

Jako řešení byla nalezena možnost využívající řadu dalších prvků:

• mezipaměť;
• dopravník;
• vestavěný koprocesor;
• násobitel

Část výpočetní zátěže padla na bedra těchto čtyř uzlů. V důsledku toho vzhled mezipaměti na jedné straně zkomplikoval konstrukci procesoru, na druhé straně se stal mnohem výkonnějším.

Procesor Intel i486 se již skládal z 1,2 milionu tranzistorů a jeho maximální pracovní frekvence dosahovala 50 MHz.

V roce 1995 nastoupil do vývoje společnost AMD a vydává nejrychlejší procesor kompatibilní s i486 Am5x86 na 32bitové architektuře v té době. Byl již vyroben 350 nanometrovým technickým postupem a počet instalovaných procesorů dosáhl 1,6 milionu kusů. Hodinová frekvence se zvýšila na 133 MHz.

Výrobci čipů se ale neodvážili usilovat o další zvýšení počtu procesorů instalovaných na čip a rozvoj již tak utopické architektury CISC (Complex Instruction Set Computing). Místo toho americký inženýr David Patterson navrhl optimalizovat provoz procesorů a ponechat jen nejnutnější výpočetní instrukce.

Výrobci procesorů tedy přešli na platformu RISC (Reduced Instruction Set Computing), což se však ukázalo jako málo.

V roce 1991 byl vydán 64bitový procesor R4000 pracující na 100 MHz. O tři roky později se objevuje procesor R8000 a po dalších dvou letech R10000 s taktovací frekvencí až 195 MHz. Zároveň se rozvíjel trh s procesory SPARC, jejichž architektonickým znakem byla absence instrukcí násobení a dělení.

Místo boje o počet tranzistorů začali výrobci čipů přehodnocovat architekturu své práce. Odmítnutí „zbytečných“ příkazů, provádění instrukcí v jednom hodinovém cyklu, přítomnost registrů obecné hodnoty a pipelining umožnily rychle zvýšit taktovací frekvenci a výkon procesorů bez zkreslení počtu tranzistorů.

Zde jsou jen některé z architektur, které se objevily v letech 1980 až 1995:

• SPARC;
• PAŽE;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

Byly založeny na platformě RISC a v některých případech na částečném kombinovaném použití platformy CISC. Rozvoj technologie ale opět tlačil výrobce čipů k dalšímu rozšiřování procesorů.

V srpnu 1999 vstoupil na trh AMD K7 Athlon, vyráběný procesní technologií 250 nanometrů a obsahující 22 milionů tranzistorů. Později byla laťka zvýšena na 38 milionů procesorů. Pak až 250 milionů.

Zvýšil se technologický procesor, zvýšila se taktovací frekvence. Ale jak říká fyzika, všechno má své meze.

7. Konec tranzistorových soutěží se blíží

V roce 2007 Gordon Moore učinil velmi silné prohlášení:

Moorův zákon brzy přestane platit. Není možné instalovat neomezený počet procesorů do nekonečna. Důvodem je atomová povaha hmoty.

Pouhým okem je patrné, že dva přední výrobci čipů AMD a Intel v posledních letech zřetelně zpomalili tempo vývoje procesorů. Přesnost technologického procesu se zvýšila na pouhých pár nanometrů, ale ještě více procesorů pojmout nelze.

A zatímco výrobci polovodičů vyhrožují uvedením vícevrstvých tranzistorů, což je paralela s 3DN a pamětí, architektura x86, která před 30 lety narazila na zeď, měla vážného konkurenta.

8. Co čeká „běžné“ procesory

Moorův zákon je od roku 2016 zrušen. Oficiálně to oznámil největší výrobce procesorů Intel. Výrobci čipů již nejsou schopni každé dva roky zdvojnásobit výpočetní výkon o 100 %.

A nyní mají výrobci procesorů několik neslibných možností.

První možností jsou kvantové počítače. Byly již pokusy sestrojit počítač, který využívá částice k reprezentaci informací. Na světě existuje několik podobných kvantových zařízení, ale dokážou si poradit pouze s algoritmy nízké složitosti.

Navíc sériové uvedení takových zařízení v příštích desetiletích nepřichází v úvahu. Drahé, neúčinné a... pomalé!

Ano, kvantové počítače spotřebují mnohem méně energie než jejich moderní protějšky, ale budou pomalejší, dokud vývojáři a výrobci komponent nepřejdou na novou technologii.

Druhou možností jsou procesory s vrstvami tranzistorů. Intel i AMD o této technologii vážně uvažují. Místo jedné vrstvy tranzistorů plánují použít několik. Zdá se, že v příštích letech se mohou objevit procesory, u kterých bude důležitý nejen počet jader a takt, ale také počet tranzistorových vrstev.

Řešení má právo na život a monopolisté tak budou moci dojit spotřebitele ještě několik desetiletí, ale nakonec technologie opět narazí na strop.

Dnes, s pochopením rychlého rozvoje architektury ARM, Intel tiše oznámil čipy z rodiny Ice Lake. Procesory budou vyráběny 10nanometrovou procesní technologií a stanou se základem pro chytré telefony, tablety a mobilní zařízení. To se ale stane v roce 2019.

9. ARM je budoucnost

Architektura x86 se tedy objevila v roce 1978 a patří k typu platformy CISC. Tito. sám o sobě předpokládá přítomnost pokynů pro všechny příležitosti. Všestrannost je hlavní předností x86.

Ale zároveň si s těmito procesory dělala krutý vtip i všestrannost. x86 má několik klíčových nevýhod:

• složitost příkazů a jejich úplná složitost;
• vysoká spotřeba energie a výroba tepla.

Vysoký výkon se musel rozloučit s energetickou účinností. Na architektuře x86 navíc v současnosti pracují dvě společnosti, které lze snadno považovat za monopolisty. Jedná se o Intel a AMD. Pouze oni mohou vyrábět procesory x86, což znamená, že pouze oni řídí vývoj technologií.

Současně několik společností vyvíjí ARM (Arcon Risk Machine). Již v roce 1985 si vývojáři zvolili platformu RISC jako základ pro další vývoj architektury.

Na rozdíl od CISC zahrnuje RISC vývoj procesoru s minimálním požadovaným počtem instrukcí, ale maximální optimalizací. Procesory RISC jsou mnohem menší než CISC, energeticky účinnější a jednodušší.

Navíc byl ARM původně vytvořen výhradně jako konkurent x86. Vývojáři si dali za úkol vybudovat architekturu, která je efektivnější než x86.

Od 40. let inženýři pochopili, že jedním z prioritních úkolů zůstává práce na zmenšení velikosti počítačů a především samotných procesorů. Je však nepravděpodobné, že by si před téměř 80 lety někdo dokázal představit, že by plnohodnotný počítač byl menší než krabička od zápalek.

Svého času byla podporována architektura ARM Apple společnost, zahajující výrobu tabletů Newton založených na rodině ARM6 procesorů.

Prodeje stolních počítačů prudce klesají, zatímco počet prodaných mobilních zařízení ročně se již pohybuje v miliardách. Při výběru elektronického gadgetu se uživatel často kromě výkonu zajímá o několik dalších kritérií:

• mobilita;
• autonomie.

Architektura x86 je výkonově silná, ale jakmile se vzdáte aktivního chlazení, výkonný procesor bude ve srovnání s architekturou ARM vypadat pateticky.

10. Proč je ARM nesporným lídrem

Je nepravděpodobné, že vás překvapí, že váš smartphone, ať už je to jednoduchý Android nebo vlajková loď Apple 2016, je desítkykrát výkonnější než plnohodnotné počítače z konce 90.

Ale o kolik výkonnější je stejný iPhone?

Srovnávat dvě různé architektury samo o sobě je velmi obtížná věc. Měření zde lze provádět pouze přibližně, ale můžete pochopit obrovskou výhodu, kterou poskytují procesory pro chytré telefony postavené na architektuře ARM.

Univerzálním pomocníkem v této věci je umělý test výkonu Geekbench. Nástroj je dostupný na stolní počítače a na platformách Android a iOS.

Notebooky střední a základní třídy jasně zaostávají za výkonem iPhonu 7. V top segmentu je vše trochu složitější, ale v roce 2017 Apple vydává iPhone X s novým čipem A11 Bionic.

Tam už je vám architektura ARM známá, ale skóre Geekbench se téměř zdvojnásobilo. Notebooky z „nejvyššího patra“ jsou napjaté.

Ale uplynul pouze jeden rok.

Vývoj ARM postupuje mílovými kroky. Zatímco Intel a AMD rok od roku vykazují 5-10% nárůst výkonu, za stejné období se výrobcům smartphonů daří zvýšit výkon procesorů dvakrát až dvaapůlkrát.

Skeptičtí uživatelé, kteří procházejí horní linie Geekbench, by jen rádi připomněli: in mobilní technologie Na velikosti záleží nejvíc.

Položte na stůl all-in-one PC s výkonným 18jádrovým procesorem, který „roztrhá architekturu ARM na kusy“, a poté vedle něj položte iPhone. Cítíte ten rozdíl?

11. Místo odstoupení

Není možné obsáhnout 80letou historii vývoje počítačů v jednom materiálu. Ale po přečtení tohoto článku budete schopni porozumět tomu, jak funguje hlavní prvek každého počítače – procesor – a co očekávat od trhu v následujících letech.

Intel a AMD budou samozřejmě pracovat na dalším zvyšování počtu tranzistorů na jednom čipu a prosazovat myšlenku vícevrstvých prvků.

Ale potřebujete jako spotřebitel takovou sílu?

Je nepravděpodobné, že byste s výkonem nebyli spokojeni. iPad Pro nebo vlajková loď iPhone X. Nemyslím si, že byste byli nespokojeni s výkonem vašeho multicookeru ve vaší kuchyni nebo s kvalitou obrazu na vaší 65palcové 4K televizi. Ale všechna tato zařízení používají procesory založené na architektuře ARM.

Windows již oficiálně oznámil, že se zájmem pohlíží na ARM. Společnost zahrnula podporu této architektury do Windows 8.1 a nyní aktivně pracuje na tandemu s předním výrobcem čipů ARM Qualcomm.

Google se také podařilo podívat na ARM - operační systém Chrome OS tuto architekturu podporuje. Objevilo se několik distribucí Linuxu, které jsou také kompatibilní s touto architekturou. A to je jen začátek.

A jen si zkuste na chvíli představit, jak příjemné by bylo spojit energeticky účinný ARM procesor s grafenovou baterií. Právě tato architektura umožní získat mobilní ergonomické vychytávky, které budou moci diktovat budoucnost.

4,62 z 5, hodnoceno: 34 )

Moderní mikroprocesory jsou nejrychlejší a nejchytřejší čipy na světě. Mohou provádět až 4 miliardy operací za sekundu a jsou vyráběny pomocí mnoha různých technologií. Od začátku 90. let 20. století, kdy se procesory masově začaly používat, prošly několika vývojovými fázemi. Vrcholem vývoje mikroprocesorových struktur s využitím stávajících mikroprocesorových technologií 6. generace byl rok 2002, kdy bylo možné využít všech základních vlastností křemíku k získání vysokých frekvencí s minimálními ztrátami při výrobě a tvorbě logické obvody. Nyní účinnost nových procesorů poněkud klesá navzdory neustálému zvyšování frekvence provozu krystalů, protože křemíkové technologie se blíží hranici svých možností.

Mikroprocesorje integrovaný obvod vytvořený na malém krystalu křemíku. Křemík se v mikroobvodech používá díky tomu, že má polovodičové vlastnosti: jeho elektrická vodivost je větší než u dielektrik, ale menší než u kovů. Z křemíku lze vyrobit jak izolant, zabraňující pohybu elektrických nábojů, tak vodič – pak jím budou elektrické náboje volně procházet. Vodivost polovodiče může být řízena zaváděním nečistot.

Mikroprocesor obsahuje miliony tranzistorů, které jsou vzájemně propojeny tenkými vodiči z hliníku nebo mědi a slouží ke zpracování dat. Tak vznikají vnitřní pneumatiky. Díky tomu mikroprocesor plní mnoho funkcí – od matematických a logických operací až po řízení chodu dalších čipů a celého počítače.

Jedním z hlavních parametrů mikroprocesoru je frekvence krystalu, která určuje počet operací za jednotku času, frekvenci systémové sběrnice a velikost vnitřní cache paměti. SRAM . Procesor je označen podle pracovní frekvence krystalu. Frekvence činnosti krystalu je dána frekvencí spínání tranzistorů ze sepnutého stavu do otevřeného stavu. Schopnost tranzistoru spínat rychleji je dána technologií výroby křemíkových waferů, ze kterých jsou čipy vyrobeny. Rozměr technologického postupu určuje rozměry tranzistoru (jeho tloušťku a délku hradla). Například při použití 90nm procesní technologie, která byla představena na začátku roku 2004, je velikost tranzistoru 90nm a délka brány je 50nm.

Všechny moderní procesory používají tranzistory s efektem pole. Přechod na nový technický proces umožňuje vytvářet tranzistory s vyššími spínacími frekvencemi, nižšími svodovými proudy a menšími rozměry. Zmenšením velikosti se současně zmenšuje plocha čipu a tím i odvod tepla a tenčí hradlo umožňuje dodávat nižší spínací napětí, což také snižuje spotřebu energie a odvod tepla.

Norma technologie 90 nm se pro mnohé výrobce čipů ukázala jako docela vážná technologická překážka. To potvrzuje i společnost TSMC , která vyrábí čipy pro mnoho tržních gigantů, jako jsou společnosti AMD, nVidia, ATI, VIA . Dlouhou dobu nedokázala zorganizovat výrobu čipů technologií 0,09 mikronu, což vedlo k nízké výtěžnosti použitelných krystalů. To je jeden z důvodů AMD dlouho odkládala vydání svých procesorů s technologií SOI (Silicon - on - Insulator ). Je to dáno tím, že právě u této dimenze prvků se začaly silně projevovat všemožné dříve nepříliš nápadné negativní faktory jako svodové proudy, velký rozptyl parametrů a exponenciální nárůst tvorby tepla.

Existují dva svodové proudy: hradlový svodový proud a podprahový svod. První způsobené spontánním pohybem elektronů mezi substrátem křemíkového kanálu a polysilikonovým hradlem. Druhý – samovolný pohyb elektronů ze zdroje tranzistoru do kolektoru. Oba tyto vlivy vedou k nutnosti zvýšit napájecí napětí pro řízení proudů v tranzistoru, což negativně ovlivňuje odvod tepla. Zmenšením velikosti tranzistoru se tedy nejprve sníží jeho hradlo a vrstva oxidu křemičitého ( Si02 ), což je přirozená bariéra mezi bránou a kanálem.

Na jedné straně se tím zlepšuje rychlostní výkon tranzistoru (doba sepnutí), ale na druhé straně se zvyšuje svod. To znamená, že se ukazuje jako jakýsi uzavřený cyklus. Přechod na 90 nm je tedy dalším snížením tloušťky vrstvy oxidu a současně zvýšením úniku. Boj proti netěsnostem znamená opět zvýšení řídicích napětí a tím i výrazné zvýšení produkce tepla. To vše vedlo ke zpoždění v zavedení nového technického postupu konkurenty na trhu mikroprocesorů - Intel a AMD.

Jedním z alternativních řešení je využití technologie SOI (křemík na izolátoru), který společnost nedávno představila AMD na jejich 64bitových procesorech. Stálo ji to však mnoho úsilí a překonání velkého množství s tím spojených potíží. Ale samotná technologie poskytuje obrovské množství výhod s relativně malým počtem nevýhod.

Podstata technologie je obecně zcela logická - tranzistor je oddělen od křemíkového substrátu další tenkou vrstvou izolátoru. Existuje mnoho výhod. Žádný nekontrolovaný pohyb elektronů pod kanálem tranzistoru ovlivňující jeho kanál elektrické charakteristiky- jednou. Po přivedení odblokovacího proudu na bránu se zkrátí doba ionizace kanálu do provozního stavu, dokud jím neproteče provozní proud, to znamená, že se zlepší druhý klíčový parametr výkonu tranzistoru, doba jeho zapnutí /off je dvě. Nebo při stejné rychlosti můžete jednoduše snížit odblokovací proud - tři. Nebo najít nějaký kompromis mezi zvýšením provozní rychlosti a snížením napětí. Při zachování stejného proudu hradla může být nárůst výkonu tranzistoru až 30 %, pokud ponecháte frekvenci stejnou se zaměřením na úsporu energie, pak může být plus velké – až 50 %.

Konečně se charakteristiky kanálu stávají předvídatelnější a samotný tranzistor se stává odolnějším vůči sporadickým chybám, jako jsou chyby způsobené kosmickými částicemi, které narážejí na substrát kanálu a nečekaně jej ionizují. Nyní, když se dostanou do substrátu umístěného pod vrstvou izolátoru, nijak neovlivňují činnost tranzistoru. Jedinou nevýhodou SOI je, že se musí zmenšit hloubka oblasti emitoru/kolektoru, což přímo a přímo ovlivňuje nárůst jejího odporu při zmenšování tloušťky.

A nakonec, Třetí Důvodem, který přispěl ke zpomalení růstu frekvence, je nízká aktivita konkurentů na trhu. Dalo by se říci, že každý byl zaneprázdněn svým vlastním podnikáním. AMD se zabývala plošným zavedením 64bitových procesorů, pro Intel Bylo to období zdokonalování nového technického procesu, odlaďování pro zvýšení výtěžku použitelných krystalů.

Potřeba přejít na nové technické procesy je tedy zřejmá, ale pro technologa je to pokaždé čím dál těžší. První mikroprocesory Pentium (1993) byly vyrobeny pomocí 0,8 um procesu, poté 0,6 um. V roce 1995 byla u procesorů 6. generace poprvé použita procesní technologie 0,35 mikronu. V roce 1997 se změnila na 0,25 mikronu a v roce 1999 na 0,18 mikronu. Moderní procesory jsou založeny na 0,13 a 0,09 mikronových technologiích, které byly představeny v roce 2004. Jak vidíte, pro tyto technické procesy se dodržuje Moorův zákon, který říká, že každé dva roky se frekvence krystalů zdvojnásobí, jak se zvýší počet tranzistorů z nich. Technický proces se mění stejným tempem. Je pravda, že v budoucnu „frekvenční závod“ tento zákon překoná. Do roku 2006 společnost Intel plánuje vyvinout 65nm procesní technologii a 32nm v roce 2009.

Zde je čas si zapamatovat strukturu tranzistoru, konkrétně tenkou vrstvu oxidu křemičitého, izolátor umístěný mezi bránou a kanálem, který plní zcela pochopitelnou funkci - bariéru pro elektrony, která zabraňuje úniku proudu brány.

Je zřejmé, že čím silnější je tato vrstva, tím lépe plní své izolační funkce, ale je nedílnou součástí žlabu a neméně zřejmé je, že pokud se chystáme zmenšit délku žlabu (velikost tranzistor), pak musíme snížit jeho tloušťku, a to poměrně rychlým tempem. Mimochodem, během několika posledních desetiletí dosahovala tloušťka této vrstvy v průměru asi 1/45 celé délky kanálu. Ale tento proces má svůj konec - jak tvrdil stejný Intel před pěti lety, pokud budeme nadále používat SiO 2, jako tomu bylo za posledních 30 let, minimální tloušťka vrstvy bude 2,3 nm, jinak bude svodový proud brány proud bude prostě nereálný.

Až donedávna nebylo učiněno nic pro snížení úniku subkanálu, ale nyní se situace začíná měnit, protože provozní proud je spolu s dobou odezvy brány jedním ze dvou hlavních parametrů charakterizujících rychlost provozu tranzistoru a svod ve vypnutém stavu jej přímo ovlivňuje - pro úsporu požadované účinnosti tranzistoru je proto nutné zvýšit provozní proud se všemi z toho vyplývajícími podmínkami.

Výrobní mikroprocesor je komplexní proces, který zahrnuje více než 300 stupňů. Mikroprocesory vznikají na povrchu tenkých kruhových křemíkových waferů - substrátů, jako výsledek určité posloupnosti různých procesů zpracování za použití chemikálií, plynů a ultrafialového záření.

Substráty mají typicky průměr 200 milimetrů nebo 8 palců. Intel však již přešel na wafery o průměru 300 mm, tedy 12 palců. Nové desky umožňují získat téměř 4krát více krystalů a výtěžnost je mnohem vyšší. Plátky jsou vyrobeny z křemíku, který se čistí, taví a pěstuje do dlouhých válcových krystalů. Krystaly se pak řežou na tenké plátky a leští, dokud jejich povrchy nejsou zrcadlově hladké a bez defektů. Dále se cyklickým způsobem provádí tepelná oxidace (tvorba filmu). Si02 ), fotolitografie, difúze nečistot (fosfor), epitaxe (růst vrstvy).

Během výrobního procesu mikroobvodů se na prázdné desky nanášejí nejtenčí vrstvy materiálů ve formě pečlivě vypočítaných vzorů. Na jeden wafer lze umístit až několik stovek mikroprocesorů, jejichž výroba vyžaduje více než 300 operací. Celý proces výroby procesorů lze rozdělit do několika fází: pěstování oxidu křemičitého a vytváření vodivých oblastí, testování, výroba obalu a dodávka.

Proces výroby mikroprocesoru začíná „ rostoucí "na povrchu leštěného plátku je izolační vrstva oxidu křemičitého. Tento krok se provádí v elektrické peci při velmi vysoké teplotě. Tloušťka vrstvy oxidu závisí na teplotě a době, kterou plátek stráví v trouba.

Pak následuje fotolitografie - proces, při kterém se na povrchu desky vytvoří vzor. Nejprve se na desku nanese dočasná vrstva fotocitlivého materiálu, fotorezistu, na který se pomocí ultrafialového záření promítne obraz průhledných úseků šablony neboli fotomasky. Masky se vyrábějí během návrhu procesoru a používají se k vytvoření vzorů obvodů v každé vrstvě procesoru. Vlivem záření se exponované oblasti fotovrstvy stanou rozpustnými a jsou odstraněny pomocí rozpouštědla (kyseliny fluorové), čímž se odhalí oxid křemičitý pod nimi.

Odkrytý oxid křemičitý se odstraňuje pomocí procesu zvaného „ leptání "Následně se odstraní zbývající fotovrstva a na polovodičové destičce zůstane vzor oxidu křemičitého. V důsledku řady dalších operací fotolitografie a leptání je na destičku nanesen také polykrystalický křemík, který má vlastnosti vodiče."

Během další operace s názvem " doping “, otevřené oblasti křemíkového plátku jsou bombardovány ionty různých chemické prvky, které tvoří záporné a kladné náboje v křemíku, měnící elektrickou vodivost těchto oblastí.

Přidání nových vrstev následuje leptání obvodu se provádí několikrát, přičemž pro mezivrstvové spoje jsou ve vrstvách ponechána „okna“, která jsou vyplněna kovem, tvořící elektrické spojení mezi vrstvami. Intel použil měděné vodiče ve své 0,13mikronové procesní technologii. Ve výrobním procesu 0,18 mikronu a předchozích procesech generace Intel použitý hliník. Jak měď, tak hliník jsou vynikajícími vodiči elektřiny. Při použití technologie procesu 0,18 μm bylo použito 6 vrstev, při zavedení procesu technologie 90 nm v roce 2004 bylo použito 7 vrstev křemíku.

Každá vrstva procesoru má svůj vlastní vzor, ​​všechny tyto vrstvy dohromady tvoří trojrozměrný elektronický obvod. Nanášení vrstev se opakuje 20 - 25x během několika týdnů.

Aby vydržely namáhání, kterému jsou substráty vystaveny během procesu vrstvení, musí být křemíkové plátky zpočátku dostatečně silné. Před rozřezáním waferu na jednotlivé mikroprocesory se proto speciálními procesy zmenší jeho tloušťka o 33 % a z rubové strany se odstraní nečistoty. Pak dál opačná strana Na „tenčí“ destičce je nanesena vrstva speciálního materiálu, který zlepšuje následné uchycení krystalu k tělu. Tato vrstva navíc zajišťuje elektrický kontakt mezi zadní plochou integrovaného obvodu a pouzdrem po sestavení.

Poté jsou destičky testovány, aby se zkontrolovala kvalita všech obráběcích operací. Aby se zjistilo, zda procesory fungují správně, testují se jednotlivé součásti. Pokud jsou zjištěny chyby, analyzují se údaje o nich, aby se zjistilo, v jaké fázi zpracování k chybě došlo.

Ke každému procesoru se poté připojí elektrické sondy a připojí se napájení. Procesory jsou testovány počítačem, který zjišťuje, zda vlastnosti vyráběných procesorů splňují stanovené požadavky.

Po otestování jsou destičky odeslány do montážního zařízení, kde jsou rozřezány na malé obdélníky, z nichž každý obsahuje integrovaný obvod. K oddělení desky se používá speciální přesná pila. Nefunkční krystaly jsou odmítnuty.

Každý krystal je pak umístěn do samostatného pouzdra. Pouzdro chrání krystal před vnějšími vlivy a zajišťuje jeho elektrické připojení k desce, na kterou bude následně instalován. Drobné kuličky pájky, umístěné ve specifických bodech na čipu, jsou připájeny k elektrickým svorkám obalu. Nyní mohou elektrické signály proudit z desky na čip a zpět.

V budoucích zpracovatelích spol Intel bude aplikovat technologii BBUL , což vám umožní vytvářet zásadně nová pouzdra s menším vývinem tepla a kapacitou mezi nohami PROCESOR.

Po instalaci čipu do pouzdra se procesor znovu otestuje, zda je funkční. Vadné procesory jsou vyřazeny a funkční jsou podrobeny zátěžovým testům: vystavení různým teplotním a vlhkostním podmínkám a také elektrostatickým výbojům. Po každém zátěžovém testu je procesor testován, aby se zjistil jeho funkční stav. Procesory se pak třídí na základě jejich chování při různých taktech a napájecích napětích.

Procesory, které prošly testováním, jsou odeslány ke konečné kontrole, která má za úkol potvrdit, že výsledky všech předchozích testů byly správné a parametry integrovaného obvodu splňují nebo dokonce překračují stanovené normy. Všichni zpracovatelé, kteří projdou výstupní kontrolou, jsou označeni a zabaleni pro dodání zákazníkům.