Silikon nedir ve bilgisayar çipleri neden ondan yapılıyor? Mikroişlemciler nasıl yapılır İşlemciler neden silikondan yapılır?

Mikro devreler nasıl yapılır?

Bu iki teknoloji arasındaki temel farkın ne olduğunu anlamak için, modern işlemcilerin veya entegre devrelerin üretim teknolojisine kısa bir göz atmak gerekir.

Bir okul fizik dersinden bildiğiniz gibi, modern elektronikte entegre devrelerin ana bileşenleri p tipi ve n tipi yarı iletkenlerdir (iletkenlik türüne bağlı olarak). Yarı iletken, iletkenliği dielektriklerden üstün, ancak metallerden daha düşük olan bir maddedir. Her iki yarı iletken tipinin de temeli, saf formunda (içsel yarı iletken olarak adlandırılan) zayıf iletkenliğe sahip olan silikon (Si) olabilir. elektrik Bununla birlikte, silikona belirli bir safsızlığın eklenmesi (dahil edilmesi), iletken özelliklerini kökten değiştirebilir. İki tür safsızlık vardır: verici ve alıcı. Donör safsızlığı, elektronik iletkenliğe sahip n tipi yarı iletkenlerin oluşumuna yol açar ve alıcı safsızlığı, delik tipi iletkenliğe sahip p tipi yarı iletkenlerin oluşumuna yol açar. P ve n-yarı iletkenlerin kontakları, modern mikro devrelerin ana yapısal elemanları olan transistörlerin oluşturulmasını mümkün kılar. CMOS transistörleri olarak adlandırılan bu transistörler iki temel durumda bulunabilirler: elektriği ilettiklerinde açık ve elektriği iletmedikleri zaman kapalı. CMOS transistörleri modern mikro devrelerin ana unsurları olduğundan, onlar hakkında daha detaylı konuşalım.

CMOS transistörü nasıl çalışır?

En basit n-tipi CMOS transistörün üç elektrodu vardır: kaynak, geçit ve boşaltma. Transistörün kendisi delik iletkenliğine sahip p tipi bir yarı iletkenden yapılmıştır ve drenaj ve kaynak bölgelerinde elektronik iletkenliğe sahip n tipi yarı iletkenler oluşturulmuştur. Doğal olarak deliklerin p bölgesinden n bölgesine difüzyonu ve elektronların n bölgesinden p bölgesine ters difüzyonu nedeniyle tükenme katmanları (ana yük taşıyıcılarının bulunmadığı katmanlar) oluşur. p ve n bölgelerinin geçişlerinin sınırlarında. Normal durumunda, yani kapıya herhangi bir voltaj uygulanmadığında, transistör “kilitli” durumdadır, yani akımı kaynaktan drenaja iletemez. Drenaj ve kaynak arasına voltaj uygulansa bile durum değişmez (azınlık yük taşıyıcılarının ürettiği elektrik alanlarının etkisi altında hareketin neden olduğu kaçak akımları, yani delikleri hesaba katmıyoruz) n-bölgesi ve p-bölgesi için elektronlar).

Ancak kapıya pozitif bir potansiyel uygulanırsa (Şekil 1) durum kökten değişecektir. Kapının elektrik alanının etkisi altında, delikler p-yarı iletkenin derinliklerine doğru itilir ve elektronlar ise tam tersine kapının altındaki alana çekilerek kaynak ve drenaj arasında elektron açısından zengin bir kanal oluşturur. Geçide pozitif voltaj uygulandığında bu elektronlar kaynaktan drenaja doğru hareket etmeye başlar. Bu durumda transistör akımı iletir; transistöre "açık" denir. Geçit voltajı kaldırılırsa, kaynak ile boşaltma arasındaki alana elektronların çekilmesi durur, iletken kanal tahrip olur ve transistör akım geçişini durdurur, yani "kapanır". Böylece, geçit voltajını değiştirerek, normal bir geçiş anahtarını açıp kapatabildiğiniz gibi, devre boyunca akım akışını kontrol ederek transistörü açabilir veya kapatabilirsiniz. Bu nedenle transistörlere bazen elektronik anahtarlar da denir. Bununla birlikte, geleneksel mekanik anahtarların aksine, CMOS transistörleri neredeyse ataletsizdir ve saniyede trilyonlarca kez açılıp kapanabilme kapasitesine sahiptir! On milyonlarca basit transistörden oluşan işlemcinin performansını nihai olarak belirleyen şey, bu özellik, yani anında geçiş yapma yeteneğidir.

Yani, çağdaş entegre devre on milyonlarca basit CMOS transistörden oluşur. İlk aşaması silikon substratların üretimi olan mikro devrelerin üretim süreci üzerinde daha detaylı duralım.

Adım 1. Büyüyen boşluklar

Bu tür substratların oluşturulması, silindirik bir silikon tek kristalinin büyütülmesiyle başlar. Daha sonra, bu monokristalin boşluklar (boşluklar), kalınlığı yaklaşık 1/40 inç ve çapı 200 mm (8 inç) veya 300 mm (12 inç) olan yuvarlak gofretler (waferler) halinde kesilir. Bunlar mikro devrelerin üretiminde kullanılan silikon substratlardır.

Tekli silikon kristallerinden levhalar oluşturulurken, ideal kristal yapılar için fiziksel özelliklerin büyük ölçüde seçilen yöne (anizotropi özelliği) bağlı olduğu gerçeği dikkate alınır. Örneğin, bir silikon alt katmanın direnci boyuna ve enine yönlerde farklı olacaktır. Benzer şekilde, kristal kafesin yönüne bağlı olarak silikon kristali, daha sonraki işlemlerle (örneğin dağlama, püskürtme vb.) ilişkili herhangi bir dış etkiye farklı tepki verecektir. Bu nedenle, plakanın tek bir kristalden, kristal kafesin yüzeye göre yöneliminin belirli bir yönde sıkı bir şekilde korunacağı şekilde kesilmesi gerekir.

Daha önce belirtildiği gibi silikon tek kristal iş parçasının çapı 200 veya 300 mm'dir. Üstelik çap 300 mm'dir bu görecelidir yeni teknoloji Bunu aşağıda tartışacağız. Intel Pentium 4 işlemciden bahsediyor olsak bile, bu çaptaki bir plakanın birden fazla mikro devreyi barındırabileceği açıktır.Aslında, böyle bir alt tabaka plakası üzerinde birkaç düzine mikro devre (işlemci) oluşturulmuştur, ancak basitlik olması açısından, yalnızca gelecekteki bir mikroişlemcinin küçük bir alanında meydana gelen süreçleri düşünün.

Adım 2. Koruyucu bir dielektrik film (SiO2) uygulanması

Silikon substratın oluşumundan sonra karmaşık bir yarı iletken yapı oluşturma aşaması başlar.

Bunu yapmak için, donör ve alıcı adı verilen safsızlıkların silikona dahil edilmesi gerekir. Ancak şu soru ortaya çıkıyor: Kesin olarak belirlenmiş bir kalıba göre safsızlıklar nasıl tanıtılır? Bunu mümkün kılmak için yabancı maddelerin eklenmesine gerek olmayan alanlar özel bir silikon dioksit filmi ile korunur ve yalnızca daha ileri işlemlere tabi olan alanlar açıkta kalır (Şekil 2). İstenilen desende böyle bir koruyucu filmin oluşturulması işlemi birkaç aşamadan oluşur.

İlk aşamada, silikon levhanın tamamı, çok iyi bir yalıtkan olan ve silikon kristalinin daha sonraki işlenmesi sırasında koruyucu bir film görevi gören ince bir silikon dioksit (SiO2) filmi ile tamamen kaplanır. Plakalar, yüksek sıcaklık (900 ila 1100 °C) ve basınçta, oksijenin plakaların yüzey katmanlarına yayıldığı, silikonun oksidasyonuna ve silikon dioksitten oluşan bir yüzey filminin oluşumuna yol açan bir odaya yerleştirilir. Silikon dioksit filminin kesin olarak belirlenmiş bir kalınlığa sahip olması ve kusurlardan arınmış olması için, oksidasyon işlemi sırasında levhanın tüm noktalarında sabit bir sıcaklığın kesinlikle sabit tutulması gerekir. Plakanın tamamının bir silikon dioksit filmi ile kaplanması gerekmiyorsa, istenmeyen oksidasyonu önlemek için ilk önce silikon alt tabakaya bir Si3N4 maskesi uygulanır.

Adım 3. Fotorezistin uygulanması

Silikon substrat koruyucu bir silikon dioksit filmi ile kaplandıktan sonra, bu filmin daha fazla işleme tabi tutulacak alanlardan çıkarılması gerekir. Film, aşındırma yoluyla çıkarılır ve kalan alanları aşındırmaya karşı korumak için, levhanın yüzeyine fotorezist adı verilen bir katman uygulanır. "Fotorezistler" terimi, ışığa duyarlı ve agresif faktörlere karşı dirençli olan bileşikleri ifade eder. Kullanılan bileşimler bir yandan belirli fotografik özelliklere sahip olmalı (ultraviyole ışığın etkisi altında çözünür hale gelirler ve dağlama işlemi sırasında yıkanırlar), diğer yandan da asit ve alkalilerde aşındırmaya dayanmalarına izin verecek şekilde dirençli olmalıdırlar. , ısıtma vb. Fotorezistlerin temel amacı istenen konfigürasyonda koruyucu bir rahatlama oluşturmaktır.

Belirli bir desene göre fotorezistin uygulanması ve bunun ultraviyole ışıkla daha fazla ışınlanması işlemine fotolitografi denir ve aşağıdaki temel işlemleri içerir: bir fotorezist tabakasının oluşumu (alt tabaka işleme, uygulama, kurutma), koruyucu bir kabartma oluşumu (maruz bırakma, geliştirme) , kurutma) ve görüntünün alt tabakaya aktarılması (dağlama, püskürtme vb.).

Alt tabakaya bir fotorezist tabakası (Şekil 3) uygulamadan önce, ikincisi ön arıtma bunun sonucunda fotodirenç katmanına yapışması artar. Düzgün bir fotorezist tabakası uygulamak için santrifüjleme yöntemi kullanılır. Substrat dönen bir disk (santrifüj) üzerine yerleştirilir ve merkezkaç kuvvetlerinin etkisi altında fotorezist, substratın yüzeyine neredeyse tekdüze bir katman halinde dağıtılır. (Neredeyse tekdüze bir katmandan bahsederken, merkezkaç kuvvetlerinin etkisi altında ortaya çıkan filmin kalınlığının merkezden kenarlara doğru arttığını hesaba katarız, ancak bu fotorezist uygulama yöntemi katmandaki dalgalanmalara dayanabilir kalınlık ±%10 dahilinde.)

Adım 4. Litografi

Fotorezist tabakanın uygulanması ve kurutulmasından sonra gerekli koruyucu kabartmanın oluşma aşaması başlar. Rölyef, fotodirenç katmanının belirli bölgelerine düşen ultraviyole radyasyonun etkisi altında, ikincisinin çözünürlük özelliklerini değiştirmesi, örneğin aydınlatılan alanların solvent içinde çözünmeyi bırakması ve bu da alanları ortadan kaldırması sonucu oluşur. ışığa maruz kalmayan katman veya tam tersi - aydınlatılan alanlar çözülür. Rölyef oluşumu yöntemine göre fotorezistler negatif ve pozitif olarak ayrılır. Negatif fotorezistler ultraviyole radyasyona maruz kaldıklarında koruyucu rahatlama alanları oluştururlar. Aksine, ultraviyole radyasyonun etkisi altında pozitif fotorezistler akışkanlık özellikleri kazanır ve solvent tarafından yıkanır. Buna göre ultraviyole ışınımına maruz kalmayan alanlarda koruyucu bir tabaka oluşur.

Fotorezist katmanının istenen alanlarını aydınlatmak için özel bir maske şablonu kullanılır. Çoğu zaman, fotoğrafla veya başka şekilde elde edilen opak elementlere sahip optik cam plakalar bu amaç için kullanılır. Aslında, böyle bir şablon, gelecekteki mikro devrenin katmanlarından birinin bir çizimini içerir (toplamda bu tür birkaç yüz katman olabilir). Bu şablon bir referans olduğu için büyük bir hassasiyetle yapılması gerekmektedir. Ayrıca tek bir fotoğraf maskesinden çok sayıda fotoğraf plakası yapılacağı dikkate alındığında, dayanıklı ve hasara karşı dayanıklı olması gerekmektedir. Bundan, bir fotoğraf maskesinin çok pahalı bir şey olduğu açıktır: mikro devrenin karmaşıklığına bağlı olarak onbinlerce dolara mal olabilir.

Böyle bir şablondan geçen ultraviyole radyasyon (Şekil 4), fotodirenç katmanının yüzeyinin yalnızca gerekli alanlarını aydınlatır. Işınlamadan sonra fotorezist, katmanın gereksiz alanlarının kaldırılması sonucunda gelişmeye uğrar. Bu, silikon dioksit katmanının karşılık gelen kısmını açığa çıkarır.

Fotolitografik sürecin görünürdeki basitliğine rağmen, en karmaşık olan mikro devre üretiminin bu aşamasıdır. Gerçek şu ki, Moore'un tahminine uygun olarak, bir çip üzerindeki transistör sayısı katlanarak artıyor (her iki yılda bir ikiye katlanıyor). Transistör sayısındaki bu tür bir artış, yalnızca boyutlarındaki bir azalma nedeniyle mümkündür, ancak litografi sürecine "dayanan" tam olarak azalmadır. Transistörlerin küçültülmesi için fotodirenç katmanına uygulanan çizgilerin geometrik boyutlarının küçültülmesi gerekmektedir. Ancak her şeyin bir sınırı vardır, lazer ışınını bir noktaya odaklamak o kadar da kolay değildir. Gerçek şu ki, dalga optiği yasalarına uygun olarak, diğer faktörlerin yanı sıra, lazer ışınının odaklandığı noktanın minimum boyutu (aslında bu sadece bir nokta değil, bir kırınım modelidir) belirlenir, ışığın dalga boyuna göre. Litografi teknolojisinin 70'li yılların başındaki icadından bu yana gelişimi, ışığın dalga boyunun azaltılması yönünde olmuştur. Entegre devre elemanlarının boyutunun küçültülmesini mümkün kılan şey budur. 80'li yılların ortalarından itibaren fotolitografi, lazerin ürettiği ultraviyole radyasyonu kullanmaya başladı. Fikir basit: Ultraviyole radyasyonun dalga boyu, görünür ışığın dalga boyundan daha kısadır, bu nedenle fotorezistin yüzeyinde daha ince çizgiler elde etmek mümkündür. Yakın zamana kadar litografide 248 nm dalga boyuna sahip derin ultraviyole radyasyon (DUV) kullanılıyordu. Ancak fotolitografi 200 nm'nin ötesine geçtiğinde, ilk kez bu teknolojinin kullanımına devam edilmesi konusunda şüphe uyandıran ciddi sorunlar ortaya çıktı. Örneğin, 200 mikrondan daha düşük dalga boylarında, ışığa duyarlı katman tarafından çok fazla ışık emilir, bu da devre şablonunun işlemciye aktarılması sürecini karmaşıklaştırır ve yavaşlatır. Benzer sorunlar araştırmacıları ve üreticileri geleneksel litografi teknolojisine alternatifler aramaya teşvik ediyor.

EUV litografi (Extreme UltraViolet ultra-hard ultraviyole radyasyon) olarak adlandırılan yeni litografi teknolojisi, 13 nm dalga boyuna sahip ultraviyole radyasyonun kullanımına dayanmaktadır.

DUV'dan EUV litografiye geçiş, dalga boyunda 10 kattan fazla bir azalma ve yalnızca birkaç on atomun boyutuyla karşılaştırılabilecek bir aralığa geçiş sağlar.

Mevcut litografi teknolojisi, minimum 100 nm tel genişliğine sahip bir desene izin verirken EUV litografi, 30 nm'ye kadar çok daha küçük çizgi genişliklerinde baskı yapılmasını mümkün kılar. Ultra kısa radyasyonu kontrol etmek göründüğü kadar kolay değildir. EUV radyasyonu cam tarafından iyi bir şekilde emildiğinden, yeni teknoloji, maskeyi uyguladıktan sonra elde edilen görüntüyü azaltan ve odaklayan bir dizi dört özel dışbükey aynanın kullanılmasını içerir (Şekil 5, ,). Bu tür aynaların her biri, yaklaşık 12 atom kalınlığında 80 ayrı metal katman içerir.

Adım 5: Dağlama

Fotorezist katmanı açığa çıkarıldıktan sonra, aşındırma aşaması silikon dioksit filminin çıkarılmasına başlar (Şekil 8).

Aşındırma işlemi genellikle asit banyolarıyla ilişkilendirilir. Bu asitle aşındırma yöntemi, kendi baskılı devre kartlarını yapan radyo amatörleri tarafından iyi bilinmektedir. Bunu yapmak için, koruyucu bir tabaka görevi gören vernikli folyo kaplı PCB'ye gelecekteki tahta için bir iz deseni uygulanır ve ardından plaka bir nitrik asit banyosuna indirilir. Folyonun gereksiz bölümleri kazınarak temiz PCB ortaya çıkar. Bu yöntemin bir takım dezavantajları vardır; bunlardan en önemlisi, asit konsantrasyonu, sıcaklık, konveksiyon, vb. gibi çok fazla faktörün aşındırma işlemini etkilemesi nedeniyle katman çıkarma işleminin doğru bir şekilde kontrol edilememesidir. Ayrıca asit malzeme ile her yönde etkileşime girer ve yavaş yavaş fotorezist maskesinin kenarının altına nüfuz eder, yani fotorezist ile kaplanmış katmanları yandan yok eder. Bu nedenle işlemcilerin üretiminde plazma olarak da adlandırılan kuru aşındırma yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntem, aşındırma işleminin hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlar ve aşındırılmış katmanın tahribatı kesinlikle dikey yönde gerçekleşir.

Kuru aşındırma, silikon dioksiti levha yüzeyinden çıkarmak için iyonize bir gaz (plazma) kullanır; bu, silikon dioksit yüzeyiyle reaksiyona girerek uçucu yan ürünler üretir.

Aşındırma işleminden sonra yani saf silikonun istenilen alanları açığa çıkarıldığında foto katmanın kalan kısmı çıkarılır. Böylece silikon dioksit tarafından yapılan bir desen, silikon substrat üzerinde kalır.

Adım 6. Difüzyon (iyon implantasyonu)

Bir donör veya alıcı safsızlığı ekleyerek doğru yerlerde yarı iletken yapılar oluşturmak için silikon bir substrat üzerinde gerekli deseni oluşturmaya yönelik önceki işlemin gerekli olduğunu hatırlayalım. Safsızlıkların eklenmesi işlemi, safsızlık atomlarının silikon kristal kafesine eşit şekilde yayılması (Şekil 9) yoluyla gerçekleştirilir. N-tipi bir yarı iletken elde etmek için genellikle antimon, arsenik veya fosfor kullanılır. P tipi bir yarı iletken elde etmek için safsızlık olarak bor, galyum veya alüminyum kullanılır.

İyon implantasyonu, katkı maddesi difüzyon işlemi için kullanılır. İmplantasyon işlemi, yüksek voltajlı bir hızlandırıcıdan "fırlatılan" ve yeterli enerjiye sahip olan, silikonun yüzey katmanlarına nüfuz eden istenen safsızlıktaki iyonlardan oluşur.

Böylece iyon implantasyon aşamasının sonunda yarı iletken yapının gerekli katmanı oluşturulmuştur. Ancak mikroişlemcilerde bu tür birkaç katman bulunabilir. Ortaya çıkan devre modelinde bir sonraki katmanı oluşturmak için ek bir ince silikon dioksit katmanı büyütülür. Bundan sonra, bir polikristalin silikon tabakası ve başka bir fotorezist tabakası biriktirilir. Ultraviyole radyasyon ikinci maskeden geçirilir ve fotoğraf katmanında karşılık gelen deseni vurgular. Ardından yine foto katmanın çözülmesi, dağlama ve iyon implantasyonu aşamaları gelir.

Adım 7. Püskürtme ve biriktirme

Yeni katmanların uygulanması birkaç kez gerçekleştirilir, katmanlar arası bağlantılar için ise katmanlarda metal atomlarıyla dolu “pencereler” bırakılır; Bunun sonucunda kristal üzerinde metal şeritlerin iletken bölgeleri oluşturulur. Bu şekilde modern işlemciler, karmaşık bir üç boyutlu devre oluşturan katmanlar arasında bağlantılar kurar. Tüm katmanların yetiştirilmesi ve işlenmesi süreci birkaç hafta sürer ve üretim döngüsünün kendisi 300'den fazla aşamadan oluşur. Sonuç olarak, silikon levha üzerinde yüzlerce özdeş işlemci oluşuyor.

Katmanlama işlemi sırasında levhaların maruz kaldığı darbelere dayanabilmesi için silikon levhalar başlangıçta oldukça kalın yapılır. Bu nedenle, gofreti ayrı işlemcilere ayırmadan önce kalınlığı %33 oranında azaltılır ve arka taraftaki kir çıkarılır. Daha sonra kristalin gelecekteki işlemcinin gövdesine bağlanmasını iyileştirmek için alt tabakanın arka tarafına özel bir malzeme tabakası uygulanır.

Adım 8. Son aşama

Oluşturma döngüsünün sonunda tüm işlemciler kapsamlı bir şekilde test edilir. Daha sonra, testi geçmiş olan spesifik kristaller, özel bir cihaz kullanılarak substrat plakasından kesilir (Şekil 10).

Her bir mikroişlemci, mikroişlemci çipi ile harici cihazlar arasında elektriksel bağlantıyı da sağlayan koruyucu bir muhafaza içine yerleştirilmiştir. Muhafaza tipi, mikroişlemcinin tipine ve amaçlanan uygulamasına bağlıdır.

Kutunun kapatılmasının ardından her mikroişlemci yeniden test edilir. Arızalı işlemciler reddedilir ve çalışan işlemciler yük testlerine tabi tutulur. İşlemciler daha sonra farklı saat hızları ve besleme voltajlarındaki davranışlarına göre sıralanır.

Gelecek vaat eden teknolojiler

Mikro devrelerin (özellikle işlemcilerin) üretilmesine ilişkin teknolojik süreci çok basitleştirilmiş bir şekilde ele aldık. Ancak bu kadar yüzeysel bir sunum bile transistörlerin boyutunu küçültürken karşılaşılan teknolojik zorlukları anlamamızı sağlıyor.

Ancak gelecek vaat eden yeni teknolojileri düşünmeden önce makalenin en başında sorulan soruyu cevaplayacağız: teknolojik sürecin tasarım standardı nedir ve aslında 130 nm tasarım standardı 180 nm standardından nasıl farklıdır? nm? 130 nm veya 180 nm, mikro devrenin bir katmanındaki iki bitişik eleman arasındaki karakteristik minimum mesafedir, yani mikro devrenin elemanlarının bağlandığı bir tür ızgara adımıdır. Bu karakteristik boyut ne kadar küçük olursa, mikro devrenin aynı alanına o kadar fazla transistörün yerleştirilebileceği oldukça açıktır.

Şu anda Intel işlemciler 0,13 mikron işlem teknolojisini kullanıyor. Bu teknoloji, Northwood çekirdekli Intel Pentium 4 işlemciyi, Tualatin çekirdekli Intel Pentium III işlemciyi ve Intel Celeron işlemciyi üretmek için kullanılır. Böyle bir teknolojik işlem kullanıldığında, transistörün faydalı kanal genişliği 60 nm'dir ve geçit oksit tabakasının kalınlığı 1,5 nm'yi geçmez. Toplamda Intel Pentium 4 işlemci 55 milyon transistör içerir.

İşlemci çipindeki transistör yoğunluğunun artırılmasının yanı sıra 0,18 mikron teknolojisinin yerini alan 0,13 mikron teknolojisinde başka yenilikler de bulunuyor. İlk olarak, bireysel transistörler arasında bakır bağlantılar kullanılıyor (0,18 mikron teknolojisinde bağlantılar alüminyumdu). İkinci olarak 0,13 mikron teknolojisi daha düşük güç tüketimi sağlıyor. Örneğin mobil ekipmanlar için bu, mikroişlemcilerin güç tüketiminin azalması ve çalışma süresinin azalması anlamına gelir. pil Daha.

Peki 0,13 mikronluk teknolojik sürece geçişte uygulanan son yenilik ise 300 mm çapında silikon levhaların (wafer) kullanılmasıdır. Bundan önce çoğu işlemci ve mikro devrenin 200 mm'lik levhalar temelinde üretildiğini hatırlayalım.

Gofretin çapının arttırılması, her bir işlemcinin maliyetinin azaltılmasını ve yeterli kalitede ürün veriminin arttırılmasını mümkün kılar. Nitekim 300 mm çapındaki bir gofretin alanı, 200 mm çapındaki bir gofretin alanından 2,25 kat daha büyüktür ve buna göre çapı 300 mm olan bir gofretten elde edilen işlemci sayısı mm iki kattan daha büyüktür.

2003 yılında ise daha da küçük tasarım standardına sahip yeni bir teknolojik sürecin, yani 90 nanometrenin uygulamaya konulması bekleniyor. Intel'in işlemciler, yonga setleri ve iletişim ekipmanları da dahil olmak üzere ürünlerinin çoğunu üreteceği yeni süreç, Intel'in Hillsboro, Oregon'daki D1C 300mm levha pilot tesisinde geliştirildi.

23 Ekim 2002'de Intel, New Mexico'daki Rio Rancho'da 2 milyar dolarlık yeni bir tesisin açılışını duyurdu. F11X adı verilen yeni tesis, modern teknoloji 0,13 mikron tasarım normuna sahip bir proses teknolojisi kullanarak 300 mm'lik levhalar üzerinde işlemciler üretecek. 2003 yılında tesiste 90 nm tasarım standardına sahip teknolojik bir prosese geçilecektir.

Buna ek olarak Intel, Leixlip'teki (İrlanda) Fab 24'te 90 nm tasarım standardına sahip 300 mm silikon levhalar üzerinde yarı iletken bileşenler üretmek üzere tasarlanan başka bir üretim tesisinin inşaatına yeniden başlayacağını duyurdu. Toplam alanı 1 milyon metrekareyi aşan yeni bir işletme. 160 bin metrekare alana sahip, özellikle temiz odalarıyla ayakları yere basıyor. ft.'nin 2004 yılının ilk yarısında faaliyete geçmesi ve binden fazla çalışana istihdam sağlaması bekleniyor. Tesisin maliyeti yaklaşık 2 milyar dolar.

90nm süreci bir dizi ileri teknoloji kullanır. Bunlar, güç tüketimini azaltırken artırılmış performans sağlayan 50 nm'lik kapı uzunluğuna (Şekil 11) sahip, dünyanın en küçük seri üretilen CMOS transistörleridir ve şimdiye kadar üretilmiş tüm transistörler arasında en ince kapı oksit katmanı olan yalnızca 1,2 nm'dir (Şekil 11). 12) veya 5'ten az atom katmanı ve endüstrinin yüksek performanslı gerilmiş silikon teknolojisinin ilk uygulaması.

Listelenen özelliklerden belki de yalnızca "gerilmiş silikon" kavramının yorumlanması gerekiyor (Şekil 13). Böyle bir silikonda atomlar arasındaki mesafe geleneksel bir yarı iletkenden daha fazladır. Bu da trafiğin daha geniş şeritli bir yolda daha özgür ve daha hızlı akmasına benzer şekilde akımın daha serbestçe akmasına olanak tanır.

Tüm yeniliklerin bir sonucu olarak transistörlerin performans özellikleri %10-20 oranında iyileştirilirken, üretim maliyetleri yalnızca %2 oranında artmaktadır.

Üstelik 90 nm'de teknolojik süreçÇip başına yedi katman (Şekil 14), 130nm işleminden bir katman daha fazla ve bakır ara bağlantılar kullanır.

Tüm bu özellikler, 300 mm'lik silikon levhalarla bir araya gelerek Intel'e performans, üretim hacmi ve maliyet açısından avantajlar sağlıyor. Yeni teknolojik gelişmelerden tüketiciler de faydalanıyor Intel süreci işlemci performansını tekrar tekrar artırarak endüstrinin Moore Yasasına uygun olarak gelişmeye devam etmesine olanak tanır.

Mikro devrelerin üretimi çok zor bir konudur ve bu pazarın kapalılığı öncelikle günümüzün baskın fotolitografi teknolojisinin özellikleri tarafından belirlenmektedir. Mikroskobik elektronik devreler, her birinin maliyeti 200.000 doları bulabilen fotomaskeler aracılığıyla silikon levha üzerine yansıtılıyor.Bir çipin yapılabilmesi için ise bu tür maskelerden en az 50 adet gerekiyor. Buna yeni modeller geliştirirken "deneme yanılma" maliyetini de ekleyin ve yalnızca çok büyük şirketlerin çok büyük miktarlarda işlemci üretebileceğini anlayacaksınız.

Standart dışı tasarımlara ihtiyaç duyan bilimsel laboratuvarlar ve ileri teknoloji girişimleri ne yapmalı? En hafif deyimle, işlemcileri "olası bir düşmandan" satın almayı, en hafif tabirle, faut değil de askeriye için ne yapmalıyız?

Hollandalı Mapper şirketinin Rus üretim tesisini ziyaret ettik, bu sayede mikro devrelerin üretimi gökselliğin bir parçası olmaktan çıkıp sadece ölümlüler için bir faaliyete dönüşebiliyor. Peki ya da neredeyse basit. Burada, Moskova Teknokent topraklarında, Rusnano Corporation'ın mali desteğiyle, Mapper teknolojisinin önemli bir bileşeni olan elektron-optik sistem üretiliyor.

Ancak Mapper maskesiz litografinin nüanslarını anlamadan önce, geleneksel fotolitografinin temellerini hatırlamakta fayda var.

Sakar Işık

Modern bir işlemcide Intel çekirdek i7, her biri 14 nm boyutunda olan yaklaşık 2 milyar transistörü (modele bağlı olarak) barındırabilir. Bilgi işlem gücü peşinde koşan üreticiler her yıl transistörlerin boyutunu küçültüyor ve sayılarını artırıyor. Bu yarıştaki olası teknolojik sınır 5 nm olarak düşünülebilir: bu mesafelerde, komşu hücrelerdeki elektronların öngörülemez şekilde davranabilmesi nedeniyle kuantum etkileri ortaya çıkmaya başlar.

Mikroskobik yarı iletken yapıları silikon levha üzerine yerleştirmek için fotoğraf büyütücü kullanımına benzer bir işlem kullanıyorlar. Amacı tam tersi olmadığı sürece - görüntüyü mümkün olduğu kadar küçük yapmak. plaka (veya koruyucu film) ışıkla ışınlandığında özelliklerini değiştiren, ışığa duyarlı bir polimer malzeme olan fotorezist ile kaplanmıştır. Gerekli çip deseni, bir maske ve bir toplama merceği aracılığıyla bir fotoreziste maruz bırakılır. Basılı levhalar genellikle maskelerden dört kat daha küçüktür.

Silikon veya germanyum gibi maddelerin dış enerji seviyelerinde dört elektron bulunur. Metale benzeyen güzel kristaller oluştururlar. Ancak metalden farklı olarak elektriği iletmiyorlar: tüm elektronları güçlü kovalent bağlarda yer alıyor ve hareket edemiyorlar. Bununla birlikte, onlara dış seviyede beş elektronlu bir maddeden (fosfor veya arsenik) biraz donör safsızlığı eklerseniz her şey değişir. Dört elektron silikona bağlanarak birini serbest bırakır. Donör safsızlığına (n-tipi) sahip silikon iyi bir iletkendir. Dış seviyede üç elektronlu bir maddeden (bor, indiyum) silikona bir alıcı safsızlığı eklerseniz, benzer şekilde "delikler" oluşur, pozitif yükün sanal bir benzeri. Bu durumda p tipi bir yarı iletkenden bahsediyoruz. P ve n tipi iletkenleri bağlayarak, akımı yalnızca bir yönde ileten bir yarı iletken cihaz olan bir diyot elde ederiz. p-n-p kombinasyonu veya n-p-n bize bir transistör verir - akım yalnızca merkezi iletkene belirli bir voltaj uygulandığında içinden akar.

Işığın kırınımı bu süreçte kendi ayarlamalarını yapar: maskenin deliklerinden geçen ışın hafifçe kırılır ve bir nokta yerine, sanki havuza atılan bir taştan geliyormuş gibi bir dizi eşmerkezli daire açığa çıkar. . Neyse ki kırınım, dalga boyuyla ters orantılıdır ve mühendisler 195 nm dalga boyuna sahip ultraviyole ışık kullanarak bundan faydalanırlar. Neden daha da az olmasın? Sadece kısa dalga toplayıcı mercek tarafından kırılmayacak, ışınlar odaklanmadan geçecektir. Ayrıca merceğin toplama yeteneğini artırmak da imkansızdır - küresel sapma buna izin vermez: her ışın optik eksenden kendi noktasında geçerek odaklanmayı bozar.

Fotolitografi kullanılarak görüntülenebilecek maksimum kontur genişliği 70 nm'dir. Daha yüksek çözünürlüklü çipler birkaç adımda basılıyor: 70 nanometrelik konturlar uygulanıyor, devre kazınıyor ve ardından bir sonraki parça yeni bir maske aracılığıyla açığa çıkıyor.

Şu anda, yaklaşık 13,5 nm'lik aşırı dalga boyuna sahip ışığı kullanan derin ultraviyole fotolitografi teknolojisi geliştirilmektedir. Teknoloji, katmanlar arası girişime dayalı yansımaya sahip vakum ve çok katmanlı aynaların kullanımını içerir. Maske aynı zamanda yarı saydam değil yansıtıcı bir unsur olacaktır. Aynalar kırılma olayından muaftır, dolayısıyla her dalga boyundaki ışıkla çalışabilirler. Ancak şimdilik bu sadece gelecekte kullanılabilecek bir kavram.

Bugün işlemciler nasıl yapılıyor?

30 cm çapında, mükemmel şekilde parlatılmış yuvarlak bir silikon levha, ince bir fotorezist tabakası ile kaplanmıştır. Merkezkaç kuvveti fotorezistin eşit şekilde dağıtılmasına yardımcı olur.

Gelecekteki devre bir maske aracılığıyla bir fotoreziste maruz bırakılır. Bir levhadan çok sayıda talaş üretildiği için bu işlem birçok kez tekrarlanır.

Fotorezistin ultraviyole radyasyona maruz kalan kısmı çözünür hale gelir ve kimyasallar kullanılarak kolayca çıkarılabilir.

Silikon levhanın fotorezist tarafından korunmayan alanları kimyasal olarak kazınmıştır. Onların yerine çöküntüler oluşur.

Plakaya tekrar bir fotorezist tabakası uygulanır. Bu kez maruz kalma, iyon bombardımanına maruz kalacak alanları açığa çıkarır.

Bir elektrik alanının etkisi altında, safsızlık iyonları 300.000 km/s'den daha yüksek hızlara çıkar ve silikona nüfuz ederek ona yarı iletken özellikler kazandırır.

Kalan fotorezist çıkarıldıktan sonra bitmiş transistörler levha üzerinde kalır. Üstüne, aynı teknoloji kullanılarak kontak deliklerinin kazındığı bir dielektrik tabakası uygulanır.

Plaka bir bakır sülfat çözeltisine yerleştirilir ve üzerine elektroliz kullanılarak iletken bir katman uygulanır. Daha sonra tüm katman taşlanarak çıkarılır, ancak deliklerdeki temas noktaları kalır.

Kontaklar çok katlı metal “tellerden” oluşan bir ağ ile birbirine bağlanmıştır. "Kat" sayısı 20'ye ulaşabilir ve genel bağlantı şemasına işlemci mimarisi denir.

Ancak şimdi plaka birçok ayrı parçaya bölünüyor. Her "kristal" test edilir ve ancak daha sonra kontakları olan bir kart üzerine monte edilir ve gümüş bir radyatör kapağı ile kapatılır.

13.000 TV

Fotolitografiye bir alternatif, pozlamanın ışıkla değil elektronlar tarafından ve foto dirençle değil elektro dirençle yapıldığı elektrolitografidir. Elektron ışını kolaylıkla bir noktaya odaklanır en küçük beden 1 nm'ye kadar. Teknoloji, televizyondaki katot ışın tüpüne benzer: odaklanmış bir elektron akışı, kontrol bobinleri tarafından saptırılarak silikon levha üzerine bir görüntü çizilir.

Yakın zamana kadar bu teknoloji düşük hızı nedeniyle geleneksel yöntemle rekabet edemiyordu. Bir elektrorezistin ışınlamaya tepki vermesi için birim alan başına belirli sayıda elektronu kabul etmesi gerekir, böylece bir ışın en iyi 1 cm2/saat'e maruz kalabilir. Bu, laboratuvarlardan gelen tek siparişler için kabul edilebilir ancak endüstride geçerli değildir.

Ne yazık ki sorunu ışın enerjisini artırarak çözmek imkansızdır: Benzer yükler birbirini iter, dolayısıyla akım arttıkça elektron ışınının genişliği artar. Ancak aynı anda birden fazla bölgeyi açığa çıkararak ışın sayısını artırabilirsiniz. Ve Mapper teknolojisinde olduğu gibi birkaçı 13.000 ise, hesaplamalara göre saatte on tam teşekküllü çip basmak mümkündür.

Elbette 13.000 katot ışın tüpünü tek bir cihazda birleştirmek imkansız olacaktır. Mapper durumunda, kaynaktan gelen radyasyon, geniş bir paralel elektron ışını oluşturan bir kolimatör merceğe yönlendirilir. Yolunda onu 13.000 ayrı ışına dönüştüren bir açıklık matrisi duruyor. Işınlar, 13.000 delikli bir silikon levha olan körleme matrisinden geçer. Her birinin yanında bir saptırma elektrodu bulunur. Eğer akım uygulanırsa elektronlar deliklerini “ıskalar” ve 13.000 ışından biri kapatılır.

Körleştiricileri geçtikten sonra ışınlar, her biri ışınını plakanın hareketine göre birkaç mikron sağa veya sola saptırabilen bir saptırıcılar matrisine yönlendirilir (böylece Haritalayıcı hala 13.000 resim tüpüne benzer). Son olarak, her ışın kendi mikro merceği tarafından daha da odaklanır ve ardından bir elektroreziste yönlendirilir. Mapper teknolojisi bugüne kadar Fransız mikroelektronik araştırma enstitüsü CEA-Leti'de ve önde gelen pazar oyuncuları için mikroişlemciler üreten TSMC'de test edildi (dahil). Apple iPhone 6S). Silikon elektronik lensler de dahil olmak üzere sistemin temel bileşenleri Moskova fabrikasında üretiliyor.

Haritalayıcı teknolojisi yalnızca araştırma laboratuvarları ve küçük ölçekli (askeri üretim dahil) üretim için değil, aynı zamanda büyük oyuncular için de yeni beklentiler vaat ediyor. Şu anda, yeni işlemcilerin prototiplerini test etmek için seri üretimdekiyle tamamen aynı fotoğraf maskelerinin yapılması gerekiyor. Devreleri nispeten hızlı bir şekilde prototipleme yeteneği, yalnızca geliştirme maliyetlerini azaltmakla kalmayıp aynı zamanda bu alandaki ilerlemeyi hızlandırmayı da vaat ediyor. Bu sonuçta kitlesel elektronik tüketicisine, yani hepimize fayda sağlar.

Intel işlemciler NEREDE üretiliyor?

Mikroişlemciler NASIL YAPILIR?

Kısaca, bir işlemcinin üretim süreci şuna benzer: özel ekipman kullanılarak erimiş silikondan silindirik tek bir kristal büyütülür. Ortaya çıkan külçe soğutulur ve yüzeyi dikkatlice düzleştirilen ve ayna parlaklığına kadar parlatılan "krep" halinde kesilir. Daha sonra yarı iletken fabrikaların “temiz odalarında” fotolitografi ve gravür kullanılarak silikon plakalar üzerinde entegre devreler oluşturuluyor. Plakaları yeniden temizledikten sonra laboratuvar uzmanları, işlemcilerin mikroskop altında seçici testlerini gerçekleştirir - eğer her şey "tamam" ise, bitmiş plakalar daha sonra mahfazalara kapatılacak ayrı işlemciler halinde kesilir.

Tüm sürece daha ayrıntılı olarak bakalım.

Başlangıçta SiO2, ark fırınlarında (yaklaşık 1800°C sıcaklıkta) kokla indirgenen kum formunda alınır:
SiO2 + 2C = Si + 2CO

Bu tür silikonlara “teknik” denir ve saflığı% 98-99,9'dur. Üretim işlemcileri, milyar silikon atomu başına birden fazla yabancı atom içermemesi gereken, "elektronik silikon" adı verilen çok daha saf bir ham maddeye ihtiyaç duyar. Bu seviyeye kadar saflaştırmak için silikon kelimenin tam anlamıyla “yeniden doğar”. Teknik silikonun klorlanmasıyla silikon tetraklorür (SiCl4) elde edilir ve bu daha sonra triklorosilan'a (SiHCl3) dönüştürülür:
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3

Ortaya çıkan silikon içeren yan ürünlerin geri dönüştürülmesini kullanan bu reaksiyonlar, maliyetleri düşürür ve çevre sorunlarını ortadan kaldırır:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2

Ortaya çıkan hidrojen birçok yerde kullanılabilir ancak en önemlisi “elektronik” silikonun saf, çok saf (%99,9999999) elde edilmiş olmasıdır. Biraz sonra, potadan yavaş yavaş çekilen bu tür silikon eriyiğine bir tohum ("büyüme noktası") indirilir. Sonuç olarak, bir yetişkinin boyunda tek bir kristal olan "boule" adı verilen bir kristal oluşur. Ağırlık uygundur - üretimde böyle bir topun ağırlığı yaklaşık 100 kg'dır.

Külçe “sıfır” :) ile zımparalanır ve elmas testere ile kesilir. Çıktı, yaklaşık 1 mm kalınlığında ve 300 mm çapında (~12 inç; bunlar HKMG, High-K/Metal Gate teknolojisi ile 32 nm işlem için kullanılanlardır) levhalardır (kod adı "wafer").

Şimdi en ilginç şey, gelecekteki işlemcinin yapısını cilalı silikon levhalara aktarmanın, yani silikon levhanın belirli alanlarına, sonuçta transistörler oluşturan yabancı maddelerin sokulmasının gerekli olmasıdır. Nasıl yapılır?

Sorun, koruyucu bir fotomask kullanılarak yüzey katmanının seçici olarak aşındırılması işlemi olan fotolitografi teknolojisi kullanılarak çözülür. Teknoloji “ışık şablonu-fotorezist” ilkesi üzerine kuruludur ve şu şekilde ilerlemektedir:
— Bir desenin oluşturulacağı silikon alt tabakaya bir malzeme tabakası uygulanır. Üzerine bir fotodirenç uygulanır - ışıkla ışınlandığında fiziksel ve kimyasal özelliklerini değiştiren, ışığa duyarlı bir polimer malzeme tabakası.
— Pozlama bir fotoğraf maskesi aracılığıyla gerçekleştirilir (fotoğraf katmanının kesin olarak ayarlanmış bir süre boyunca aydınlatılması)
— Harcanan fotorezistin çıkarılması.
İstenilen yapı bir fotomask üzerine çizilir - kural olarak bu, üzerine opak alanların fotografik olarak uygulandığı bir optik cam levhadır. Bu tür şablonların her biri gelecekteki işlemcinin katmanlarından birini içerir, bu nedenle çok doğru ve pratik olmalıdır.

Plaka, belirli yerlerde plakanın yüzeyinin altına nüfuz eden ve silikonun iletken özelliklerini değiştiren (yeşil alanlar gömülü yabancı atomlardır) bir iyon akışı (pozitif veya negatif yüklü atomlar) tarafından ışınlanır.

Fotoğrafçılıkta ışık, negatif filmden geçerek fotoğraf kağıdının yüzeyine çarpıyor ve kağıdın kimyasal özelliklerini değiştiriyordu. Fotolitografide prensip benzerdir: ışık, bir fotomaskeden bir fotorezistin üzerine geçirilir ve maskeden geçtiği yerlerde, ayrı alanlar fotodirenç özellikleri değişir. Işık radyasyonu, alt tabakaya odaklanan maskeler aracılığıyla iletilir. Doğru odaklama için ihtiyacınız olan özel sistem maskede kesilen görüntüyü yalnızca çip boyutuna indirgemekle kalmayıp aynı zamanda onu iş parçasına doğru bir şekilde yansıtabilen lensler veya aynalar. Basılı levhalar genellikle maskelerin kendisinden dört kat daha küçüktür.

Harcanan tüm fotorezist (ışınlamanın etkisi altında çözünürlüğünü değiştiren) özel bir kimyasal çözelti ile uzaklaştırılır - bununla birlikte, aydınlatılmış fotorezistin altındaki substratın bir kısmı da çözülür. Alt tabakanın maske tarafından ışıktan korunan kısmı çözülmeyecektir. Bir iletken veya gelecekteki aktif bir eleman oluşturur; bu yaklaşımın sonucu, mikroişlemcinin her katmanında farklı devre modelleridir.

Nitekim donör (n-tipi) veya akseptör (p-tipi) safsızlıkları dahil ederek gerekli yerlerde yarı iletken yapılar oluşturmak için önceki adımların tümü gerekliydi. Diyelim ki silikonda p-tipi taşıyıcıların yoğunlaştığı bir bölge, yani delik iletim bölgesi oluşturmamız gerekiyor. Bunu yapmak için levha, implanter adı verilen bir cihaz kullanılarak işlenir; muazzam enerjiye sahip bor iyonları, yüksek voltajlı bir hızlandırıcıdan ateşlenir ve fotolitografi sırasında oluşturulan korumasız bölgelere eşit şekilde dağıtılır.

Dielektrik kaldırıldığında iyonlar korumasız silikon tabakasına nüfuz eder, aksi takdirde dielektrik içinde "sıkışıp kalırlar". Bir sonraki aşındırma işleminden sonra kalan dielektrik uzaklaştırılır ve lokal borun bulunduğu plaka üzerinde bölgeler kalır. Modern işlemcilerin bu tür birkaç katmana sahip olabileceği açıktır - bu durumda, ortaya çıkan resim üzerinde bir dielektrik katman yeniden büyütülür ve ardından her şey iyi bilinen yolu izler - başka bir fotorezist katmanı, fotolitografi işlemi (yeni bir maske kullanarak) , gravür, implantasyon...

Fotolitografi işlemi sırasında oluşan mantık elemanlarının birbirine bağlanması gerekir. Bunu yapmak için, plakalar, bir elektrik akımının etkisi altında metal atomlarının kalan "geçitlere" "yerleştiği" bir bakır sülfat çözeltisine yerleştirilir - bu galvanik işlemin bir sonucu olarak iletken alanlar oluşur işlemci "mantığının" ayrı parçaları arasında bağlantılar oluşturarak. Fazla iletken kaplama cilalanarak giderilir.

Yaşasın - en zor kısım bitti. Geriye kalan tek şey, transistörlerin "kalıntılarını" bağlamanın kurnaz bir yoludur - tüm bu bağlantıların (otobüslerin) prensibi ve sırasına işlemci mimarisi denir. Bu bağlantılar her işlemci için farklıdır - devreler tamamen düz görünse de, bazı durumlarda bu tür "kabloların" 30'a kadar seviyesi kullanılabilir.

Gofret işleme tamamlandığında, gofretler üretimden montaj ve test atölyesine aktarılır. Orada kristaller ilk testlerden geçiyor ve testi geçenler (ve bu büyük çoğunluk) özel bir cihazla alt tabakadan kesiliyor.

Bir sonraki aşamada işlemci bir alt tabakaya paketlenir (resimde - bir CPU ve bir HD grafik yongasından oluşan bir Intel Core i5 işlemci).

Alt tabaka, kristal ve ısı dağıtım kapağı birbirine bağlanır - "işlemci" kelimesini söylediğimizde kast edeceğimiz ürün budur. Yeşil alt tabaka elektriksel ve mekanik bir arayüz oluşturur (silikon çipi kasaya elektriksel olarak bağlamak için altın kullanılır), bu da işlemcinin sokete takılmasını mümkün kılar anakart- aslında bu sadece küçük bir çipten gelen bağlantıların yönlendirildiği bir platformdur. Isı dağıtım kapağı, çalışma sırasında işlemciyi soğutan termal bir arayüzdür - ister soğutucu bir radyatör ister sağlıklı bir su bloğu olsun, soğutma sistemi bu kapağa takılacaktır.

Şimdi bir şirketin örneğin 20 yeni işlemci duyurduğunu hayal edin. Hepsi farklı - çekirdek sayısı, önbellek boyutları, desteklenen teknolojiler... Her işlemci modeli belirli sayıda transistör kullanır (milyonlarca ve hatta milyarlarca olarak sayılır), kendi elemanlarını bağlama prensibi... Ve tüm bunlar olmalıdır tasarlanmış ve oluşturulmuş/otomatikleştirilmiştir - şablonlar, lensler, litografi, her süreç için yüzlerce parametre, testler... Ve tüm bunlar aynı anda birkaç fabrikada günün her saati çalışmalıdır... Sonuç olarak, hiçbir özelliği olmayan cihazlar ortaya çıkmalıdır. Operasyonda hataya yer var... Ve bu teknolojik şaheserlerin maliyeti de makul sınırlar içinde olmalı...

Modern elektronik tüketicisini şaşırtmak çok zordur. Cebimizin haklı olarak bir akıllı telefon tarafından işgal edilmesine, çantamızda bir dizüstü bilgisayarın bulunmasına, bir akıllı saatin itaatkar bir şekilde elimizdeki adımları saymasına ve aktif gürültü azaltma sistemine sahip kulaklıkların kulaklarımızı okşamasına zaten alıştık.

Komik bir durum ama biz yanımızda bir değil iki, üç, hatta daha fazla bilgisayarı aynı anda taşımaya alışkınız. Sonuçta, bu tam olarak bir cihaz olarak adlandırabileceğiniz şeydir. İşlemci. Ve belirli bir cihazın neye benzediği hiç önemli değil. Operasyonundan çalkantılı ve hızlı bir gelişme yolunun üstesinden gelen minyatür bir çip sorumludur.

İşlemci konusunu neden gündeme getirdik? Basit. Son on yılda mobil cihaz dünyasında gerçek bir devrim yaşandı.

Bu cihazlar arasında sadece 10 yıllık bir fark var. Ama Nokia N95 o zamanlar bize uzay cihazı gibi geliyordu, bugün ise ARKit'e belli bir güvensizlikle bakıyoruz.

Ancak her şey farklı sonuçlanabilirdi ve yıpranmış Pentium IV, ortalama bir alıcının nihai hayali olarak kalabilirdi.

Karmaşık teknik terimlerden kaçınıp işlemcinin nasıl çalıştığını anlatmaya ve geleceğin hangi mimari olduğunu bulmaya çalıştık.

1. Her şey nasıl başladı?

İlk işlemciler, kapağını açtığınızda gördüğünüzden tamamen farklıydı. sistem birimi senin bilgisayarın.

XX yüzyılın 40'lı yıllarında mikro devreler yerine kullanıldılar elektromekanik röleler, vakum tüpleri ile desteklenmiştir. Lambalar, devredeki voltajın düşürülmesi veya arttırılmasıyla durumu düzenlenebilen bir diyot görevi gördü. Bu tür yapılar şöyle görünüyordu:

Devasa bir bilgisayarı çalıştırmak için yüzlerce, bazen binlerce işlemciye ihtiyaç vardı. Ancak aynı zamanda böyle bir bilgisayarda NotePad veya TextEdit gibi basit bir düzenleyiciyi bile standart Windows ve macOS setinden çalıştıramazsınız. Bilgisayarın yeterli gücü olmayacaktı.

2. Transistörlerin ortaya çıkışı

Birinci Alan Etkili Transistörler 1928'de tekrar ortaya çıktı. Ancak dünya ancak sözde ortaya çıktıktan sonra değişti. bipolar transistörler 1947'de açıldı.

1940'ların sonlarında deneysel fizikçi Walter Brattain ve teorisyen John Bardeen ilk nokta-nokta transistörünü geliştirdi. 1950'de yerini ilk düzlemsel transistör aldı ve 1954'te tanınmış üretici Texas Instruments silikon transistörün duyurusunu yaptı.

Ancak asıl devrim 1959'da bilim adamı Jean Henri'nin monolitik entegre devrelerin temeli haline gelen ilk silikon düzlemsel (düz) transistörü geliştirmesiyle geldi.

Evet, biraz karmaşık, o yüzden biraz daha derine inelim ve teorik kısmı anlayalım.

3. Bir transistör nasıl çalışır?

Yani, böyle bir elektrikli bileşenin görevi transistör akımı kontrol etmektir. Basitçe söylemek gerekirse, bu küçük ustalık gerektiren anahtar elektrik akışını kontrol ediyor.

Bir transistörün geleneksel bir anahtara göre temel avantajı, insan varlığını gerektirmemesidir. Onlar. Böyle bir eleman akımı bağımsız olarak kontrol edebilir. Ayrıca, bir elektrik devresini kendi başınıza açıp kapatmanızdan çok daha hızlı çalışır.

Muhtemelen okulunuzdaki bilgisayar bilimleri dersinden, bir bilgisayarın insan dilini yalnızca iki durumun birleşimi yoluyla "anladığını" hatırlarsınız: "açık" ve "kapalı". Makine anlayışında bu “0” veya “1” durumudur.

Bilgisayarın görevi elektrik akımını sayılarla temsil etmektir.

Daha önce durum değiştirme görevi hantal, hantal ve etkisiz elektrik röleleri tarafından gerçekleştiriliyorduysa, şimdi transistör bu rutin işi üstlendi.

60'lı yılların başından bu yana, transistörler silikondan yapılmaya başlandı ve bu, yalnızca işlemcileri daha kompakt hale getirmekle kalmayıp aynı zamanda güvenilirliklerini de önemli ölçüde artırmayı mümkün kıldı.

Ama önce diyotla ilgilenelim

Silikon(periyodik tablodaki diğer adıyla Si - “silisyum”) yarı iletkenler kategorisine aittir, bu da bir yandan akımı bir dielektrikten daha iyi geçirdiği, diğer yandan metalden daha kötü yaptığı anlamına gelir.

Beğensek de beğenmesek de, işlemcilerin gelişiminin çalışmalarını ve daha sonraki geçmişini anlamak için bir silikon atomunun yapısına dalmamız gerekecek. Korkmayın, kısa ve net bir şekilde anlatacağız.

Transistörün görevi güçlendirmektir zayıf sinyal Ek bir güç kaynağı nedeniyle.

Silikon atomunun dört elektronu vardır, bu sayede bağlar oluşturur (kesin olmak gerekirse - kovalent bağlar) aynı yakın üç atomla kristal bir kafes oluşturuyor. Elektronların çoğu bağ halindeyken, küçük bir kısmı kristal kafes boyunca hareket edebilir. Elektronların bu kısmi geçişi nedeniyle silikon yarı iletken olarak sınıflandırılır.

Ancak elektronların böylesine zayıf bir hareketi, transistörün pratikte kullanılmasına izin vermeyecekti, bu nedenle bilim adamları, transistörlerin performansını şu şekilde artırmaya karar verdiler: doping veya basitçe söylemek gerekirse, karakteristik bir elektron düzenine sahip elementlerin atomları ile silikon kristal kafesin eklenmesi.

Böylece elde ettikleri 5 değerlikli fosfor safsızlığını kullanmaya başladılar. n tipi transistörler. Ek bir elektronun varlığı, akım akışını artırarak hareketlerini hızlandırmayı mümkün kıldı.

Transistörlere doping yaparken p tipiÜç elektron içeren bor böyle bir katalizör haline geldi. Bir elektronun bulunmaması nedeniyle kristal kafeste delikler oluşur (pozitif yük görevi görür), ancak elektronların bu delikleri doldurabilmesi nedeniyle silikonun iletkenliği önemli ölçüde artar.

Diyelim ki bir silikon levha aldık ve bir kısmına p tipi katkı maddesi, diğer kısmına ise n tipi katkı maddesi ekledik. Yani elimizde diyot– transistörün temel elemanı.

Artık n kısmında bulunan elektronlar, p kısmında bulunan deliklere doğru hareket etme eğiliminde olacaktır. Bu durumda, n tarafı hafif bir negatif yüke, p tarafı ise hafif bir pozitif yüke sahip olacaktır. Bu “yerçekiminin” bir sonucu olarak oluşan bir bariyer olan elektrik alanı, elektronların daha fazla hareket etmesini önleyecektir.

Güç kaynağını diyota plakanın p tarafına “-”, n tarafına “+” değecek şekilde bağlarsanız delikler çekileceğinden akım akışı imkansız olacaktır. güç kaynağının negatif kontağına, elektronlar pozitife çekilecek ve birleştirilmiş katmanın genişlemesi nedeniyle p ve n yan elektronları arasındaki bağlantı kaybolacaktır.

Ancak gücü yeterli voltajla tam tersi şekilde bağlarsanız, yani. Kaynaktan p tarafına "+" ve n tarafına "-" - yerleştirildiğinde, n tarafına yerleştirilen elektronlar negatif kutup tarafından itilecek ve p tarafındaki delikleri doldurarak p tarafına doğru itilecektir. p-bölgesi.

Ancak artık elektronlar güç kaynağının pozitif kutbuna çekilmektedir ve p-deliklerinden geçmeye devam etmektedirler. Bu fenomene çağrıldı diyot ileri önyargı.

Diyot + diyot = transistör

Transistörün kendisi birbirine bağlı iki diyot olarak düşünülebilir. Bu durumda p bölgesi (deliklerin bulunduğu bölge) aralarında ortak hale gelir ve “taban” olarak adlandırılır.

sen N-P-N transistörü ek elektronlara sahip iki n bölgesi - bunlar aynı zamanda "yayıcı" ve "toplayıcı" ve delikleri olan bir zayıf bölge - "taban" adı verilen p bölgesi.

Transistörün n bölgelerine (kutuptan bağımsız olarak) bir güç kaynağı (buna V1 diyelim) bağlarsanız, bir diyot ters kutuplu hale gelecek ve transistör kapalı.

Ancak, başka bir güç kaynağını (buna V2 diyelim) bağladığımız anda, “+” kontağını “merkezi” p-bölgesine (taban) ve “-” kontağını n-bölgesine (verici) ayarlayarak, elektronların bir kısmı yeniden oluşan zincirden (V2) akacak ve bir kısmı çekilecek pozitif n bölgesi. Sonuç olarak elektronlar toplayıcı alana akacak ve zayıf elektrik akımı artacaktır.

Hadi nefes verelim!

4. Peki bilgisayar nasıl çalışır?

Ve şimdi en önemli.

Uygulanan gerilime bağlı olarak transistör iki şekilde olabilir. açık, veya kapalı. Gerilim, potansiyel bariyerin üstesinden gelmek için yetersizse (p ve n plakalarının birleşim yerindekiyle aynı), - transistör kapalı durumda - "kapalı" durumda veya başka bir deyişle, İkili sistem – "0".

Yeterli voltaj oluştuğunda transistör açılır ve ikili sistemde “on” veya “1” değerini alırız.

Bu duruma (0 veya 1) bilgisayar endüstrisinde "bit" adı verilir.

Onlar. insanlık için bilgisayarların yolunu açan anahtarın ana özelliğini elde ediyoruz!

İlk elektronik dijital bilgisayar ENIAC, daha doğrusu ilk bilgisayar, yaklaşık 18 bin triyot lamba kullanıyordu. Bilgisayar tenis kortu büyüklüğündeydi ve 30 ton ağırlığındaydı.

Bir işlemcinin nasıl çalıştığını anlamak için iki önemli noktayı daha anlamanız gerekir.

1. an. Yani ne olduğuna karar verdik biraz. Ancak onun yardımıyla bir şeyin yalnızca iki özelliğini elde edebiliriz: ya "evet" ya da "hayır". Bilgisayarın bizi daha iyi anlamayı öğrenmesi için 8 bitlik (0 veya 1) bir kombinasyon ortaya çıkardılar. bayt.

Bir bayt kullanarak sıfırdan 255'e kadar bir sayıyı kodlayabilirsiniz. Bu 255 sayıyı (sıfır ve birlerin birleşimi) kullanarak her şeyi kodlayabilirsiniz.

2. an. Hiçbir mantığı olmayan sayı ve harfler bize hiçbir şey kazandırmaz. Konsept bu yüzden ortaya çıktı mantıksal operatörler.

Yalnızca iki transistörü belirli bir şekilde bağlayarak aynı anda birkaç mantıksal eylem gerçekleştirebilirsiniz: "ve", "veya". Her transistördeki voltajın ve bağlantı türünün kombinasyonu, farklı sıfır ve bir kombinasyonları elde etmenizi sağlar.

Programcıların çabaları sayesinde sıfırların ve birlerin değerleri yani ikili sistem ondalık sayıya dönüştürülmeye başlandı, böylece bilgisayarın tam olarak ne söylediğini anlayabildik. Komutları girmek için, klavyeden harf girmek gibi olağan eylemlerimizi ikili bir komut zinciri olarak temsil etmeliyiz.

Basitçe söylemek gerekirse, her harfin 0 ve 1 kombinasyonuna karşılık geldiği ASCII gibi bir arama tablosu olduğunu hayal edin. Klavyede bir düğmeye bastınız ve o anda işlemcide program sayesinde transistörler, anahtarın üzerinde yazılı olan harf ekranda görünecek şekilde değiştirildi.

Bu, işlemcinin ve bilgisayarın çalışma prensibinin oldukça ilkel bir açıklamasıdır, ancak ilerlememize izin veren şey bunu anlamaktır.

5. Ve transistör yarışı başladı

İngiliz radyo mühendisi Geoffrey Dahmer'in 1952'de protozoaların yerleştirilmesini önermesinden sonra elektronik parçalar Monolitik yarı iletken çip konusunda bilgisayar endüstrisi ileriye doğru atılımlar yaptı.

Mühendisler, Dahmer'in önerdiği entegre devrelerden hızla mikroçipler transistörlere dayalıydı. Buna karşılık, bu türden birkaç çip zaten oluşturulmuş durumda. İşlemci.

Elbette bu tür işlemcilerin boyutları modern işlemcilere pek benzemiyor. Ayrıca 1964 yılına kadar tüm işlemcilerde tek bir sorun vardı. Bireysel bir yaklaşıma ihtiyaç duyuyorlardı; her işlemci için farklı bir programlama dili.

• 1964 IBM Sistemi/360. Evrensel Kod uyumlu bilgisayar. Bir işlemci modelinin talimat seti başka bir işlemci modeli için kullanılabilir.
• 70'ler.İlk mikroişlemcilerin ortaya çıkışı. Intel'den tek çipli işlemci. Intel 4004 – 10 mikron TC, 2.300 transistör, 740 KHz.
• 1973 Intel 4040 ve Intel 8008. 3.000 transistör, Intel 4040 için 740 kHz ve Intel 8008 için 500 kHz'de 3.500 transistör.
• 1974 Intel 8080. 6 mikron TC ve 6000 transistör. Saat frekansı yaklaşık 5.000 kHz'dir. Altair-8800 bilgisayarında kullanılan bu işlemciydi. Intel 8080'in yerli kopyası, Kiev Mikro Cihaz Araştırma Enstitüsü tarafından geliştirilen KR580VM80A işlemcidir. 8 bit.
• 1976 Intel 8080. 3 mikron TC ve 6500 transistör. Saat frekansı 6 MHz. 8 bit.
• 1976 Zilog Z80. 3 mikron TC ve 8500 transistör. Saat frekansı 8 MHz'e kadar. 8 bit.
• 1978 Intel 8086. 3 mikron TC ve 29.000 transistör. Saat frekansı yaklaşık 25 MHz'dir. Günümüzde hala kullanılan x86 komut sistemi. 16 bit.
• 1980 Intel 80186. 3 mikron TC ve 134.000 transistör. Saat frekansı – 25 MHz'e kadar. 16 bit.
• 1982 Intel 80286. 1,5 mikron TC ve 134.000 transistör. Frekans – 12,5 MHz'e kadar. 16 bit.
• 1982Motorola 68000. 3 mikron ve 84.000 transistör. Bu işlemci kullanıldı Apple bilgisayarı Lisa.
• 1985 Intel 80386. 1,5 mikron TP ve 275.000 transistör Frekans – 386SX versiyonunda 33 MHz'e kadar.

Görünüşe göre liste sonsuza kadar devam ettirilebilir, ancak daha sonra Intel mühendisleri ciddi bir sorunla karşı karşıya kaldı.

6. Moore Yasası veya çip üreticilerinin nasıl ilerleyebileceği

80'lerin sonu. 60'lı yılların başında Intel'in kurucularından biri olan Gordon Moore, "Moore Yasası" olarak adlandırılan yasayı formüle etti. Şöyle geliyor:

Her 24 ayda bir entegre devre çipine yerleştirilen transistörlerin sayısı iki katına çıkıyor.

Bu kanuna kanun demek zordur. Buna ampirik gözlem demek daha doğru olur. Teknoloji gelişiminin hızını karşılaştıran Moore, benzer bir eğilimin oluşabileceği sonucuna vardı.

Ama zaten geliştirme sırasında dördüncü jenerasyon Intel i486 işlemcilerle mühendisler zaten performans tavanına ulaştıkları ve artık aynı alana daha fazla işlemci sığdıramayacakları gerçeğiyle karşı karşıya kaldılar. O dönemde teknoloji buna izin vermiyordu.

Çözüm olarak bir dizi ek unsurun kullanıldığı bir seçenek bulundu:

• ön bellek;
• konveyör;
• yerleşik yardımcı işlemci;
• çarpan

Hesaplama yükünün bir kısmı bu dört düğümün omuzlarına düştü. Sonuç olarak, önbelleğin görünümü bir yandan işlemcinin tasarımını karmaşıklaştırdı, diğer yandan çok daha güçlü hale geldi.

Intel i486 işlemci halihazırda 1,2 milyon transistörden oluşuyordu ve maksimum çalışma frekansı 50 MHz'e ulaştı.

1995 yılında geliştirme ekibine katıldı. AMD şirketi ve o zamanın en hızlı i486 uyumlu işlemcisi Am5x86'yı 32-bit mimaride piyasaya sürüyor. Zaten 350 nanometrelik teknik bir süreç kullanılarak üretildi ve kurulu işlemci sayısı 1,6 milyon adede ulaştı. Saat frekansı 133 MHz'e yükseldi.

Ancak çip üreticileri, çip üzerine kurulu işlemci sayısını daha da artırmaya ve zaten ütopik olan CISC (Karmaşık Komut Seti Hesaplama) mimarisini geliştirmeye cesaret edemedi. Bunun yerine Amerikalı mühendis David Patterson, yalnızca en gerekli hesaplama talimatlarını bırakarak işlemcilerin çalışmasını optimize etmeyi önerdi.

Bunun üzerine işlemci üreticileri RISC (Reduced Instruction Set Computing) platformuna geçtiler ancak bunun yeterli olmadığı ortaya çıktı.

1991 yılında 100 MHz'de çalışan 64 bit R4000 işlemci piyasaya sürüldü. Üç yıl sonra R8000 işlemci ortaya çıkıyor ve iki yıl sonra 195 MHz'e kadar saat frekansına sahip R10000 ortaya çıkıyor. Aynı zamanda, mimari özelliği çarpma ve bölme talimatlarının bulunmaması olan SPARC işlemcileri pazarı da geliştirildi.

Çip üreticileri, transistör sayısı konusunda kavga etmek yerine işlerinin mimarisini yeniden değerlendirmeye başladı. "Gereksiz" komutların reddedilmesi, talimatların bir saat döngüsünde yürütülmesi, genel değere sahip kayıtların ve boru hattının varlığı, transistör sayısını bozmadan işlemcilerin saat frekansını ve gücünü hızlı bir şekilde artırmayı mümkün kıldı.

1980 ile 1995 yılları arasında ortaya çıkan mimarilerden sadece birkaçı:

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

Bunlar RISC platformuna ve bazı durumlarda CISC platformunun kısmi, birleşik kullanımına dayanıyordu. Ancak teknolojinin gelişmesi, çip üreticilerini işlemcileri genişletmeye devam etmeye bir kez daha itti.

Ağustos 1999'da 250 nanometre işlem teknolojisi kullanılarak üretilen ve 22 milyon transistör içeren AMD K7 Athlon pazara girdi. Daha sonra çıta 38 milyon işlemciye çıkarıldı. Daha sonra 250 milyona kadar.

Teknolojik işlemci arttı, saat frekansı arttı. Ancak fiziğin dediği gibi her şeyin bir sınırı vardır.

7. Transistör yarışmalarının sonu yaklaşıyor

2007'de Gordon Moore çok güçlü bir açıklama yaptı:

Moore Yasasının geçerliliği yakında sona erecek. Sınırsız sayıda işlemciyi sonsuza kadar kurmak imkansızdır. Bunun nedeni maddenin atomik yapısından kaynaklanmaktadır.

Önde gelen iki yonga üreticisi AMD ve Intel'in son birkaç yılda işlemci geliştirme hızını açıkça yavaşlattığı çıplak gözle fark ediliyor. Teknolojik sürecin hassasiyeti yalnızca birkaç nanometreye yükseldi, ancak daha fazla işlemciyi barındırmak artık mümkün değil.

Yarı iletken üreticileri 3DN ve bellekle paralellik kurarak çok katmanlı transistörleri piyasaya sürmekle tehdit ederken, 30 yıl önce duvara toslayan x86 mimarisinin ciddi bir rakibi vardı.

8. “Normal” işlemcileri neler bekliyor?

Moore Yasası 2016'dan beri geçersiz. Bu, en büyük işlemci üreticisi Intel tarafından resmi olarak duyuruldu. Çip üreticileri artık bilgi işlem gücünü her iki yılda bir %100 oranında iki katına çıkaramıyor.

Ve artık işlemci üreticilerinin pek çok taviz vermeyen seçeneği var.

İlk seçenek kuantum bilgisayarlardır. Bilgiyi temsil etmek için parçacıkları kullanan bir bilgisayar oluşturma girişimleri zaten yapıldı. Dünyada benzer birkaç kuantum cihazı var, ancak bunlar yalnızca düşük karmaşıklığa sahip algoritmalarla baş edebiliyor.

Ayrıca bu tür cihazların önümüzdeki yıllarda seri olarak piyasaya sürülmesi de söz konusu değil. Pahalı, etkisiz ve... yavaş!

Evet, kuantum bilgisayarlar modern muadillerine göre çok daha az enerji tüketiyor ancak geliştiriciler ve bileşen üreticileri yeni teknolojiye geçene kadar daha yavaş olacaklar.

İkinci seçenek, transistör katmanlarına sahip işlemcilerdir. Hem Intel hem de AMD bu teknoloji üzerinde ciddi şekilde düşünüyor. Tek bir transistör katmanı yerine birden fazla transistör kullanmayı planlıyorlar. Görünüşe göre önümüzdeki yıllarda sadece çekirdek sayısı ve saat hızının değil, aynı zamanda transistör katmanlarının sayısının da önemli olacağı işlemciler ortaya çıkabilir.

Çözümün yaşam hakkı var ve bu nedenle tekelciler tüketiciyi birkaç on yıl daha sağabilecekler, ancak sonunda teknoloji yine tavana vuracak.

Bugün ARM mimarisinin hızlı gelişimini anlayan Intel, Ice Lake ailesinden çipleri sessizce duyurdu. İşlemciler 10 nanometre işlem teknolojisi kullanılarak üretilecek ve akıllı telefonlar, tabletler ve mobil cihazların temelini oluşturacak. Ancak bu 2019'da gerçekleşecek.

9. ARM gelecektir

Böylece x86 mimarisi 1978'de ortaya çıktı ve CISC platform tipine ait. Onlar. kendi içinde tüm durumlar için talimatların varlığını varsayar. Çok yönlülük x86'nın temel gücüdür.

Ancak aynı zamanda çok yönlülük bu işlemcilerde acımasız bir şaka da yaptı. x86'nın birkaç önemli dezavantajı vardır:

• komutların karmaşıklığı ve bunların tamamen karmaşıklığı;
• yüksek enerji tüketimi ve ısı üretimi.

Yüksek performansın enerji verimliliğine veda etmesi gerekiyordu. Üstelik kolaylıkla tekelci sayılabilecek iki şirket şu anda x86 mimarisi üzerinde çalışıyor. Bunlar Intel ve AMD'dir. x86 işlemcileri ancak onlar üretebiliyor, yani teknolojinin gelişimini yalnızca onlar kontrol edebiliyor.

Aynı zamanda birçok şirket ARM (Arcon Risk Machine) geliştiriyor. 1985 yılında geliştiriciler, mimarinin daha da geliştirilmesi için temel olarak RISC platformunu seçtiler.

CISC'den farklı olarak RISC, gereken minimum sayıda talimata ancak maksimum optimizasyona sahip bir işlemci geliştirmeyi içerir. RISC işlemcileri CISC'den çok daha küçüktür, enerji açısından daha verimlidir ve daha basittir.

Üstelik ARM başlangıçta yalnızca x86'ya rakip olarak yaratıldı. Geliştiriciler, x86'dan daha verimli bir mimari oluşturma görevini üstlendiler.

40'lı yıllardan bu yana mühendisler, öncelikli görevlerden birinin bilgisayarların ve her şeyden önce işlemcilerin boyutunun küçültülmesi üzerinde çalışmaya devam ettiğini anladılar. Ancak neredeyse 80 yıl önce herhangi birinin tam donanımlı bir bilgisayarın kibrit kutusundan daha küçük olacağını hayal etmesi pek mümkün değildi.

ARM mimarisi bir kerede desteklendi Apple şirketi ARM6 ARM işlemci ailesini temel alan Newton tabletlerinin üretimine başlandı.

Masaüstü bilgisayar satışları hızla düşerken, yıllık olarak satılan mobil cihazların sayısı şimdiden milyarları buluyor. Çoğu zaman, performansa ek olarak, bir elektronik alet seçerken kullanıcı birkaç kriterle daha ilgilenir:

• hareketlilik;
• özerklik.

x86 mimarisi performans açısından güçlüdür ancak aktif soğutmadan vazgeçtiğinizde, güçlü işlemci ARM mimarisiyle karşılaştırıldığında acıklı görünecek.

10. ARM neden tartışmasız lider?

İster basit bir Android ister Apple'ın 2016 amiral gemisi olsun, akıllı telefonunuzun 90'ların sonundaki tam teşekküllü bilgisayarlardan onlarca kat daha güçlü olmasına şaşırmanız pek olası değildir.

Peki aynı iPhone ne kadar daha güçlü?

İki farklı mimariyi kendi içinde karşılaştırmak oldukça zor bir şey. Buradaki ölçümler ancak yaklaşık olarak alınabiliyor ancak ARM mimarisi üzerine kurulu akıllı telefon işlemcilerinin sağladığı muazzam avantajı anlayabilirsiniz.

Bu konuda evrensel bir yardımcı yapay Geekbench performans testidir. Yardımcı program şu adreste mevcuttur: masaüstü bilgisayarlar, Android ve iOS platformlarında.

Orta sınıf ve giriş seviyesi dizüstü bilgisayarlar, iPhone 7'nin performansının açıkça gerisinde kalıyor. Üst segmentte her şey biraz daha karmaşık ancak 2017'de Apple, yeni A11 Bionic çipli iPhone X'i piyasaya sürüyor.

ARM mimarisi zaten size tanıdık geliyor ancak Geekbench puanları neredeyse iki katına çıktı. "En üst kademedeki" dizüstü bilgisayarlar gergin.

Ancak yalnızca bir yıl geçti.

ARM'ın gelişimi hızla ilerliyor. Intel ve AMD her geçen yıl performansta %5-10'luk bir artış gösterirken, akıllı telefon üreticileri aynı dönemde işlemcilerin gücünü iki ila iki buçuk kat artırmayı başarıyor.

Geekbench'in en üst sıralarında yer alan şüpheci kullanıcılara şunu hatırlatmak isterim: mobil teknolojiler Boyut en önemli şeydir.

"ARM mimarisini paramparça eden" güçlü 18 çekirdekli işlemciye sahip hepsi bir arada bilgisayarı masanın üzerine yerleştirin ve ardından iPhone'u yanına yerleştirin. Farkı hissediyor musun?

11. Geri çekilmek yerine

Bilgisayar gelişiminin 80 yıllık tarihini tek bir materyalde anlatmak mümkün değil. Ancak bu makaleyi okuduktan sonra herhangi bir bilgisayarın ana unsuru olan işlemcinin nasıl çalıştığını ve önümüzdeki yıllarda piyasadan neler bekleyeceğinizi anlayabileceksiniz.

Elbette Intel ve AMD, bir çipteki transistör sayısını daha da artırmak ve çok katmanlı öğeler fikrini desteklemek için çalışacak.

Peki bir tüketici olarak sizin bu tür bir güce ihtiyacınız var mı?

Performanstan memnun olmamanız pek mümkün değil. iPad Pro veya amiral gemisi iPhone X. Mutfağınızdaki çoklu pişiricinizin performansından veya 65 inç 4K TV'nizin görüntü kalitesinden memnun olmadığınızı düşünüyorum. Ancak bu cihazların tamamı ARM mimarisine dayalı işlemciler kullanıyor.

Windows zaten resmi olarak ARM'e ilgiyle baktığını duyurdu. Şirket, Windows 8.1'de bu mimariye destek sağladı ve şu anda lider ARM yonga üreticisi Qualcomm ile birlikte aktif olarak çalışıyor.

Google ayrıca ARM'e de bakmayı başardı - işletim sistemi Chrome OS bu mimariyi destekler. Bu mimariyle de uyumlu olan çeşitli Linux dağıtımları ortaya çıktı. Ve bu sadece başlangıç.

Ve bir an için enerji tasarruflu bir ARM işlemciyi bir grafen pille birleştirmenin ne kadar keyifli olacağını hayal etmeye çalışın. Geleceği belirleyecek mobil ergonomik cihazların elde edilmesini mümkün kılacak olan da bu mimaridir.

5 üzerinden 4,62, puan: 34 )

Modern mikroişlemciler dünyadaki en hızlı ve en akıllı çiplerdir. Saniyede 4 milyara kadar işlem gerçekleştirebilmektedirler ve birçok farklı teknoloji kullanılarak üretilmektedirler. İşlemcilerin kitlesel kullanıma girdiği 20. yüzyılın 90'lı yıllarının başından bu yana, çeşitli gelişim aşamalarından geçtiler. Mevcut 6. nesil mikroişlemci teknolojilerini kullanan mikroişlemci yapılarının geliştirilmesinin zirvesi, üretim ve oluşturma sırasında minimum kayıpla yüksek frekanslar elde etmek için silikonun tüm temel özelliklerinin kullanılmasının mümkün olduğu 2002 yılıydı. mantık devreleri. Silikon teknolojileri yeteneklerinin sınırına yaklaştığından, kristallerin çalışma frekansındaki sürekli artışa rağmen artık yeni işlemcilerin verimliliği bir miktar düşüyor.

Mikroişlemciküçük bir silikon kristali üzerinde oluşturulmuş bir entegre devredir. Silikon, yarı iletken özelliklere sahip olması nedeniyle mikro devrelerde kullanılır: elektriksel iletkenliği dielektriklerden daha fazla, ancak metallerden daha azdır. Silikon, hem elektrik yüklerinin hareketini önleyen bir yalıtkan hem de bir iletken yapılabilir - o zaman elektrik yükleri içinden serbestçe geçecektir. Bir yarı iletkenin iletkenliği yabancı maddelerin eklenmesiyle kontrol edilebilir.

Mikroişlemci, alüminyum veya bakırdan yapılmış ince iletkenlerle birbirine bağlanan ve veri işlemek için kullanılan milyonlarca transistör içerir. İç lastikler bu şekilde oluşur. Sonuç olarak mikroişlemci, matematiksel ve mantıksal işlemlerden diğer çiplerin ve tüm bilgisayarın çalışmasını kontrol etmeye kadar birçok işlevi yerine getirir.

Mikroişlemcinin ana parametrelerinden biri, birim zaman başına işlem sayısını, sistem veriyolunun frekansını ve dahili önbellek miktarını belirleyen kristalin frekansıdır. SRAM . İşlemci kristalin çalışma frekansına göre etiketlenir. Kristalin çalışma frekansı, transistörlerin kapalı durumdan açık duruma geçme sıklığı ile belirlenir. Bir transistörün daha hızlı geçiş yapma yeteneği, çiplerin yapıldığı silikon levhaların üretim teknolojisine göre belirlenir. Teknolojik sürecin boyutu, transistörün boyutlarını (kalınlığı ve geçit uzunluğu) belirler. Örneğin, 2004'ün başlarında tanıtılan 90nm proses teknolojisi kullanıldığında, transistör boyutu 90nm ve geçit uzunluğu 50nm'dir.

Tüm modern işlemciler alan etkili transistörler kullanır. Yeni bir teknik sürece geçiş, daha yüksek anahtarlama frekanslarına, daha düşük kaçak akımlara ve daha küçük boyutlara sahip transistörlerin yaratılmasını mümkün kılmaktadır. Boyutun küçültülmesi aynı anda çip alanını ve dolayısıyla ısı dağılımını da azaltır ve daha ince geçit, daha düşük anahtarlama voltajının sağlanmasına olanak tanır, bu da güç tüketimini ve ısı dağılımını azaltır.

90 nm teknoloji normunun birçok çip üreticisi için oldukça ciddi bir teknolojik engel olduğu ortaya çıktı. Bu şirket tarafından onaylandı TSMC Şirketler gibi birçok pazar devine çip üreten AMD, nVidia, ATI, VIA . Uzun süre 0,09 mikron teknolojisini kullanan çiplerin üretimini organize edemedi, bu da kullanılabilir kristal veriminin düşük olmasına yol açtı. Bunun nedenlerinden biri de bu AMD teknolojiye sahip işlemcilerinin piyasaya sürülmesini uzun süre erteledi SOI (Silikon - İzolatör ). Bunun nedeni, kaçak akımlar, parametrelerin büyük bir dağılımı ve ısı üretiminde üstel bir artış gibi daha önce pek fark edilmeyen her türlü olumsuz faktörün, tam olarak bu element boyutunda güçlü bir şekilde kendini göstermeye başlamasıdır.

İki kaçak akım vardır: kapı kaçak akımı ve eşik altı kaçak. Birinci silikon kanalı substratı ve polisilikon kapısı arasındaki elektronların kendiliğinden hareketinden kaynaklanır. Saniye – elektronların transistörün kaynağından drenaja doğru kendiliğinden hareketi. Bu etkilerin her ikisi de transistördeki akımları kontrol etmek için besleme voltajının arttırılması ihtiyacını doğurur ve bu da ısı dağılımını olumsuz etkiler. Böylece transistörün boyutunu küçültmek, her şeyden önce kapısı ve silikon dioksit tabakasını azaltır ( SiO2 ), kapı ve kanal arasında doğal bir bariyerdir.

Bu bir yandan transistörün hız performansını artırır (anahtarlama süresi), diğer yandan sızıntıyı artırır. Yani bir nevi kapalı döngü ortaya çıkıyor. Yani 90 nm'ye geçiş, dioksit tabakasının kalınlığında bir başka azalma ve aynı zamanda sızıntıda bir artıştır. Sızıntılarla mücadele, yine kontrol voltajlarında bir artış ve buna bağlı olarak ısı üretiminde önemli bir artış anlamına gelir. Bütün bunlar, mikroişlemci pazarındaki rakipler tarafından yeni bir teknik sürecin başlatılmasında gecikmeye yol açtı - Intel ve AMD.

Alternatif çözümlerden biri teknolojinin kullanılmasıdır. YANİ BEN Şirketin yakın zamanda tanıttığı (izolatör üzerindeki silikon) AMD 64 bit işlemcilerinde. Bununla birlikte, bu ona çok fazla çabaya ve ilgili çok sayıda zorluğun üstesinden gelmeye mal oldu. Ancak teknolojinin kendisi, nispeten az sayıda dezavantajla birlikte çok sayıda avantaj sağlıyor.

Teknolojinin özü genel olarak oldukça mantıklıdır - transistör silikon alt tabakadan başka bir ince yalıtkan tabakasıyla ayrılır. Pek çok avantajı var. Transistör kanalı altında elektronların kontrolsüz hareketinin transistör kanalını etkilememesi elektriksel özellikler- bir kere. Kapıya kilit açma akımı uygulandıktan sonra, kanalın çalışma akımı içinden akana kadar çalışma durumuna iyonizasyon süresi azalır, yani transistör performansının ikinci anahtar parametresi iyileştirilir, açılma süresi artar. /off ikidir. Veya aynı hızda kilit açma akımını - üç - azaltabilirsiniz. Veya çalışma hızını artırmakla voltajı azaltmak arasında bir tür uzlaşma bulun. Aynı geçit akımını korurken, transistör performansındaki artış% 30'a kadar olabilir; frekansı aynı bırakırsanız, enerji tasarrufuna odaklanırsanız, artı% 50'ye kadar büyük olabilir.

Son olarak, kanal özellikleri daha tahmin edilebilir hale gelir ve transistörün kendisi, kozmik parçacıkların kanal alt katmanına çarpması ve onu beklenmedik bir şekilde iyonize etmesinden kaynaklananlar gibi ara sıra hatalara karşı daha dirençli hale gelir. Artık yalıtkan katmanın altında bulunan alt tabakaya girdiklerinde transistörün çalışmasını hiçbir şekilde etkilemezler. SOI'nin tek dezavantajı, verici/toplayıcı bölgenin derinliğinin azaltılması gerekmesidir, bu da kalınlık azaldıkça direncindeki artışı doğrudan ve doğrudan etkiler.

Ve sonunda, üçüncü Frekans artışındaki yavaşlamaya katkıda bulunan neden, rakiplerin pazardaki düşük etkinliğidir. Herkesin kendi işiyle meşgul olduğunu söyleyebiliriz. AMD 64-bit işlemcilerin yaygın olarak tanıtılmasıyla meşguldü, Intel Bu, yeni teknik sürecin iyileştirildiği, kullanılabilir kristal veriminin artırılması için hata ayıklandığı bir dönemdi.

Dolayısıyla yeni teknik süreçlere geçişin gerekliliği açık ancak teknoloji uzmanları için bu her geçen gün daha da zorlaşıyor. İlk mikroişlemciler Pentium (1993) 0,8 µm, ardından 0,6 µm prosesi kullanılarak üretildi. 1995 yılında 6. nesil işlemcilerde ilk kez 0,35 mikron işlem teknolojisi kullanıldı. 1997 yılında 0,25 mikrona, 1999 yılında ise 0,18 mikrona çıkmıştır. Modern işlemciler 0,13 ve 0,09 mikron teknolojilerine dayanmaktadır; ikincisi 2004 yılında tanıtılmıştır. Gördüğünüz gibi, bu teknik süreçlerde, her iki yılda bir kristallerin frekansının, onlardan gelen transistör sayısı arttıkça iki katına çıktığını belirten Moore yasası gözlemleniyor. Teknik süreç de aynı hızla değişiyor. Doğru, gelecekte “frekans yarışı” bu yasayı geride bırakacak. 2006 yılına kadar şirket Intel 65 nm'lik bir süreç teknolojisi ve 2009'da 32 nm'lik bir süreç teknolojisi geliştirmeyi planlıyor.

Burada transistörün yapısını, yani kapı ile kanal arasında yer alan ve tamamen anlaşılır bir işlevi yerine getiren ince bir silikon dioksit tabakası, bir yalıtkan - kapı akımının sızmasını önleyen elektronlar için bir bariyer olduğunu hatırlamanın zamanı geldi.

Bu katmanın ne kadar kalın olursa yalıtım işlevini o kadar iyi yerine getireceği açıktır, ancak kanalın ayrılmaz bir parçasıdır ve kanalın uzunluğunu (boyutunu) azaltacaksak, daha az açık değildir. transistör), o zaman kalınlığını oldukça hızlı bir şekilde azaltmamız gerekir. Bu arada, son birkaç on yılda bu katmanın kalınlığı kanalın tüm uzunluğunun ortalama 1/45'i kadardı. Ancak bu sürecin de bir sonu var; Intel'in beş yıl önce de iddia ettiği gibi, son 30 yıldır olduğu gibi SiO 2 kullanmaya devam edersek minimum katman kalınlığı 2,3 nm olacak, aksi takdirde kapının kaçak akımı ortaya çıkacak. akım tamamen gerçekçi olmayacak.

Yakın zamana kadar, alt kanal sızıntısını azaltmak için hiçbir şey yapılmadı, ancak şimdi durum değişmeye başlıyor, çünkü çalışma akımı, geçit tepki süresiyle birlikte, transistörün çalışma hızını karakterize eden iki ana parametreden biridir ve durum dışı sızıntı onu doğrudan etkiler - gerekli transistör verimliliğinden tasarruf etmek için, buna göre, sonraki tüm koşullarla birlikte çalışma akımını arttırmak gerekir.

Üretme Mikroişlemci, 300'den fazla aşamayı içeren karmaşık bir işlemdir. Mikroişlemciler, kimyasallar, gazlar ve ultraviyole radyasyon kullanılarak yapılan çeşitli işlem süreçlerinin belirli bir dizisinin bir sonucu olarak, ince dairesel silikon levhaların - substratların yüzeyinde oluşturulur.

Substratların çapı tipik olarak 200 milimetre veya 8 inçtir. Ancak Intel halihazırda 300 mm veya 12 inç çapındaki levhalara geçmiş durumda. Yeni plakalar neredeyse 4 kat daha fazla kristal elde edilmesini mümkün kılar ve verim çok daha yüksektir. Gofretler, saflaştırılan, eritilen ve uzun silindirik kristallere dönüştürülen silikondan yapılır. Daha sonra kristaller ince dilimler halinde kesilir ve yüzeyleri ayna gibi pürüzsüz ve kusursuz olana kadar cilalanır. Daha sonra termal oksidasyon (film oluşumu) döngüsel bir şekilde gerçekleştirilir. SiO2 ), fotolitografi, safsızlık difüzyonu (fosfor), epitaksi (katman büyümesi).

Mikro devrelerin üretim sürecinde, en ince malzeme katmanları, dikkatlice hesaplanmış desenler şeklinde boş plakalara uygulanır. Üretimi 300'den fazla işlem gerektiren bir levha üzerine birkaç yüze kadar mikroişlemci yerleştirilebilir. İşlemci üretme sürecinin tamamı birkaç aşamaya ayrılabilir: silikon dioksitin yetiştirilmesi ve iletken bölgelerin oluşturulması, test edilmesi, paketin üretilmesi ve teslimat.

Mikroişlemci üretim süreci " ile başlar büyüyor "Cilalı levhanın yüzeyinde yalıtkan bir silikon dioksit tabakası bulunur. Bu adım elektrikli bir fırında çok yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir. Oksit tabakasının kalınlığı sıcaklığa ve levhanın fırında geçirdiği süreye bağlıdır. fırın.

Sonra takip eder fotolitografi - plakanın yüzeyinde bir desenin oluşturulduğu bir işlem. İlk olarak, plakaya, şablonun veya fotomaskın şeffaf bölümlerinin bir görüntüsünün ultraviyole radyasyon kullanılarak yansıtıldığı geçici bir ışığa duyarlı malzeme tabakası, bir fotodirenç uygulanır. Maskeler işlemci tasarımı sırasında yapılır ve işlemcinin her katmanında devre desenleri oluşturmak için kullanılır. Radyasyonun etkisi altında, foto katmanın açıkta kalan alanları çözünür hale gelir ve bunlar bir solvent (florik asit) kullanılarak uzaklaştırılır ve alttaki silikon dioksit açığa çıkar.

Açıkta kalan silika "" adı verilen bir işlem kullanılarak çıkarılır. gravür "Geri kalan foto katman daha sonra kaldırılarak yarı iletken levha üzerinde bir silikon dioksit deseni kalıyor. Bir dizi ek fotolitografi ve aşındırma işleminin sonucunda, iletken özelliklerine sahip polikristalin silikon da levhaya uygulanıyor.

Bir sonraki işlem sırasında " doping ", silikon levhanın açık alanları çeşitli iyonlarla bombardıman edilir kimyasal elementler Silikonda negatif ve pozitif yükler oluşturan bu alanların elektriksel iletkenliğini değiştirir.

Yeni Katmanlar Ekleme ardından devrenin aşındırılması birkaç kez gerçekleştirilir, katmanlar arası bağlantılar için katmanlar arasında metalle doldurulmuş "pencereler" bırakılır ve katmanlar arasında elektrik bağlantıları oluşturulur. Intel, 0,13 mikronluk işlem teknolojisinde bakır iletkenler kullandı. 0,18 mikron imalat prosesinde ve önceki proseslerde Intel nesilleri alüminyum kullanmıştır. Hem bakır hem de alüminyum mükemmel elektrik iletkenleridir. 0,18 μm proses teknolojisi kullanılırken 6 katman kullanıldı; 2004 yılında 90 nm teknolojisine geçilirken ise 7 katman silikon kullanıldı.

İşlemcinin her katmanının kendi deseni vardır; tüm bu katmanlar birlikte üç boyutlu bir yapı oluşturur. elektronik devre. Katmanların uygulanması birkaç hafta boyunca 20 - 25 kez tekrarlanır.

Katmanlama işlemi sırasında alt tabakaların maruz kaldığı strese dayanabilmek için silikon levhaların başlangıçta yeterince kalın olması gerekir. Bu nedenle, gofretin bireysel mikroişlemcilere kesilmesinden önce, özel işlemler kullanılarak kalınlığı %33 oranında azaltılır ve arka taraftan kirletici maddeler uzaklaştırılır. Sonra ters taraf"Daha ince" plaka üzerine, kristalin gövdeye daha sonra bağlanmasını geliştiren özel bir malzeme tabakası uygulanır. Ayrıca bu katman, entegre devrenin arka yüzeyi ile paket arasında montaj sonrası elektriksel teması sağlar.

Bundan sonra levhalar, tüm işleme operasyonlarının kalitesini kontrol etmek için test edilir. İşlemcilerin düzgün çalışıp çalışmadığını belirlemek için ayrı ayrı bileşenler test edilir. Arıza tespit edilirse, arızanın hangi işleme aşamasında meydana geldiğini anlamak için bunlarla ilgili veriler analiz edilir.

Daha sonra her bir işlemciye elektrik probları bağlanır ve güç uygulanır. İşlemciler, üretilen işlemcilerin özelliklerinin belirtilen gereksinimleri karşılayıp karşılamadığını belirleyen bir bilgisayar tarafından test edilir.

Testin ardından levhalar montaj tesisine gönderiliyor ve burada her biri entegre devre içeren küçük dikdörtgenler halinde kesiliyor. Plakayı ayırmak için özel bir hassas testere kullanılır. İşlevsel olmayan kristaller reddedilir.

Daha sonra her kristal ayrı bir kutuya yerleştirilir. Kasa, kristali dış etkilerden korur ve daha sonra monte edileceği karta elektriksel bağlantısını sağlar. Çip üzerinde belirli noktalara yerleştirilen minik lehim topları paketin elektrik terminallerine lehimleniyor. Artık elektrik sinyalleri karttan çipe ve geriye doğru akabiliyor.

Gelecekteki işlemcilerde şirket Intel teknolojiyi uygulayacak BBUL Bu, daha az ısı üretimi ve bacaklar arasında daha az kapasite ile temelde yeni kasalar oluşturmanıza olanak tanırİŞLEMCİ.

Çip kasaya takıldıktan sonra işlemci, işlevsel olup olmadığının belirlenmesi için tekrar test edilir. Arızalı işlemciler reddedilir ve çalışan işlemciler yük testlerine tabi tutulur: çeşitli sıcaklık ve nem koşullarına ve ayrıca elektrostatik deşarjlara maruz kalma. Her yük testinin ardından işlemci, işlevsel durumunun belirlenmesi için test edilir. İşlemciler daha sonra farklı saat hızları ve besleme voltajlarındaki davranışlarına göre sıralanır.

Testi geçen işlemciler, görevi önceki tüm testlerin sonuçlarının doğru olduğunu ve entegre devre parametrelerinin belirlenen standartları karşıladığını ve hatta aştığını doğrulamak olan son kontrole gönderilir. Son denetimi geçen tüm işleyiciler, müşterilere teslim edilmek üzere işaretlenir ve paketlenir.