Как делают процессоры: технология Mapper против Intel. Технологии изготовления и производства процессоров

Сейчас полно информации в интернете по теме процессоров, можно найти кучу статей о том как он работает, где в основном упоминаются регистры, такты, прерывания и прочее...Но, человеку не знакомому со всеми этими терминами и понятиями достаточно трудно вот так "с лету" вникнуть в понимание процесса, а начинать надо с малого - а именно с элементарного понимания как устроен процессор и из каких основных частей он состоит .

Итак, что же окажется внутри микропроцессора, если его разобрать:

цифрой 1 обозначается металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (тоесть внутри самого процессора).

Под номером 2 - находится сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней - тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния. На самом деле процесс изготовления очень сложный и содержит в себе десятки шагов, подробнее в этом видео:

Цифра 3 - специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки - на ее обратной стороне есть большое количество золотистых "точек" - это контакты (на рисунке их немного видно). Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.

Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается "мостик" между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.

Кристалл соединяется с подложкой с помощью пайки и герметика, контакты подложки соединяются с контактами кристалла. На этом рисунке наглядно показано как соединяются контакты кристалла с контактами подложки при помощи очень тонких проводков (на фото 170-кратное увеличение):

Вообще устройство процессоров разных производителей и даже моделей одного производителя может сильно разниться. Однако принципиальная схема работы остается прежней - у всех есть контактная подложка, кристалл (или несколько, расположенных в одном корпусе) и металлическая крышка для отвода тепла.

Так например выглядит контактная подложка процессора Intel Pentium 4 (процессор перевернут):

Форма контактов и структура их расположения зависит от процессора и материнской платы компьютера (сокеты должны совпадать). Например на рисунке чуть выше контакты у процессора без "штырьков", поскольку штырьки находятся прямо в сокете материнской платы.

А бывает другая ситуация, где "штырьки" контактов торчат прямо из контактной подложки. Эта особенность характерна в основном для процессоров AMD:

Как уже упоминалось выше, устройство разных моделей процессоров одного производителя может различаться, перед нами яркий тому пример - четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad, который по сути представляет собой 2 двухъядерных процессора линейки core 2 duo, совмещенных в одном корпусе:

Важно! Количество кристаллов внутри процессора и количество ядер процессора - не одно и то же.

В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа). Второй чип - графическое ядро процессора, по-сути играет роль встроенной в процессор видеокарты, тоесть даже если в системе отсутствует , графическое ядро возьмет на себя роль видеокарты, причем довольно мощной (в некоторых моделях процессоров вычислительная мощь графических ядер позволяет играть в современные игры на средних настройках графики).

Вот и все устройство центрального микропроцессора , вкратце конечно же.

Корни нашего цифрового образа жизни определённо растут из полупроводников, которые позволили создавать сложные вычислительные чипы на основе транзисторов. Они хранят и обрабатывают данные, что и является основой современных микропроцессоров. Полупроводники, которые сегодня изготавливаются из песка, являются ключевым компонентом практически любого электронного устройства, от компьютеров до ноутбуков и сотовых телефонов. Даже машины теперь не обходятся без полупроводников и электроники, поскольку полупроводники управляют системой кондиционирования воздуха, процессом впрыска топлива, зажиганием, люком, зеркалами и даже рулевым управлением (BMW Active Steering). Сегодня почти любое устройство, которое потребляет энергию, построено на полупроводниках.

Микропроцессоры, без сомнения, находятся среди самых сложных полупроводниковых продуктов, поскольку в скором времени число транзисторов достигнет миллиарда, а спектр функциональности поражает уже сегодня. Скоро выйдут двуядерные процессоры Core 2 на почти готовом 45-нм техпроцессе Intel, причём содержать они будут уже 410 миллионов транзисторов (хотя их большая часть будет использоваться для 6-Мбайт кэша L2). 45-нм процесс назван так по размеру одного транзистора, который теперь примерно в 1 000 раз меньше диаметра человеческого волоса. В определённой степени именно поэтому электроника начинает управлять всем в нашей жизни: даже когда размеры транзистора были больше, производить не очень сложные микросхемы было очень дёшево, бюджет транзисторов был весьма большим.

В нашей статье мы рассмотрим основы производства микропроцессоров, но также коснёмся и истории процессоров, архитектуры и рассмотрим разные продукты на рынке. В Интернете можно найти немало интересной информации, кое-что перечислено ниже.

• Wikipedia: Microprocessor . В этой статье рассмотрены разные типы процессоров и приведены ссылки на производителей и дополнительные страницы Wiki, посвящённые процессорам.
• Wikipedia: Microprocessors (Category) . В разделе, посвящённом микропроцессорам, приведено ещё больше ссылок и информации.

Конкуренты в сфере ПК: AMD и Intel

Штаб-квартира компании Advanced Micro Devices Inc., основанной в 1969, располагается в калифорнийском Саннивейле, а "сердце" компании Intel, которая была образована всего на год раньше, располагается в нескольких километрах, в городе Санта-Клара. У AMD сегодня есть два завода: в Остине (Техас, США) и в Дрездене (Германия). Скоро в действие вступит новый завод. Кроме того, AMD объединила усилия с IBM по разработке процессорных технологий и по производству. Конечно, всё это - лишь доля от размера Intel, поскольку у этого лидера рынка сегодня работают почти 20 заводов в девяти местах. Примерно половина из них используется для производства микропроцессоров. Поэтому, когда вы сравниваете AMD и Intel, помните, что вы сравниваете Давида и Голиафа.

У Intel есть бесспорное преимущество в виде огромных производственных мощностей. Да, компания сегодня лидирует по внедрению передовых технологических процессов. Intel примерно на год опережает AMD в этом отношении. В результате Intel может использовать в своих процессорах большее число транзисторов и больший объём кэша. AMD, в отличие от Intel, приходится максимально эффективно оптимизировать техпроцесс, чтобы не отстать от конкурента и выпускать достойные процессоры. Конечно, дизайн процессоров и их архитектура сильно различаются, но технический процесс производства построен на тех же базовых принципах. Хотя, конечно, и в нём отличий много.

Производство микропроцессоров

Производство микропроцессоров состоит из двух важных этапов. Первый заключается в производстве подложки, что AMD и Intel осуществляют на своих заводах. Сюда входит и придание подложке проводящих свойств. Второй этап - тест подложек, сборка и упаковка процессора. Последнюю операцию обычно производят в менее дорогих странах. Если вы посмотрите на процессоры Intel, то найдёте надпись, что упаковка была осуществлена в Коста-Рике, Малайзии, на Филиппинах и т.д.

AMD и Intel сегодня пытаются выпускать продукты для максимального числа сегментов рынка, причём, на основе минимально возможного ассортимента кристаллов. Прекрасный пример - линейка процессоров Intel Core 2 Duo. Здесь есть три процессора с кодовыми названиями для разных рынков: Merom для мобильных приложений, Conroe - настольная версия, Woodcrest - серверная версия. Все три процессора построены на одной технологической основе, что позволяет производителю принимать решения на последних этапах производства. Можно включать или отключать функции, а текущий уровень тактовых частот даёт Intel прекрасный процент выхода годных кристаллов. Если на рынке повысился спрос на мобильные процессоры, Intel может сфокусироваться на выпуске моделей Socket 479. Если возрос спрос на настольные модели, то компания будет тестировать, валидировать и упаковывать кристаллы для Socket 775, в то время как серверные процессоры упаковываются под Socket 771. Так создаются даже четырёхядерные процессоры: два двуядерных кристалла устанавливаются в одну упаковку, вот мы и получаем четыре ядра.

Как создаются чипы

Производство чипов заключается в наложении тонких слоёв со сложным "узором" на кремниевые подложки. Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор. Сверху затем накладывается фоторезистивный материал, а нежелательные участки удаляются с помощью масок и высокоинтенсивного облучения. Когда облучённые участки будут удалены, под ними откроются участки диоксида кремния, который удаляется с помощью травления. После этого удаляется и фоторезистивный материал, и мы получаем определённую структуру на поверхности кремния. Затем проводятся дополнительные процессы фотолитографии, с разными материалами, пока не будет получена желаемая трёхмерная структура. Каждый слой можно легировать определённым веществом или ионами, меняя электрические свойства. В каждом слое создаются окна, чтобы затем подводить металлические соединения.

Что касается производства подложек, то из цельного монокристалла-цилиндра их необходимо нарезать тонкими "блинами", чтобы потом легко разрезать на отдельные кристаллы процессоров. На каждом шаге производства выполняется сложное тестирование, позволяющее оценить качество. Для тестов каждого кристалла на подложке используются электрические зонды. Наконец, подложка разрезается на отдельные ядра, нерабочие ядра сразу же отсеиваются. В зависимости от характеристик, ядро становится тем или иным процессором и заключается в упаковку, которая облегчает установку процессора на материнскую плату. Все функциональные блоки проходят через интенсивные стресс-тесты.

Всё начинается с подложек

Первый шаг в производстве процессоров выполняется в чистой комнате. Кстати, важно отметить, что подобное технологичное производство представляет собой скопление огромного капитала на квадратный метр. На постройку современного завода со всем оборудованием легко "улетают" 2-3 млрд. долларов, да и на тестовые прогоны новых технологий требуется несколько месяцев. Только затем завод может серийно выпускать процессоры.

В общем, процесс производства чипов состоит из нескольких шагов обработки подложек. Сюда входит и создание самих подложек, которые в итоге будут разрезаны на отдельные кристаллы.

Всё начинается с выращивания монокристалла, для чего затравочный кристалл внедряется в ванну с расплавленным кремнием, который находится чуть выше точки плавления поликристаллического кремния. Важно, чтобы кристаллы росли медленно (примерно день), чтобы гарантировать правильное расположение атомов. Поликристаллический или аморфный кремний состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами. Когда кремний будет расплавлен, его можно легировать с помощью других веществ, меняющих его электрические свойства. Весь процесс происходит в герметичном помещении со специальным воздушным составом, чтобы кремний не окислялся.

Монокристалл разрезается на "блины" с помощью кольцевой алмазной пилы, которая очень точная и не создаёт крупных неровностей на поверхности подложек. Конечно, при этом поверхность подложек всё равно не идеально плоская, поэтому нужны дополнительные операции.

Сначала с помощью вращающихся стальных пластин и абразивного материала (такого, как оксид алюминия), снимается толстый слой с подложек (процесс называется притиркой). В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (2 000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. Далее используется процесс травления, когда с помощью разных химикатов (плавиковая кислота, уксусная кислота, азотная кислота) поверхность сглаживается ещё примерно на 50 мкм. Физически поверхность не ухудшается, поскольку весь процесс полностью химический. Он позволяет удалить оставшиеся погрешности в структуре кристалла, в результате чего поверхность будет близка к идеалу.

Последний шаг - полировка, которая сглаживает поверхность до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка осуществляется с помощью смеси гидроксида натрия и гранулированного диоксида кремния.

Сегодня подложки для микропроцессоров имеют диаметр 200 или 300 мм, что позволяет производителям чипов получать с каждой из них множество процессоров. Следующим шагом будут 450-мм подложки, но раньше 2013 года ожидать их не следует. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. 300-мм подложка, например, даёт более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.

Мы уже упоминали легирование, которое выполняется во время роста монокристалла. Но легирование производится и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии позднее. Это позволяет менять электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры кристалла

Добавление легирующего вещества может происходить через диффузию. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других источников легирующего вещества.

Ещё один подход к легированию заключается в ионной имплантации, которая очень полезна в деле изменения свойств подложки, которая была легирована, поскольку ионная имплантация осуществляется при обычной температуре. Поэтому существующие примеси не диффундируют. На подложку можно наложить маску, которая позволяет обрабатывать только определённые области. Конечно, об ионной имплантации можно говорить долго и обсуждать глубину проникновения, активацию добавки при высокой температуре, канальные эффекты, проникновение в оксидные уровни и т.д., но это выходит за рамки нашей статьи. Процедуру можно повторять несколько раз во время производства.

Чтобы создать участки интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. Поскольку при этом нужно облучать не всю поверхность подложки, то важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска.

Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего мы получаем шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Важно понимать, что каждая модификация интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень затратный. Для очень сложных схем маски создаются весьма долго.

С помощью фотолитографии на кремниевой подложке формируется структура. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв (более 20). Слои могут состоять из разных материалов, причём, нужно ещё и продумывать соединения микроскопическими проволочками. Все слои можно легировать.

Перед тем, как начнётся процесс фотолитографии, подложка очищается и нагревается, чтобы удалить липкие частицы и воду. Затем подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Подложка вновь затем нагревается.

Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти источники света или энергии. Пучки электронов применяются, главным образом, для создания масок, рентгеновские лучи и пучки ионов - для исследовательских целей, а в промышленном производстве сегодня доминируют жёсткое УФ-излучение и газовые лазеры.

Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску.

Для получения требуемого результата очень важны время проецирования и фокусировка. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. То же самое получится, если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. С другой стороны, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. Как правило, очень трудоёмко и сложно отрегулировать и оптимизировать процесс. Неудачная регулировка приведёт к серьёзным отклонениям и в соединительных проводниках.

Специальная шаговая проекционная установка перемещает подложку в нужное положение. Затем может проецироваться строчка или один участок, чаще всего соответствующий одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки могут вносить дополнительные изменения. Они могут отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера.

Затем подложка переходит на новый этап, где удаляется ослабленный фоторезистивный материал, что позволяет получить доступ к диоксиду кремния. Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы - газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке. После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии.

Тест подложек, сборка, упаковка

Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра.

С помощью разрезания из подложки можно получить отдельные ядра. На данный момент установки зондового контроля уже выявили, какие кристаллы содержат ошибки, поэтому после разрезания их можно отделить от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных.

Крепление кристалла

Затем функциональное ядро нужно связать с процессорной упаковкой, используя клейкий материал.

Затем нужно провести проводные соединения, связывающие контакты или ножки упаковки и сам кристалл. Могут использоваться золотые, алюминиевые или медные соединения.

Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла.

Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение. Современные процессоры оснащаются так называемым распределителем тепла, который обеспечивает дополнительную защиту кристалла, а также большую контактную поверхность с кулером.

Тестирование процессора

Последний этап подразумевает тестирование процессора, что происходит при повышенных температурах, в соответствии со спецификациями процессора. Процессор автоматически устанавливается в тестовый сокет, после чего происходит анализ всех необходимых функций.

Практически все знают, что в компьютере главным элементом среди всех «железных» компонентов является центральный процессор. Но круг людей, которые представляют себе, как работает процессор, является весьма ограниченным. Большинство пользователей об этом и понятия не имеют. И даже когда система вдруг начинает «тормозить», многие считают, что это процессор плохо работает, и не придают значения другим факторам. Для полного понимания ситуации рассмотрим некоторые аспекты работы ЦП.

Что такое центральный процессор?

Из чего состоит процессор?

Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор (кстати, именно от Intel, модель 4040) появился еще в далеком 1971 году. Он мог выполнять только простейшие операции сложения и вычитания с обработкой всего лишь 4 бит информации, т. е. имел 4-битную архитектуру.

Современные процессоры, как и первенец, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями.

Основные характеристики

Как и любое другое устройство, процессор характеризуется определенными параметрами, которые, отвечая на вопрос, как работает процессор, обойти стороной нельзя. Прежде всего это:

• количество ядер;
• число потоков;
• размер кэша (внутренней памяти);
• тактовая частота;
• быстрота шины.

Пока остановимся на тактовой частоте. Не зря процессор называют сердцем компьютера. Как и сердце, он работает в режиме пульсации с определенным количеством тактов в секунду. Тактовая частота измеряется в МГц или в ГГц. Чем она выше, тем больше операций может выполнить устройство.

На какой частоте работает процессор, можно узнать из его заявленных характеристик или посмотреть информацию в Но в процессе обработки команд частота может меняться, а при разгоне (оверлокинге) увеличиваться до экстремальных пределов. Таким образом, заявленная является всего лишь усредненным показателем.

Количество ядер - показатель, определяющий число вычислительных центров процессора (не путать с потоками - количество ядер и потоков могут не совпадать). За счет такого распределения появляется возможность перенаправления операций на другие ядра, за счет чего повышается общая производительность.

Как работает процессор: обработка команд

Теперь немного о структуре исполняемых команд. Если посмотреть, как работает процессор, нужно четко представлять себе, что любая команда имеет две составляющие - операционную и операндную.

Операционная часть указывает, что должна выполнить в данный момент компьютерная система, операнда определяет то, над чем должен работать именно процессор. Кроме того, ядро процессора может содержать два вычислительных центра (контейнера, потока), которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:

• выработка;
• дешифрование;
• выполнение команды;
• обращение к памяти самого процессора
• сохранение результата.

Сегодня применяется раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти, что позволяет избежать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти.

Процессоры по типу обработки команд разделяют на линейные (выполнение команд в порядке очереди их записи), циклические и разветвляющиеся (выполнение инструкций после обработки условий ветвления).

Выполняемые операции

Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают три основные задачи:

• математические действия на основе арифметико-логического устройства;
• перемещение данных (информации) из одного типа памяти в другой;
• принятие решения по исполнению команды, и на его основе - выбор переключения на выполнения других наборов команд.

Взаимодействие с памятью (ПЗУ и ОЗУ)

В этом процессе следует отметить такие компоненты, как шина и канал чтения и записи, которые соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ содержит постоянный набор байт. Сначала адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, затем передает его на шину данных, после чего канал чтения меняет свое состояние и ПЗУ предоставляет запрошенный байт.

Но процессоры могут не только считывать данные из оперативной памяти, но и записывать их. В этом случае используется канал записи. Но, если разобраться, по большому счету современные компьютеры чисто теоретически могли бы и вовсе обойтись без ОЗУ, поскольку современные микроконтроллеры способны размещать нужные байты данных непосредственно в памяти самого процессорного чипа. Но вот без ПЗУ обойтись никак нельзя.

Кроме всего прочего, старт системы запускается с режима тестирования оборудования (команды BIOS), а только потом управление передается загружаемой операционной системе.

Как проверить, работает ли процессор?

Теперь посмотрим на некоторые аспекты проверки работоспособности процессора. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще.

Другое дело, когда требуется посмотреть на показатель использования возможностей процессора в определенный момент. Сделать это можно из стандартного «Диспетчера задач» (напротив любого процесса указано, сколько процентов загрузки процессора он дает). Для визуального определения этого параметра можно воспользоваться вкладкой производительности, где отслеживание изменений происходит в режиме реального времени. Расширенные параметры можно увидеть при помощи специальных программ, например, CPU-Z.

Кроме того, можно задействовать несколько ядер процессора, используя для этого (msconfig) и дополнительные параметры загрузки.

Возможные проблемы

Наконец, несколько слов о проблемах. Вот многие пользователи часто спрашивают, мол, почему процессор работает, а монитор не включается? К центральному процессору эта ситуация не имеет никакого отношения. Дело в том, что при включении любого компьютера сначала тестируется графический адаптер, а только потом все остальное. Возможно, проблема состоит как раз в процессоре графического чипа (все современные видеоускорители имеют собственные графически процессоры).

Но на примере функционирования человеческого организма нужно понимать, что в случае остановки сердца умирает весь организм. Так и с компьютерами. Не работает процессор - «умирает» вся компьютерная система.

Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.

А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?

Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.

Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа. Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Как сегодня делают процессоры

Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.

Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.

Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.

Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.

На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.

Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.

После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.

Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.

Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.

Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.

13 000 телевизоров

Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.

До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.

К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.

Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.

Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.

Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.

Большие дела начинаются с малого. Это высказывание справедливо для многих вещей, но в этой статье пойдет речь об изготовлении микропроцессоров, которыми нашпигованы самые разные бытовые приборы, что вас окружают, от смартфонов и до холодильников.

Подготовка сырья

Компьютерные чипы сложнейшей структуры, способные производить мгновенные вычисления, рождаются огромных тиглях из кварцевого стекла, наполненных до краев песком, прошедшим многоступенчатую очистку.

Прежде всего из песка, набранного в каком-нибудь карьере, получают «технический» кремний путем добавления в минерал углерода при высокой температуре. Получившийся в результате кремний при чистоте достигает 98%, но все еще совершенно не подходит для целей электронной промышленности и, чтобы стать «электронным кремнием», ему требуется дополнительная обработка хлором. В процессе каскада химических реакций с хлором, кремний буквально синтезируется заново, избавляясь от последних признаков примесей.

Только после этого тигель с чистейшим электронным кремнием помещают в герметичную печь, которая наполнена аргоном. Конечно, можно было бы откачать из нее воздух, но создать идеальный вакуум на земле очень сложно, если не невозможно, а с химической точки зрения аргон дает практически тот же эффект. Этот инертный газ замещает кислород, защищая состав от окисления, а сам никак не реагирует с кремнием в тигле.

Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.

В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решетку. Так выращивают кристаллы соли, так растет и кремний.

Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.

За это время образуется «буля» - цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура - идеальная кристаллическая решетка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объему.

Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.

Однако с «буля» обращаются аккуратнее, чем с антикварной вазой, кристалл выдерживает огромные нагрузки на разрыв, но чрезвычайно хрупок.

После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решетки, заготовку помещают в установку для резки кремния. Она разделяет кристалл на пластины толщиной около 1 миллиметра при помощи проволочной пилы с алмазным напылением.

Конечно, не обходится без повреждений. Какой бы острой ни была пила, после нарезки, на поверхности пластин остаются микроскопические дефекты. Так что за нарезкой следует этап полировки.

Но даже после обработки в мощной шлифовальной машине пластины кремния ещё недостаточно гладкие, чтобы пустить их на производство микрочипов. Поэтому полировку повторяют снова и снова уже с использованием химических реагентов.

В результате получается поверхность, по сравнению с которой, зеркало напоминает крупную наждачную бумагу. Такая пластина без разрывов и микродефектов становится основой для миллионов микроэлектронных устройств, образующих микросхему. Очищенные от пыли, кремниевые диски, которые принято называть «вэйфер» или «вафля» в герметичных контейнерах отправляются в чистую комнату.

В чистой комнате

В 1958 году изобретателю интегральной микросхемы Джеку Кирби удалось совершить прорыв, разместить на своей схеме один транзистор. В наши дни число логических элементов микропроцессора перевалило за миллиард и продолжает удваиваться каждые два года в соответствие с законом Мура.

Работа с такими микроскопическими деталями ставит перед изготовителями чипов серьезный вызов, поскольку даже единственная пылинка может погубить будущее изделие. Поэтому цеха площадью в пару тысяч квадратных метров, полностью изолируют от внешнего мира, оснащают сложнейшими системами очистки и кондиционирования воздуха, делающими его 10000 раз чище, чем в хирургической палате.

Все специалисты, работающие в такой чистой комнате, не просто соблюдают стерильность, но и носят защитные костюмы из антистатических материалов, маски, перчатки. И все же, несмотря на все предосторожности, чтобы уменьшить риск брака, компании-производители процессоров стараются автоматизировать максимум операций, производимых в чистой комнате, возложив их на промышленных роботов.

Процесс изготовления процессоров поставлен на конвейер. Доставленная в герметичном боксе идеально ровная «вэйфер» проходит через 400-500 технологических операций и выходит из цеха только спустя несколько месяцев уже в виде готового микрочипа.

Создание из «вафли» микрочипа подразумевает построение сложнейшей технологической цепочки, описать которую в деталях нет никакой возможности из-за ограничений на объемы статьи. Даже если бы их не было, компании вроде Intel и AMD вовсе не спешат делиться секретами производства. В конструкторских отделах компаний проектируются сложнейшие трехмерные схемы взаимного расположения элементов процессора - топологии микросхем. Они представляют собой многоуровневое нагромождение элементов, которое разделяется на слои и послойно наносится на кремниевую подложку. Делать это вручную, конечно же невозможно, слишком тонкий процесс, слишком мелкие элементы, буквально нанометрового размера.

Процессоры Intel восьмого поколения, известные под обозначением Coffee Lake, усеяны 14 нанометровыми транзисторами, AMD анонсировала второе поколение процессоров AMD Ryzen, известное под кодовым названием Pinnacle Ridge построенных на 12 нанометровых элементах. Новейшие видеокарты NVIDIA с архитектурой ядер Volta также построены по 12 нанометровой технологии. Система на чипе Qualcomm Snapdragon 835 еще миниатюрнее - всего 10 нанометров. Постоянно уменьшать размеры функциональных элементов процессора и, следовательно, увеличивать его производительность, удается благодаря совершенствованию технологии под названием фотолитография.

В общих чертах этот процесс можно описать следующим образом:

Сначала пластина кремния покрывается основой - материалом, которой должен будет стать частью будущей схемы, затем поверх равномерным слоем наносится химический реагент, чувствительный к свету. Этот состав выполнит всю работу, но суть позже.

Прежде из корпоративных архивов извлекается хранимая в строжайшем секрете подробная схема процессора. Ее нижний слой представляют в виде негатива и переносят на фотошаблон -защитную пластину, действующую подобно трафарету. Она значительно больше чипа, так что проходящий сквозь нее свет фокусируют при помощи сложной системы линз, уменьшая проецируемое изображение до нужного размера.

В тех местах, где свет не достигает кремния, пластина остается нетронутой, в освещенных он инициирует реакцию в химическом реагенте, меняющую его свойства. Затем будущий процессор обработают еще одним составом, и эти участки растворятся, оставив только те области, что не подвергались воздействию. Они-то и образуют токопроводящие логические элементы процессора.

После на пластину нанесут слой диэлектрика и поверх добавят новые компоненты процессора, опять же, при помощи фотолитографии.

Некоторые слои нагреваются, на некоторые воздействуют ионизированные плазмы, а другие покрываются металлом. Каждый тип обработки изменяет свойства слоя и медленно создает часть головоломки, формирующей конкретную модель чипа. В результате получается своеобразный слоёный пирог, где у каждого слоя своя функциональность и они связаны между собой сложным образом по средствам «дорожек» из атомов меди, которую осаживают на кремниевую подложку из раствора сульфата меди, пропуская через него электрический ток.

Это завершающий этап обработки, после которого микрочипы проверяют на работоспособность. Несмотря на все меры предосторожности и многодневные усилия процент брака остается высок. Роботы выберут и вырежут из кремниевой пластины только 100% работоспособные чипы.
Они будут рассортированы по показателям энергоэффективности, токам, и максимальным рабочим частотам, получат различные обозначения и, в конечном счете, будут проданы по различной цене.

Последние штрихи

На пути к покупателям процессоры покидают чистую комнату и отправляются на сборочную линию, где готовую микросхему приклеивают на квадрат, называемый подложкой. Кристалл спаивается с ней в специальной печи при температуре 360 градусов Цельсия.

Затем чип накрывается крышкой. Она служит и для защиты все еще хрупкого кремния от повреждений и для отвода от него тепла. Вы наверняка хорошо ее себе представляете, именно к крышке будет прижиматься основание системы охлаждения, будь то кулер или теплообменник СВО (системы водяного охлаждения). Это не менее ответственный этап, чем предыдущий. Ведь от того, насколько хорошо крышка процессора отводит тепло от кристалла во многом зависит стабильность и скорость его работы, его будущая максимальная производительность.

Старые процессоры Intel буквально припаивались к теплораспределительным крышкам. Однако последние поколения фирменных чипов получают прокладку-термоинтерфейс между кристаллом и крышкой и охлаждаются хуже, что очень огорчает энтузиастов компьютерного железа, желающих выжать максимум из своих приобретений. Дошло до того, что они «скальпируют» процессоры - самостоятельно снимают с них теплораспределитель и заменяют термоинтерфейс на более эффективный. Но не будем отвлекаться на хитрости оверклокинга, поскольку процессор еще не готов.

Завершающий этап - создание электрических контактов, которые свяжут микропроцессор с материнской платой компьютера. Обычно для этого изготавливают оловянные цилиндрики, так называемые «ножки» процессора, которые сначала приклеиваются, а затем припаиваются к подложке, где для них заранее предусмотрены места. Для микрочипов с большим количеством связей вместо ножек иногда используют мелкие оловянные шарики, так как они крепче и надежнее, однако в последнее время от них стали отказываться в пользу простых контактных площадок.

Законченный микрочип промывают в растворе воды с растворителем, чтобы удалить лишний флюс и грязь, а затем проводят финальную проверку качества проделанной работы. Это могут быть как стресс-тесты производительности, как в чистой комнате, так и более суровые испытания. Так, чипы, предназначающиеся для работы в экстремальных условиях, например, в космической и военной отраслях, помещаются герметичные в корпуса из керамики и многократно тестируются при экстремальных температурах в вакуумных камерах.

Затем, в зависимости от назначения микропроцессора, он отправляется прямо в руки покупателей, а затем в сокеты материнских плат, или на другие заводы, где маленький кремниевый кристалл займет свое место на компьютерной плате видеокарты, космического спутника, умного холодильника, а может быть попадет в корпус смартфона.