Из чего делают чипы для компьютера

Как делают чипы?

Производство крошечных чипов, дающих жизнь ноутбуку, — одно из самых сложных и изощренных. Оно состоит более чем из трех сотен операций, и один производственный цикл может длиться до нескольких недель. Как выглядит этот процесс в упрощенном виде?

Наносим слой кремния

Первое, что необходимо сделать, — создать на поверхности кремниевой подложки диаметром в 30 см дополнительный слой. Атомы кремния наращивают на подложку методом эпитаксии: они постепенно оседают на кремниевую поверхность из газовой фазы. Процесс протекает в вакууме, ничего лишнего здесь нет, поэтому в результате на поверхности образуется тончайший слой чистейшего кремния с той же кристаллической структурой, что и кремниевая подложка, только еще чище. Иными словами, мы получаем несколько улучшенную подложку.

Наносим защитный слой

Теперь на поверхности подложки надо создать защитный слой, то есть попросту окислить ее, чтобы образовалась тончайшая пленка оксида кремния SiO₂.

Ее функция очень важна: оксидная пленка в дальнейшем будет мешать электрическому току утекать с пластины. Кстати, в последнее время вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать high-k-диэлектрик на основе оксидов и силикатов гафния, у которых более высокая по сравнению с оксидом кремния диэлектрическая проницаемость k. Слой high-k диэлектрика делают примерно в два раза толще, чем слой обычного SiO₂, за счет сужения соседних областей, но благодаря этому при сравнимой емкости ток утечки удается уменьшить в сто раз. Это позволяет продолжать миниатюризацию процессоров.

Наносим слой фоторезиста

На защитный слой оксида кремния необходимо нанести фоторезист — полимерный материал, свойства которого изменяются под воздействием излучения. Чаще всего в этой роли выступают полиметакрилаты, арилсульфоэфиры и фенлформальдегидные смолы, которые разрушаются под воздействием ультрафиолета (этот процесс называется фото- литографией). Их наносят на вращающуюся подложку, опрыскивая ее аэрозолем упомянутого вещества. В принципе можно также использовать электронный луч (электронно-лучевую литографию) или мягкое рентгеновское излучение (рентгеновскую литографию), подбирая к ним соответствующие чувствительные вещества. Но мы рассмотрим традиционный процесс фотолитографии.

Облучаем ультрафиолетом

Теперь подложка готова к контакту с ультрафиолетом, но не прямому, а через посредника — фотомаску, которая играет роль трафарета. По сути, фотомаска — это рисунок будущей микросхемы, только увеличенный в несколько раз. Чтобы спроецировать его на поверхность подложки, используют специальные линзы, уменьшающие изображение. Это дает поразительную четкость и точность проекции.

Ультрафиолет, проходя через маску и линзы, проецирует изображение будущей схемы на подложку. На фотомаске будущие рабочие участки интегральной микросхемы прозрачны для ультрафиолета, а пассивные участки — наоборот. В тех местах на подложке, где должны быть расположены активные структурные элементы, облучение разрушает фоторезист. А на пассивных участках разрушение не происходит, потому что туда ультрафиолет не попадает: трафарет он и есть трафарет. Химическая реакция, которая происходит в слое под воздействием ультрафиолета, очень похожа на реакцию в пленке, происходящую во время фотографирования. Разрушенный фоторезист легко растворяется, поэтому убрать с подложки продукты разложения несложно. Кстати, для создания одного процессора бывает необходимо до 30 различных фотомасок, поэтому этап повторяют по мере нанесения слоев друг на друга.

Итак, рисунок будущей схемы со всеми элементами размером вплоть до нескольких нанометров перенесен на поверхность подложки. Области, где защитный слой разрушился, теперь должны быть вытравлены. При этом пассивные участки не пострадают, поскольку они защищены полимерным слоем фоторезиста, который не разрушился на предыдущей стадии. Облученные области вытравливают либо химическими реагентами, либо физическими методами.

В первом случае, чтобы разрушить слой диоксида кремния, используют составы на основе фтористоводородной кислоты и фторида аммония. Жидкостное травление — дело хорошее, но есть проблема: жидкость так и норовит затечь под слой резиста на соседних пассивных участках. А в результате детали вытравленного рисунка по размеру оказываются больше, чем предусмотрено маской. Поэтому предпочтительнее сухой физический метод — реактивное ионное травление с помощью плазмы. Для каждого материала, подвергаемого сухому травлению, подбирают соответствующий реактивный газ. Так, кремний и его соединения травят хлор- и фторсодержащей плазмой (CCl₄ + Cl₂ + Ar, ClF₃ + Cl₂, CHF₃, CF₄ + H₂, C₂F₆). Правда, у сухого травления тоже имеется недостаток — меньшая по сравнению с жидкостным травлением селективность. К счастью, на этот случай есть универсальный метод — ионно-лучевое травление. Оно пригодно для любого материала или сочетания материалов и обладает наивысшей среди всех методов травления разрешающей способностью, позволяя получать элементы с размером менее 10 нм.

Теперь настало время ионной имплантации. Она позволяет внедрить практически любые химические элементы в необходимом количестве на заданную глубину на протравленных участках, где обнажилась кремниевая подложка. Цель этой операции — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объеме полупроводника для получения нужных свойств, например — требуемой плавности p-n-перехода. Самые распространенные легирующие примеси для кремния — это фосфор, мышьяк (обеспечивают электронную проводимость n-типа) и бор (дырочную проводимость p-типа). Ионы имплантируемых элементов в виде плазмы разгоняют до высоких скоростей электромагнитным полем и бомбардируют ими подложку. Энергичные ионы проникают в незащищенные участки, погружаясь в образец на глубину от нескольких нанометров до нескольких микрометров.

После внедрения ионов фоторезистивный слой удаляют, а полученную конструкцию отжигают при высокой температуре, чтобы восстановилась нарушенная структура полупроводника и ионы лиганда заняли узлы кристаллической решетки. В целом первый слой транзисторов готов.

Делаем окна

Поверх полученного транзистора необходимо нанести изолирующий слой, на котором тем же методом фотолитографии вытравливают три «окна». Через них в дальнейшем будут создаваться контакты с другими транзисторами.

Наносим металл

Теперь всю поверхность пластины покрывают слоем меди с помощью вакуумного напыления. Медные ионы проходят от положительного электрода (анода) к отрицательному электроду (катоду), роль которого играет подложка, и садятся на него, заполняя окна, созданные с помощью травления. Затем поверхность полируют, удаляя лишнюю медь. Металл наносят в несколько этапов, чтобы создать межсоединения (их можно представить как соединительные провода) между отдельными транзисторами.

Раскладка таких межсоединений определяется архитектурой микропроцессора. Таким образом в современных процессорах устанавливаются связи между примерно 20 слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Количество слоев может меняться в зависимости от типа процессора.

Наконец наша пластинка готова к тестированию. Главный контролер здесь — зондовые головки на установках автоматической разбраковки пластин. Прикасаясь к пластинкам, они измеряют электрические параметры. Если что не так — помечают бракованные кристаллы, которые затем отбрасывают. Кстати, кристаллом в микроэлектронике называют единичную интегральную микросхему произвольной сложности, размещенную на полупроводниковой пластине.

Далее пластины разделяют на единичные кристаллы. На одной подложке диаметром 30 см помещается около 150 микросхем размером примерно 2х2 см. Для разделения пластину либо надрезают алмазным резцом или лазерным лучом, а потом разламывают по готовым надрезам, либо сразу разрезают алмазным диском.

Процессор готов!

После этого соединяют контактную площадку, обеспечивающую связь процессора с остальной системой, кристалл и крышку, отводящую тепло от кристалла к кулеру.

Процессор готов! По моим (наверняка очень неточным) прикидкам, на изготовление одного современного процессора, такого, например, как четырехъядерный Intel Core i7, необходимо затратить около месяца работы сверхсовременной фабрики и 150 кВт•ч электроэнергии. При этом масса кремния и химикатов, расходуемых на один кристалл, исчисляется максимум граммами, меди — долями грамма, золота для контактов — миллиграммами, а лигандов вроде фосфора, мышьяка, бора — и того меньше.

Для тех, кто рискует запутаться в подложках, чипах, процессорах и кристаллах, приводим маленький словарик терминов.

Подложка — круглая монокристаллическая кремниевая пластина диаметром от 10 до 45 см, на которой выращивают полупроводниковые микросхемы методом эпитаксии.

Кристалл, чип, интегральная микросхема — не связанная с другими часть подложки с выращенной на ней многослойной системой транзисторов, соединенных медными контактами. В дальнейшем используется как основная часть микропроцессора.

Лиганд (легирующая примесь) — в случае полупроводниковых материалов вещество, атомы которого встраиваются в решетку кристалла кремния, изменяя его проводимость.

Процессор, микропроцессор — центральный вычислительный элемент современных компьютеров. Состоит из кристалла, помещенного на контактную площадку и закрытого теплоотводящей крышкой.

Фотомаска — полупрозрачная пластина с рисунком, сквозь который проходит свет при облучении фоторезиста.

Фоторезист — полимерный светочувствительный материал, свойства которого, например растворимость, изменяются после воздействия на него определенного типа излучения.

Эпитаксия — закономерный ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого. В данном случае слово «кристалл» употребляется в своем основном значении. Существует множество методов получения упорядоченных кристаллов, основанных на эпитаксиальном наращивании.

От песка до процессора: как производятся чипы

Процессоры окружают нас повсюду. Они есть в каждом электронном девайсе и отвечают за его работу. На их характеристики мы обращаем внимание при покупке компьютеров и сотовых телефонов. Однако мало кому известно, как и из чего делают эти сложнейшие миниатюрные устройства.

В техническом плане современный процессор представляет собой большую микросхему, состоящую из миллиардов элементов — транзисторов, они же дискретные переключатели. Транзисторы отвечают за включение и выключение, то есть пропуск и блокировку электрического тока.

Дискретные переключатели позволяют логическим схемам компьютера функционировать в двоичной системе. Проход электротока — это единица, а отключение — ноль. Различная последовательность этих цифр и образует информацию: программы, текст, видео, картинки или музыку.

Размеры транзисторов измеряют в нанометрах, это миллиардная часть метра. Давайте посмотрим, как удается производить такие микроскопические элементы.

Экскурсия на производство

Для начала представим, что вы попали на завод по производству чипов. Первое, что попросят сделать — тщательно умыться и вымыть руки. Косметика и парфюм строго запрещены. После гигиенических процедур нужно надеть специальный костюм: комбинезон, ботинки и сетку для волос. Перед помещением, где непосредственно изготавливают чипы, выполняют обдув сильным потоком, чтобы обеспечить максимальную стерильность.

Попадание на рабочую заготовку мельчайшей частицы пыли чревато браком — отсюда и беспрецедентные меры по защите. Воздух в цехах чище, чем в операционных — класс чистоты 10. Это значит, что в каждом кубическом метре содержится не больше десяти частиц толщиной в полмикрона (размером с небольшую бактерию).

В почти стерильных помещениях очень тихо. Вибрация практически отсутствует, раздается лишь небольшой гул от работающего оборудования. В таких условиях и проходят основные этапы производственного процесса, но что происходит до этого?

Сначала был кремний

Точнее, диоксид кремния, который в больших количествах содержится в обычном песке. Атомная структура SiO₂ дает возможность изготавливать микросхемы любой конфигурации. Из рыхлой горной породы получают технический, а затем электронный кремний с чистотой 99,9999999%.

На следующем этапе электронный кремний расплавляют, помещают в него затравочный кристалл в форме карандаша, вокруг которого вырастет кристаллическое твердое тело — буля. Диаметр такого слитка составляет 300 мм, высота — около 2 м, а вес — до 100 кг.

В процессе роста затравочный кристалл вращается и медленно поднимается, увлекая за собой монокристалл. После достижения нужных размеров булю тестируют на соответствие параметрам чистоты, далее устанавливают на алмазную резку. Ее разрезают на тончайшие пластины толщиной 1 мм. Поверхность каждой пластины полируют до зеркального блеска. Теперь кремниевая заготовка готова для отправки на завод по изготовлению чипов.

Основные этапы производства процессоров

Производственный процесс включает более двух тысяч операций. Выделим из них три основных этапа.

1. Печать транзисторов — микросхемы печатают посредством фотолитографии на специальных машинах. Цель технологии — сформировать на кремниевой подложке изображение, чтобы получить заданную топологию микросхемы. На пластину наносят тончайший слой светочувствительного полимера — фоторезиста. Далее осуществляют облучение через оптическую систему, проявление и обработку поверхности. Процесс напоминает печать черно-белых фотографий, когда на пленку светят лампой, подложив снизу фотобумагу. Машина повторяет операцию несколько десятков раз. Между слоями находится диэлектрик, выполняющий роль изолятора. В результате образуются миллиарды транзисторов, которые пока еще не соединены между собой.
2. Соединение дискретных переключателей выполняют в определенном порядке, который зависит от архитектуры процессора. Производители держат ее в секрете. На данном этапе наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют транзисторы.
3. Тестирование и нарезка пластины. Каждую микросхему проверяют на брак, затраты электроэнергии и нагревание. После этого пластины разрезают на 100–150 отдельных чипов, которые оснащают крышкой для защиты кристалла от механических повреждений и отвода тепла. Самые удачные микропроцессоры устанавливают в дорогие серверные продукты. Если ЦП имеет небольшие недочеты, его не бракуют, а отдают в массовую продажу.

На протяжении всего процесса производства кремниевые пластины находятся в фупах — герметичных контейнерах с классом чистоты 1 (кубический метр воздуха содержит не более одной частицы размером в полмикрона). По производственной линии фупы передвигают сотни роботов. Они бегают по рельсовым дорожкам, доставляя кремниевые заготовки к различным инструментам.

Сроки производства

Сколько времени уходит на создание чипов? Производители микропроцессоров уверяют, что это не забег на короткую дистанцию.

На выращивание були необходимо два месяца. После этого заготовки отправляют на завод чипмейкера. Выполнение основных этапов может занимать три месяца. На изготовление тестовой партии производитель тратит больше полугода, если считать время со всеми необходимыми тестами. Любой сбой на производственной линии вызывает простои. Возобновляют работу только после исправления выявленных недочетов.

Если начинать бизнес с нуля, потребуется не меньше пяти лет и огромные финансовые затраты. По самым скромным подсчетам строительство фабрики для производства микросхем обойдется в 8,5 миллиарда долларов, а в исследования и разработки придется вложить минимум 2 миллиарда.

Проблемы будущего

Первый коммерческий чип на кремниевой подложке создала компания Intel. Она показала свое революционное изобретение в 1971 году. Intel 4004 содержал 2250 дискретных переключателей. К 1978 году число транзисторов увеличилось в десятки тысяч раз. В Intel 8086 оно составило уже 29 000. В современных ЦП это количество достигает нескольких миллиардов.

Один из основателей Intel Гордон Мур в 1965 году выявил важную закономерность. Число переключателей каждые два года увеличивалось вдвое. Уменьшение геометрических размеров транзистора — единственный способ удваивать их количество, в результате повышая производительность процессора.

Сделать это без изменения техпроцесса невозможно. Техпроцессом чипа называют длину затвора, который решает — тока нет (0) или же ток есть (1). В какой-то момент технология производства достигла того, что параметры затвора больше нельзя было уменьшать. Тогда на помощь пришло еще одно открытие — новая структура FinFET. Затвор оказался приподнят над кремниевой подложкой, что дало возможность продолжать менять размеры дискретных переключателей в меньшую сторону.

После того как технология достигла 32 нм, понятие техпроцесса больше стало напоминать маркетинговую уловку производителей, чем действительные характеристики. Для потребителя выполнение закона Мура означает, что каждый новый процессор лучше предыдущего. Однако до сих пор не существует единого метода подсчета. На деле получается, что под техпроцессом, например, 10 нм каждый чипмейкер подразумевает что-то свое. В итоге количество и плотность транзисторов — приблизительные метрики.

Весной 2022 года компания AMD представила первую серию потребительских процессоров на техпроцессе 5 нм под названием Ryzen 7000. Samsung Electronics летом этого года анонсировала запуск производства микросхем с техпроцессом 3 нм. TSMC тоже планирует наладить выпуск продукции с аналогичными характеристиками. Intel не спешит догонять и перегонять конкурентов, остановившись на техпроцессе 10 нм. Ее микропроцессоры уступают в нанометрах, зато превосходят в производительности за счет более высокой плотности транзисторов.

15 лет назад Мур заявил, что выведенный им принцип больше не действует. Он обосновал это тем, что по естественным законам природы процессоры не могут функционировать еще быстрее. По прогнозам, эмпирическое наблюдение об удвоении числа транзисторов формально будет считаться рабочим до конца 2025 года. Как пойдет развитие чипов дальше, пока неясно.

Как разрабатываются и производятся процессоры: изготовление чипа

Это третья статья из серии о проектировании ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй статье говорилось о проектировании и реализации некоторых компонентов чипа. В третьей части мы узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.

Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберёмся.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как говорилось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика составлены из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Мы сказали, что существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.

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

Процесс изготовления пластины до размещения чипов в корпусе.

Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда взялось название типа (n — negative) и буква «n» в nMOS. Добавляя на кремний такие элементы-акцепторы электронов, как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда взялась буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive). Конкретные процессы добавления этих примесей к кремнию называются ионной имплантацией и диффузией; их мы в статье рассматривать не будем.

Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре соединения. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). В n-канальном устройстве ток обычно входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном устройстве он обычно течёт из истока и выходит из стока. Затвор (Gate) — это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. Наконец, у устройства есть тело транзистора (Body), которое не относится к процессору, поэтому мы не будем его рассматривать.

Физическая структура инвертора в кремнии. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Заметьте, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа

Технические подробности работы транзисторов и взаимодействия отдельных областей — это содержание целого курса колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы — это разводной мост над рекой. Автомобили — электроны в транзисторе — хотят перетечь с одной стороны реки на другую, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не заряжен, разводной мост поднят и электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.

Для точного контроля над расположением на кремнии разных областей p и n производители, например Intel и TSMC используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании тратят миллиарды долларов на его усовершенствование для того, чтобы создавать более мелкие, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, который можно использовать для рисования на кремнии паттернов для каждой области.

Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины (подложки). Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный фоторезистивный полимер. Освещая полимер светом определённых частот, мы можем обнажать полимер в тех областях, где хотим выполнять легирование. Это этап литографии, и он схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.

Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в местах, где был удалён полимер. Затем фоторезист убирается, оставляя только находящийся под ним оксидный слой. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует оксид.

Этот процесс маскирования, формирования и легирования повторяется десятки раз для медленного построения каждого уровня элементов в полупроводнике. После завершения базового уровня кремния поверх можно создать металлические соединения, соединяющие разные транзисторы. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.

Разумеется, производители чипов не выполняют процесс создания транзисторов под одному. При проектировании нового чипа они генерируют маски для каждого этапа процесса изготовления. Эти маски содержат местоположения каждого элемента миллиардов транзисторов чипа. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются совместно на одном кристалле.

После изготовления пластины она разрезается на отдельные кристаллы, которые помещаются
в корпуса. Каждая пластина может содержать сотни или даже больше чипов. Обычно чем более мощный производится чип, тем больше будет кристалл, и тем меньше чипов производитель может получить с каждой пластины.

Можно подумать, что нам просто стоит производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства. Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора сломана, то может быть выброшен весь чип. При увеличении размера процессоров вероятность неисправности чипа повышается.

Продуктивность процессов изготовления своих чипов компании тщательно скрывают, но её можно примерно оценить в 70-90%. Компании обычно изготавливают чипы с запасом, потому что знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный, потому что рассчитывает, что одно или два ядра могут быть сломаны. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене. Этот процесс называется binning.

Один из самых серьёзных маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов — это размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нанометровый процесс, AMD использует для некоторых GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нанометровым процессом. Но что означают все эти числа? Традиционно размером элемента называется минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. В процессе развития технологий мы научились уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. При уменьшении транзисторов они также становятся всё быстрее и быстрее.

Глядя на эти числа, важно помнить, что некоторые компании могут основывать размер техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что процессы с разным размером у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. С другой стороны, не все транзисторы в отдельном техпроцессе имеют одинаковый размер. Проектировщики могут решить ради компромиссов сделать некоторые транзисторы крупнее других. Мелкий транзистор будет быстрее, потому на зарядку и разрядку его затвора требуется меньше времени. Однако мелкие транзисторы могут управлять только очень малым количеством выходов. Если какой-то кусок логики будет управлять чем-то, требующим много мощности, например, контактом вывода, то его придётся сделать намного больше. Такие транзисторы вывода могут быть на порядки величин больше, чем транзисторы внутренней логики.

Снимок кристалла современного процессора AMD Zen. Эта конструкция состоит из нескольких миллиардов транзисторов.

Однако проектирование и изготовление транзисторов — это только половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте многоуровневую дорожную развязку с въездами, выездами и кучей пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. У разных процессоров разное количество металлических связующих слоёв над транзисторами. Транзисторы уменьшаются, и для маршрутизации всех сигналов требуется всё больше слоёв металлизации. Сообщается, что в будущем 5-нанометровом техпроцессе TMSC будет использоваться 15 слоёв. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку — это даст вам представление о том, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.

На показанном ниже изображении с микроскопа показана решётка, образованная семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и при поднимании вверх слои становятся больше, чтобы способствовать снижению сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, которые используются для перехода на более высокий уровень. Обычно каждый слой меняет направление относительно слоя под ним, чтобы снизить нежелательные ёмкостные сопротивления. Нечётные слои металлизации могут использоваться для создания горизонтальных соединений, а чётные — для вертикальных соединений.

Можно понять, что управление всеми этими сигналами и слоями металлизации очень быстро становится невероятно сложным. Чтобы способствовать решению этой проблемы, применяются компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции программы даже могут транслировать функции высокоуровневого кода на C вниз до физических расположений каждого проводника и транзистора. Обычно разработчики чипов позволяют компьютерам генерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.

Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют проектировщикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Проектировщики могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который хотят произвести. Затем они отправляют на фабрику — место, где необработанный кремний превращается в рабочие чипы — электрические схемы транзисторов чипа и слоёв металлизации. Эти схемы превращаются в маски, которые используются в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как может выглядеть процесс проектирования чрезвычайно простого чипа.

Первой мы видим схему инвертора, который является стандартной ячейкой. Заштрихованный зелёный прямоугольник наверху — это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник — это поликремниевый затвор, синие области — это металлизация 1, а сиреневые области — металлизация 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металлизации 2.

Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта конструкция может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными входами. Идущие вверх заштрихованные синие проводники это слои металлизации 3. Немного более крупные квадраты на концах проводников — это перемычки, соединяющие два слоя.

Наконец, объединив вместе множество ячеек и примерно 2 000 транзисторов, мы получили простой 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырёх слоях металлизации. Увидев, насколько он сложен, можно только представлять, как трудно проектировать 64-битный процессор с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и 20 с лишним этапами конвейера. Учитывая то, что у современных высокопроизводительных ЦП есть до 5-10 миллиардов транзисторов и дюжина слоёв металлизации, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.

Это даёт нам понять, почему новый процессор является таким дорогостоящим куском технологий и почему AMD и Intel так долго выпускают новые продукты. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от чертёжной доски до рынка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые современные чипы созданы на технологиях, которым уже несколько лет, и что мы ещё много лет не увидим чипов с современным уровнем технологий изготовления.

В четвёртой и последней статье серии мы вернёмся к физической сфере и рассмотрим современные тенденции в отрасли. Что разрабатывают исследователи, чтобы сделать следующее поколении компьютеров ещё быстрее?

• процессоры
• amd
• intel
• tmsc
• производство чипов
• кремниевые пластины
• фотолитография
• изготовление процессоров

• Производство и разработка электроники
• Компьютерное железо
• Научно-популярное
• Процессоры
• Электроника для начинающих

Как на самом деле производят процессоры

Чтобы создать сверхмощный процессор, достаточно простого.

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

Что такое процессор

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

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

Кремний

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

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

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

Кристалл и подложка

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

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

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

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

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

Печатаем транзисторы

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

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

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

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

Соединяем всё вместе

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

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

В чём сложность

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

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

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

Крышка и упаковка

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

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

После тестов диск разрезают на готовые процессорные ядра.

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

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

Система на чипе

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

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

Получите ИТ-профессию

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