Как изготавливают процессоры: Как делают процессоры и что такое техпроцесс

Как делают процессоры и что такое техпроцесс

Самый первый коммерческий микропроцессор в истории, Intel 4004, был представлен в 1971 году. Тогда это была революция — на его площади размещалось целых 2250 транзисторов. Всего через 7 лет, в 1978-ом, был представлен Intel 8086 с 29 тысячами транзисторов. И ровно через 42 года, в 2020-м, у нас есть Apple M1 — без прикрас революционный чип с 16 миллиардами транзисторов. А всё благодаря техпроцессу.

Сегодня такие производители, как TSMC освоили производство чипов, а вернее сказать транзисторов, по 5-нанометровой технологии. Чтобы вы наглядно понимали, насколько малы такие транзисторы — волос человека имеет толщину 80 тысяч нанометров — выходит, на его разрезе в теории можно разместить 16 тысяч транзисторов. Вирус COVID-19 имеет размер 110 нм и на нём можно разместить целых 22 транзистора от Apple M1.

Однако есть теории, что производители нам немного врут и за этими значениями нанометров, как правило, скрываются другие цифры. В этом материале мы разберём с вами в том, как вообще устроен техпроцесс, что в нём измеряют, затронем производство чипов, поймём преимущества уменьшения размеров транзисторов и заглянем в будущее.

Что делают транзисторы в процессорах

Любое вычислительное устройство, будь то компьютер, смартфон или ваши AirPods, работает в двоичной системе счисления. То есть все операции записываются, просчитываются и выводятся в последовательности нулей и единиц.

Транзистор в процессоре можно представить в роли своеобразного переключателя. Если ток через него проходит — это 1, если нет — то это 0. И таких переключателей в современных процессорах миллиарды. Разная последовательность нулей и единиц образует информацию — программы, музыку, картинки, видео и даже этот текст. Раньше роль транзисторов в первых ЭВМ выполняли вакуумные лампы.

Например, в ENIAC (это первый компьютер общего назначения) использовалось 17,5 тысяч вакуумных ламп. На этом компьютере производили вычисления для создания водородной бомбы, а ещё составляли прогнозы погоды и решали задачи из математики и физики. Суммарное энергопотребление этих 17 с половиной тысяч вакуумных ламп составляло целых 150 кВт, а сама ЭВМ требовала площадь для её сборки в 167 квадратных метров при весе в 27 тонн.

Само собой, всё это очень ограничивало технические возможности таких компьютеров, благо в январе 1959 года Роберт Нойс, по совместительству один из восьми основателей легендарной компании Fairсhild Semiconductor Company в Кремниевой долине, изобрёл интегральную схему на основе кремния, принципы которой легли в основу производства всех микропроцессоров.

Почему кремний?

Все чипы, которые производятся для массового рынка, делаются на кремниевой основе. Если не углубляться совсем в какие-то страшные и непонятные цифры с формулами, то причина кроется в атомной структуре кремния, которая идеально подходит для того, чтобы делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Получают кремний, к слову, из песка. Да, самого обычного, который у вас есть на ближайшем берегу. Но вот в чём подвох — его чистота, если говорить в цифрах, составляет 99,5% (0,5% в таком кремнии составляют разные примеси). Может показаться, что это уже суперблизко к идеальной чистоте, но нет, для процессора необходимо, чтобы кремний имел чистоту 99,9999999%. Для этого материал проводят через цепочку определённых химических реакций. После этого кремний плавят и наращивают в один большой кристалл. Весит он под сотню килограмм и выглядит следующим образом:

После этот кристалл нарезается на пластины с диаметром около 30-сантиметров, которые тщательно шлифуются, чтобы не было никаких зазубрин. Дополнительно применяется ещё химическая шлифовка. Если хотя бы на одной пластине будут шероховатости — её забракуют. А вот готовые пластины кремния отправляют на дальнейшее производство.

Как создаются транзисторы процессора?

На отполированный кремниевый диск наносится специальный фоточувствительный слой, на который затем поступает поток света — он реагирует с молекулами слоя и изменяет свойства кремниевого диска. Этот процесс называется фотолитографией. В отдельных его частях после этого ток начинает проходить иначе — где-то сильнее, где-то слабее.

Затем этот слой покрывается изолирующим веществом (диэлектриком). После на него снова наносится специальный фоточувствительный слой и данный процесс повторяется несколько раз, чтобы на площади появились миллиарды мельчайших транзисторов. Которые потом ещё соединяют между собой, тестируют, разрезают на ядра, соединяют с контактами и упаковывают в корпус процессора.

Благодаря фотолитографии у инженеров есть возможность создания мельчайших нанометровых транзисторов. Однако, как оказывается, техпроцессом в разное время называли разные вещи.

«Он вам не техпроцесс»

Изначально техпроцессом производители обозначали длину затвора у транзистора. Затвор — это один из элементов транзистора, которым контролируется поток движения электронов. То есть, он решает — будет 0 или 1.

В соответствии с законом Гордона Мура (одного из основателей Intel), количество транзисторов в чипах удваивается в два раза каждые два года. Этот закон был им выведен в 1975 году сугубо на основе личных наблюдений, но они оказались в итоге верны.

За последние годы процессоры прибавили в количестве транзисторов, производительности, но не в размерах. Когда индустрия перешла с техпроцесса 1000 нм на 700 нм, производители обратили внимание, что другие элементы транзистора не так податливы уменьшению, в отличие от затворов. Однако и уменьшать затвор тоже уже было нельзя — потому что в таком случае электроны смогли бы проходить сквозь него и вызывать нестабильную работу чипа. 

В 2012 году с переходом на 22-нанометровый техпроцесс инженеры придумали новый формат проектирование транзисторов — FinFET (от «fin» — рус. «Плавник»). Потому что он действительно стал похож на плавник рыбы.

Принцип заключается в увеличении длины канала, через который проходят электроны. За счёт этого в целом увеличивается площадь поверхности канала, что даёт возможность прохождения через него большему количеству электронов. С увеличением длины производители также получили возможность упаковки транзисторов с большей плотностью на один квадратный миллиметр.

Это, кстати, повысило производительность чипов за последние несколько лет, особенно в мобильных процессорах. Однако, из-за того что транзисторы перестали быть плоскими, став трёхмерными — это усложнило измерения их размера. Простите за тавтологию.

Разные производители, как правило, по-своему производят измерения. Например, Intel берут среднее значение двух размеров от наиболее распространённых ячеек. Кто-то делает иначе, однако в целом всё равно — нанометры, о которых говорят в графе «техпроцесс» являются чем-то усреднённым, но в целом значение практически полностью соответствует размеру одного транзистора. Но ещё, что важно в процессоре — это плотность размещения транзисторов.

Что важнее — нанометры или плотность

Многие ругают Intel за то, что они ещё не смогли выпустить свой коммерческий процессор на архитектуре 5 или 7 нм, как это делают Apple и Qualcomm. Но вот по плотности размещения транзисторов — Intel безусловный лидер. На один квадратный миллиметр 10 нм процессора Intel помещается на целых 5% больше транзисторов, чем в чипах от Apple, Qualcomm или AMD. Кстати, последние поколения процессоров от этих трёх брендов производит TSMC. 

В интернете я наткнулся на сравнительную табличку процессоров Intel и TSMC:

Обратите внимание на 10- и 7-нанометровые чипы у Intel и TSMC соответственно. Размеры составляющих у них почти идентичны, поэтому 10-нанометров Intel не сильно-то и уступают 7 нм у TSMC. А вот по производительности, за счёт повышенной плотности транзисторов, как я уже сказал выше, даже выигрывают.

Однако, чем больше плотность — тем больше нагрев, поэтому чипы Intel не подойдут для использования в мобильной технике. Зато TSMC выигрывает в плане меньшего энергопотребления и тепловыделения.

А вот тут вы можете сказать — «стоп, но как Intel выдаёт больше производительности, если Apple M1, который производит TSMC разносит старые десктопные процессоры в пух и прах». Да, это действительно так, на деле Apple M1 действительно превосходит в вычислениях Intel, но причина тут не сколько в количестве транзисторов или техпроцессе, сколько в том, насколько эффективно процессор работает с этими транзисторами. В Intel x86 есть много лишних блоков команд, которые TSMC в некоторых производимых чипах, не использует. Об этом более подробно мы писали в отдельном материале с разбором x86 и Apple M1.

Так что дают нанометры

В действительности, уменьшение техпроцесса и правда положительно влияет на такие показатели, как энергопотребление и производительность. Однако многие нюансы в производстве чипов компании не раскрывают, и найти в интернете их невозможно. А из того, что есть — создаётся впечатление о множестве противоречий.

В целом я бы советовал воспринимать цифры, которые говорят нам производители чипов, как среднее значение от всех составляющих. Так что заявлять, что производители нам врут — нельзя, но и что нанометры полностью соответствуют действительности тоже нельзя. Влияет также то, по какому формату производятся эти чипы и какие применяются материалы. В любом случае — чем меньше техпроцесс, тем лучше.

Новая структура транзистора

Вполне возможно, что вместо уменьшения техпроцесса начнётся работа по изменению структуры создание транзисторов. К примеру, Samsung недавно анонсировали технологию Gate-All-Around FET (GAAFET) для технормы в 5 нм. Подобная структура транзистора обеспечивает вхождение электронов со всех сторон, что более эффективно.

На картинке выше вы можете увидеть, что гребень затвора не сплошной, а разделён на несколько нитей. Если подобное будет реализовано и в других чипах, тогда можно рассчитывать на повышение производительности в процессорах и понижение энергопотребления не уменьшением техпроцесса, а доведением до ума того, что есть сейчас.

Что ждать в будущем?

Летающие автомобили, киборги, путешествие со скоростью света и перемещение во времени — это всё фантастика. Но вот 3 нм или 1,4 нм чипы, вполне возможно, нет.

На сегодня известно, что Intel к 2029 году планируют освоить 1,4 нм техпроцесс, а TSMC уже начали исследование 2 нм. Для этого компании должны разработать новое оборудование для производства, обучить персонал и сделать многое другое.

Другой вопрос, что транзистор 1,4 нм по размерам сопоставим примерно с 10 атомами и это может плохо отразиться на производительности. Случайные электроны могут менять биты по несколько раз в секунду и тогда о стабильных вычислениях может не идти и речи. Может быть закон Мура уже не актуален и его эпоха просто подходит к концу, а мы ещё этого не понимаем?

Как производят процессоры. Производство современных процессоров. Технологический экскурс. КАК производят микропроцессоры

ГДЕ производят процессоры Intel

Как я уже писал в предыдущем посту, на данный момент у компании Intel есть 4 завода, способных массово производить процессоры по технологии 32нм: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико.
Посмотрим как они устроены

Для постройки фабрики такого уровня требуется около 3 лет и порядка 5 миллиардов — именно эту сумму должен будет «отбить» завод в последующие 4 года (к тому времени как появятся новые технологический процесс и архитектура, необходимая для этого производительность — порядка 100 рабочих кремниевых пластин в час). Для постройки завода потребуется:
— более 19 000 тонн стали
— более 112 000 кубических метров бетона
— более 900 километров кабеля

КАК производят микропроцессоры

Технически современный микропроцессор выполнен в виде одной сверхбольшой интегральной схемы, состоящей из нескольких миллиардов элементов — это одна из самых сложных конструкций, созданных человеком. Ключевыми элементами любого микропроцессора являются дискретные переключатели — транзисторы. Блокируя и пропуская электрический ток (включение-выключение), они дают возможность логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе. Размеры транзисторов измеряются в нанометрах. Один нанометр (нм) — это одна миллиардная часть метра.

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

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно.

Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:
SiO2 + 2C = Si + 2CO

Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl4), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl3):
3SiCl4 + 2h3 + Si ↔ 4SiHCl3

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:
2SiHCl3 ↔ Sih3Cl2 + SiCl4
2Sih3Cl2 ↔ Sih4Cl + SiHCl3
2Sih4Cl ↔ Sih5 + Sih3Cl2
Sih5 ↔ Si + 2h3

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

Слиток шкурят «нулёвкой»:) и режут алмазной пилой. На выходе — пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate).

Теперь самое интересное — в отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать?

Проблема решается с помощью технологии фотолитографии — процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:
— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.
Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

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

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

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

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

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

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

Ура — самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны — хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов».

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

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

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

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

Несколько лет тому назад компания Intel представила пошаговый процесс производства микропроцессоров: от песка до конечного продукта. Фактически полупроводниковых элементов выглядит поистине удивительным.

Шаг 1. Песок

Кремний, составляющий по общей массе около 25 процентов всех химических элементов в земной коре, является вторым по распространению после кислорода. Песок имеет высокое процентное содержание диоксида кремния (SiO 2), который является основным ингредиентом не только для производства процессоров Intel, но и вообще для полупроводникового производства.

Расплавленный кремний

Вещество очищается в течение нескольких этапов, пока не получится кремний полупроводниковой чистоты, используемый в полупроводниках. В конечном счете, он поступает в виде монокристаллических слитков диаметром около 300 миллиметров (12 дюймов). Ранее слитки имели диаметр 200 миллиметров (8 дюймов), а в далеком 1970 году — еще меньше — 50 миллиметров (2 дюйма).

На данном уровне производства процессоров после очистки чистота кристалла составляет один атом примеси на миллиард атомов кремния. Вес слитка составляет 100 килограмм.

Шаг 3. Нарезание слитка

Слиток нарезается очень тонкой пилой на отдельные ломтики, называемые подложками. Каждая из них впоследствии полируется, чтобы получилась бездефектная зеркально-гладкая поверхность. Именно на эту гладкую поверхность впоследствии будут наноситься крошечные медные провода.

Экспонирование фоторезистивного слоя

На вращающуюся с высокой скоростью подложку заливается фоторезистивная жидкость (такие же материалы используются в традиционной фотографии). При вращении на всей поверхности подложки образуется тонкий и равномерный резистивный слой.

Ультрафиолетовый лазер через маски и линзу воздействует на поверхность подложки, образуя на ней небольшие освещенные ультрафиолетовые линии. Линза делает сфокусированное изображение в 4 раза меньше маски. Везде, где ультрафиолетовые линии воздействуют на резистивный слой, возникает химическая реакция, в результате которой данные участки становятся растворимыми.

Шаг 5. Травление

Растворимый фоторезистивный материал затем полностью растворяется с помощью химического растворителя. Таким образом, для частичного растворения или травления небольшого количества полированного полупроводникового материала (подложки) используется химический травитель. Оставшаяся часть фоторезистивного материала удаляется путем похожего процесса промывки, открывая (экспонируя) протравленную поверхность подложки.

Формирование слоев

Для создания крошечных медных проводов, которые в конечном счете будут передавать электричество к/от различных соединителей, добавляются дополнительные фоторезисты (светочувствительные материалы), которые также промываются и экспонируются. В дальнейшем выполняется процесс ионного легирования для добавления примесей и защиты мест осаждения ионов меди от медного купороса во время процесса гальваностегии.

На различных этапах этих процессов производства процессора добавляются дополнительные материалы, которые протравливаются и полируются. Данный процесс повторяется 6 раз для формирования 6 слоев.

Конечный продукт выглядит как сетка из множества микроскопических медных полос, проводящих электричество. Некоторые из них соединены с другими, а некоторые — расположены на определенном расстоянии от других. Но все они используются для реализации одной цели — для передачи электронов. Другими словами, они предназначены для обеспечения так называемой «полезной работы» (например, сложение двух чисел с максимально возможной скоростью, что является сутью модели вычислений в наши дни).

Многоуровневая обработка повторяется на каждом отдельном небольшом участке поверхности подложки, на котором будут изготовлены чипы. В том числе к таким участкам относятся те из них, которые частично расположены за пределами подложки.

Шаг 7. Тестирование

Как только будут нанесены все металлические слои и созданы все транзисторы, наступает время следующего этапа производства процессоров «Интел» — тестирования. Устройство с множеством штырьков размещается в верхней части чипа. К нему прикрепляется множество микроскопических проводков. Каждый такой проводок имеет электрическое соединение с чипом.

Для воспроизведения работы чипа ему передается последовательность тестовых сигналов. При тестировании проверяются не только традиционные вычислительные способности, но также выполняется внутренняя диагностика с определением значений напряжения, каскадных последовательностей и другие функции. Ответ чипа в виде результата тестирования сохраняется в базе данных, специально выделенной для данного участка подложки. Данный процесс повторяется для каждого участка подложки.

Нарезание пластин

Для нарезания пластин применяется очень маленькая пила с алмазным наконечником. База данных, заполненная на предыдущем этапе, используется для определения, какие чипы, отрезанные от подложки, сохранены, а какие отброшены.

Шаг 9. Заключение в корпуса

Все рабочие пластины помещаются в физические корпуса. Несмотря на то, что пластины были предварительно протестированы и в отношении их было принято решение, что они работают корректно, это не означает, что они являются хорошими процессорами.

Процесс заключения в корпуса означает помещение кремниевого кристалла в материал подложки, к контактам или массиву шариковых выводов которого подсоединены миниатюрные золотые проводки. Массив шариковых выводов можно обнаружить на обратной стороне корпуса. В верхней части корпуса устанавливается теплоотвод. Он представляет собой металлический корпус. По завершении этого процесса центральный процессор выглядит как готовый продукт, предназначенный для потребления.

Примечание: металлический теплоотвод является ключевым компонентом современных высокоскоростных полупроводниковых устройств. Раньше теплоотводы были керамическими и не использовали принудительное охлаждение. Оно потребовалось для некоторых моделей 8086 и 80286 и для моделей, начиная с 80386. Предшествующие поколения процессоров имели намного меньше транзисторов.

Например, процессор 8086 имел 29 тысяч транзисторов, в то время как современные центральные процессоры имеют сотни миллионов транзисторов. Столь маленькое по нынешним меркам количество транзисторов не вырабатывало достаточно тепла, чтобы требовалось активное охлаждение. Чтобы отделить данные процессоры от нуждающихся в таком типе охлаждения, впоследствии на керамические чипы ставилось клеймо «Требуется теплоотвод».

Современные процессоры генерируют достаточно тепла, чтобы расплавиться в считанные секунды. Только наличие теплоотвода, подсоединенного к большому радиатору и вентилятору, позволяет им функционировать в течение продолжительного времени.

Сортировка процессоров по характеристикам

К этому этапу производства процессор выглядит таким, каким его покупают в магазине. Однако для завершения процесса его производства требуется еще один этап. Он называется сортировкой.

На этом этапе измеряются действительные характеристики отдельного центрального процессора. Измеряются такие параметры, как напряжение, частота, производительность, тепловыделение и другие характеристики.

Лучшие чипы откладываются как изделия более высокого класса. Они продаются не только как самые быстрые компоненты, но и как модели с низким и сверхнизким напряжением.

Чипы, которые не вошли в группу лучших процессоров, часто продаются как процессоры с более низкими тактовыми частотами. Кроме того, четырехъядерные процессоры более низкого класса могут продаваться как двух- или трехъядерные.

Производительность процессоров

В процессе сортировки определяются конечные значения скорости, напряжения и тепловые характеристики. Например, на стандартной подложке только 5 % произведенных чипов могут функционировать на частоте более 3,2 ГГц. В то же время 50 % чипов могут функционировать на частоте 2,8 ГГц.

Производители процессоров постоянно выясняют причины, почему основная часть производимых процессоров работает на частоте 2,8 ГГц вместо требуемой 3,2 ГГц. Иногда для увеличения производительности в конструкцию процессора могут быть внесены изменения.

Рентабельность производства

Рентабельность бизнеса по производству процессоров и большинства полупроводниковых элементов лежит в пределах 33-50 %. Это означает, что, по меньшей мере, от 1/3 до 1/2 пластин на каждой подложке рабочие, а компания в этом случае рентабельна.

У компании Intel операционная прибыль при применении технологии 45 нм для подложки 300 мм составляет 95 %. Это означает, что если из одной подложки возможно изготовить 500 кремниевых пластин, 475 из них будут рабочими и только 25 будут выброшены. Чем больше пластин можно получить с одной подложки, тем большую прибыль будет иметь компания.

Технологии Intel, используемые в наши дни

История применения новых технологий Intel для массового производства процессоров:

• 1999 г. — 180 нм;
• 2001 г. — 130 нм;
• 2003 г. — 90 нм;
• 2005 г. — 65 нм;
• 2007 г. — 45 нм;
• 2009 г. — 32 нм;
• 2011 г. — 22 нм;
• 2014 г. — 14 нм;
• 2019 г. — 10 нм (планируется).

В начале 2018 г. компания Intel объявила о переносе массового производства 10-нм процессоров на 2019 год. Причина этого — в большой стоимости производства. На данный момент компания продолжает поставлять 10-нм процессоры в небольших объемах.

Охарактеризуем технологии производства процессоров Intel с точки зрения стоимости. Дороговизну руководство компании объясняет длинным производственным циклом и применением большого количества масок. В основе 10-нм технологии лежит глубокая ультрафиолетовая литография (DUV) с применением лазеров, работающих на длине волны 193 нм.

Для 7-нм процесса будет использоваться экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV) с применением лазеров, работающих на длине волны 13,5 нм. Благодаря такой длине волны удастся избежать применения мультипаттернов, широко используемых для 10-нм процесса.

Инженеры компании считают, что на данный момент нужно отшлифовать технологию DUV, а не прыгать напрямую на 7-нм процесс. Таким образом, пока будут снятыми с производства процессоры, использующие 10-нм технологию.

Перспективы микропроцессорного производства компании AMD

Единственным реальным конкурентом «Интел» на рынке производства процессоров на сегодняшний день является AMD. Из-за ошибок «Интел», связанных с 10-нм технологией, AMD немного поправила свое положение на рынке. У Intel массовое производство с использованием технологического процесса 10 нм сильно запоздало. Компания AMD, как известно, использует для производства своих чипов третью сторону. И теперь сложилась ситуация, когда AMD для производства использует во всю 7-нм технологии производства процессоров, не уступающие главному конкуренту.

Основными сторонними производителями полупроводниковых устройств с использованием новых технологий для сложной логики являются Тайваньская компания производства полупроводников (TSMC), американская компания GlobalFoundaries и корейская Samsung Foundry.

AMD планирует использовать TSMC исключительно для производства микропроцессоров следующего поколения. При этом будут применяться новые технологии производства процессоров. Компания уже выпустила ряд продуктов с применением 7-нм процесса, включая 7-нм графический процессор. Первый планируется выпустить в 2019 г. Уже через 2 года планируется начать массовое производство 5-нм микросхем.

GlobalFoundaries отказалась от разработки процесса 7 нм, чтобы сосредоточить свои усилия на развитии своих 14/12 нм процессов для клиентов, ориентированных на быстрорастущие рынки. AMD вкладывает в GlobalFoundaries дополнительные инвестиции для производства процессоров AMD текущего поколения Ryzen, EPYC и Radeon.

Производство микропроцессоров в России

Основные микроэлектронные производства расположены в городах Зеленоград («Микрон», «Ангстрем») и Москва («Крокус»). Собственное микроэлектронное производство имеется также и в Беларуси — компания «Интеграл», использующая технологический процесс 0,35 мкм.

Производством процессоров в России занимаются компании «МЦСТ» и «Байкал Электроникс». Последняя разработка «МЦСТ» — процессор «Эльбрус-8С». Это 8-ядерный микропроцессор с тактовой частотой 1,1-1,3 ГГц. Производительность российского процессора составляет 250 гигафлопс (операций с плавающей запятой в секунду). Представителями компании заявляется, что по ряду показателей процессор может конкурировать даже с лидером отрасли — компанией Intel.

Производство продолжится моделью «Эльбрус-16» частотой 1,5 ГГц (цифровой индекс в названии обозначает количество ядер). Массовое изготовление этих микропроцессоров будет осуществляться в Тайване. Это должно способствовать уменьшению цены. Как известно, цена на продукцию компании заоблачная. При этом, по характеристикам комплектующие значительно уступают ведущим компаниям в этом секторе экономики. Пока такие процессоры будут использоваться только в государственных организациях и для оборонных целей. В качестве технологии производства процессоров этой линейки будет применяться 28-нм технологический процесс.

«Байкал Электроникс» производит процессоры, предназначенные для использования в промышленности. В частности, это относится к модели «Байкал Т1». Область ее применения — маршрутизаторы, системы с ЧПУ и офисная техника. Компания на этом не останавливается и уже разрабатывается процессор для персональных компьютеров — «Байкал М». Сведений о его характеристиках пока немного. Известно, что у него будет 8-ядерный процессор с поддержкой до 8 графических ядер. Преимущество этого микропроцессора будет заключаться в его энергоэффективности.

Современные микропроцессоры — одни из сложнейших устройств, изготавливаемых человеком. Производство полупроводникового кристалла намного более ресурсоемко, чем, скажем, возведение многоэтажного дома или организация крупнейшего выставочного мероприятия. Однако благодаря массовому выпуску CPU в денежном эквиваленте мы этого не замечаем, да и редко кто задумывается обо всей грандиозности элементов, занимающих столь видное место внутри системного блока. Мы решили изучить детали производства процессоров и поведать о них в данном материале. Благо в Сети сегодня достаточно информации на эту тему, а специализированная подборка презентаций и слайдов корпорации Intel позволяет выполнить поставленную задачу максимально наглядно. Предприятия других гигантов полупроводниковой индустрии работают по тому же принципу, поэтому с уверенностью можно сказать, что все современные микросхемы проходят идентичный путь создания.

Первое, о чем стоит упомянуть, — строительный материал для процессоров. Кремний (англ. silicon) — второй после кислорода наиболее распространенный элемент на планете. Он является природным полупроводником и используется как основной материал для производства чипов всевозможных микросхем. Больше всего кремния содержится в обычном песке (особенно кварце) в виде диоксида кремния (SiO2).

Впрочем, кремний — не единственный материал. Самый близкий его родственник и заменитель — германий, однако в процессе совершенствования производства ученые выявляют хорошие полупроводниковые свойства у соединений других элементов и готовятся опробовать их на практике или уже это делают.

1
Кремний проходит многоступенчатый процесс очистки: сырье для микросхем не может содержать больше примесей, чем один чужеродный атом на миллиард.

2
Кремний расплавляют в специальной емкости и, опустив внутрь постоянно охлаждаемый вращающийся стержень, «наматывают» на него благодаря силам поверхностного натяжения вещество.

3
В итоге получаются продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, каждая массой около 100 кг.

4
Заготовку нарезают на отдельные кремниевые диски — пластины, на которых будут расположены сотни микропроцессоров. Для этих целей используются станки с алмазными режущими дисками или проволочно-абразивные установки.

5
Подложки полируют до зеркального блеска, чтобы устранить все дефекты на поверхности. Следующий шаг — нанесение тончайшего фотополимерного слоя.

6
Обработанная подложка подвергается воздействию жесткого ультрафиолетового излучения. В фотополимерном слое происходит химическая реакция: свет, проходя через многочисленные трафареты, повторяет рисунки слоев CPU.

7
Реальный размер наносимого изображения в несколько раз меньше собственно трафарета.

8
Участки, «протравленные» излучением, вымываются. На кремниевой подложке получается рисунок, который затем подвергается закреплению.

9
Следующий этап изготовления одного слоя — ионизация, в процессе которой свободные от полимера участки кремния бомбардируются ионами.

10
В местах их попадания изменяются свойства электрической проводимости.

11
Оставшийся полимер удаляют, и транзистор почти готов. В изолирующих слоях делаются отверстия, которые благодаря химической реакции заполняются атомами меди, используемыми в качестве контактов.

12
Соединение транзисторов представляет собой многоуровневую разводку. Если взглянуть в микроскоп, на кристалле можно заметить множество металлических проводников и помещенных между ними атомов кремния или его современных заменителей.

13
Часть готовой подложки проходит первый тест на функциональность. На этом этапе на каждый из выбранных транзисторов подается ток, и автоматизированная система проверяет параметры работы полупроводника.

14
Подложка с помощью тончайших режущих кругов разрезается на отдельные части.

15
Годные кристаллы, полученные в результате данной операции, используются в производстве процессоров, а бракованные отправляются в отходы.

16
Отдельный кристалл, из которого будет сделан процессор, помещают между основанием (подложкой) CPU и теплорас-пределительной крышкой и «упаковывают».

17
В ходе окончательного тестирования готовые процессоры проверяются на соответствие требуемым параметрам и лишь затем сортируются. На основании полученных данных в них прошивается микрокод, позволяющий системе должным образом определить CPU.

18
Готовые устройства упаковываются и направляются на рынок.

«Силиконовая долина» (Silicon Valley, США, Калифорния)

Получила свое название благодаря основному строительному элементу, использующемуся в производстве микрочипов.

«Почему пластины для производства процессоров круглые?»
— наверняка спросите вы.

Для производства кремниевых кристаллов применяется технология, позволяющая получать только цилиндрические заготовки, которые затем режутся на части. До сих пор еще никому не удавалось изготовить квадратную пластину, лишенную дефектов.

Почему микрочипы квадратные?

Именно такая литография позволяет использовать площадь пластины с максимальной эффективностью.

Зачем процессорам столько ножек/контактов?

Помимо сигнальных линий каждый процессор для работы нуждается в стабильном питании. При энергопотреблении порядка 100-120 Вт и низком напряжении через контакты может протекать ток силой до 100 А. Значительная часть контактов CPU выделена именно под систему питания и дублируется.

Утилизация отходов производства

Раньше дефектные пластины, их остатки и бракованные микрочипы шли в отходы. На сегодняшний день ведутся разработки, позволяющие использовать их в качестве основы для производства солнечных батарей.

«Костюм кролика».

Такое название получил комбинезон белого цвета, который обязаны носить все рабочие производственных помещений. Делается это для поддержания максимальной чистоты и защиты от случайного попадания частиц пыли на производственные установки. «Костюм кролика» впервые был использован на фабриках по производству процессоров в 1973 году и с тех пор стал общепринятым стандартом.

99,9999%

Для производства процессоров пригоден только кремний высочайшей степени чистоты. Заготовки очищают спецхимией.

300 мм

Таков диаметр современных кремниевых пластин для производства процессоров.

1000 раз

Именно настолько чище воздух в помещениях фабрик для производства чипов, чем в операционной.

20 слоев

Процессорный кристалл очень тонкий (меньше миллиметра), но в нем умещаются более 20 слоев сложнейших структурных объединений транзисторов, которые выглядят как многоуровневые хайвеи.

2500

Именно столько кристаллов процессора Intel Atom (имеют наименьшую площадь среди cовременных CPU) размещаются на одной 300-миллиметровой пластине.

10 000 000 000 000 000 000

Сто квинтиллионов транзисторов в виде структурных элементов микрочипов отгружаются с фабрик каждый год. Это приблизительно в 100 раз больше, чем оценочное количество муравьев на планете.

A

Стоимость производства одного транзистора в процессоре сегодня равна цене печати одной буквы в газете.

В процессе подготовки статьи использовались материалы с официального веб-сайта корпорации Intel, www.intel.ua

Процессор
это сердце любого современного компьютера. Любой микропроцессор по сути является большой интегральной схемой, на которой расположены транзисторы. Пропуская электрический ток транзисторы позволяют создавать двоичную логику (вкл. – выкл.) вычислений.
Современные процессоры выполняются на базе 45 нм технологии. 45нм (нанометра) это размер одного транзистора, расположенного на процессорной пластине. Еще недавно в основном использовали 90 нм технологию.

Пластины делаются из кремния, который занимает 2 место по размеру залежей в земной коре.

Кремний получают химической обработкой, очищая его от примесей. После этого его начинают выплавлять, формируя кремниевый цилиндр диаметром 300 миллиметров. Этот цилиндр, в дальнейшем разрезают на пластины алмазной нитью. Толщина каждой пластины около 1 мм. Чтобы пластина имела идеальную поверхность, после реза нитью, ее шлифуют специальной шлифовальной машиной.

После этого поверхность кремниевой пластины получается идеально ровной. Кстати многие производственные компании уже заявили о возможности работы с 450 мм пластинами. Чем больше поверхность – тем большее количество транзисторов для размещения, и тем более высокая производительность процессора.

Процессор
состоит из кремниевой пластины, на поверхности которой располагается до девяти уровней транзисторов, разделенные слоями оксида, для изоляции.

Развитие технологии производства процессоров

Гордон Мур, один из основателей компании Intel, одного из лидеров производства процессоров в мире, в 1965 году на основе своих наблюдений открыл закон, по которому новые модели процессоров и микросхем появлялись через равные отрезки времени. Рост количества транзисторов в процессорах растет примерно в 2 раза за 2 года. Вот уже в течение 40 лет закон Гордона Мура работает без искажений.
Освоение будущих технологий не за горами – уже есть рабочие прототипы на основе 32 нм и 22нм технологии производства процессоров.
До середины 2004 года мощность процессора зависела в первую очередь от частоты процессора, но, начиная с 2005 года, частота процессоров практически перестала расти. Появилась новая технология многоядерности процессора. То есть создается несколько ядер процессора с равной тактовой частотой, и при работе мощность ядер суммируется. За счет этого повышается общая мощность процессора.

Ниже вы можете посмотреть видео о производстве процессоров.

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.

Современные микропроцессоры

Технологии изготовления и секреты производства архитектур

Современные микропроцессоры – это самые быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и производятся с использованием множества различных технологий. С начала 90-х годов ХХ века, когда процессоры пошли в массовое использование, они пережили несколько ступеней развития. Апогеем развития микпроцессорных структур, использующих существующие технологии микропроцессоров 6-го поколения, считается 2002 год, когда стало доступным использование всех основных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и создании логических схем. Сейчас же эффективность новых процессоров несколько падает несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов, поскольку кремниевые технологии близятся к пределу своих возможностей.

Микропроцессор — это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником — тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы процессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется скоростью переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Технологический процесс определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора). Например, при использовании 90-нм техпроцесса, который был введен в начале 2004 года, размер транзистора составляет 90 нм, а длина затвора – 50 нм.

Все современные процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Снижение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

Технологии и рынок

Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны, компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение маркетологами неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU – запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов «гонки частот» связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. Как уже было замечено, производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы.

Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих гигантов рынка, таких как компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время ей не удавалось наладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, что привело к низкому выходу годных кристаллов. Это одна из причин, по которой AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Задержки связаны с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Разберемся по порядку.

Как известно, существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая – самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, а это негативно сказывается на тепловыделении. Так вот, уменьшая размеры транзистора, мы прежде всего уменьшаем его затвор и слой диоксида кремния (SiO2), который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны, это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой – увеличивает утечку. То есть, получается своеобразный замкнутый круг. Так вот переход на 90 нм – это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками – это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения. Все это привело к задержке внедрения нового техпроцесса со стороны конкурентов рынка микропроцессоров – Intel и AMD.

Один из альтернативных выходов – это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое недавно внедрила компания AMD в своих 64-разрядных процессорах. Впрочем, это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Зато сама технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. Суть технологии, в общем-то, вполне логична — транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Плюсов — масса. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках — это раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния (до момента, пока по нему пойдет рабочий ток) сокращается, то есть, улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения — это два. Или же, при той же скорости, можно просто понизить отпирающий ток — это три. Или найти какой-то компромисс между увеличением скорости работы и уменьшением напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить вплоть до 30%, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение, то там плюс может быть и большим — до 50 %. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор — более устойчивым к спорадическим ошибкам, вроде тех, что вызывают космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Теперь, попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не сказываются на работе транзистора. Единственным минусом SOI является то, что приходится уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.

И наконец, третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот – это низкая активность конкурентов на рынке. Можно сказать, каждый был занят своими делами. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это был период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.

Начавшийся год должен принести нам большое количество новостей из области технологий, ведь именно в этом году обе компании должны перейти на технологические нормы 90 нм. Но это вовсе не означает нового стремительного роста частот процессоров, скорее наоборот. Сначала на рынке будет наблюдаться затишье: конкуренты начнут выпускать CPU по новым техпроцессам, но со старыми частотами. По мере освоения процесса производства начнется некоторый рост частоты чипов. Скорее всего, он будет не столь заметен как ранее. К концу 2004 года, когда выход годных кристаллов по 90-нм техпроцессу значительно повысится, компания Intel ожидает покорение вершины в 4 ГГц, а то и более. Процессоры компании AMD будут идти с некоторым традиционным отставанием по частоте, которое, в общем-то, не так сильно сказывается на производительности, как особенности микроархитектуры.

Итак, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Первые микропроцессоры Pentium (1993 г.) производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999 – на 0,18 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году. Как видно, для этих техпроцессов соблюдается закон Мура, который гласит, что каждые два года частота кристаллов удваивается при увеличении количества транзисторов с них. С такими же темпами сменяется и техпроцесс. Правда, в дальнейшем «гонка частот» опередит этот закон. К 2006 году компания Intel планирует освоение 65-нм техпроцесса, а 2009 – 32-нм.

Здесь пора вспомнить структуру транзистора, а именно — тонкий слой диоксида кремния, изолятора, находящегося между затвором и каналом, и выполняющего вполне понятную функцию — барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора. Очевидно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции. Но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если мы собираемся уменьшать длину канала (размер транзистора), то нам надо уменьшать его толщину, причем, весьма быстрыми темпами. К слову, за последние несколько десятилетий толщина этого слоя составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала. Но у этого процесса есть свой конец — как утверждал пять лет назад все тот же Intel, при продолжении использования SiO2, как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя будет составлять 2.3 нм, иначе ток утечка тока затвора приобретет просто нереальные величины.

Для снижения подканальной утечки до последнего времени ничего не предпринималось. Сейчас ситуация начинает меняться, поскольку рабочий ток, наряду со временем срабатывания затвора, является одним из двух основных параметров, характеризующих скорость работы транзистора, а утечка в выключенном состоянии на нем непосредственно сказывается — для сохранения требуемой эффективности транзистора приходится, соответственно, поднимать рабочий ток, со всеми вытекающими условиями.

Производство микропроцессоров

Изготовление микропроцессора — это сложнейший процесс, включающий более 300 этапов. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния — подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.

Подложки обычно имеют диаметр 200 миллиметров, или 8 дюймов. Однако, корпорация Intel уже перешла на пластины диаметром 300 мм, или 12 дюймов. Новые пластины позволяют получить почти в 4 раза больше кристаллов, и выход годных значительно выше. Пластины изготавливают из кремния, который очищают, плавят и выращивают из него длинные цилиндрические кристаллы. Затем кристаллы разрезают на тонкие пластины и полируют их до тех пор, пока их поверхности не станут зеркально гладкими и свободными от дефектов. Далее последовательно, циклически повторяясь, производят термическое оксидирование (формирование пленки SiO2), фотолитографию, диффузию примеси (фосфор), эпитаксию (наращивание слоя).

В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен микропроцессоров, для изготовления которых требуется совершить более 300 операций. Весь процесс производства процессоров можно разделить на несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей, тестирование, изготовление корпуса и доставка.

Выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей. Процесс производства микропроцессора начинается с «выращивания» на поверхности отполированной пластины изоляционного слоя диоксида кремния. Осуществляется этот этап в электрической печи при очень высокой температуре. Толщина оксидного слоя зависит от температуры и времени, которое пластина проводит в печи.

Затем следует фотолитография — процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Сначала на пластину наносят временный слой светочувствительного материала – фоторезист, на который с помощью ультрафиолетового излучения проецируют изображение прозрачных участков шаблона, или фотомаски. Маски изготавливают при проектировании процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое процессора. Под воздействием излучения засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми, и их удаляют с помощью растворителя (плавиковая кислота), открывая находящийся под ними диоксид кремния.

Открытый диоксид кремния удаляют с помощью процесса, который называется «травлением». Затем убирают оставшийся фотослой, в результате чего на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния. С помощью ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника. В ходе следующей операции, называемой «легированием», открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость этих участков.

Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются «окна», которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями. В своем 0.13-микронном технологическом процессе корпорация Intel применила медные проводники. В 0.18-микронном производственном процессе и процессах предыдущих поколений Intel применяла алюминий. И медь, и алюминий — отличные проводники электричества. При использовании 0,18-мкм техпроцесса использовалось 6 слоев, при внедрении 90 нм техпроцесса в 2004 году применили 7 слоев кремния.

Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20 — 25 раз в течение нескольких недель.

Тестирование. Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на обратную сторону «похудевшей» пластины наносят слой специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к корпусу. Кроме того, этот слой обеспечивает электрический контакт между задней поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки.

После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. Если обнаруживаются неисправности, данные о них анализируют, чтобы понять, на каком этапе обработки возник сбой.

Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, который определяет, удовлетворяют ли характеристики изготовленных процессоров заданным требованиям.

Изготовление корпуса. После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Для разделения пластины используют специальную прецизионную пилу. Неработающие кристаллы отбраковываются.

Затем каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий и обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет впоследствии установлен. Крошечные шарики припоя, расположенные в определенных точках кристалла, припаивают к электрическим выводам корпуса. Теперь электрические сигналы могут поступать с платы на кристалл и обратно.

В будущих процессорах компания Intel применит технологию BBUL, которая позволит создавать принципиально новые корпуса с меньшим тепловыделением и емкостью между ножками CPU.

После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям: воздействию различных температурных и влажностных режимов, а также электростатических разрядов. После каждого нагрузочного испытания процессор тестируют для определения его функционального состояния. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Доставка. Процессоры, прошедшие тестирование, поступают на выходной контроль, задача которого — подтвердить, что результаты всех предыдущих тестов были корректными, а параметры интегральной схемы соответствуют установленным стандартам или даже превосходят их. Все процессоры, прошедшие выходной контроль, маркируют и упаковывают для доставки заказчикам.

Будущие технологии производства микропроцессоров

Известно, что существующие КМОП-транзисторы имеют много ограничений и не позволят в ближайшем будущем поднимать частоты процессоров также безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel сделали очень важное заявление о разработке новых материалов для полупроводниковых транзисторов будущего. Прежде всего, речь идет о новом диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k»-материал), который будет применяться взамен используемого сегодня диоксида кремния (SiO2), а также о новых металлических сплавах, совместимых с новым диэлектриком затвора. Решение, предложенное исследователями, снижает ток утечки в 100 раз, что позволяет вплотную подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается экспертами как маленькая революция в мире микроэлектронных технологий.

Чтобы понять, о чем идет речь, взглянем сначала на обычный МОП-транзистор, на базе которого делаются сложнейшие CPU.

В нем затвор из проводящего поликремния отделен от канала транзистора тончайшим (толщиной всего 1,2 нм или 5 атомов) слоем диоксида кремния (материала, десятилетиями используемого в качестве подзатворного диэлектрика).

Столь малая толщина диэлектрика необходима для получения не только малых габаритов транзистора в целом, но и для его высочайшего быстродействия (заряженные частицы передвигаются быстрее через затвор, в результате чего такой VT может переключаться до 10 миллиардов раз в секунду). Упрощенно — чем ближе затвор к каналу транзистора (то есть, чем тоньше диэлектрик), тем «большее влияние» в плане быстродействия он будет оказывать на электроны и дырки в канале транзистора.

Но с другой стороны, такой тонкий диэлектрик пропускает большие паразитные токи электронов утечки из затвора в канал (идеальный МОП-транзистор должен пропускать ток от истока к стоку и не пропускать — от затвора к истоку и стоку). И в современных высокоинтегрированных микросхемах с сотнями миллионов транзисторов на одном кристалле токи утечки затворов становятся одной из фатальных проблем, препятствующих дальнейшему наращиванию количества транзисторов на кристалле. Более того, чем меньше по размерам мы делаем транзистор, тем тоньше нужно делать подзатворный диэлектрик. Но при его толщинах менее 1 нм резко (по экспоненте) возрастают туннельные токи утечки, что делает принципиально невозможным создание традиционных транзисторов менее определенных «горизонтальных» размеров (если при этом мы хотим получить от них хорошие скоростные характеристики). По оценкам экспертов, в современных чипах почти 40% энергии может теряться из-за утечек.

Поэтому важность открытия ученых Intel нельзя недооценивать. После пяти лет исследований в лабораториях корпорации разработали специальный материал, позволяющий заменить традиционный диоксид кремния в обычном маршруте производства микросхем. Требования к такому материалу весьма серьезны: высокая химическая и механическая (на атомарном уровне) совместимость с кремнием, удобство производства в едином цикле традиционного кремниевого техпроцесса, но главное — низкие утечки и высокая диэлектрическая проницаемость.

Если мы боремся с утечками, то толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2-3 нм (см. рисунок выше). Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора (зависимость тока от напряжения) необходимо пропорционально увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. Если проницаемость объемного диоксида кремния равна 4 (или чуть меньше в сверхтонких слоях), то разумной величиной диэлектрической проницаемости нового «интеловского» диэлектрика можно считать величину в районе 10-12. Несмотря на то, что материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики или монокристалл кремния), тут не менее важны факторы технологической совместимости материалов. Поэтому для нового high-k-материала был разработан свой высокоточный процесс нанесения, во время которого формируется один молекулярный слой этого материала за один цикл.

Исходя из этой картинки можно предположить, что новый материал — это тоже оксид. Причем монооксид, что означает применение материалов преимущественно второй группы, например, магния, цинка или даже меди.

Но диэлектриком дело не ограничилось. Потребовалось сменить и материал самого затвора — привычный поликристаллического кремния. Дело в том, что замена диоксида кремния на high-k-диэлектрик ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием (ширина запрещенной зоны транзистора определяет минимально возможные для него апряжения). Эти проблемы удается устранить, если использовать специальные металлы для затворов транзисторов обоих типов (n-МОП и p-МОП) в сочетании с особым технологическим процессом. Благодаря этой комбинации материалов удается достичь рекордной производительности транзисторов и уникально низких токов утечки, в 100 раз меньших, чем при использовании нынешних материалов (см. график). В этом случае уже не возникает искушения использовать для борьбы с утечками значительно более дорогую технологию SOI (кремний на изоляторе), как это делают некоторые крупные производители микропроцессоров.

Отметим также еще одно технологическое новшество Intel — технологию напряженного (strained) кремния, которая впервые используется в 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Наконец-то, компания Intel в подробностях рассказала, каким именно образом происходит формирование слоев напряженного кремния в ее КМОП-структурах. КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов — n-МОП и p-МОП (см. рисунок).

В первом (n-MOS) канал транзистора (n-канал) проводит ток при помощи электронов (отрицательно заряженных частиц), а во втором (p-MOS) — при помощи дырок (условно положительно заряженных частиц). Соответственно, и механизмы формирования напряженного кремния у этих двух случаев различны. Для n-MOS-транзистора используется внешнее покрытие слоем нитрида кремния (Si3N4), который за счет механических напряжений немного (на доли процента) растягивает (в направлении протекания тока) кристаллическую решетку кремния под затвором, в результате чего рабочий ток канала возрастает на 10% (условно говоря, электронам становится более просторно двигаться в направлении канала). В p-MOS-транзисторах все наоборот: в качестве материала подложки (точнее — только областей стока и истока) используется соединение кремния с германием (SiGe), что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому дыркам становится «легче» «передвигаться» сквозь акцепторные атомы примеси, и рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дает 20-30-процентное усиление тока. Таким образом, применение технологии «напряженного кремния» в обоих типах устройств (n-MOS и p-MOS) приводит к значительному повышению производительности транзисторов при повышении себестоимости их производства всего лишь на ~2% и позволяет создавать более миниатюрные транзисторы следующих поколений. В планах Intel — использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22-нанометрового.

Материал с низкой диэлектрической проницаемостью используется в качестве диэлектрика медных соединений (см. рисунок) во всех техпроцессах Intel, начиная с 0,13-микронного.
Он уменьшает величину паразитной емкости, которая возникает между медными соединениями на кристалле, что повышает скорость передачи внутренних сигналов и уменьшает энергопотребление. Intel — первая и пока единственная компания, которая использует этот low-k-материал для изоляции межсоединений.

16 нм, 1,5 ГГц и поддержка DDR4-2400

Стало известно о том, что опытно-конструкторские работы по российским микропроцессорам следующего поколения «Эльбрус-16С» будут завершены в декабре этого года. Об этом сообщил представитель пресс-службы АО МЦСТ Максим Горшенин.

«По окончании разработки документация будет положена в архив и начнётся серийное производство микропроцессоров. Тогда же конечные данные для производства уйдут на завод для изготовления фотошаблонов, по которым уже будет изготовлена микросхема. Конец декабря 2021 года – это окончание разработки, а не постановка его на серийное производство. Постановка на производство занимает отдельное время (до полугода)», — сказал господин Горшенин журналистам.

Ожидается, что серийное производство процессоров «Эльбрус-16С», которые будут поддерживать аппаратную виртуализацию, начнётся в 2022 году. Поскольку они будут создаваться в соответствии с 16-нанометровым технологическим процессом, выпускаться чипы, вероятно, будут силами тайваньской TSMC. На данный момент в России не производится микроэлектроника по техпроцессу менее 65 нм.

В этом году от МЦСТ ждут запуск процессора «Эльбрус-8СВ», который должен стать улучшенной версией «Эльбрус-8С». Новинка отличается увеличенной до 1,5 ГГц рабочей частотой ядер, поддержкой оперативной памяти DDR4-2400 объёмом до 64 Гбайт на процессор, а также существенным приростом общей производительности, которого удалось добиться, в том числе благодаря удвоению количества обрабатываемых за такт операций (с 25 до 48).

Отмечается, что «Эльбрус-8СВ» станет значительно более мощным по сравнению с базовой версией. Уровень пиковой производительности нового процессора более чем в два раза выше по сравнению с показателем предшественника (576 GFLOPS у «Эльбрус-8СВ» и 250 GFLOPS у «Эльбрус-8С» для вычислений с одинарной точностью).

Согласно имеющимся данным, серийное производство «Эльбрус-8СВ» будет запущено во второй половине 2020 года.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Как на самом деле делают процессоры? РАЗБОР

Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.

Вот вам затравочка — 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и превращает ее в плазму — скажете фантастика?

А мы разберемся как это работает и расскажем об одной компании из Европы, которая стоит тенью за всеми гигантами Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung и другими и без нее никаких новых процессоров бы и не было. И нет это, к сожалению не Чебоксарский завод электроники.

Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии — нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите — сейчас все объясним.

Фотолитография

Начнем с простого примера — возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.

В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.

Хорошо — рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.

Опять же как и на фотопленке или фотобумаге — специальные слои материалов реагируют на свет!

После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!

Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.

Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именна эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.

Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длинный волны 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!

Длина волны на которой светит наш “фонарик” — это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.

Правило максимально простое: Меньше длина волны — больше разрешение, и меньше техпроцесс!

Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.

Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета — отсюда и название.

Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.

Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.

Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):

Здесь Лямбда — это и есть наша длина волны, а CD — это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии нельзя получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.

Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование. Назовем это принципом слоеного пирога!

Да — производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!

Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.

То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!

То есть можно сказать, что DUV — это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?

И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!

Посмотрите на фото — оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили — тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же — технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски — разница очевидна — границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?

Как работает EUV-литография

Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!

Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 годов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров — то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!

В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров — настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовой мир!

Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник — возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.

Все совсем не так просто!

Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?

Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими!!! Практически идеально гладкими!

Вот вом аналогия — растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее площадь должна быть такой гладкой, что ничего не должно выпирать больше чем на 1 миллиметр. Этот параметр называется шероховатостью линзы и у нужной нам он должен быть меньше 0.5 нанометра. Это уже близко к размерам АТОМА! Кто же сможет подковать блоху?

Конечно, Zeiss — только они на это способны! Да — та самая компания Zeiss, чьи линзы стоят на моем фотике, были в Nokia или во флагманах Sony Xperia.

Одна проблема решена — линзы есть!

Есть и вторая — этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!

Про частички пыли и грязи я вообще молчу — понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи кожи воздуха может испортить и маску и зеркала!

А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.

И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон — нам нужна плазма.

Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.

В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.

Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.

И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.

Компания, стоящая за производством всех процессоров

О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал, но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!

В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться — Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов — что за темная лошадка?

Все дело в том, что ASML создали тот самый инструмент без которого Apple, Самсунг и Intel с AMD фактически как без рук! Речь идет об установке стоимостью более 120 миллионов долларов. Она огромная, 180-тонная, потребляет почти 1 мегаватт электроэнергии, и ей нужно почти 1.5 тонны воды в минуту для охлаждения! Но даже при такой цене очереди на них стоят годами ведь в год этих машин производится несколько десятков штук.

Тут же стоит упомянуть немалый вклад российских умов. Например, один из создателей этой технологии — Банин Вадим Евгеньевич, сейчас директор по разработке в ASML. Также в компании работают и другие наши соотечественники!

Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!

Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячей компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!

Будущее

Но что же будет дальше! Вы что — думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет — мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!

Во-первых, прямо сейчас, пока вы смотрите это видео TSMC уже штампует новые процессоры для HUAWEI, Apple и Samsung с использованием EUV-литографии, но не на 7 нм, как было с Apple A13 и Kirin 990, а на 5 нм техпроцессе! И этому есть множества потверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое — A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5 нм и процессоры Google, о которых мы рассказывали отдельно! Qualcomm наверняка тоже подтянется за ними, но тут мы не располагаем данными!

А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!

Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика — она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.

Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты буду занимать еще большие размеры, посмотрите вот так для них делают оптику!

Этот год тяжелый для всех, но в тоже время — посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.

Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU — для нейровычислений.

Как работает процессор и что важно знать?

Процессор — сердце любого компьютера. Мы знаем, как он выглядит снаружи. Но интересно же — как он выглядит изнутри?

Intel® Core™ i7-1065G7, Ice Lake (10-е поколение), техпроцесс — 10 нм

Процессор состоит из миллиардов транзисторов сопоставимых по размеру с молекулой ДНК. Действительно размер молекулы ДНК составляет 10 нм. И это не какая-то фантастика! Каждый день процессоры помогают нам решать повседневные задачи. Но вы когда-нибудь задумывались, как они это делают? И как вообще люди заставили кусок кремния производить за них вычисления?

Сегодня мы разберем базовые элементы процессора и на практике проверим за что они отвечают. В этом нам поможет красавец-ноутбук — Acer Swift 7 с процессором Intel на борту.

Ядро процессора

Модель нашего процессора i7-1065G7. Он четырёхядерный и ядра очень хорошо видны на фотографии.

Каждое ядро процессора содержит в себе все необходимые элементы для вычислений. Чем больше ядер, тем больше параллельных вычислений процессор может выполнять. Это полезно для многозадачности и некоторых ресурсоемких задач типа 3D-рендеринга.

Например, для теста мы одновременно запустили четыре 4К-видео. Нагрузка на ядра рспределяется более менее равномерно: мы загрузили процессор на 68%. В итоге больше всего пришлось переживать за то хватит ли Интернет-канала. Современные процессоры отлично справляются с многозадачностью.

Почему это важно? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся — как же работает ядро?

По своей сути ядро — это огромный конвейер по преобразованию данных. На входе загружаем одно, на выходе получаем другое. В его основе лежат транзисторы. Это миниатюрные переключатели, которые могут быть в всего в двух состояниях: пропускать ток или нет. Эти состояния компьютер интерпретирует как нули и единицы, поэтому все данные в компьютере хранятся в двоичном коде.

Можно сказать, что компоненты внутри компьютера общаются между собой при помощи подобия Азбуки Морзе, которая тоже является примером двоичного кода. Только компьютер отстукивает нам не точки и тире, а нолики и единички. Казалось бы, вот есть какой-то переключатель, и что с ним можно сделать? Оказывается очень многое!

Если по хитрому соединить несколько транзисторов между собой, то можно создать логические вентили. Это такие аналоговые эквиваленты функции “если то”, ну как в Excel. Если на входе по обоим проводам течет ток, то на выходе тоже будет течь или не будет или наоборот, вариантов не так уж и много — всего семь штук.

Но дальше комбинируя вентили между собой в сложные аналоговые схемы, мы заставить процессор делать разные преобразования: складывать, умножать, сверять и прочее.

Поэтому ядро процессора состоит из множества очень сложных блоков, каждый из которых может сделать с вашими данными что-то своё.

Прям как большой многостаночный завод, мы загружаем в него сырье — наши данные. Потом всё распределяем по станкам и на выходе получаем результат.

Но как процессор поймёт, что именно нужно делать с данными? Для этого помимо данных, мы должны загрузить инструкции. Это такие команды, которые говорят процессору:

• это надо сложить,
• это перемножить,
• это просто куда-нибудь отправить.

Инструкций очень много и для каждого типа процессора они свои. Например, в мобильных процессорах используется более простой сокращённый набор инструкций RISC — reduced instruction set computer.

А в ПК инструкции посложнее: CISC — complex instruction set computer.

Поэтому программы с мобильников не запускаются на компах и наоборот, процессоры просто не понимают их команд. Но чтобы получить от процессора результат недостаточно сказать — вот тебе данные, делай то-то. Нужно в первую очередь сказать, откуда брать эти данные и куда их, собственно, потом отдавать. Поэтому помимо данных и инструкций в процессор загружаются адреса.

Память

Для выполнения команды ядру нужно минимум два адреса: откуда взять исходные данные и куда их положить.

Всю необходимую информацию, то есть данные, инструкции и адреса процессор берёт из оперативной памяти. Оперативка очень быстрая, но современные процессоры быстрее. Поэтому чтобы сократить простои, внутри процессора всегда есть кэш память. На фото кэш — это зелёные блоки. Как правило ставят кэш трёх уровней, и в редких случаях четырёх.

Самая быстрая память — это кэш первого уровня, обозначается как L1 cache. Обычно он всего несколько десятков килобайт. Дальше идёт L2 кэш он уже может быть 0,5-1 мб. А кэш третьего уровня может достигать размера в несколько мегабайт.

Правило тут простое. Чем больше кэша, тем меньше процессор будет обращаться к оперативной памяти, а значит меньше простаивать.

В нашем процессоре кэша целых 8 мб, это неплохо.

Думаю тут всё понятно, погнали дальше.

Тактовая частота

Если бы данные в процессор поступали хаотично, можно было бы легко запутаться. Поэтому в каждом процессоре есть свой дирижёр, который называется тактовый генератор. Он подает электрические импульсы с определенной частотой, которая называется тактовой частотой. Как вы понимаете, чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор.

Занимательный факт. По-английски, тактовая частота — это clock speed. Это можно сказать буквальный термин. В компьютерах установлен реальный кристалл кварца, который вибрирует с определенной частотой. Прямо как в наручных кварцевых часах кристалл отсчитывает секунды, так и в компьютерах кристалл отсчитывает такты.

Обычно частота кристалла где-то в районе 100 МГц, но современные процессоры работают существенно быстрее, поэтому сигнал проходит через специальные множители. И так получается итоговая частота.

Современные процессоры умеют варьировать частоту в зависимости от сложности задачи. Например, если мы ничего не делаем и наш процессор работает на частоте 1,3 ГГц — это называется базовой частотой. Но, к примеру, если архивируем папку и мы видим как частота сразу увеличивается. Процессор переходит в турбо-режим, и может разогнаться аж до 3,9 ГГц. Такой подход позволяет экономить энергию, когда процессор простаивает и лишний раз не нагреваться.

А еще благодаря технологии Intel Hyper-threading, каждое ядро делится на два логических и мы получаем 8 независимых потоков данных, которые одновременно может обрабатывать компьютер.

Что прикольно, в новых процессорах Intel скорость частот регулирует нейросеть. Это позволяет дольше держать турбо-частоты при том же энергопотреблении.

Вычислительный конвейер

Так как ядро процессора — это конвейер, все операции через стандартные этапы. Их всего четыре штуки и они очень простые. По-английски называются: Fetch, Decode, Execute, Write-back.

1. Fetch — получение
2. Decode — раскодирование
3. Execute — выполнение
4. Write-back — запись результата

Сначала задача загружается, потом раскодируется, потом выполняется и, наконец, куда-то записывается результат.

Чем больше инструкций можно будет загрузить в конвейер и чем меньше он будет простаивать, тем в итоге будет быстрее работать компьютер.

Предсказатель переходов

Чтобы конвейер не переставал работать, инженеры придумали массу всяких хитростей. Например, такую штуку как предсказатель переходов. Это специальный алгоритм, который не дожидаясь пока в процессор поступит следующая инструкция её предугадать. То есть это такой маленький встроенный оракул. Вы только дали какую-то задачу, а она уже сделана.

Такой механизм позволяет многократно ускорить систему в массе сценариев. Но и цена ошибки велика, поэтому инженеры постоянно оптимизируют этот алгоритм.

Микроархитектура

Все компоненты ядра, как там всё организовано, всё это называется микроархитектурой. Чем грамотнее спроектирована микроархитектура, тем эффективнее работает конвейер. И тем больше инструкций за такт может выполнить процессор. Этот показатель называется IPC — Instruction per Cycle.

А это значит, если два процессора будут работать на одинаковой тактовой частоте, победит тот процессор, у которого выше IPC.

В процессорах Ice Lake, Intel использует новую архитектуру впервые с 2015 года. Она называется Sunny Cove.

Показатель IPC в новой архитектуре аж на 18% на выше чем в предыдущей. Это большой скачок. Поэтому при выборе процессора обращаете внимание, на поколение.

Система на чипе

Естественно, современные процессоры — это не только центральный процессор. Это целые системы на чипе с множеством различных модулей.

ГП

В новый Intel больше всего места занимает графический процессор. Он работает по таким же принципам, что и центральный процессор. В нём тоже есть ядра, кэш, он тоже выполняет инструкции. Но в отличие от центрального процессора, он заточен под только под одну задачу: отрисовывать пиксели на экране.

Поэтому в графический процессорах ядра устроены сильно проще. Поэтому их даже называют не ядрами, а исполнительными блоками. Чем больше исполнительных блоков тем лучше.

В десятом поколении графика бывает нескольких типов от G1 до G7. Это указывается в названии процессора.

А исполнительных блоков бывает от 32 до 64. В прошлом поколении самая производительная графика была всего с 24 блоками.

Также для графики очень важна скорость оперативки. Поэтому в новые Intel завезли поддержку скоростной памяти DDR4 с частотой 3200 и LPDDR4 с частотой 3733 МГц.

У нас на обзоре ноутбук как раз с самой топовой графикой G7. Поэтому, давайте проверим на что она способна! Мы проверили его в играх: CS:GO, Dota 2 и Doom Eternal.

Что удобно — Intel сделали портал gameplay.intel.com, где по модели процессора можно найти оптимальные настройки для большинства игр.

В целом, в Full HD разрешении можно комфортно играть в большинство игр прямо на встроенной графике.

Thunderbolt

Но есть в этом процессоре и вишенка на торте — это интерфейс Thunderbolt. Контроллер интерфейса расположен прямо на основном кристалле, вот тут.

Такое решение позволяет не только экономить место на материнской плате, но и существенно сократить задержки. Проверим это на практике.

Подключим через Thunderbolt внешнюю видеокарту и монитор. И запустим те же игры. Теперь у нас уровень производительности ноутбука сопоставим с мощным игровым ПК.

Но на этом приколюхи с Thunderbolt не заканчиваются. К примеру, мы можем подключить SSD-диск к монитору. И всего лишь при помощи одного разъёма на ноуте мы получаем мощный комп для игр, монтажа и вообще любых ресурсоемких задач.

Мы запустили тест Crystalmark. Результаты вы видите сами.

Но преимущества Thunderbolt на этом не заканчиваются. Через этот интерфейс мы можем подключить eGPU, монитор, и тот же SSD и всё это через один кабель, подключенный к компу.

Надеюсь, мы помогли вам лучше разобраться в том, как работает процессор и за что отвечают его компоненты.

Post Views:
2 483

Как устроен процессор? Разбираемся вместе

Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезызвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние «0» или «1».

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Вдыхаем!

Кремний (он же Si – «silicium» в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы «–» касался p-стороны пластины, а «+» – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. «+» от источника к p-стороне, а «–» – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив «+» контакт на «центральную» p-область (базу), а «–» контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

Выдыхаем!

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – «0».
При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или «1» в двоичной системе.
Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

• 1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
• 70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
• 1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
• 1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
• 1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
• 1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
• 1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
• 1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.
• 1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.
• 1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
• 1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

• кэш-памяти;
• конвейера;
• встроенного сопроцессора;
• множителя.

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

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

В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.

В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.

Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.

В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:

Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому — атомарная природа вещества.

Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.

И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.

«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.

Первый вариант – квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.

К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!

Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.

Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.

Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.

Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.

Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность – главный конек x86.

Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:

• сложность команд и откровенная их запутанность;
• высокое потребление энергии и выделение теплоты.

За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.

В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.

В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.

Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.

Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь — самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.

Архитектуру ARM в свое время поддержала компания Apple, запустив производство планшетов Newton на базе семейства ARM-процессоров ARM6.

Продажи стационарных компьютеров стремительно падают, в то время как количество ежегодно реализуемых мобильных устройств уже исчисляется миллиардами. Зачастую, помимо производительности, при выборе электронного гаджета пользователя интересуют еще несколько критериев:

• мобильность;
• автономность.

x86 архитектура сильна в производительности, но стоит вам отказаться от активного охлаждения, как мощный процессор покажется жалким на фоне архитектуры ARM.

Вряд ли вы будете удивлены, что ваш смартфон, будь то простенький Android или флагман Apple 2016 года в десятки раз мощнее полноценных компьютеров эпохи конца 90-х.

Но во сколько мощнее тот же айфон?

Само по себе сравнение двух разных архитектур – штука очень сложная. Замеры здесь можно выполнить лишь приблизительно, но понять то колоссальное преимущество, что дает построенные на ARM-архитектуре процессоры смартфона, можно.

Универсальный помощник в таком вопросе – искусственный тест производительности Geekbench. Утилита доступна как на стационарных компьютерах, так и на Android и iOS платформах.

Средний и начальный класс ноутбуков явно отстает от производительности iPhone 7. В топовом сегменте все немного сложнее, но в 2017 году Apple выпускает iPhone X на новом чипе A11 Bionic.

Там, уже знакомая вам архитектура ARM, но показатели в Geekbench выросли почти вдвое. Ноутбуки из «высшего эшелона» напряглись.

А ведь прошел всего один год.

Развитие ARM идет семимильными шагами. Пока Intel и AMD год за годом демонстрируют 5 – 10% прирост производительности, за тот же период производители смартфонов умудряются повысить мощность процессоров в два – два с половиной раза.

Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер – это то, что прежде всего имеет значение.

Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?

Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера – процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.

Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.

Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?

Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.

Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.

На ARM успела посмотреть и Google – операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.

И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.

🤓 Хочешь больше? Подпишись на наш Telegram.

… и не забывай читать наш Facebook и Twitter
🍒

В закладки

iPhones.ru

Большая статья, наливайте чай.

• До ←
  

  20 штук из Китая, которые стоит заказать прямо сейчас

• После →
  

  МТС будет нагло списывать деньги с неактивных абонентов

Это проницательное видео Intel объясняет, как делаются процессоры, на словах вы действительно можете понять

Да, компьютерные процессоры работают. Но задумывались ли вы когда-нибудь о , как они работают с ? Сегодня Intel опубликовала увлекательное анимационное видео, в котором рассказывается о «ключевых концепциях и их роли в производстве микросхем». Болтливый процессор «Chip», который проведет вас по видео, вызывает воспоминания о пугающем Clippy, представленном Microsoft в Office 97 (и убитом в 2014 году), тем не менее, стоит потратить пять минут, чтобы посмотреть его, если вам когда-либо было интересно. в том, как оживает мозг вашего компьютера.

Энтузиасты ПК часто используют такие термины, как транзисторы, кремниевые пластины, фотолитографические маски, межкомпонентные соединения и подложки. Видео Intel дает отличный общий обзор того, что на самом деле означает . А еще лучше, он делает это дружелюбно и доступно, так что вы действительно можете осмыслить, даже если у вас нет инженерного образования. Посмотрев его, вы лучше оцените всю тяжелую работу, которую выполняет крутой процессор, лежащий в основе вашей игровой системы.

Оцените это!

Хотите еще глубже погрузиться в кроличью нору? Вчера Intel также опубликовала видео, в котором подробно рассматривается транзисторная технология, хотя оно не так доступно для нетехнических специалистов. «Узнайте больше о том, как мы превращаем песок в кремниевые чипы, которые питают мир», — обещает он.

В последнее время Intel предлагает более полезную информацию. Ранее в этом году компания распахнула двери в свои секретные лаборатории разгона, рассказав, что инженеры Intel используют для увеличения тактовой частоты процессора до 11.

Если вы хотите узнать больше о том, как изготавливаются компоненты вашего ПК, несколько экскурсий по фабрике пролили свет на различные компоненты оборудования. Они не столь высокоуровневы, как видео о микросхемах Intel — они не объясняют базовых понятий, просто показывают, как делается колбаса, — но тем не менее они проливают свет.

Мы разместили наши камеры на заводе материнских плат Gigabyte, а Gamers Nexus подробно рассказал о производстве кулеров AMD Ryzen, кулеров Cooler Master и DeepCool, корпусов NZXT, закаленного стекла и медных тепловых трубок.Мы встроили их все ниже, чтобы вам было удобно просматривать.

Примечание. Когда вы покупаете что-то после перехода по ссылкам в наших статьях, мы можем получить небольшую комиссию.Прочтите нашу политику в отношении партнерских ссылок для получения более подробной информации.

Как делаются процессоры? :akenlikeimfive

Ух ты, честно говоря, невероятная коллекция изображений. Престижность! У меня был курс в бакалавриате, где мы, по сути, разрабатывали простые схемы CMOS (например, сумматор) в микроволновом диапазоне … что за ужасная вещь.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Я думаю, что смог восстановить исходное сообщение из моего кеша. Непросто извлечь какой-то текст из кеша и преобразовать его в уценку, но, черт возьми, если я собираюсь оставить вас всех в подвешенном состоянии.

В картинках

Современные процессоры программного обеспечения спроектированы почти как лего, где каждая часть представляет функцию / особенность процессора, а затем программное обеспечение отвечает за создание схемы, которую можно изготовить. Этот дизайн выполняется с помощью комбинации автоматизированных инструментов, которые используют дизайн высокого уровня, библиотеку предварительно разработанных схем и ручную настройку.

Шаг 1 :

Схема ЦП — уровень блоков

Этот простой ЦП можно нарисовать на одном листе бумаги, этот дизайн взят из проекта с открытым исходным кодом.

Схема ЦП — системный уровень

ЦП имеет другие компоненты помимо фактического «процессора», обычно вспомогательные схемы, которые имеют дело с тактовой частотой и доступом к памяти

Эти блок-схемы соединяются вместе с помощью расширенного программного обеспечения, которое отслеживает провода / соединения и внутренние детали каждого из них, в конце дня программное обеспечение скомпилирует ваш проект в базовые строительные блоки, подходящие для технологии, которую вы будете использовать для создания ЦП

Шаг 2 :

Схема схемы — CMOS

Деталь

A В результате сложного процесса проектирования конструкция ЦП превращается в схему, которую можно изготовить.Современные процессоры используют технологию производства, известную как CMOS, для изготовления миниатюрных транзисторных схем. Технология CMOS позволяет добавлять тонкие слои металла и изменять и разъедать кремний, поэтому схема спроектирована в виде «стопки» слоев, как слои Photoshop, которые либо маскируют, добавляют, либо удаляют материал.

Стек слоев CMOS

Шаг 3 :

Изготовление CMOS

Чипы производятся с использованием большого количества машин на заводах, которые полностью изолированы от внешнего воздуха в максимально возможной степени (чистая комната).

Машина использует слои схемы, созданные выше, для пошагового изготовления с использованием процесса CMOS

Подготовка пластины — Подготовка кремния для производства

Инжекция ионов — Измените кремний, чтобы получить желаемую схему

Травление — Ешьте В гостях

Нанесение — нанести новый металл или другие слои

Маскирование — выбрать области, на которые вы хотите воздействовать

В конце дня есть другие, более «рутинные» ручные шаги, которые необходимо выполнить,

Нарезка микросхемы

Упаковка микросхемы

Что делает ЦП лучше / дороже

На этапе проектирования вы пытаетесь достичь определенных целей с помощью ЦП, обычно продиктованных маркетингом (показатели производительности для целевого рынка)

Это может означать вкладывать деньги в исследования и разработки, чтобы оптимизировать компонент вашего дизайна (скажем, ваша схема памяти слишком медленная).Или оптимизировать всю систему (ввести новую шину ЦП для ускорения обмена данными между компонентами)

Это может означать вкладывать деньги в покупку новейшего и лучшего производственного оборудования, чтобы ваша конструкция стала более компактной и, возможно, производимой

Это может означать мультиплексирование конструкции так что вы набиваете больше на чип.

В конце концов, лучшая микросхема обычно либо 1. Возможна только при использовании передового / передового производства 2. Реализация новой или оптимизированной конструкции для достижения более высоких целей производительности (что также может зависеть от передового производства).

См. Также :

Wikipedia — CMOS

Wikipedia — Atomic Layer Deposition

Wikipedia — IC Packaging

Wikipedia — Производство полупроводников

Лекция о процессе производства CMOS CPU

! Все объяснил. | by Shubham

Процессор является неотъемлемой частью всех известных нам умных устройств, таких как компьютеры, смартфоны, умные часы и т. д. Но задумывались ли вы, как они сделаны? Наверное, нет, так что давайте посмотрим, как они сделаны!

1.Песок:

Песок — это основной или ключевой элемент, из которого состоят процессоры. Но на самом деле это не песок, а содержащийся в нем кремний. Песок на 25 процентов состоит из кремния. Песок, особенно кварцевый, состоит из большого количества кремния в виде SiO2. Итак, кремний — это основной элемент, из которого изготавливаются полупроводники.

2. Очистка и плавление кремния:

Слиток

После отделения сырого песка и кремния кремний очищают в несколько этапов. После очистки он наконец достигает стадии, когда он готов к производству полупроводников.На данном этапе кремний известен как «Кремний электронного качества» . Следующим этапом является плавление кремния электронного качества. После плавления кремния ему придают форму монокристалла. Этот монокристалл известен как «Слиток» . Слиток весит около 100 кг, а содержание кремния составляет 99,9999%.

3. Нарезка слитков и полировка пластин:

Нарезка слитков

Слиток нарезается очень тонкой и острой пилой на отдельные диски, известные как «Вафли» .Эти пластины могут быть разных размеров в зависимости от требований. Общий размер пластин 300 нм. После резки вафли полируют до получения гладких зеркальных поверхностей.

4. Нанесение фоторезиста и воздействие УФ-излучения:

Нанесение фоторезиста УФ-световое излучение

Во время вращения пластины на высокой скорости на нее заливается синяя жидкость для фоторезиста. Из-за высокой скорости вращения пластины на ее поверхность наносится тонкий и прочный слой.

По завершении нанесения фоторезиста пластина подвергается воздействию ультрафиолетового света, который выполняет химическую реакцию. Экспозиция выполняется с использованием так называемых «масок» . Эти маски действуют как трафареты, в то время как между маской и пластиной есть линза. Этот объектив уменьшает изображение маски до небольшой точки фокусировки. Благодаря этому размер линзы становится в четыре раза меньше, чем у оригинала. Эта процедура повторяется несколько раз, чтобы получить узор, похожий на узор маски.Маски используются для создания различных схем. Материал поверхности пластин после экспонирования становится растворимым.

5. Промывка и травление фоторезиста:

Мойка фоторезиста Этчинг

Растворимый материал на поверхности затем растворяется и промывается растворителем. Это раскрывает узоры, сделанные на маске. Затем химический растворитель используется для травления или частичного растворения обнаженной части подложки. После травления слой фоторезиста смывается аналогичным способом, что позволяет обнажить желаемую поверхность гравировки.

6. Ионное легирование:

ионное легирование

Перед ионным легированием пластины снова покрываются фоторезистом, а затем снова смываются. Затем посредством ионной имплантации открытые участки кремниевой пластины бомбардируются ионами. И они меняют способ, которым кремний в этих областях проводит электричество. После завершения ионной имплантации фоторезист удаляется, и область ионного легирования становится зеленой.

После этого на верхнем изоляционном слое над транзистором протравливаются три отверстия.И эти три отверстия позже заполняются медью, чтобы соединить транзистор.

7. Гальваника и наслоение:

Гальваника и ионное легирование

Кремниевые пластины помещают в раствор медного купороса, так что только его верхняя часть подвергается воздействию. А затем при гальванике ионы меди осаждаются на поверхности пластины.

Ионы меди оседают на поверхности пластины, образуя тонкий слой меди. Затем излишки материала смываются, и остается очень тонкий слой меди.Это составляет весь транзистор, и после этого эти транзисторы соединены несколькими слоями.

Layering

Различные транзисторы связаны друг с другом в соответствии с архитектурой и конструкцией конкретного процессора. Это формирует сложную схему, которая может иметь более 20 слоев.

8. Тестирование и нарезка пластин:

Тестирование пластин Нарезка пластин

На этом этапе пластина проходит проверку функциональности. На этом этапе пластина проходит через несколько тестовых шаблонов, и ответ сравнивается с правильным ответом.Эти тесты определяют хорошее функционирование пластин. Затем эти пластины разрезают на мелкие кусочки, называемые «плашками» . Хороший кубик означает, что кубик, который дает правильный ответ, проходит проверку, а плохие кубики отбрасываются. Пройденные штампы переходят к следующему этапу — упаковке.

9. Тестирование и упаковка ЦП:

Упаковка ЦП

В упаковке подложка (нижележащий слой), кристалл и теплоотвод помещаются вместе, образуя законченный процессор. На серебряный радиатор нанесен охлаждающий раствор, контролирующий нагрев процессора.После этого идет финальный тест, в котором CPU тестируется на максимальной частоте.

Активное охлаждение процессоров не требовалось до 80386. До этого использовалась только керамическая крышка, потому что процессорам не хватало вычислительной мощности для выработки тепла. Современные процессоры выделяют столько тепла, что могут расплавиться за несколько секунд. То есть радиатор подключается к большему радиатору (и вентилятору), чтобы они работали дольше.

10.Биннинг:

ЦП биннинг

Хотя можно сказать, что ЦП готов, но есть еще один последний шаг, который включает измерение его фактических характеристик. Такие характеристики, как напряжение, тепловыделение, частота, рабочие характеристики тайников и т. Д., Измеряются в биннинге. Лучшие чипы объединяются как высокопроизводительные чипы с включенным полным кешем. В то время как чипы, которые не работают хорошо, продаются с их более низкими тактовыми частотами или как двух- или трехъядерные вместо четырехъядерных. У других может даже быть отключена половина кеша (celeron).Здесь определяются скорости и напряжения. Например, только 5% производимых чипов могут работать на частоте 3,2 ГГц, в то время как только 50% могут работать на частоте 2,8 ГГц.

И, наконец, эти испытанные и изготовленные процессоры готовы к отправке в магазины!

Эта статья изначально была опубликована на SpiderPosts.com

Производство чипов

/ Sudo Null IT News

Это третья статья из серии, посвященной дизайну ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и подробно объяснили его работу.Во второй статье рассказывалось о конструкции и реализации некоторых компонентов микросхемы. В третьей части мы узнаем, как архитектурные конструкции и электрические схемы становятся физическими микросхемами.

Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберемся.

Часть 1: Основы компьютерной архитектуры (архитектура наборов команд, кэширование, конвейеры, гиперпоточность)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компоновка микросхемы и физическое производство (СБИС и производство кремния)
Часть 4: Текущие тенденции и важные будущие направления в компьютерной архитектуре (море ускорителей, трехмерная интеграция, FPGA, вычисления с близкой к памяти)

Как упоминалось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика состоит из транзисторов .Транзистор — это электрически управляемый переключатель, который можно включать и выключать, подавая или отключая напряжение затвора. Мы сказали, что существует два типа транзисторов: устройства nMOS пропускают ток, когда затвор включен, и устройства pMOS пропускают ток, когда затвор выключен. Базовая структура процессора — кремниевые транзисторы. Кремний — это полупроводник , потому что он занимает промежуточное положение — он не проводит ток полностью, но это не изолятор.

Чтобы превратить кремниевую пластину в практическую электрическую схему путем добавления транзисторов, инженеры-технологи используют процесс, называемый легирование . Легирование — это процесс добавления тщательно отобранных примесей к основной кремниевой подложке для изменения ее проводимости. Цель состоит в том, чтобы изменить поведение электронов, чтобы мы могли ими управлять. Есть два типа транзисторов и, следовательно, два основных типа легирования.

Процесс изготовления пластины перед помещением микросхемы в корпус.

Если мы добавим точно контролируемое количество электронодонорных элементов, таких как мышьяк, сурьма или фосфор, мы можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда произошло название типа (n — отрицательный) и буква «n» в nMOS. Добавляя к кремнию элементы-акцепторы электронов, такие как бор, индий или галлий, мы можем создать положительно заряженную область p-типа.Отсюда появилась буква «p» в p-типе и pMOS (p — положительный). Конкретные процессы добавления этих примесей к кремнию называются ионной имплантацией и диффузией ; мы не будем их рассматривать в статье.

Теперь, когда мы можем контролировать электропроводность отдельных частей кремниевой пластины, мы можем комбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называемые полевыми МОП-транзисторами (металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы, структуры МОП, структуры металл-оксид-проводник), имеют четыре соединения.Управляемый нами ток протекает между истоком и стоком. В n-канальном устройстве ток обычно входит в сток и покидает исток, тогда как в p-канальном устройстве он обычно течет от истока и выходит из стока. Затвор — это переключатель, используемый для включения и выключения транзистора. Наконец, устройство имеет корпус транзистора (Body), который не относится к процессору, поэтому мы не будем его рассматривать.

Физическая структура инвертора на кремнии. Области разного цвета имеют разные свойства проводимости.Обратите внимание, как различные кремниевые компоненты соответствуют диаграмме справа.

Технические детали работы транзисторов и взаимодействия отдельных областей являются содержанием всего курса колледжа, поэтому мы коснемся только основ. Хорошая аналогия их работы — подъемный мост через реку. Автомобили — электроны в транзисторе — хотят перетекать с одного берега реки на другой, это исток и сток транзистора. В качестве примера возьмем устройство nMOS: когда заслонка не заряжена, подъемный мост поднимается, и электроны не могут проходить через канал.Когда мы опускаем мост, мы образуем дорогу через реку, и машины могут двигаться свободно. То же самое происходит и с транзистором. Зарядный затвор образует канал между истоком и стоком, позволяя току течь.

Для точного контроля расположения различных областей p и n на кремнии такие производители, как Intel и TSMC, используют процесс, называемый фотолитография . Это чрезвычайно сложный многоступенчатый процесс, и компании тратят миллиарды долларов на его улучшение, чтобы создавать более компактные, быстрые и более энергоэффективные транзисторы.Представьте себе сверхточный принтер, который вы можете использовать для рисования силиконовых узоров для каждой области.

Процесс изготовления транзисторов на кристалле начинается с чистой кремниевой пластины (подложки). Его нагревают в духовке, чтобы на поверхности пластины образовался тонкий слой диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится фоточувствительный фоторезистивный полимер. Освещая полимер светом определенных частот, мы можем обнажить полимер в тех областях, где мы хотим выполнить легирование.Это этап литографии, он похож на то, как принтеры наносят чернила на определенные области страницы, только в меньшем масштабе.

Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения кремнезема в местах удаления полимера. Затем фоторезист удаляется, под ним остается только оксидный слой. Теперь на пластину можно наносить легирующие ионы, которые имплантируются только в места, где отсутствует оксид.

Этот процесс маскировки, формирования и легирования повторяется десятки раз, чтобы постепенно создавать каждый уровень элементов в полупроводнике.Завершив базовый уровень кремния, вы можете создать сверху металлические соединения, которые соединяют разные транзисторы. Чуть позже мы поговорим подробнее об этих составах и слоях металлизации.

Конечно, производители микросхем не проводят процесс создания транзисторов под одну. При разработке нового чипа они генерируют маски для каждого этапа производственного процесса. Эти маски содержат расположение каждого элемента миллиарда транзисторов микросхемы. Несколько микросхем сгруппированы вместе и сделаны вместе на одной микросхеме.

После изготовления пластина разрезается на отдельные кристаллы, которые помещаются в корпус
. Каждая пластина может содержать сотни и даже больше фишек. Обычно, чем мощнее сделан чип, тем больше будет кристалл и тем меньше чипов производитель может получить с каждой пластины.

Вы могли подумать, что нам просто нужно производить огромные сверхмощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время наиболее серьезным фактором, препятствующим созданию микросхем все большего размера, являются дефекты производственного процесса.Современные микросхемы содержат миллиарды транзисторов, и если хотя бы одна часть одного транзистора выйдет из строя, то весь чип может вылететь. По мере увеличения размера процессоров вероятность неисправности микросхемы увеличивается.

Компании тщательно скрывают производительность производственных процессов своих чипов, но ее можно приблизительно оценить в 70-90%. Компании обычно производят микросхемы с маржой, потому что знают, что некоторые детали не будут работать. Например, Intel может разработать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный, поскольку ожидает, что одно или два ядра будут повреждены.Чипы с необычно низким уровнем брака обычно выставляются на продажу по более высокой цене. Этот процесс называется биннингом .

Одним из самых серьезных маркетинговых параметров, связанных с производством микросхем, является размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нанометровый процесс, AMD использует 7-нанометровый процесс для некоторых графических процессоров, а TSMC начала работу над 5-нанометровым процессом. Но что означают все эти цифры? Традиционно размером элемента называется минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора.В процессе развития технологий мы научились уменьшать количество транзисторов, чтобы все больше и больше их помещалось на одном кристалле. По мере того, как транзисторы уменьшаются, они также становятся все быстрее и быстрее.

Глядя на эти числа, важно помнить, что некоторые компании могут основывать размер производственного процесса не на стандартном расстоянии, а на других значениях. Это означает, что процессы с разными размерами в разных компаниях могут фактически привести к созданию транзисторов одинакового размера.С другой стороны, не все транзисторы в отдельном производственном процессе имеют одинаковый размер. Ради компромисса разработчики могут решить сделать одни транзисторы больше, чем другие. Маленький транзистор будет работать быстрее, потому что на зарядку и разрядку его затвора уходит меньше времени. Однако небольшие транзисторы могут управлять только очень небольшим количеством выходов. Если часть логики управляет чем-то, для чего требуется много энергии, например, выходным контактом, то этого придется сделать гораздо больше. Такие выходные транзисторы могут быть на порядки больше

Кристаллический снимок современного процессора AMD Zen.Эта конструкция состоит из нескольких миллиардов транзисторов.

Однако конструкция и изготовление транзисторов — это только половина микросхемы. Нужны проводники, чтобы все подключить по схеме. Эти соединения создаются с использованием слоев покрытия поверх транзисторов. Представьте себе многоуровневую транспортную развязку с въездами, съездами и множеством пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. Различные процессоры имеют разное количество металлических связующих слоев над транзисторами.Количество транзисторов уменьшается, и для маршрутизации всех сигналов требуется все больше и больше слоев металлизации. Сообщается, что в будущем 5-нанометровом техпроцессе TMSC будет использоваться 15 слоев. Представьте себе 15-уровневую вертикальную дорожную развязку — это даст вам представление о том, насколько сложна трассировка внутри микросхемы.

На изображении ниже, полученном с помощью микроскопа, показана сетка, образованная семью слоями металлизации. Каждый слой плоский, и когда он поднимается вверх, слои становятся больше, чтобы уменьшить сопротивление. Между слоями есть крошечные металлические цилиндры, называемые перемычками, которые используются для перехода на более высокий уровень.Обычно каждый слой меняет направление относительно слоя под ним, чтобы уменьшить нежелательную емкость. Нечетные слои металлизации можно использовать для создания горизонтальных стыков, а четные — для вертикальных.

Вы можете понять, что управление всеми этими сигналами и слоями металлизации очень быстро становится невероятно сложным. Чтобы решить эту проблему, используются компьютерные программы, которые автоматически устанавливают и подключают транзисторы. В зависимости от сложности конструкции программы могут даже переводить функции высокоуровневого кода C в физическое расположение каждого проводника и транзистора.Обычно разработчики микросхем позволяют компьютерам автоматически создавать основную часть проекта, а затем вручную изучать и оптимизировать отдельные критически важные детали.

Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставленных производителем чипа. Например, Intel или TSMC предоставляет разработчикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Разработчики могут комбинировать эти стандартные элементы в любой микросхеме, которую они хотят произвести. Затем их отправляют на завод — место, где сырой кремний превращается в рабочие микросхемы — электрические схемы транзисторов микросхемы и слои металлизации.Эти схемы превращаются в маски, которые используются в описанном выше производственном процессе. Далее мы посмотрим, как может выглядеть процесс разработки чрезвычайно простого чипа.

Сначала мы видим схему инвертора, которая представляет собой стандартную ячейку. Заштрихованный зеленый прямоугольник вверху — это транзистор pMOS, а прозрачный зеленый прямоугольник внизу — транзистор nMOS. Красный вертикальный проводник — это поликремний затвор, синие области — это металлизация 1, а фиолетовые области — это металлизация 2.Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Подключение питания и заземления выполнено сверху и снизу на металлизации 2.
Объединив несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта конструкция может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными входами. Заштрихованные синие проводники, идущие вверх, — это слои металлизации 3. Квадраты немного большего размера на концах проводников — это перемычки, соединяющие два слоя.
Наконец, объединив вместе множество ячеек и примерно 2000 транзисторов, мы получили простой 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырех слоях металлизации.Видя, насколько это сложно, вы можете только представить, насколько сложно разработать 64-битный процессор с мегабайтами кеш-памяти, несколькими ядрами и более чем 20 этапами конвейера. Учитывая, что современные высокопроизводительные процессоры имеют до 5-10 миллиардов транзисторов и дюжину слоев металлизации, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.

Это позволяет нам понять, почему новый процессор является такой дорогой технологией и почему AMD и Intel так долго выпускают новые продукты.Чтобы новый чип вышел с чертежной доски на рынок, обычно требуется 3-5 лет. Это означает, что самые быстрые современные чипы основаны на технологиях, которым уже несколько лет, и что в течение многих лет мы не увидим чипов с современным уровнем технологий производства.

В четвертой и последней статье цикла мы вернемся к физической сфере и рассмотрим современные тенденции в отрасли. Что разрабатывают исследователи, чтобы сделать следующее поколение компьютеров еще быстрее?

Будущее процессоров, часть 2: Процессы

Ограничения современных технологий производства и фундаментальной физики скоро положат конец росту производительности / цены процессора, как мы знали это в эпоху кремния / закона Мура.То, что будет дальше, все еще обретает форму.

Разработка новых процессоров — это одна из составляющих развития микросхем, но они идут рука об руку с новыми технологиями и достижениями в том, как они сделаны и из чего они сделаны. «Процесс» — это сокращение для общего набора дизайна и производства, который на самом деле производит чипы, и до настоящего времени успехи, как правило, заключались в уменьшении размеров деталей, в более сложных моделях и из постоянно увеличивающегося набора материалов.

Intel характеризует развитие микросхемы как «тик-так». «Галочка» — это старый дизайн, реализованный в новом процессе, а «галочка» — это новый дизайн в старом процессе. Оба варианта повышают производительность и сокращают затраты, а двухэтапный подход сводит к минимуму риск того, что что-то пойдет не так.

Улучшение процесса заголовка — сделать вещи меньше. Чипы изготавливаются с помощью фотолитографии: на поверхность среза кремния нанесен слой химикатов, за которым следуют фоторезистивные чернила.На поверхность пластины наносится узор, закрепляя чернила там, где падает свет. Затем кислота разъедает незащищенные части, оставляя на этом узоре тонкий узор исходных химикатов. Повторение процесса создает компоненты и соединения, которые образуют логические схемы микросхем: пластина затем нарезается кубиками, микросхемы помещаются в пакеты с электрическими соединениями с внешним миром, и у вас есть процессор.

Если вы усадите эти шаблоны, вы получите больше компонентов на квадратный дюйм — и, следовательно, более мощные или более многочисленные чипы — при той же стоимости материала.Это простое наблюдение основывало закон Мура на протяжении пятидесяти лет. Меньшие транзисторы также имеют тенденцию работать быстрее и потреблять меньше энергии: вот как мы закончили с нашей безумно мощной технологией при постоянно снижающихся затратах.

Вам нравится эта статья?

Загрузите эту статью и тысячи официальных документов и электронных книг из нашей библиотеки Premium. Наслаждайтесь брифингами для опытных ИТ-аналитиков и доступом к лучшим ИТ-профессионалам без рекламы.

Присоединяйтесь к Premium сегодня

Первый процессор, Intel 4004 1971 года, имел размер элемента — грубо говоря, наиболее важный размер отдельного транзистора на кристалле — 10 микрометров.Intel планирует представить 10-нанометровые процессоры в 2016 году. Нанометр в тысячу раз меньше микрометра, а это означает, что миллион транзисторов 2016 года — достаточно, чтобы сделать около четырехсот процессоров 4004 — уместятся в пространстве, занимаемом одним оригинальных транзисторов 4004.

Границы литографии

План производства процессоров Intel. Изображение: Intel

Но волшебство на исходе. У Intel есть только публичные планы пойти дальше 7-нм, а затем и 5-нм — и есть огромные проблемы с этим.Основным из них является свет, который создает узор: считается, что за пределами 10 нм подойдут только очень короткие волны, что означает экстремальный ультрафиолет (EUV). Но доступные источники света EUV недостаточно сильны. Вафлям приходится долго ждать, пока чернила прореагируют, и если вы не можете запустить завод по производству микросхем на высокой скорости, вы не сможете заработать достаточно денег, чтобы оправдать это. EUV разрабатывалась десятилетиями, и на ее исследования и разработки были потрачены десятки миллиардов долларов. Это по-прежнему не работает: ASML, компания, разрабатывающая EUV, заявила в середине 2014 года, что ее машина EUV может обрабатывать около 200 пластин в день; Между тем его машина, не относящаяся к EUV, которая погружает пластины в воду для получения более тонких характеристик за счет преломления, может сделать более 5000 пластин.

NXE: 3100: инструмент для EUV-литографии второго поколения ASML. Изображение: ASML

Существуют возможные альтернативы, такие как использование нескольких электронных лучей, создание более мелких деталей путем многократной пошаговой экспозиции рисунков или даже физическое нанесение рисунка на пластину. Все они в какой-то степени уже используются, но, похоже, ни одна из них не обладает сочетанием производительности или низкого уровня дефектов, чтобы сделать их жизнеспособными при глубине менее 10 нм.

Другая, более эзотерическая возможность называется направленной самосборкой (DSA).При этом используется химия полимеров, в которой блоки молекул следуют указаниям, выработанным стандартной литографией, но самостоятельно конфигурируются вокруг них для получения более тонких деталей. Хотя это было продемонстрировано на экспериментальной производственной линии, она требует дальнейшего развития — не в последнюю очередь в отношении инструментов проектирования, которые инженеры по микросхемам используют для планирования своих схем.

В любом случае последнее слово будет за фундаментальной физикой. Отдельные атомы кремния в кристалле имеют расстояние между центрами чуть более 0,54 нм: 14 нм может содержать менее тридцати.Из-за этого очень сложно создать из них эффективный изолятор, блокирующий прохождение электричества; ток утечки возрастает, что приводит к проблемам с энергопотреблением и перегревом. Так было в течение как минимум десяти лет, когда производители микросхем вводили все более сложные физические характеристики и конфигурации, чтобы держать ситуацию под контролем. Это работает только пока: на 1 нм у вас будет только один атом кремния. Даже Intel не может сделать транзистор из пустого места. И хотя в лабораториях было создано большое количество экзотических конструкций транзисторов очень маленьких размеров, превратить их в прибыльный продукт стоит огромная задача.

Возможно, игра уже окончена. Некоторые отраслевые аналитики говорят, что увеличение затрат и задержек в каждом сокращении процесса фактически свело на нет преимущество закона Мура в отношении стоимости транзистора, а потенциальные улучшения производительности не оправдывают вложения, чтобы выжать последние капли из традиционного производства микросхем. (Intel не соглашается, но оставляет все как есть.)

Итак, что будет дальше?

Туннелирование

Одним из возможных решений является изменение базовой физики, используемой для включения и выключения транзистора.Сегодняшняя основная структура транзистора называется MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). По мере того, как процессы сокращались, их было много разработок, с функциями, оптимизированными для работы с каждым новым набором физических параметров, но все они работают одинаково. Напряжение изменяется в области транзистора, называемой затвором, которая действует как отвод, который включает или выключает канал между двумя другими областями — истоком и стоком. Канал может быть либо изолятором, либо проводником (поэтому кремний, кстати, и называют «полупроводником»).

Эта длина канала определяется размером элемента — и происходит утечка, когда атомов недостаточно. МОП-транзистор работает только при достаточно высоком напряжении: вы не можете уменьшить напряжение настолько, чтобы уменьшить утечку.

Однако электроны могут проходить через изолятор при других обстоятельствах — в частности, посредством квантового эффекта, называемого туннелированием. Это своего рода квантовый транспорт, который важен для ядерного синтеза в звездах, квантовых вычислений и, что более прозаично, флэш-памяти в вашем мобильном телефоне.

В правильных условиях туннелирование может происходить при очень низких напряжениях, когда изолирующий слой, который он должен пересекать, очень тонкий. Точная точка, в которой это происходит, может зависеть от приложенного электрического поля — другими словами, как с полевым МОП-транзистором. Некоторые разновидности выглядят совершенно как обычные полевые МОП-транзисторы, в то время как другие используют более экзотические структуры и материалы для изучения различных характеристик.

Этот новый тип транзистора не преодолеет ограничение размера атомов кремния, но может снять ограничения на мощность и производительность, которые сдерживали тактовую частоту в течение последних десяти лет, или создать процессоры с сегодняшним уровнем производительности. но гораздо меньшее энергопотребление.

До проводов

Еще одним фаворитом для повышения производительности на уровне 5 нм является нанопроволочный транзистор. Это простой зверь: очень тонкая проволока с намотанным на нее электродом затвора. Подача напряжения на затвор эффективно снижает проводимость провода за счет простого электростатического отталкивания.

Транзистор на основе нанопроволоки. Изображение: IEEE Spectrum

Основная проблема нанопроволоки заключается в том, что она не может переносить достаточно электричества, чтобы быть полезной, и поэтому несколько проводов необходимо настроить параллельно, что лишает их преимущества.Поэтому промышленность исследует огромный спектр потенциальных материалов, которые могли бы обойти это, в частности, так называемые соединения групп III-V (три-пять) по их положению в периодической таблице.

Взять трубку

Похожая идея заменяет нанопроволоку углеродной нанотрубкой — по сути, углеродным листом толщиной в один атом, сформированным в полую трубку. Это способствует массовому производству и самостоятельной сборке, и исследователи из Стэнфорда уже создали рабочий компьютер с простой операционной системой.Две большие проблемы с работой системы были связаны с нанотрубками неправильной формы, которые стали металлическими — они действовали как проводники, которые не отключались, — и другими, которые были смещены и закорочены соседними нанотрубками.

Исследователь из Стэнфорда держит пластину компьютеров с углеродными нанотрубками и экспериментальный блок, подключенный к плате ввода-вывода. Изображение: Стэнфордский университет

Первая проблема была решена путем отключения всех хороших нанотрубок, а затем пропускания тока через металлические нанотрубки, чтобы испарить их в потоке углекислого газа.Второй заключался в запуске алгоритма самовосстановления, который идентифицировал ошибочные усы и отображал эти области за пределами процессора, настраивая их вокруг них. Как ни странно, эта идея была впервые использована в продуктах в 1980-х годах британской компанией Anamartic, ответвлением Sinclair Research, которая создала продукты памяти с интеграцией в масштабе пластин из готовых пластин с нанесенными на карту плохими участками.

Теоретически транзисторы из углеродных нанотрубок обладают потенциальными характеристиками и параметрами мощности, превосходящими кремниевые.Профессор HS Филип Вонг из Стэнфордского университета сказал на симпозиуме 2014 года, что эта технология может заменить вычислительное устройство, такое как IBM Watson, на устройство размером со смартфон и потребляющее одну тысячную часть мощности (хотя, поскольку Watson потребляет почти 200 кВт, это оставляет 200 Вт для иметь дело с).

Конец дней

Несмотря на то, что ряд направлений будет по-прежнему улучшать базовую физику и проектирование компонентов в процессорах, ни один из них не может обеспечить скорость изменения производительности / цены логики в течение любого периода времени. этот кремний реализовал закон Мура.Мы пережили эту революцию: она подходит к концу.

Это не совет отчаяния. Есть еще много возможностей для совершенствования технологий ввода-вывода, сетей и хранения данных, а разработки в таких областях, как технологии батарей, дадут новые возможности текущим конструкциям процессоров. Интернет вещей, который не будет иметь преимущества в производительности процессора, но потребует новых проектов, работающих с очень низким энергопотреблением, предоставит отрасли новые возможности для исследования, а переход в облако означает, что создание очень высоких -высокопроизводительные вычислительные кластеры, которые потребуют новых вещей от текущих и ближайших технологий.

Дополнительная литература

Будущее процессоров, часть 1: Архитектура

Помимо кремния: мы открываем процессоры для ваших технологий будущего

Примечание. Наша функция за пределами кремния была полностью обновлена. Эта статья была впервые опубликована в октябре 2007 года.

Современные процессоры сделаны из кремния, который, в свою очередь, сделан из одного из самых распространенных материалов на Земле: песка. Но по мере того, как становится все труднее и труднее создавать все больше и больше миниатюрных схем — процессорная технология перешла с 90-нанометрового производства в середине 2000-х годов на 14-нанометровое, а к 2021 году прогнозируется дальнейшее сокращение до едва ли правдоподобных 7-нанометров или даже 5-нанометров — производители микросхем ищут для альтернатив; не только материалы, но, возможно, даже биологические компоненты.

Первый микропроцессор Intel 4004 имел 2300 транзисторов. И выглядел как ошибка

Немного истории

Первый микропроцессор Intel, 4004, имел 2300 транзисторов. Современные процессоры имеют несколько миллиардов. Это было достигнуто за счет втирания еще большего количества транзисторов в такое же количество кремния, но по мере того, как вы это делаете, вступают в силу законы физики, и ваш процессор начинает выделять тепло — и чем больше мощности вы хотите, тем больше тепла вы выделяете. Самые быстрые процессоры Pentium 4 можно было разогнать до частоты выше 8 ГГц, но для этого требовался жидкий азот, чтобы они не сгорали.

Сегодняшние процессоры намного сложнее одноядерных Pentium, с несколькими ядрами и трехмерными архитектурами, выполняющими невероятные инженерные достижения, но рано или поздно кремний наткнется на стену. Он не сможет обеспечить экспоненциальный рост вычислительной мощности, к которому мы привыкли, потому что мы ограничимся компонентами шириной всего в несколько атомов.

Что происходит потом?

Ставить и складывать

Один из вариантов — придерживаться силикона, но использовать его по-разному.Например, современные процессоры в основном плоские — вместо того, чтобы пытаться втиснуть еще больше транзисторов в то же пространство, мы могли бы применить архитектурный подход и создать кремниевый эквивалент небоскребов (мы надеемся избежать кремниевого эквивалента Towering Inferno ).

Или мы могли бы использовать так называемый подход III-V, который использует элементы с обеих сторон кремния в периодической таблице — он находится в так называемой группе IV, поэтому вы должны использовать материалы из групп III и V в слоях выше. кремний.Это уменьшит количество энергии, необходимое для перемещения электронов, что должно позволить изготавливать транзисторы меньшего размера и более плотно их упаковывать. Излюбленным кандидатом для производства III-V является нитрид галлия, который используется в светодиодах в течение нескольких десятилетий и может работать при гораздо более высоких температурах, чем предыдущий фаворит, арсенид галлия.

Другой вариант — переосмыслить сам CPU. Intel, Nvidia и AMD движутся в одном направлении с процессорами, и если вы посмотрите на количество места, отведенного графическому процессору на кристалле процессора чипов со встроенной графикой, вы увидите, что передается все больше и больше недвижимости перешли к GPU.

Традиционно ЦП выполнял сложные задачи, в то время как графический процессор обрабатывал графику — так, например, в игре ЦП выполняет ИИ, — но способность графического процессора выполнять более простые задачи массово параллельными способами означает, что дизайнеры все чаще обращают внимание на совместное использование общая рабочая нагрузка между процессором и графическим процессором в зависимости от их пригодности для работы.

Чем больше может работать графический процессор, тем лучше, потому что графические процессоры представляют собой массивно-параллельные схемы, что является еще одним способом сказать, что это довольно простые компоненты, скомпонованные вместе в большом количестве — тысячи ядер по сравнению с горсткой в ​​ЦП.В отличие от процессоров, которые уже раздвигают границы миниатюризации, графическим процессорам предстоит пройти долгий путь, прежде чем законы физики разрушат их экспоненциальный рост.

Углеродные нанотрубки могут быть ответом

Углеродное датирование

Что, если кремний закончится с дорог? Вместо этого на первый план может выйти углерод в виде углеродных нанотрубок. В октябре IBM опубликовала статью в журнале Science, в которой описывается новый метод создания углеродных нанотрубок из листов «чудо-материала» графена.

В отличие от предыдущих попыток, метод IBM не обнаружил увеличения электрического сопротивления, поскольку размеры контактов были уменьшены. IBM заявляет, что мы можем увидеть процессоры на основе углеродных нанотрубок «в течение десятилетия».

Однако, как объясняет в блоге IBM Ши-Джен Хан из IBM, эти процессоры все еще далеки от реальности. «Мы разработали способ самосборки углеродных нанотрубок и их связывания со специализированными молекулами на пластине. Следующим шагом является увеличение плотности этих размещенных нанотрубок (до 10 нм друг от друга) и воспроизводимости на всей пластине», — говорит он. .

Но когда IBM наконец раскроет его, потенциал огромен. «Лучшие транзисторы могут предложить более высокую скорость при меньшем потреблении энергии. Кроме того, углеродные нанотрубки являются гибкими и прозрачными. Их можно использовать в футуристических приложениях« больше, чем Мур », таких как гибкая и растяжимая электроника или датчики, встроенные в носимые устройства, которые фактически прикрепляются к коже. — и это не просто браслеты, часы или очки », — говорит Хан.

Верхнее изображение Кредит: Intel

Процессоры — статистика и факты

Графический процессор (GPU)

Графический процессор, также называемый процессором видеокарты, представляет собой микропроцессор на основе кремния, который специализируется на ускорении создания и рендеринга изображений, видео и анимации.Ключевые игроки включают Nvidia и AMD, производящие выделенные графические процессоры, которые могут выполнять быстрые математические вычисления, освобождая процессор для выполнения других задач. Intel также сильна в области графических процессоров, разрабатывая интегрированную графику, встроенную в тот же чип, что и ЦП. Графические процессоры начинались как специализированные ASIC, разработанные для ускорения определенных задач 3D-рендеринга. Сегодня графические процессоры превратились в процессоры общего назначения, работающие параллельно с другими компьютерными компонентами для обработки растущего спектра приложений, в частности задач искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML).

Прикладной процессор (AP) / Система на кристалле (SoC)

SoC — это интегральная схема, которая объединяет все функции компьютера на одной микросхеме IC. SoC обычно объединяет ЦП, графический процессор и память (ОЗУ) и обычно используется в смартфонах, планшетах, носимых устройствах и других устройствах Интернета вещей. Поскольку SoC включает в себя как оборудование, так и программное обеспечение, он потребляет меньше энергии, имеет лучшую производительность и требует меньше места, поэтому они популярны в современных смартфонах. Мобильная точка доступа — это SoC, предназначенная для поддержки приложений, работающих в среде мобильной операционной системы.Примеры включают Qualcomm Snapdragon и чип Apple A13 Bionic, установленный в iPhone 11 и iPhone 11 Pro, причем оба SoC используют архитектуру процессора Arm.

Архитектура процессора Arm

Arm, также известная в отрасли как ARM, является компанией по разработке полупроводников и программного обеспечения со штаб-квартирой в Кембридже, Великобритания. Компания, которая была приобретена японским конгломератом SoftBank Group в 2016 году, наиболее известна своей архитектурой компьютерных процессоров.Arm разрабатывает архитектуру и передает ее по лицензии другим компаниям, которые затем используют дизайн для создания микроконтроллеров (MCU), процессоров и SoC. В 2020 году Apple объявила, что начнет использовать процессоры на базе Arm в своей линейке компьютеров Mac, что является отходом от текущего партнерства с Intel, с переходом на специализированные чипы Apple на базе Arm, которые, как ожидается, произойдут в течение двухлетнего периода. . Помимо мобильных точек доступа, Arm стремится укрепить свои позиции на рынках сетевого оборудования, центров обработки данных, облачных вычислений и устройств IoT.

микросхемы AI

Следующая разработка в полупроводниковой промышленности — это микросхемы, поддерживающие технологии искусственного интеллекта (ИИ). Некоторые из крупнейших имен участвуют в разработке чипов AI, включая традиционных игроков, таких как Intel, Samsung, Nvidia и Qualcomm. Графические процессоры были предпочтены для приложений AI из-за их способности выполнять миллионы математических операций параллельно. В последние годы появились стартапы в области микросхем искусственного интеллекта, стремящиеся подорвать рынок, в частности Graphcore, разработавшие блок обработки данных (IPU).Помимо стартапов, более крупные технологические компании, такие как Apple и Google, также стремятся к инновациям в области чипов AI, причем последний производит блок тензорной обработки (TPU) — ASIC, разработанный специально для деятельности AI.