Процессоры из чего делают: Как делают микропроцессоры

Как на самом деле делают процессоры? РАЗБОР / Блог компании Droider.Ru / Хабр

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 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. Именно 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 длины волны в 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 можно 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 квантовый 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 вам аналогия — растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее поверхность 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 или 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 тысячью 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 подтверждений! 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 будут занимать еще больше места, 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 изготавливают процессоры?

Опубликовано 30.05.2020 автор Андрей Андреев — 0 комментариев

Всем привет! В сегодняшнем посте я расскажу подробно, как изготавливают процессоры для компьютеров и прочих «умных» гаджетов, из чего их производят, особенностях и тонкостях этой технологии. О том, Что такое частота шины процессора и как она влияет на работу, можно почитать вот тут.

Технический и электронный кремний

Не слукавлю, если буду утверждать, что современный микропроцессор — одна из наиболее сложных конструкций, созданных человеком. Только представьте: на слитке кремния размером со спичечный коробок путем сложных манипуляций удается напечатать миллиарды транзисторов, которые соединены в сложные цепи!

Но начнем по порядку. Вероятно, из школьного курса химии вы помните, что в чистом виде кремний в природе почти не встречается. Однако это вещество по объему присутствия на Земле занимает второе место — его доля в земной коре достигает 30%.

Может показаться странным, но исходный материал для изготовления ЦП — кварцевый песок, он же диоксид кремния.

Производство начинается с плавки песка в дуговых печах при температуре 1800 градусов и его восстановления коксом. Получается так называемый технический кремний, чистота которого может достигать 99%. Этого мало. Нужен электронный, с содержанием не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния.

Путем многократного хлорирования с использованием сложных химических реакций, формулы которых я с вашего позволения приводить здесь не буду, и производят фактически идеально чистый кремний. Однако он пока пребывает в жидком состоянии.

Как выращивают и режут кристалл

В эту «бурду» опускается специальная затравка, которая образует точку роста, медленно вытягиваемая из тигля. В итоге получается так называемая «буля» — огромный монокристалл чистого электронного кремния в рост взрослого человека, который весит более 100 кг. На производство одной були уходят почти сутки.

Ее разрезают алмазной пилой на тонкие слои, которые называют «вафли» (от английского wafer). Их толщина около 1/3 мм и диаметр достигает 30 мм. К слову, ни AMD, ни Intel не занимаются производством «вафель», а закупают их у специализированных компаний.

Поверхность вафли полируется, чтобы довести ее до зеркального блеска. На эту пластину нужно перенести структуру будущего ЦП для ПК.

Как делают микросхемы процессора

У Интела и АМД технологии похожи — используется фотолитография. Как именно делают сложную структуру процессора, компании держат в секрете, так как это является коммерческой тайной. Широкой публике известны только общие принципы процесса.

Отполированная поверхность затравливается с использованием специального фотошаблона. На подложку из кремния наносится слой материала, на котором будет создан рисунок будущей микросхемы. Под действием света он меняет свои физико-химические свойства. Определенный участок освещается в течение строго означенного интервала, для чего используется шаблон с готовой микросхемой.

Отработанный слой и все лишнее удаляется. Поверх наносится новый слой, на котором также создается электрическая схема. Таким образом получаются полупроводниковые структуры, которые и составляют базу будущего CPU. Всего слоев может быть очень много.

Процедура очень тонкая и деликатная. На момент написания статьи передовым считается техпроцесс 14 нм (нанометров), то есть это размер одного транзистора, из которых состоят микросхемы. Только представьте, какое огромное их количество образуется на кристалле!

Рассматриваемый полуфабрикат помещают в сульфат меди, благодаря чему появляются проводящие области. С их помощью можно соединить логические части будущего ЦП в единое целое. Сложность в том, что такие структуры почти всегда многоэтажные, а один элемент может занимать до 30 слоев.

Как именно они соединяются между собой и где размещаются, называется архитектурой процессора. Над ее проектированием работают сотни инженеров. У каждой новой модели процессоров архитектура более совершенна, чем у предыдущих. При этом каждый нужно спроектировать и создать фотошаблоны для их производства.

Финальный этап

Полуфабрикаты передаются в испытательный цех, где они тестируются на работоспособность. Несмотря на то, что процесс создания кристалла и микросхем на нем автоматизированный и очень точный, а проводится в стерильных условиях, на выходе все равно получается определенный процент брака.

Те же заготовки, которые прошли испытания и соответствуют техническим условиям, вырезаются из подложки. Остается только закрыть сверху это дело стальной пластиной, которая используется для отвода тепла, а снизу припаять ножки, которые будут контактировать с процессорным сокетом на материнской плате.

Однако и это не все. Готовый процессор проходит финальные тесты, чтобы исключить любую возможность брака. После этого они пакуются и отправляются на оптовые склады, откуда уже расходятся по точкам продаж.

Также для вас полезным будет почитать «Поведение системы и что от нее ждать при мощной видеокарте на слабом процессоре?» и «Что такое степпинг процессора и как его узнать?». Буду признателен всем, кто расшарит эту публикацию в социальных сетях. До скорой встречи!

С уважением, автор блога Андрей Андреев.

Как делают процессоры | Журнал Популярная Механика

Вы когда-нибудь задумывались, как одна и та же компания может 23 года кряду лидировать на рынке микропроцессоров? Или почему в течение тех же двух десятков лет мы, покупая компьютер для дома или офиса, выбираем между процессорами всего двух марок (за редчайшими исключениями), невзирая на антимонопольное законодательство и конкуренцию?

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

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

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

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

Принципиальная схема установки Mapper

Неповоротливый свет

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

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

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

Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

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

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

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

Как сегодня делают процессоры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

13 000 телевизоров

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

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

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

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

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

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

Статья «Крафтовый процессор» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№2, Февраль 2016).

Устройство процессора, из чего состоит процессор компьютера

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вот и все устройство центрального микропроцессора, вкратце конечно же.

Производство процессора компьютера: технологический процесс

Несколько лет тому назад компания Intel представила пошаговый процесс производства микропроцессоров: от песка до конечного продукта. Фактически процесс производства 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 (SiO₂), 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 технологического процесса 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 процессоров «Эльбрус» 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.

Какие материалы используют для изготовления компьютеров?

Компьютеры изготавливают из множества различных металлов, пластмасс, сплавов и других материалов. Большинство типов сырья считаются довольно известными, такие как медь, тогда как другие являются более незнакомыми, как 7,7,8,8-тетрацианхинодиметан, а некоторые из них невероятно редки, из них делают гибкие платы. Хотя ряд материалов, находящиеся в ваших компьютерных частях, могут быть опасными, современные системы используют менее токсичные, неядовитые компоненты.

Типы материалов, из которых состоят компьютеры

Металлы

Для изготовления различных компьютерных частей используются обычные металлы, такие как медь, свинец или золото. Например, свинец может быть использован для припоя, радиационной защиты или стабилизатора пластиковых кабелей из ПВХ. Золото часто применяют для штырьков обшивки, а медь – в качестве проводника или на жестких дисках вместе с алюминием, магнием, кремнием и цинком. На пластинах жесткого диска также можно найти некоторые сплавы, такие как кобальт, никель и железо. Металлы, которые обычно используют для строительства компьютерных корпусов, включают в себя сталь и анодированный алюминий с углеродным волокном.

Пластмассы

Пластмассы в компьютерах используются для двух основных целей. Тогда как некоторые из них применимы для изоляции (защита деталей компьютера от жары), другие можно найти в конденсаторах, которые проводят электрический ток. Их называют полимерными конденсаторами. Такие вещества основаны на органическом соединении 7,7,8,8-тетрацианхинодиметане. Из этих полимеров делают пленочные клавиатуры.

Некоторые компьютерные оболочки содержат пластик, но они, как правило, более низкого качества относительно их металлических аналогов. Из пластмасс также создают полноценные электронные схемы, хотя кремний является более эффективным материалом для этих целей. В основном лицевые панели приборов, которые работают за счет цифровых технологий, состоят из пластика.

Редкие материалы

При создании компьютерных частей используется много редких материалов, особенно металлов. Например, жесткие диски высокой производительности включают в себя рутений, который встречается реже, чем золото и платина. Другие редкие материалы включают в себя неодим, галлий, лютеций, тантал и резерфордий, которые применяют для создания изоляторов, транзисторов и процессоров. Другой материал, используемый в процессорах, гафния, может выполнять свои функции непрерывно приблизительно 10 лет, хотя его жизнеспособной заменой может быть цирконий.

Где производят процессоры Intel / Блог компании Intel / Хабр

   Ни для кого не секрет, что производственные фабрики компании Intel на данный момент являются одними из ведущих фабрик в мире по уровню технической оснащенности. Чем они отличаются от суровых Челябинских труболитейных заводов? А давайте посмотрим.

3 x Easter eggs

   Эта статья может быть в первую очередь полезна тем, кто хочет построить свою фабрику для производства процессоров – если подобная мысль у вас хоть раз возникала, то смело заносите статью в закладки 😉

   Для того, чтобы понять, о каких масштабах идет речь, я советую ознакомиться с предыдущей статьей под названием «Трудности производства процессоров». Важны понимать масштабы не столько самой фабрики (хотя и их тоже), сколько самого производства – некоторые «детальки» современных процессоров делаются буквально на атомарном уровне. Соответственно и подход здесь особый.

   Понятное дело, что без заводов в производстве не обойтись. 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.

   Высота каждой фабрики Intel по производству процессоров на 300-мм кремниевых пластинах составляет 21 метр, а площадь достигает 100 тысяч квадратных метров. В здании завода можно выделить 4 основных уровня:

Уровень системы вентиляции

   Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов – самая маленькая пылинка, оказавшаяся на кремниевой пластине, способна уничтожить тысячи транзисторов. Поэтому важнейшим условием производства микропроцессоров является стерильная чистота помещений. Уровень системы вентиляции расположен на верхнем этаже — здесь находятся специальные системы, которые осуществляют 100% очистку воздуха, контролируют температуру и влажность в производственных помещениях. Так называемые «Чистые комнаты» делятся на классы (в зависимости от количества пылинок на единицу объема) и самая-самая (класс 1) примерно в 1000 раз чище хирургической операционной. Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.

Уровень «чистых комнат»

   Этаж занимает площадь нескольких футбольных полей – именно здесь изготавливают микропроцессоры. Специальная автоматизированная система осуществляет перемещение пластин от одной производственной станции к другой. Очищенный воздух подается через систему вентиляции, расположенную в потолке, и удаляется через специальные отверстия, расположенные в полу.

   Помимо повышенных требований к стерильности помещений, «чистым» должен быть и работающий там персонал — только на этом уровне специалисты работают в стерильных костюмах, которые защищают (благодаря встроенной системе фильтрации, работающей от батареи) кремниевые пластины от микрочастиц текстильной пыли, волос и частиц кожи. Такой костюм называется «Bunny suit» — чтобы надеть его в первый раз, может потребоваться от 30 до 40 минут. Специалистам компании для этого требуется порядка 5 минут.

Нижний уровень

   Предназначен для систем поддерживающих работу фабрики (насосы, трансформаторы, силовые шкафы и т.п.). Большие трубы (каналы) передают различные технические газы, жидкости и отработанный воздух. Спецодежда сотрудников данного уровня включает каску, защитные очки, перчатки и специальную обувь.

Инженерный уровень

   По назначению является продолжением нижнего уровня. Здесь находятся электрические щиты для энергоснабжения производства, система трубопроводов и воздуховодов, а так же кондиционеры и компрессоры.

   Для постройки фабрики такого уровня требуется около 3 лет и порядка $5млрд – 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). Если после этих цифр ни одна мышца на вашем лице не дрогнула, то вот вам (уже для внесения в смету) еще немного приблизительной статистики. Для постройки завода требуется:
— более 19 000 тонн стали
— более 112 000 кубических метров бетона
— более 900 километров кабеля

Наглядный процесс строительства одной из фабрик компании (заливал в HD):

   У большинства производителей полупроводниковой электроники оборудование и процессы, используемые в лабораториях для исследований и разработок, отличаются от того, что применяется на заводах по производству самой продукции. В связи с этим возникает проблема – при переходе с опытного производства на серийное, часто возникают непредвиденные ситуации и прочие задержки, возникающие из-за необходимости дорабатывать и адаптировать технологические процессы – в общем, делать всё для достижения наивысшего процента выхода годной продукции. Помимо задержки серийного производства это может привести и к другим осложнениям – да хотя бы к изменениям в значениях параметров техпроцесса. Соответственно, результат может получиться непредсказуемым.
   У компании Intel в такой ситуации свой подход, который называется Copy Exactly. Суть данной технологии – в полном копировании лабораторных условий на строящиеся фабрики. Повторяется все до мелочей — не только само здание (конструкция, оборудование и настройки, трубопроводная система, чистые комнаты и покраска стен), но и входные/выходные параметры процессов (которых более 500!), поставщики исходных материалов и даже методики обучения персонала. Все это позволяет работать фабрикам в полную силу практически сразу после запуска, но и это не главный плюс. Благодаря такому подходу фабрики имеют большую гибкость – в случае аварии или реорганизации, начатые на одном заводе пластины смогут быть сразу «продолжены» на другом, без особого ущерба для бизнеса. Подобный подход по достоинству оценили конкурирующие компании, но почему-то практически никто его больше не применяет.

   Как я уже говорил, в зале вычислительной техники Московского Политехнического музея компания Intel открыла свою экспозицию, одну из самых крупных в зале. Стенд получил название «От песка до процессора» и представляет собой достаточно познавательную конструкцию.

   Во главе зала стоит «Chipman» в точной копии костюма, которые применяются на заводах корпорации. Рядом – макет одной из фабрик; неподалеку стоит стенд, внутри которого находятся «процессоры на разных этапах» — куски оксида кремния, кремниевые пластины, сами процессоры и т.д. Все это снабжено большим количество информации и подкреплено интерактивным стендом, на котором любой желающий может рассмотреть устройство процессора (передвигая ползунок масштаба – вплоть до молекулярного строения). Чтобы не быть голословным, вот пара фотографий экспозиции:

В понедельник будет статья про само производство процессоров. А пока снова откиньтесь на спинку стула и посмотрите (желательно в HD) этот видеоролик:

Успехов!

Что такое процессор ARM? Все, что вам нужно знать

Обсуждая смартфоны, планшеты и даже некоторые ноутбуки, вы, возможно, слышали, что люди упоминают процессоры ARM. Эта технология способствовала быстрому развитию портативных компьютеров в начале 2010-х годов и до сих пор оказывает значительное влияние на наши устройства.

По мере того, как мы все больше знакомимся с продуктами на базе ARM, процессор, как правило, становится менее заметным, поскольку это общепринятый стандарт.Однако это не значит, что он все еще не заслуживает внимания.

Проблемы мобильных вычислений

Все компьютеры, планшеты, ноутбуки и смартфоны используют процессор.Обычно процессор вашего устройства называется ЦП или центральный процессор. Именно здесь выполняется большая часть фактической вычислительной работы. Однако это не один процессор, а многие из них на одном компоненте.

ЦП получает инструкции, выполняет их и выдает результат.По мере развития технологий производители переходят на многоядерные процессоры.

Если ЦП представляет собой набор процессоров на одном кристалле, то многоядерные процессоры объединяют несколько ЦП на одном кристалле.Это одна из основных причин, по которой компьютеры сейчас мощнее, чем были в прошлом. Для получения более подробной информации ознакомьтесь с нашим руководством по работе процессора.

Что такое ЦП и для чего он нужен?

Аббревиатуры в вычислительной технике сбивают с толку. Что такое ЦП? А мне нужен четырехъядерный или двухъядерный процессор? А как насчет AMD или Intel? Мы здесь, чтобы помочь объяснить разницу!

Обычно настольные и портативные компьютеры используют процессоры Intel или AMD.Эти процессоры предназначены для обеспечения оптимальной производительности настольных ПК, где питание надежно, батареи большие, и часто имеется специальный графический процессор и система охлаждения. Таким образом, они могут обрабатывать сложные вычисления с множеством процессоров, обрабатывающих входные данные одновременно.

Однако мобильные конструкции требуют иного рассмотрения.Чтобы оставаться портативным, батареи должны быть меньшего размера, не должно быть места для вентилятора или системы охлаждения, а устройство должно работать без задержек или технических проблем. На протяжении 2000-х это было общей проблемой при создании портативных компьютеров.

Сложные конструкции процессоров для настольных ПК не подходят для мобильных устройств, поскольку требования к оборудованию сильно различаются.В результате смартфоны, какими мы их знаем сегодня, не были жизнеспособной концепцией при использовании традиционной вычислительной архитектуры.

Что такое процессор ARM?

Чтобы преодолеть эти проблемы, производители решили заменить настольную архитектуру ЦП чем-то более подходящим для мобильных вычислений.Процессоры ARM — идеальный выбор, поскольку они используют упрощенный, менее энергоемкий метод обработки. Это представлено в названии ARM, которое расшифровывается как Advanced RISC Machine.

Расширение инициализации открывает другой, RISC или сокращенный набор команд.Как ни странно, RISC — это не сама технология. Напротив, это идеология дизайна. Процессоры ARM спроектированы так, чтобы быть максимально эффективными, принимая только инструкции, которые могут быть выполнены за один цикл памяти. Обычный процесс для ЦП — выборка, декодирование и выполнение инструкций.

Модули RISC используют 32-битную архитектуру, стандарт, который в значительной степени исключен из настольных компьютеров.Это ограничивает объем информации, которая может быть обработана функцией выборки-декодирования-выполнения.

Например, компьютеры Windows теперь обычно используют 64-битную архитектуру.Это делает доступной для операционной системы больше вычислительной мощности, что улучшает работу. Если вам интересно, как это повлияет на ваш компьютер, взгляните на различия между 32-битной и 64-битной Windows.

Как работают процессоры ARM?

Может показаться, что процессоры RISC и, следовательно, блоки ARM были бы шагом назад.RISC, например, был первоначально разработан в 1980-х годах, но не оказал влияния на рынок. Однако ARM Holdings, компания, создавшая процессоры ARM, разработала сжатый формат инструкций.

Несмотря на то, что за один цикл памяти обрабатывается только один набор инструкций, инструкции могут быть длиннее и сложнее, чем традиционные устройства RISC.Хотя они по-прежнему ограничены по сравнению со своими настольными аналогами, мы не ожидаем, что наши смартфоны или планшеты достигнут такого же уровня производительности.

Первоначальные проекты RISC использовали 32-битную архитектуру, но с 2011 года ARM Holdings включила в свои проекты поддержку 64-битных систем.Это было бы недостижимо с одним только RISC, и это возможно только благодаря архитектуре набора команд компании. Технический дизайн процессоров ARM также упрощает производство и физический дизайн.

Уменьшение сложности блоков RISC означает, что им требуется меньше транзисторов на кристалле.Как правило, большее количество транзисторов означает повышенные требования к мощности и более высокую стоимость производства и, следовательно, розничную стоимость. По этой причине процессоры ARM также обычно дешевле, чем традиционные процессоры для настольных ПК.

Использование процессоров ARM

Поскольку процессоры ARM сочетают в себе высокопроизводительный дизайн RISC, более низкие производственные затраты и пониженное энергопотребление, они идеально подходят для портативных устройств, таких как смартфоны, планшеты и даже некоторые ноутбуки.Однако обсуждение процессоров ARM в целом может оказаться проблемой.

ARM Holdings не производит никаких процессоров.Вместо этого компания составляет технологию, разрабатывает стандарт инструкций, а затем лицензирует эти разработки другим производителям. Вот почему существует так много вариантов процессоров ARM и почему каждый, кажется, работает по-разному.

Производители оборудования платят ARM Holdings за основную технологию, но затем адаптируют ее к своим потребностям, программным требованиям и конструкции оборудования.В результате многие продукты содержат процессоры ARM. Однако их сложно сравнивать друг с другом, как с процессорами Intel.

Еще больше усложняет ситуацию то, что программное обеспечение должно разрабатываться специально для оборудования ARM и, следовательно, не совместимо или не взаимодействовать с другими архитектурами.Рабочие различия между процессорами ARM и настольными компьютерами — один из основных факторов, делающих ваш телефон медленнее, чем ваш настольный компьютер.

Тем не менее, поскольку они эффективны и недороги, вы можете найти процессоры ARM на некоторых ноутбуках.Примечательно, что многие Chromebook используют процессоры ARM. Поскольку Chromebook работает под управлением Chrome OS, операционной системы с низким уровнем ресурсов, основанной на веб-браузере Chrome, продукты ARM являются идеальным выбором.

Компьютеры будущего

Благодаря процессу ARM Holdings наши телефоны легкие, портативные, высокопроизводительные и относительно доступные.Без нововведений в реализации RISC неясно, были бы осуществимы мобильные вычисления в том виде, в каком мы их понимаем сегодня.

Несмотря на то, что они сделали свое имя на смартфонах и планшетах, процессоры ARM также доступны в недорогих ноутбуках, таких как Chromebook.Если вы не знакомы с настольной операционной системой Google, ознакомьтесь с нашим руководством для начинающих по Chromebook.

Как отслеживать местоположение сотового телефона, используя только номер телефона

Потеряли телефон? Пытаетесь найти ребенка или присмотреть за ним? Это приложение может помочь.

Об авторе

Джеймс Фрю
(Опубликовано 255 статей)

Джеймс — редактор руководств для покупателей MakeUseOf и писатель-фрилансер, делающий технологии доступными и безопасными для всех.Живой интерес к экологичности, путешествиям, музыке и психическому здоровью. БЫЛ в области машиностроения в Университете Суррея. Также можно найти в PoTS Jots, где написано о хронических заболеваниях.

Ещё от James Frew

Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать технические советы, обзоры, бесплатные электронные книги и эксклюзивные предложения!

Еще один шаг…!

Подтвердите свой адрес электронной почты в только что отправленном вам электронном письме.

.

Что такое кремний и почему из него делают компьютерные микросхемы?

Это может показаться глупым вопросом, на который можно ответить всего несколькими короткими словами: Кремний — 14-й элемент в Периодической таблице. Это одна из фундаментальных составляющих Вселенной, на один протон тяжелее алюминия, на один протон легче фосфора.Тем не менее, кремний, в большей степени, чем любой другой элемент, слишком часто встречается на таких сайтах, как ExtremeTech — это основной компонент строительных материалов, из которых состоит ваш дом, это основа всех современных компьютерных процессоров, и это даже самый главный компонент. вероятный кандидат в основу инопланетной жизни, не связанной с углеродом. Что именно делает кремний таким особенным?

Ну много чего.

Кремний как строительный блок

Главной отличительной особенностью кремния является то, что, попросту говоря, их чертовски много.После кислорода это второй по распространенности элемент в земной коре, но не стоит ожидать, что он просто валяется где-то поблизости. Кремний почти никогда не встречается в природе в чистом виде и практически всегда входит в состав других элементов. Чаще всего он встречается в виде силиката (SiO ₄ , или один атом кремния, связанный с четырьмя атомами кислорода) и кремнезема (SiO ₂ , или один атом кремния, связанный с двумя атомами кислорода). Кремнезем в грубой и сильно загрязненной форме является основным компонентом песка.Полевой шпат, гранит, кварц и многое другое основаны на кремний-кислородных соединениях.

Смешайте это с водой и гравием, и вы получите бетон.

Соединения кремния обладают широким спектром полезных свойств, в основном потому, что они могут очень прочно связывать другие атомы в сложной структуре. Различные силикаты, такие как силикат кальция, являются основным компонентом портландцемента, основным связующим веществом в бетоне, растворе и даже штукатурке. Некоторые материалы, богатые силикатами, можно нагреть для получения закаленной керамики, например, фарфора, в то время как другие будут плавиться, образуя основную в мире форму стекла — натриево-известково-известковое стекло.Кремний также может быть полезен в качестве следовой добавки к другим веществам, таким как чугун, в котором используются и углерод, и кремний, чтобы сделать железо более эластичным и менее хрупким.

И да, силикон также является основным структурным компонентом синтетического силикона, но не путайте их: если бы это действительно была Силиконовая долина, мир технологий был бы совсем другим местом, чем мы видим сегодня.

Кремний как компьютерная микросхема

При выборе элемента для использования в качестве основы компьютерного транзистора ключевым словом является сопротивление.Проводники имеют низкое сопротивление и очень легко пропускают электрический ток, в то время как изоляторы имеют (предсказуемо) высокое сопротивление и замедляют или блокируют поток электронов. Для транзистора, который должен иметь возможность включаться и выключаться по желанию, нам потребуется полупроводник , вещество с сопротивлением между проводником и изолятором. Лучшие полупроводники для промышленности можно обрабатывать широким спектром «легирующих добавок» для точной регулировки их сопротивления по мере необходимости.

Чистый кристалл кремния, называемый слитком.

Кремний — не единственное полупроводниковое вещество на Земле, это даже не лучший полупроводник на Земле. Что это такое, на сегодняшний день это самый распространенный полупроводник на Земле. Кремний легко доступен во всем мире; вам не нужно импортировать его из специальных африканских рудников или месяцами проводить дорогостоящую и загрязняющую обработку, чтобы получить немного. С ним легко работать, и, что наиболее важно, ученые придумали надежные способы выращивания его в идеально упорядоченные кристаллы. Эти кристаллы относятся к кремнию, как алмаз к углероду.

Выращивание огромных, почти идеальных кристаллов кремния — один из основных навыков в производстве современных компьютерных микросхем. Затем эти кристаллы нарезают на тонкие пластины, затем гравируют, обрабатывают и обрабатывают иногда сотнями различных способов, прежде чем нарезать кубиками на отдельную головку и упаковывать в коммерческие процессоры. Можно сделать превосходные транзисторы из таких вещей, как углерод, и даже из более экзотических материалов, таких как германий, но ни один из них не позволяет производить массовое производство кремния путем роста крупных кристаллов — по крайней мере, пока.

Прямо сейчас кристаллы кремния (называемые «слитками») производятся в цилиндрах диаметром 300 мм, но исследования быстро приближаются к порогу 450 мм. Это должно помочь снизить производственные затраты и, таким образом, позволить продолжать расти, по крайней мере, еще на десять лет или около того. После того? Возможно, наконец, не останется другого выбора, кроме как отказаться от кремния в пользу чего-то менее распространенного и простого в работе — хорошие новости для скорости обработки, но почти наверняка плохие новости для вашего кошелька.

Кремний как инопланетная жизнь

Фразу «жизнь на основе углерода» часто используют, но что она на самом деле означает? Это означает, что основные структурные молекулы, из которых состоят наши тела (белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты и т. Д.), Построены на каркасах из атомов углерода.Это потому, что углерод обладает замечательным свойством быть «четырехвалентным». Кислород может образовывать только две стабильные химические связи одновременно (таким образом, приводя к воде, или H ₂ O), а азот только три (таким образом, приводя к аммиаку, или NH ₃ ), но углерод может стабильно удерживать до четырех разные атомы сразу (давая нам метан, или CH ₄ ). Тетравалентность — мощная основа для создания молекул, которые одновременно являются сильными и геометрически сложными, и этот дуэт химических свойств позволил эволюции всей жизни, известной в настоящее время во Вселенной.

Star Trek Horta предположительно основаны на кремнии.

Тем не менее, если мы знаем, как устроена Периодическая таблица, мы знаем, что элементы в вертикальном столбце имеют аналогичные химические свойства — а прямо под углеродом находится кремний. Вот почему авторы научной фантастики потратили так много времени и чернил на идею жизни на основе кремния; Сам по себе четырехвалентный кремний является наиболее вероятным альтернативным структурным элементом в совершенно новых формах жизни. Кремний также может прочно связываться с другими атомами кремния (точно так же, как углерод с углеродом) и, таким образом, может дважды фиксировать определенные конформации на месте.Предполагается, что оба они имеют решающее значение для развития жизни.

Конечно, поскольку кремния на Земле гораздо больше, чем углерода, должна быть причина, по которой мы являемся органическими (на основе углерода), а не на основе кремния — и эта причина возвращается к Периодической таблице. Не вдаваясь в подробности, элементы, расположенные ниже по вертикали в Периодической таблице, имеют более тяжелые ядра и более крупные электронные оболочки; Кремний физически больше и тяжелее углерода, что делает его менее подходящим для сверхтонких задач, таких как, например, рекомбинантная ДНК.Кремний также менее реакционноспособен, чем углерод, а это означает, что жизнь на основе кремния может быть менее химически разнообразной или потребовать гораздо более широкого набора кремниевых ферментов, запускающих реакцию, для создания химически менее желательных соединений.

Тот факт, что вся жизнь на Земле является органической, несмотря на то, что количество атомов кремния на планете превышает количество атомов углерода почти в тысячу раз, может указывать на то, насколько вероятно, что это произойдет где-нибудь в другом месте Вселенной. Здесь много видов, которые в той или иной степени используют кремний, но ни один из них не использует его в качестве структурного элемента ДНК.Жизнь на основе кремния, безусловно, возможна, но если она действительно существует, велика вероятность, что она никогда не сможет развиться до уровня сложности, допустимого углеродом прямо здесь, у себя дома.

Кремний и вы

Кремний будет постоянно появляться в вашей ленте новостей еще долгие годы. Несмотря на то, что некоторые рассматривают углерод и другие элементы, не являющиеся кремниевыми, в качестве платформы для вычислений следующего поколения, что будет необходимо, если мы хотим продолжить экспоненциальную историческую тенденцию в области вычислительной мощности, кремний остается предпочтительным веществом во многих областях.Найдем ли мы новые захватывающие способы контролировать его обращение с электронами? Возможно. Найдем ли мы, что он лежит в основе всей жизни во Вселенной, кроме той, которая развивалась на Земле? Наверное, нет, хотя возможно. По крайней мере, мы не собираемся отказываться от его использования в качестве строительного материала, поскольку соединения кремния являются основой породы, составляющей подавляющее большинство земной коры.

Возможно, мы собираемся оставить кремний позади, но 20 лет назад это было не менее возможно.По всей вероятности, он будет и дальше оставаться одним из наиболее важных факторов в процессе освоения человеком физического мира.

.

Что такое вычислительная мощность? | HowStuffWorks

Что делает суперкомпьютер таким суперкомпьютером? Может ли он одним прыжком перепрыгнуть через высокие здания или защитить права невинных? Правда немного приземленнее. Суперкомпьютеры могут очень быстро обрабатывать сложные вычисления.

Как оказалось, в этом секрет вычислительной мощности. Все сводится к тому, насколько быстро машина может выполнять операцию. Все, что делает компьютер, сводится к математике. Процессор вашего компьютера интерпретирует любую выполняемую вами команду как серию математических задач.Более быстрые процессоры могут обрабатывать больше вычислений в секунду, чем более медленные, и они также лучше справляются с действительно сложными вычислениями.

Объявление

В процессоре вашего компьютера находятся электронные часы. Работа часов заключается в создании серии электрических импульсов через равные промежутки времени. Это позволяет компьютеру синхронизировать все его компоненты и определять скорость, с которой компьютер может извлекать данные из своей памяти и выполнять вычисления.

Когда вы говорите о том, сколько гигагерц у вашего процессора, вы на самом деле говорите о тактовой частоте . Число указывает, сколько электрических импульсов ваш процессор отправляет каждую секунду. Процессор с частотой 3,2 ГГц отправляет около 3,2 миллиарда импульсов каждую секунду. Хотя можно довести некоторые процессоры до скорости, превышающей заявленные пределы — процесс, называемый разгон , — в конечном итоге часы достигнут своего предела и не будут идти быстрее.

По состоянию на март 2010 года рекорд по вычислительной мощности принадлежит компьютеру Cray XT5 под названием Jaguar.Суперкомпьютер Jaguar может обрабатывать до 2,3 квадриллиона вычислений в секунду [источник: Национальный центр вычислительных наук].

Производительность компьютера также может быть измерена в операций с плавающей запятой в секунду или операций с плавающей запятой . Современные настольные компьютеры имеют процессоры, которые могут обрабатывать миллиарды операций с плавающей запятой в секунду или гигафлопс. Компьютеры с несколькими процессорами имеют преимущество перед однопроцессорными машинами, поскольку каждое ядро ​​процессора может обрабатывать определенное количество вычислений в секунду.Многоядерные процессоры увеличивают вычислительную мощность при меньшем потреблении электроэнергии [источник: Intel]

Даже быстрым компьютерам могут потребоваться годы для выполнения определенных задач. Найти два простых множителя очень большого числа — сложная задача для большинства компьютеров. Во-первых, компьютер должен определить множители большого числа. Затем компьютер должен определить, являются ли множители простыми числами. Для невероятно большого количества это трудоемкая задача. На выполнение вычислений у компьютера может уйти много лет.

Компьютеры будущего могут найти такую ​​задачу относительно простой. Рабочий квантовый компьютер достаточной мощности мог бы параллельно вычислять коэффициенты и затем давать наиболее вероятный ответ всего за несколько секунд. Однако у квантовых компьютеров есть свои проблемы, и они не будут подходить для всех вычислительных задач, но они могут изменить наше представление о вычислительной мощности.

Узнайте больше о компьютерах и процессорах, перейдя по ссылкам на следующей странице.

.