Из песка в процессоры
Корни нашего цифрового образа жизни определённо растут из полупроводников, которые позволили создавать сложные вычислительные чипы на основе транзисторов. Они хранят и обрабатывают данные, что и является основой современных микропроцессоров. Полупроводники, которые сегодня изготавливаются из песка, являются ключевым компонентом практически любого электронного устройства, от компьютеров до ноутбуков и сотовых телефонов. Даже машины теперь не обходятся без полупроводников и электроники, поскольку полупроводники управляют системой кондиционирования воздуха, процессом впрыска топлива, зажиганием, люком, зеркалами и даже рулевым управлением (BMW Active Steering). Сегодня почти любое устройство, которое потребляет энергию, построено на полупроводниках.
Микропроцессоры, без сомнения, находятся среди самых сложных полупроводниковых продуктов, поскольку в скором времени число транзисторов достигнет миллиарда, а спектр функциональности поражает уже сегодня. Скоро выйдут двуядерные процессоры Core 2 на почти готовом 45-нм техпроцессе Intel, причём содержать они будут уже 410 миллионов транзисторов (хотя их большая часть будет использоваться для 6-Мбайт кэша L2). 45-нм процесс назван так по размеру одного транзистора, который теперь примерно в 1 000 раз меньше диаметра человеческого волоса. В определённой степени именно поэтому электроника начинает управлять всем в нашей жизни: даже когда размеры транзистора были больше, производить не очень сложные микросхемы было очень дёшево, бюджет транзисторов был весьма большим.
В нашей статье мы рассмотрим основы производства микропроцессоров, но также коснёмся и истории процессоров, архитектуры и рассмотрим разные продукты на рынке. В Интернете можно найти немало интересной информации, кое-что перечислено ниже.
- Intel Silicon Technology.
- Microprocessor History (by W. Warner, hosted by IBM).
- Wikipedia: Microprocessor. В этой статье рассмотрены разные типы процессоров и приведены ссылки на производителей и дополнительные страницы Wiki, посвящённые процессорам.
- Wikipedia: Microprocessors (Category). В разделе, посвящённом микропроцессорам, приведено ещё больше ссылок и информации.
Конкуренты в сфере ПК: AMD и Intel
Штаб-квартира компании Advanced Micro Devices Inc., основанной в 1969, располагается в калифорнийском Саннивейле, а “сердце” компании Intel, которая была образована всего на год раньше, располагается в нескольких километрах, в городе Санта-Клара. У AMD сегодня есть два завода: в Остине (Техас, США) и в Дрездене (Германия). Скоро в действие вступит новый завод. Кроме того, AMD объединила усилия с IBM по разработке процессорных технологий и по производству. Конечно, всё это – лишь доля от размера Intel, поскольку у этого лидера рынка сегодня работают почти 20 заводов в девяти местах. Примерно половина из них используется для производства микропроцессоров. Поэтому, когда вы сравниваете AMD и Intel, помните, что вы сравниваете Давида и Голиафа.
У Intel есть бесспорное преимущество в виде огромных производственных мощностей. Да, компания сегодня лидирует по внедрению передовых технологических процессов. Intel примерно на год опережает AMD в этом отношении. В результате Intel может использовать в своих процессорах большее число транзисторов и больший объём кэша. AMD, в отличие от Intel, приходится максимально эффективно оптимизировать техпроцесс, чтобы не отстать от конкурента и выпускать достойные процессоры. Конечно, дизайн процессоров и их архитектура сильно различаются, но технический процесс производства построен на тех же базовых принципах. Хотя, конечно, и в нём отличий много.
Производство микропроцессоров
Производство микропроцессоров состоит из двух важных этапов. Первый заключается в производстве подложки, что AMD и Intel осуществляют на своих заводах. Сюда входит и придание подложке проводящих свойств. Второй этап – тест подложек, сборка и упаковка процессора. Последнюю операцию обычно производят в менее дорогих странах. Если вы посмотрите на процессоры Intel, то найдёте надпись, что упаковка была осуществлена в Коста-Рике, Малайзии, на Филиппинах и т.д.
AMD и Intel сегодня пытаются выпускать продукты для максимального числа сегментов рынка, причём, на основе минимально возможного ассортимента кристаллов. Прекрасный пример – линейка процессоров Intel Core 2 Duo. Здесь есть три процессора с кодовыми названиями для разных рынков: Merom для мобильных приложений, Conroe – настольная версия, Woodcrest – серверная версия. Все три процессора построены на одной технологической основе, что позволяет производителю принимать решения на последних этапах производства. Можно включать или отключать функции, а текущий уровень тактовых частот даёт Intel прекрасный процент выхода годных кристаллов. Если на рынке повысился спрос на мобильные процессоры, Intel может сфокусироваться на выпуске моделей Socket 479. Если возрос спрос на настольные модели, то компания будет тестировать, валидировать и упаковывать кристаллы для Socket 775, в то время как серверные процессоры упаковываются под Socket 771. Так создаются даже четырёхядерные процессоры: два двуядерных кристалла устанавливаются в одну упаковку, вот мы и получаем четыре ядра.
Как создаются чипы
Производство чипов заключается в наложении тонких слоёв со сложным “узором” на кремниевые подложки. Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор. Сверху затем накладывается фоторезистивный материал, а нежелательные участки удаляются с помощью масок и высокоинтенсивного облучения. Когда облучённые участки будут удалены, под ними откроются участки диоксида кремния, который удаляется с помощью травления. После этого удаляется и фоторезистивный материал, и мы получаем определённую структуру на поверхности кремния. Затем проводятся дополнительные процессы фотолитографии, с разными материалами, пока не будет получена желаемая трёхмерная структура. Каждый слой можно легировать определённым веществом или ионами, меняя электрические свойства. В каждом слое создаются окна, чтобы затем подводить металлические соединения.
Что касается производства подложек, то из цельного монокристалла-цилиндра их необходимо нарезать тонкими “блинами”, чтобы потом легко разрезать на отдельные кристаллы процессоров. На каждом шаге производства выполняется сложное тестирование, позволяющее оценить качество. Для тестов каждого кристалла на подложке используются электрические зонды. Наконец, подложка разрезается на отдельные ядра, нерабочие ядра сразу же отсеиваются. В зависимости от характеристик, ядро становится тем или иным процессором и заключается в упаковку, которая облегчает установку процессора на материнскую плату. Все функциональные блоки проходят через интенсивные стресс-тесты.
Всё начинается с подложек
Первый шаг в производстве процессоров выполняется в чистой комнате. Кстати, важно отметить, что подобное технологичное производство представляет собой скопление огромного капитала на квадратный метр. На постройку современного завода со всем оборудованием легко “улетают” 2-3 млрд. долларов, да и на тестовые прогоны новых технологий требуется несколько месяцев. Только затем завод может серийно выпускать процессоры.
В общем, процесс производства чипов состоит из нескольких шагов обработки подложек. Сюда входит и создание самих подложек, которые в итоге будут разрезаны на отдельные кристаллы.
Производство подложек
Всё начинается с выращивания монокристалла, для чего затравочный кристалл внедряется в ванну с расплавленным кремнием, который находится чуть выше точки плавления поликристаллического кремния. Важно, чтобы кристаллы росли медленно (примерно день), чтобы гарантировать правильное расположение атомов. Поликристаллический или аморфный кремний состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами. Когда кремний будет расплавлен, его можно легировать с помощью других веществ, меняющих его электрические свойства. Весь процесс происходит в герметичном помещении со специальным воздушным составом, чтобы кремний не окислялся.
Монокристалл разрезается на “блины” с помощью кольцевой алмазной пилы, которая очень точная и не создаёт крупных неровностей на поверхности подложек. Конечно, при этом поверхность подложек всё равно не идеально плоская, поэтому нужны дополнительные операции.
Сначала с помощью вращающихся стальных пластин и абразивного материала (такого, как оксид алюминия), снимается толстый слой с подложек (процесс называется притиркой). В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (2 000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. Далее используется процесс травления, когда с помощью разных химикатов (плавиковая кислота, уксусная кислота, азотная кислота) поверхность сглаживается ещё примерно на 50 мкм. Физически поверхность не ухудшается, поскольку весь процесс полностью химический. Он позволяет удалить оставшиеся погрешности в структуре кристалла, в результате чего поверхность будет близка к идеалу.
Последний шаг – полировка, которая сглаживает поверхность до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка осуществляется с помощью смеси гидроксида натрия и гранулированного диоксида кремния.
Сегодня подложки для микропроцессоров имеют диаметр 200 или 300 мм, что позволяет производителям чипов получать с каждой из них множество процессоров. Следующим шагом будут 450-мм подложки, но раньше 2013 года ожидать их не следует. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. 300-мм подложка, например, даёт более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.
Легирование, диффузия
Мы уже упоминали легирование, которое выполняется во время роста монокристалла. Но легирование производится и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии позднее. Это позволяет менять электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры кристалла
Добавление легирующего вещества может происходить через диффузию. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других источников легирующего вещества.
Ещё один подход к легированию заключается в ионной имплантации, которая очень полезна в деле изменения свойств подложки, которая была легирована, поскольку ионная имплантация осуществляется при обычной температуре. Поэтому существующие примеси не диффундируют. На подложку можно наложить маску, которая позволяет обрабатывать только определённые области. Конечно, об ионной имплантации можно говорить долго и обсуждать глубину проникновения, активацию добавки при высокой температуре, канальные эффекты, проникновение в оксидные уровни и т.д., но это выходит за рамки нашей статьи. Процедуру можно повторять несколько раз во время производства.
Создание маски
Чтобы создать участки интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. Поскольку при этом нужно облучать не всю поверхность подложки, то важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска.
Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего мы получаем шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Важно понимать, что каждая модификация интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень затратный. Для очень сложных схем маски создаются весьма долго.
Фотолитография
С помощью фотолитографии на кремниевой подложке формируется структура. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв (более 20). Слои могут состоять из разных материалов, причём, нужно ещё и продумывать соединения микроскопическими проволочками. Все слои можно легировать.
Перед тем, как начнётся процесс фотолитографии, подложка очищается и нагревается, чтобы удалить липкие частицы и воду. Затем подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Подложка вновь затем нагревается.
Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов – могут использоваться все эти источники света или энергии. Пучки электронов применяются, главным образом, для создания масок, рентгеновские лучи и пучки ионов – для исследовательских целей, а в промышленном производстве сегодня доминируют жёсткое УФ-излучение и газовые лазеры.
Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску.
Для получения требуемого результата очень важны время проецирования и фокусировка. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. То же самое получится, если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. С другой стороны, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. Как правило, очень трудоёмко и сложно отрегулировать и оптимизировать процесс. Неудачная регулировка приведёт к серьёзным отклонениям и в соединительных проводниках.
Специальная шаговая проекционная установка перемещает подложку в нужное положение. Затем может проецироваться строчка или один участок, чаще всего соответствующий одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки могут вносить дополнительные изменения. Они могут отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера.
Травление и очистка
Затем подложка переходит на новый этап, где удаляется ослабленный фоторезистивный материал, что позволяет получить доступ к диоксиду кремния. Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы – газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке. После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии.
Тест подложек, сборка, упаковка
Тест подложек
Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра.
Разрезание подложки
С помощью разрезания из подложки можно получить отдельные ядра. На данный момент установки зондового контроля уже выявили, какие кристаллы содержат ошибки, поэтому после разрезания их можно отделить от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных.
Крепление кристалла
Затем функциональное ядро нужно связать с процессорной упаковкой, используя клейкий материал.
Проводное соединение
Затем нужно провести проводные соединения, связывающие контакты или ножки упаковки и сам кристалл. Могут использоваться золотые, алюминиевые или медные соединения.
Упаковка
Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла.
Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение. Современные процессоры оснащаются так называемым распределителем тепла, который обеспечивает дополнительную защиту кристалла, а также большую контактную поверхность с кулером.
Тестирование процессора
Последний этап подразумевает тестирование процессора, что происходит при повышенных температурах, в соответствии со спецификациями процессора. Процессор автоматически устанавливается в тестовый сокет, после чего происходит анализ всех необходимых функций.
