Wykonanie procesora komputerowego: przebieg pracy

Kilka lat temu Intel przedstawił krok po kroku proces produkcji mikroprocesorów, od piasku do produktu końcowego. Sam proces produkcji półprzewodników wygląda naprawdę niesamowicie.

Krok 1. Piasek

Krzem, który stanowi około 25 procent masy pierwiastków chemicznych w skorupie ziemskiej, jest drugim po tlenie. Piasek ma wysoki procent dwutlenku krzemu (SiO₂), który jest kluczowym składnikiem nie tylko przy produkcji procesorów Intel, ale ogólnie przy produkcji półprzewodników.

Stopiony krzem

Materiał jest oczyszczany w kilku etapach aż do uzyskania czystości krzemu używanego w półprzewodnikach. W końcu pojawia się w postaci monokrystalicznych wlewek o średnicy około 300 milimetrów (12 cali). Wcześniejsze wlewki miały 200 milimetrów (8 cali) średnicy, a jeszcze mniejsze w 1970 roku - 50 milimetrów (2 cale).

Na tym poziomie produkcji procesora czystość kryształu po rafinacji wynosi jeden atom zanieczyszczeń na miliard atomów krzemu. Wlewka waży 100 kilogramów.

Krok 3. krojenie wlewka

Wlewki są cięte na pojedyncze plastry, zwane waflami, za pomocą bardzo drobnej piły. Każdy plaster jest następnie polerowany, aby uzyskać wolną od wad, lustrzanie gładką powierzchnię. To właśnie na tej gładkiej powierzchni osadzane są następnie drobne miedziane druciki.

Naświetlanie warstwy fotorezystywnej

Na obracające się z dużą prędkością podłoże wylewany jest płyn fotorezystywny (ten sam materiał używany jest w tradycyjnej fotografii). Obrót powoduje powstanie cienkiej i jednolitej warstwy rezystywnej na całej powierzchni podłoża.

Laser UV przez maskę i soczewkę uderza w powierzchnię podłoża, wytwarzając małe świecące linie UV. Soczewka sprawia, że zogniskowany obraz jest 4 razy mniejszy od maski. Tam, gdzie linie UV są nakładane na warstwę rezystancyjną, zachodzi reakcja chemiczna, która powoduje, że obszary te stają się rozpuszczalne.

Krok 5. Wytrawianie

Rozpuszczalny materiał fotorezystywny jest następnie całkowicie rozpuszczany za pomocą rozpuszczalnika chemicznego. W ten sposób wytrawianie chemiczne jest używane do częściowego rozpuszczenia lub wytrawienia małej ilości polerowanego materiału półprzewodnikowego (podłoża). Pozostały materiał fotorezystu usuwa się w podobnym procesie mycia, odsłaniając (eksponując) wytrawioną powierzchnię podłoża.

Tworzenie warstw

Dodatkowe fotorezystywy (materiały wrażliwe na światło) są dodawane w celu stworzenia maleńkich miedzianych drucików, które ostatecznie będą przenosić prąd do/z różnych złączy, które są również myte i naświetlane. W celu dodania zanieczyszczeń i ochrony miejsc osadzania jonów miedzi przed siarczanem miedzi w procesie galwanizacji przeprowadza się dalszy proces stopu jonowego.

Na różnych etapach procesu dodawane są dodatkowe materiały, które są wytrawiane i polerowane. Proces ten powtarza się sześć razy, tworząc sześć warstw.

Produkt końcowy wygląda jak siatka z wielu mikroskopijnych pasków miedzi, które przewodzą prąd. Niektóre są połączone z innymi, a niektóre są oddalone od siebie o pewną odległość. Ale wszystkie one służą do jednego celu: przenoszenia elektronów. Innymi słowy, są one przeznaczone do wykonywania tzw. "pracy użytecznej" (np. jak najszybszego dodawania dwóch liczb, co w dzisiejszych czasach jest istotą modelu obliczeniowego).

Wielopoziomowa obróbka jest powtarzana na każdym pojedynczym małym obszarze powierzchni podłoża, na którym będą wytwarzane chipy. Dotyczy to obszarów, które częściowo znajdują się poza podłożem.

Krok 7. Testowanie

Po nałożeniu wszystkich warstw metalu i stworzeniu wszystkich tranzystorów, nadszedł czas na kolejny etap produkcji procesora "Intel" - testowy. Urządzenie z wieloma pinami jest umieszczone na szczycie układu scalonego. Wiele mikroskopijnych drutów jest do niego przymocowanych. Każdy z tych przewodów jest elektrycznie połączony z chipem.

W celu odtworzenia działania układu scalonego, do układu przesyłana jest sekwencja sygnałów testowych. Testy sprawdzają nie tylko tradycyjne możliwości obliczeniowe, ale także wykonują diagnostykę wewnętrzną, taką jak wartości napięć, sekwencje kaskadowe i inne. Odpowiedź chipa w postaci wyniku testu jest przechowywana w bazie danych specjalnie dedykowanej dla tego obszaru podłoża. Proces ten jest powtarzany dla każdego obszaru podłoża.

Krojenie płyt

Do cięcia płytek używa się bardzo małej piły z końcówką diamentową. Baza danych utworzona w poprzednim kroku jest wykorzystywana do określenia, które wióry wycięte z podłoża są zachowywane, a które odrzucane.

Krok 9. Obudowa

Wszystkie płytki robocze mieszczą się w fizycznej obudowie. Chociaż płytki zostały wstępnie przetestowane i stwierdzono, że działają poprawnie, nie oznacza to, że są to dobre procesory.

Proces enkapsulacji oznacza umieszczenie kryształu krzemu w materiale podłoża, z miniaturowymi złotymi drutami połączonymi z pinami lub układem pinów kulkowych. Z tyłu obudowy znajduje się zestaw kołków kulkowych. Na górze obudowy zamontowany jest radiator. Jest to metalowa obudowa. Po zakończeniu tego procesu procesor wygląda jak gotowy produkt, przeznaczony do konsumpcji.

Uwaga: Metalowy radiator jest kluczowym elementem dzisiejszych szybkich urządzeń półprzewodnikowych. Wcześniej radiatory były ceramiczne i nie stosowano wymuszonego chłodzenia. Był on wymagany dla niektórych modeli 8086 i 80286 oraz dla modeli od 80386. Poprzednie generacje procesorów miały znacznie mniej tranzystorów.

Na przykład 8086 miał 29 000 tranzystorów, podczas gdy współczesne procesory mają setki milionów tranzystorów. Tak mała liczba tranzystorów jak na dzisiejsze standardy nie generowała wystarczającej ilości ciepła, aby wymagała aktywnego chłodzenia. Aby odróżnić te procesory od tych wymagających tego typu chłodzenia, ceramiczne układy były następnie oznaczane napisem "Heat sink required".

Nowoczesne procesory generują tyle ciepła, że topią się w ciągu kilku sekund. Tylko obecność radiatora połączonego z dużym radiatorem i wentylatorem pozwala im funkcjonować przez dłuższy czas.

Sortowanie procesorów według cech

Na tym etapie produkcji procesor wygląda jak kupiony w sklepie. Jednak do zakończenia procesu jego produkcji wymagany jest jeszcze jeden krok. Nazywa się to sortowaniem.

Na tym etapie mierzona jest rzeczywista wydajność pojedynczego procesora. Zmierzone parametry takie jak napięcie, częstotliwość, wydajność, rozpraszanie ciepła i inne cechy.

Lepsze żetony są odkładane jako produkty wyższej klasy. Nie tylko sprzedają jako najszybszy komponenty, ale także jako modele niskonapięciowe i ultraniskonapięciowe.

Układy, które nie należą do grupy najlepszych procesorów są często sprzedawane jako niżej taktowane. Dodatkowo, procesory czterordzeniowe z niższej półki mogą być sprzedawane jako dwu- lub trzyrdzeniowe.

Wydajność procesora

Ostateczna prędkość, napięcie i charakterystyka termiczna są określane w procesie sortowania. Przykładowo, na standardowym podłożu tylko 5% produkowanych chipów może pracować z częstotliwością większą niż 3,2GHz. Jednocześnie 50% chipów może pracować z częstotliwością 2,8 GHz.

Producenci procesorów nieustannie kwestionują przyczyny, dla których większość produkowanych procesorów pracuje z częstotliwością 2,8 GHz zamiast wymaganej 3,2 GHz. Czasami można wprowadzić modyfikacje do projektu procesora w celu zwiększenia wydajności.

Opłacalność produkcji

Rentowność produkcji procesorów i większości elementów półprzewodnikowych mieści się w przedziale 33-50%. Oznacza to, że na każdym waflu pracuje co najmniej 1/3 do 1/2 wafli, a firma jest wtedy rentowna.

W Intelu zysk operacyjny Proces 45 nm dla podłoża 300 mm wynosi 95 %. Oznacza to, że jeśli z jednego wafla krzemowego można wykonać 500 sztuk, to 475 z nich będzie działać, a tylko 25 zostanie odrzuconych. Im więcej wafli można wyprodukować z jednego podłoża, tym większy będzie zysk firmy.

Stosowane obecnie technologie Intel

Historia stosowania przez Intela nowych technologii w procesorach produkowanych na skalę masową:

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

Początek 2018 r. Intel zapowiada, że przeniesie masową produkcję procesorów 10nm na 2019 r. Wysoki koszt produkcji. Obecnie firma nadal dostarcza procesory 10nm w niskich ilościach.

Opisz technologię produkcji procesorów Intel pod kątem kosztów. Kierownictwo tłumaczy wysoki koszt procesu długim cyklem produkcyjnym i wykorzystaniem dużej liczby masek. Proces 10nm opiera się na głębokiej litografii ultrafioletowej (DUV) z wykorzystaniem laserów pracujących na długości fali 193nm.

W procesie 7nm zostanie zastosowana litografia ekstremalnie ultrafioletowa (EUV), wykorzystująca lasery pracujące na poziomie 13,5nm. Dzięki tej długości fali będzie można uniknąć multipatternów powszechnie stosowanych w procesie 10nm.

Inżynierowie uważają, że w tym momencie muszą dopracować technologię DUV, a nie przeskakiwać bezpośrednio do procesu 7nm. Tym samym, na razie procesory wykorzystujące technologię 10nm będą wycofywane.

Perspektywy produkcji mikroprocesorów przez AMD

Jedyny prawdziwy konkurent "Intel" na rynku produkcji procesorów jest dziś AMD. Z powodu błędów "Intel", Dzięki technologii 10nm AMD nieznacznie poprawiło swoją pozycję na rynku. Masowa produkcja Intela z wykorzystaniem technologii procesu 10nm jest zdecydowanie spóźniona. AMD jest znane z tego, że korzysta z usług firm trzecich przy produkcji swoich chipów. A teraz jest taka sytuacja, że AMD wykorzystuje pełne 7nm technologie produkcyjne Procesory, które nie są gorsze od głównego konkurenta.

Główni zewnętrzni producenci półprzewodników wykorzystujący nową technologię do złożonych układów logicznych to Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), amerykańska firma GlobalFoundaries i koreańska Samsung Foundry.

AMD planuje wykorzystać TSMC wyłącznie do produkcji mikroprocesorów następnej generacji. Zastosowane zostaną nowe technologie procesorowe. Firma wypuściła już kilka produktów wykorzystujących proces 7nm, w tym 7nm GPU. Premiera pierwszego z nich zaplanowana jest na 2019 r. Już za 2 lata planowane jest rozpoczęcie masowej produkcji 5-nm chipów.

GlobalFoundaries zrezygnowało z rozwoju procesu 7nm, aby skupić swoje wysiłki na rozwoju procesu 14/12nm dla klientów ukierunkowanych na szybko rosnące. AMD dokonuje dodatkowych inwestycji w GlobalFoundaries w celu produkcji procesorów AMD obecnej generacji Ryzen, EPYC i Radeon.

Produkcja mikroprocesorów w Rosji

Główne zakłady produkcji mikroelektronicznej znajdują się w miastach Zelenograd ("Micron", "Angstrem") i Moskwy ("Crocus"). Białoruś ma również własny zakład produkcji mikroelektroniki - firmę "Integralny", który wykorzystuje technologię procesową 0,35 µm.

Produkcja procesorów w Rosji jest prowadzona przez firmy "MCST" и "Elektronika Bajkału". Najnowszy rozwój "ICST" - Procesor Elbrus-8S. Jest to 8-rdzeniowy mikroprocesor taktowany zegarem od 1,1 do 1,3 GHz. Wydajność rosyjskiego procesora to 250 gigaflopów (operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Przedstawiciele firmy twierdzą, że według wielu wskaźników procesor może konkurować nawet z liderem branży - Intelem.

Produkcja procesorów "Elbrus" będzie kontynuował model "Elbrus-16" 1,5 GHz (indeks cyfrowy w nazwie oznacza liczbę rdzeni). Masowa produkcja tych mikroprocesorów będzie prowadzona na Tajwanie. To powinno pomóc w obniżeniu ceny. Jak wiadomo, cena produktów firmy jest wygórowana. Jednak wydajność komponentów jest znacznie gorsza niż w przypadku wiodących przedsiębiorstw w sektorze. Na razie procesory te będą wykorzystywane tylko przez agencje rządowe i do celów obronnych. Ta linia procesorów będzie produkowana w technologii 28nm technologia procesowa.

"Elektronika Bajkału" produkuje procesory przeznaczone do użytku przemysłowego. W szczególności dotyczy to modelu "Bajkał T1". Jego obszarem zastosowania są frezarki, systemy CNC i urządzenia biurowe. Firma nie poprzestaje na tym i już opracowuje procesor dla Komputery PC - "Bajkał M". Nie ma jeszcze zbyt wielu informacji na temat jego właściwości. Wiadomo, że ma mieć 8-rdzeniowy procesor z obsługą do 8 rdzeni graficznych. Zaletą tego mikroprocesora będzie jego energooszczędność.