Из чего делают процессоры: Как делают процессоры |

Содержание

Как делают процессоры

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?

Мария Сотскова

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.

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.

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

Item 1 of 12

1 / 12

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

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.

Какие микропроцессоры разрабатывают в России? И что с ними будет из-за санкций?

Тайваньская фабрика TSMC больше не доступна для российских разработчиков микропроцессоров. По ряду возможностей это производство не имеет альтернатив в мире. Что будут делать компании и какие у них перспективы?

Тайваньская компания TSMC — лидер в производстве самых передовых чипов. Среди ее клиентов Apple, Qualcomm, Nvidia. В прошлом году на ее долю приходилось 54% мирового рынка их производства. В феврале TSMC остановила производство процессоров «Байкал», «Эльбрус» и других чипов российской разработки. Мы поговорили с экспертами о настоящем и будущем отечественных микропроцессоров.

В России пять основных разработчиков микропроцессоров: МЦСТ, «Байкал», «Модуль», «Элвис» и «Миландр». «Из них самые большие объемы производства и номенклатура — у «Миландра». Продукция компаний пересекается по областям применения, но у каждой можно выделить основное направление», — говорит Иван Покровский, исполнительный директор Ассоциации разработчиков и производителей электроники.

«Миландр» — микроконтроллеры интернета вещей. Например, для счетчиков, промышленной автоматизации.
МЦСТ (процессоры «Эльбрус») — центральные процессоры серверов, систем хранения данных, суперкомпьютеров, для систем тяжелых вычислений в промышленной автоматизации.
«Байкал» — центральные процессоры персональных устройств. Процессоры «Байкал» серии М — для персональных и промышленных компьютеров, Т — сетевого телеком-оборудования, новый процессор S — для серверов.
«Элвис» — сетевые процессоры для телекома.
«Модуль» — цифровые, графические и нейропроцессоры.

Например, процессоры «Эльбрус» и «Байкал» важны для создания критической информационной инфраструктуры (КИИ) в России — они предназначены для рабочих станций и серверов крупных компаний и госучреждений.

Критическая информационная инфраструктура — это совокупность IT-систем, критически важных для работы основных сфер общества и государства, таких как здравоохранение, транспорт, связь, энергетика, оборонная промышленность и т. п. В России несколько лет готовится переход объектов КИИ на софт и оборудование отечественных разработчиков.

Сегодня в критической информационной инфраструктуре преобладает оборудование и ПО иностранных производителей. «В персональных компьютерах и серверах — решения на Intel и AMD. В системах хранения данных большая доля у IBM. В оборудовании интернета вещей — у STMicroelectronics. В системах обработки видео, искусственного интеллекта — Nvidia», — перечисляет Иван Покровский.

«Все высокопроизводительные микропроцессоры российской разработки выпускались на TSMC», — говорит Иван Покровский.

Российские разработчики процессоров — это в большинстве так называемые fabless-компании, те, у которых нет своих фабрик. Это означает, что они разрабатывают архитектуру и делают дизайн процессора, но для выпуска непосредственно кремниевого чипа как финального продукта заключают контракты с заводом. Это распространенная практика, многие заметные в мире разработчики работают по контрактному производству. Например, MediaTek.

«В 2005–2013 годах первые серии чипов «Эльбрус» по техническим процессам 130–90 нм (нанометров) выпускали небольшими партиями на заводе «Микрон» в Зеленограде. Тогда появились первые проблемы. Второе поколение процессоров «Эльбрус-2СМ» по нормам 90 нм не показывали хорошей производительности, было много брака. Сам процесс общего назначения завода не был подстроен под процессоры «Эльбрус», что и подвело локальное производство. Третье поколение и последующие поколения процессоров МЦСТ производили за рубежом, в основном на заводах TSMC», — говорит Алексей Петров, предприниматель, специалист по чип-дизайну.

В МЦСТ создавали и адаптированную версию «Эльбрус-4СМ»/65 нм для производства на мощности «Микрона». «Но предприятие не смогло перейти на необходимый для этого технический процесс — 65 нм и достигнуть приемлемого качества», — уточняет Петров.

В мире более 400 фабричных линий для производства разных чипов.

Но производств высокопроизводительных микропроцессоров по мелким техпроцессам — 16–10 нм и меньше — не более десятка. Чем меньше нанометраж, тем выше производительность и быстродействие чипа: 5-нанометровый чип быстрее и производительнее, чем 10-нанометровый. У первого в разы сложнее дизайн, сложнее и дороже его производство.

«Транзистор в процессоре 10 нм размером всего с 50 атомов гелия. Для понимания масштаба: размер человеческого волоса примерно 80–110 микрон — на его срезе легко поместится чип примерно с 1,2 млн транзисторов. Чтобы создать такое микрочудо, нужны крайне сложные станки и машины. Тайваньская фабрика TSMC — лидер в мире по передовым технологиям выпуска микросхем с нормами 90, 65, 45, 40, 28, 20, 16/12, 10, 7, 5 нм. Сейчас у нее более 30 заводов-линий в Тайване, два в США и два в Китае. Для такого большого производства у завода налажена целая сеть логистики для поставщиков разных компонентов для производства микросхем. Производство малоразмерных чипов — это крайне сложный процесс, требующий очень сложных технологий, уникальных станков и невероятно сложной инфраструктуры. Построить и поддерживать такой завод, скажем, для технологических норм 10 нм ресурсами одной страны крайне малореально, для этого нужны ресурсы, уникальные станки и редкие инженерные достижения многих разных стран», — говорит Алексей Петров.

Сегодня чипы по 5-нанометровому техпроцессу могут производить только две компании в мире — TSMC и Samsung. По 10-нанометровому техпроцессу — Intel, TSMC, Samsung. Компания GlobalFoundries собиралась запустить самостоятельное производство 10-нанометровых чипов, но отказалась, столкнувшись с трудностями. А для выпуска 14-нанометровых — делилась частью наработок с Samsung, чтобы совместно создать производство. Тем временем TSMC начала экспериментальный выпуск 3-нанометровых чипов и собирается запустить фабрику по производству 2-нанометровых процессоров.

«Intel, сопоставимая по техническому уровню с TSMC, не выполняет заказы контрактного производства, выпускает только собственную продукцию. А Samsung специализируется на микросхемах памяти, не обладает необходимыми для выпуска микропроцессоров библиотеками IP-блоков. Фактически в контрактном производстве высокопроизводительных микропроцессоров TSMC не имеет альтернатив в мире», — уточняет Иван Покровский.

Это занимает примерно два-три года. В редких случаях при уже готовых наработках и отлаженных связях — быстрее.

Разработка идет полтора-два года.

«Разработчики и специалисты по чип-дизайну создают архитектурный набросок процессора, исходя из требований заказчика. Инженеры проектируют электрическую архитектуру, дизайн чипа адаптируется под определенный технический процесс конкретного завода, где он будет производиться. Перенести его на другой завод, даже работающий по похожим техническим нормам, зачастую без редизайна невозможно», — рассказывает Алексей Петров.

От выращивания кремниевой заготовки до финала — готового микропроцессора — проходит еще год-полтора, у завода для мелких техпроцессов своя очередь, и произвести раньше по желанию не получится.

«Производство идет в более чем 500 высокотехнологичных этапов, — продолжает Алексей Петров. — На большой кремниевой пластине — вейфере — с помощью литографии, легирования и диффузии формируются проводники, транзисторы и многие слои — до 13–15 слоев для современных чипов. Так постепенно формируется множество чипов на одной большой пластине. Пластина нарезается на отдельные чипы-кристаллы, к ним крепятся проводники, и они монтируются в корпус. Далее, как правило, чипы еще раз тестируются и проходят выходной контроль, только тогда это превращается в относительно финальный продукт в виде знакомого нам процессора в корпусе».

Сегодня в России нет фабрик для производства процессоров по нормам менее 65 нм. А TSMC выполняла для МЦСТ производство чипов такого нанометража. Кроме того, у МЦСТ разработан чип по норме 16 нм.

На прошлой неделе РБК сообщал со ссылкой на источник, что компания МЦСТ, разрабатывающая процессоры «Эльбрус», ведет переговоры с фабрикой «Микрон» в Зеленограде о переносе производства на их мощности. По запросу ТАСС в МЦСТ ответили, что сейчас не дают официальных комментариев. На письмо в пресс-службу «Микрона» на момент публикации этого текста не ответили.

Кроме «Микрона» в Зеленограде есть производство «НМ-Тех». Компания начала строить фабрику для выпуска процессоров 28 нм. Ранее «НМ-Тех» привозила в Россию специалистов из Тайваня для работы на ее производстве.

Из-за санкций производитель процессоров «Байкал» — АО «Байкал электроникс» — лишился возможности использовать внешне запатентованную архитектуру британской компании ARM. ARM — это проектировщик процессоров, который продает лицензии на уже разработанную архитектуру и помогает производителям адаптировать решения.

«Для процессора нужно создать целый ряд программных продуктов, компиляторов, библиотек стандартных функций, документации и поддержки. Без этого процессор будет малополезным кремниевым кирпичиком. Используя совместимость с архитектурой ARM, в разы проще использовать все уже существующие в мире наработки. Сейчас для разработчиков чипов «Байкал» недоступны новые лицензии. Выпущенные и уже работающие процессоры от этого не пострадают, старые выданные лицензии не отозваны. Для выпуска новых — придется поискать или создать свою архитектуру», — объясняет Алексей Петров.

«Сейчас для такого производства — фабрики с нормами производства процессоров 28 нм, к сожалению, нет ничего — ни технологического оборудования, ни материалов, ни инженеров-технологов с соответствующими компетенциями. Из этого самое важное — школа инженеров-технологов. В обозримой перспективе высокопроизводительные микропроцессоры можно будет выпускать только на зарубежных фабриках. Задача в том, чтобы преодолеть санкционные ограничения и зависимость от одной компании, получить альтернативные варианты и повысить устойчивость цепочек международной кооперации. На российских фабриках необходимо изготавливать микросхемы средней производительности для задач, которые не так требовательны к быстродействию, как к уровню безопасности», — считает Иван Покровский.

«Тайвань с 1970-х строил технологический парк и активно его развивал, — рассказывает Алексей Петров. — Это гигантская инфраструктура научного парка города Синьчжу. В одном заводе собирается более 2 500 топ-технологий со всего мира. Годы ушли на обучение специалистов, годы — на то, чтобы появились заводы, бизнесы, дизайнеры и инфраструктура. Примерно 20–30 лет целенаправленной работы. Текущий процесс 65 нм, который есть в России, — это отставание на 15 лет, уровень примерно 2000–2006 годов. В 2015 году «Микрон» делал тестовые выпуски 65-нанометровых чипов; для понимания: в то же время Intel и TSMC освоили чипы по 16-нанометровым техпроцессам. Можно производить приемлемые чипы для космической промышленности, где они востребованы, но для передовых и конкурентных на мировом рынке процессоров и мобильного хай-тека нужны более новые и малоразмерные техпроцессы».

Анастасия Акулова

Что такое процессор? — Определение из Techopedia

Что означает процессор?

Процессор — это интегральная электронная схема, выполняющая вычисления, необходимые для работы компьютера. Процессор выполняет арифметические, логические, ввод-вывод (I/O) и другие основные инструкции, которые передаются от операционной системы (ОС). Большинство других процессов зависят от операций процессора.

Термины «процессор», «центральный процессор» (ЦП) и «микропроцессор» обычно используются как синонимы. В настоящее время большинство людей используют слово «процессор» взаимозаменяемо с термином «ЦП», что технически неверно, поскольку ЦП — это всего лишь один из процессоров внутри персонального компьютера (ПК).

Графический процессор (GPU) — это еще один процессор, и даже некоторые жесткие диски технически способны выполнять некоторую обработку.

Techopedia объясняет процессор

Процессоры используются во многих современных электронных устройствах, включая ПК, смартфоны, планшеты и другие портативные устройства. Их цель — получать входные данные в виде программных инструкций и выполнять триллионы вычислений, чтобы обеспечить результат, с которым будет взаимодействовать пользователь.

Процессор включает в себя блок арифметической логики и управления (CU), который измеряет возможности с точки зрения следующего:

Способность обрабатывать инструкции в заданное время.
Максимальное количество бит/инструкций.
Относительная тактовая частота.

Каждый раз, когда на компьютере выполняется операция, например изменение файла или открытие приложения, процессор должен интерпретировать инструкции операционной системы или программного обеспечения. В зависимости от его возможностей, операции обработки могут выполняться быстрее или медленнее и оказывать большое влияние на так называемую «скорость обработки» ЦП.

Каждый процессор состоит из одного или нескольких отдельных процессорных блоков, называемых «ядрами». Каждое ядро обрабатывает инструкции одной вычислительной задачи с определенной скоростью, определяемой как «тактовая частота» и измеряемой в гигагерцах (ГГц). Поскольку увеличение тактовой частоты сверх определенного значения стало технически слишком сложным, современные компьютеры теперь имеют несколько процессорных ядер (двухъядерные, четырехъядерные и т. д.). Они работают вместе, чтобы обрабатывать инструкции и выполнять несколько задач одновременно.

Современные настольные и портативные компьютеры теперь имеют отдельный процессор для обработки графического рендеринга и отправки вывода на устройство монитора дисплея. Поскольку этот процессор, графический процессор, специально разработан для этой задачи, компьютеры могут более эффективно обрабатывать все приложения, которые особенно интенсивно используют графику, такие как видеоигры.

Процессор состоит из четырех основных элементов: арифметико-логического устройства (ALU), устройства с плавающей запятой (FPU), регистров и кэш-памяти. ALU и FPU выполняют базовые и расширенные арифметические и логические операции над числами, а затем результаты отправляются в регистры, в которых также хранятся инструкции. Кэши — это небольшие и быстрые запоминающие устройства, которые хранят копии данных для частого использования и действуют аналогично оперативной памяти (ОЗУ).

Процессор выполняет свои операции через три основных шага командного цикла: выборка, декодирование и выполнение.

Выборка: ЦП извлекает инструкции, обычно из ОЗУ.
Декодирование: декодер преобразует инструкции в сигналы для других компонентов компьютера.
Выполнить: теперь декодированные инструкции отправляются каждому компоненту, чтобы можно было выполнить желаемую операцию.

Как устроены ЦП. Часть 3: Сборка микросхемы

Это третья часть нашей серии по проектированию ЦП. В части 1 мы рассмотрели архитектуру компьютера и принцип работы процессора на высоком уровне. Во второй части было рассмотрено, как были спроектированы и реализованы некоторые отдельные компоненты чипа. Часть 3 идет еще дальше и показывает, как архитектурные и схематические проекты превращаются в физические микросхемы.

Как превратить кучу песка в продвинутый процессор? Давай выясним.

Часть 1. Основы компьютерной архитектуры
(архитектуры набора инструкций, кэширование, конвейеры, гиперпоточность)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП
(схемы, транзисторы, логические элементы, тактирование)
Часть 3. Планировка и физическая сборка микросхемы
(СБИС и производство кремния)
Часть 4: Текущие тенденции и будущие актуальные темы в компьютерной архитектуре
(Sea of Accelerators, 3D-интеграция, FPGA, вычисления с ближней памятью)

Как мы обсуждали ранее, процессоры и вся остальная цифровая логика состоят из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электронным управлением, который мы можем включать и выключать, подавая или снимая напряжение с затвора. Мы обсудили, что существует два основных типа транзисторов: устройства nMOS, которые пропускают ток, когда затвор открыт, и устройства pMOS, которые пропускают ток, когда затвор закрыт. Базовой структурой процессора, в который встроены транзисторы, является кремний. Кремний известен как полупроводник , потому что он не полностью проводит или изолирует; это где-то посередине.

Чтобы превратить кремниевую пластину в полезную схему путем добавления транзисторов, инженеры-технологи используют процесс, называемый легированием . Процесс легирования включает добавление тщательно отобранных примесей к базовой кремниевой подложке для изменения ее проводимости. Цель здесь — изменить поведение электронов, чтобы мы могли ими управлять. Так же, как есть два типа транзисторов, есть два основных соответствующих типа легирования.

Процесс изготовления пластины перед упаковкой чипов. Фото: Эван Лиссус

Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, таких как мышьяк, сурьма или фосфор, мы сможем создать область n-типа. Поскольку область кремния, на которую наносились эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она станет отрицательно заряженной. Вот откуда взялось название n-type и буква «n» в nMOS. Добавляя в кремний элементы-акцепторы электронов, такие как бор, индий или галлий, мы можем создать область p-типа, которая будет заряжена положительно. Вот откуда взялась буква «p» в словах p-type и pMOS. Конкретные процессы добавления этих примесей в кремний известны как Ion Implantation и Diffusion , и они немного выходят за рамки этой статьи.

Теперь, когда мы можем контролировать электропроводность определенных частей нашего кремния, мы можем комбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах, известные как МОП-транзисторы (полевые транзисторы на основе оксидов и полупроводников металлов), имеют четыре контакта. Ток, которым мы управляем, течет через Исток и Сток. В n-канальном устройстве он обычно поступает в сток и выходит из истока, в то время как в p-канальном устройстве он обычно проходит в исток и выходит из стока. Затвор — это переключатель, используемый для включения и выключения транзистора. Наконец, корпус устройства не имеет отношения к процессору, поэтому мы не будем его здесь обсуждать.

Физическая структура инвертора из кремния. Каждая окрашенная область имеет разные свойства проводимости. Обратите внимание, как различные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа.

Технических подробностей о том, как работают транзисторы и как взаимодействуют различные области, достаточно, чтобы заполнить курс колледжа для выпускников, поэтому мы коснемся только основ. Хорошей аналогией того, как они работают, является подъемный мост через реку. Автомобили, электроны в нашем транзисторе, хотели бы перетекать с одного берега реки на другой, исток и сток нашего транзистора. Используя в качестве примера устройство nMOS, когда затвор не заряжен, разводной мост поднят, электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем подъемный мост, мы образуем дорогу через реку, и автомобили могут свободно двигаться. То же самое происходит и в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий течь току.

Чтобы иметь возможность точно контролировать, где находятся различные p- и n-области кремния, такие производители, как Intel и TSMC, используют процесс, называемый фотолитографией . Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс, и компании тратят миллиарды долларов на его совершенствование, чтобы иметь возможность создавать меньшие по размеру, более быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте себе сверхточный принтер, который можно использовать для рисования шаблонов для каждой области на кремнии.

Процесс сборки транзисторов в микросхему начинается с чистой кремниевой пластины. Затем его нагревают в печи, чтобы вырастить тонкий слой диоксида кремния на верхней части пластины. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный полимер фоторезиста. Направляя свет определенной частоты на фоторезист, мы можем снять фоторезист в тех областях, которые хотим легировать. Это шаг литографии, и он похож на то, как принтеры наносят чернила на определенные области страницы, только в гораздо меньшем масштабе.

Пластину протравливают плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в месте удаления фоторезиста. Затем фоторезист удаляется, оставляя под ним только оксидный слой. Затем легирующие ионы могут быть нанесены на пластину, и они будут имплантироваться только там, где в оксиде есть промежутки.

Этот процесс маскирования, визуализации и легирования повторяется десятки раз для медленного создания каждого уровня характеристик в полупроводнике. После того, как базовый уровень кремния будет готов, сверху будут изготовлены металлические соединения для соединения различных транзисторов. Чуть позже мы подробнее расскажем об этих соединениях и металлических слоях.

Конечно, производители чипов не просто изготавливают транзисторы по одному. При разработке нового чипа они будут генерировать маски для каждого этапа производственного процесса. Эти маски будут содержать расположение каждого элемента из миллиардов транзисторов на кристалле. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются одновременно на одном кристалле.

После изготовления пластины отдельные матрицы нарезаются и упаковываются. В зависимости от размера чипа, каждая пластина может вмещать сотни и более чипов. Как правило, чем мощнее производимый чип, тем больше будет кристалл и тем меньше чипов производитель сможет получить с каждой пластины.

Легко думать, что мы должны просто делать огромные чипы, которые будут супермощными и с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым большим фактором, мешающим нам производить чипы все большего и большего размера, являются дефекты производственного процесса. Современные чипы имеют миллиарды транзисторов, и если хотя бы одна часть одного из них выйдет из строя, придется выбросить весь чип. По мере того, как мы увеличиваем размер процессоров, увеличивается вероятность того, что чип окажется неисправным.

Фактическая прибыль, которую компании получают от своих производственных процессов, держится в строжайшем секрете, но примерно от 70% до 90% является хорошей оценкой. Компании часто перепроектируют свои чипы с дополнительной функциональностью, поскольку они знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может разработать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный чип, поскольку, по их оценкам, одно или два ядра могут выйти из строя. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене в процессе, известном как 9.0074 биннинг .

Одним из наиболее важных маркетинговых терминов, связанных с производством микросхем, является размер элемента. Например, Intel работает над 10-нм техпроцессом, AMD использует 7-нм техпроцесс для некоторых графических процессоров, а TSMC начала работу над 5-нм техпроцессом. Что же означают все эти цифры? Традиционно размер элемента представляет собой минимальную ширину между стоком и истоком транзистора. По мере развития технологий мы смогли уменьшить наши транзисторы, чтобы иметь возможность помещать все больше и больше на один чип. По мере того, как транзисторы становятся меньше, они также становятся все быстрее и быстрее.

Глядя на эти цифры, важно отметить, что некоторые компании могут основывать свой размер процесса на размерах, отличных от стандартной ширины. Это означает, что процессы разного размера в разных компаниях могут фактически привести к созданию транзистора одного размера. С другой стороны, не все транзисторы в данном процессе также имеют одинаковый размер. Разработчики могут решить сделать одни транзисторы больше, чем другие, исходя из определенных компромиссов. Для данного процесса проектирования транзистор меньшего размера будет быстрее, поскольку для зарядки и разрядки затвора требуется меньше времени. Однако транзисторы меньшего размера могут управлять только очень небольшим количеством выходов. Если определенный элемент логики будет управлять чем-то, что требует большой мощности, например выходным контактом, его нужно будет сделать намного больше. Эти выходные транзисторы могут быть на несколько порядков больше внутренних логических транзисторов.

Снимок последнего процессора AMD Zen. Несколько миллиардов транзисторов составляют эту конструкцию.

Разработка и изготовление транзисторов — это только половина дела. Нам нужно построить провода, чтобы соединить все в соответствии со схемой. Эти соединения выполнены с использованием металлических слоев над транзисторами. Представьте себе многоуровневую транспортную развязку с въездами, съездами и разными дорогами, пересекающимися друг с другом. Именно это и происходит внутри чипа, хотя и в гораздо меньших масштабах. Различные процессы будут иметь разное количество металлических слоев межсоединения над транзисторами. По мере того, как транзисторы становятся меньше, требуется больше металлических слоев, чтобы иметь возможность направлять все сигналы. Предстоящий 5-нм техпроцесс TMSC включает 15 металлических слоев. Представьте себе 15-уровневую вертикальную транспортную развязку, и вы поймете, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.

Изображение под микроскопом ниже показывает решетку, образованную семью металлическими слоями. Каждый слой плоский, и по мере того, как они поднимаются выше, слои становятся больше, чтобы уменьшить сопротивление. Между каждым слоем находятся небольшие металлические цилиндры, известные как сквозные отверстия, которые используются для перехода на более высокий уровень. Каждый слой обычно чередуется в направлении от слоя под ним, чтобы помочь уменьшить нежелательные емкости. Нечетные металлические слои могут использоваться для выполнения горизонтальных соединений, а четные слои могут использоваться для выполнения вертикальных соединений.

Как вы понимаете, всеми этими сигналами и металлическими слоями очень быстро становится невероятно трудно управлять. Чтобы помочь решить эту проблему, используются компьютерные программы для автоматического размещения и разводки транзисторов. В зависимости от того, насколько продвинута конструкция, программы могут даже переводить функции высокоуровневого кода C в физическое расположение каждого провода и транзистора. Как правило, производители чипов позволяют компьютерам автоматически генерировать большую часть проекта, а затем они проходят и оптимизируют определенные критические участки вручную.

Когда компании хотят построить новый чип, они начинают разработку со стандартных ячеек, которые предоставляет компания-производитель. Например, Intel или TSMC предоставят разработчикам базовые компоненты, такие как логические вентили или ячейки памяти. Затем дизайнеры могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который они хотят создать. Затем они пришлют литейный цех, место, где необработанный кремний превращается в работающие чипы, макеты транзисторов чипа и металлических слоев. Эти макеты превращаются в маски, которые используются в процессе изготовления, о котором мы говорили выше. Далее мы увидим, как этот процесс проектирования может выглядеть для чрезвычайно простого чипа.

Сначала мы видим макет инвертора, который представляет собой стандартную ячейку. Перечеркнутый зеленый прямоугольник вверху — pMOS-транзистор, а прозрачный зеленый прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный провод — это поликремниевый затвор, синие области — металл 1, а фиолетовые — металл 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металле 2.

Объединяя несколько вентилей, мы получаем базовую 1-битную арифметическую единицу. Этот дизайн может складывать, вычитать и выполнять логические операции на двух 1-битных входах. Перечеркнутые синие провода, идущие вертикально, представляют собой металлические 3 слоя. Квадраты чуть большего размера на концах проводов — переходные отверстия, соединяющие два слоя.

Наконец, собрав множество ячеек и около 2000 транзисторов, мы получили базовый 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырех металлических слоях. Глядя на то, насколько это сложно, можно только представить сложность разработки 64-битного процессора с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и более чем 20 этапами конвейера. Учитывая, что современные высокопроизводительные процессоры могут иметь от 5 до 10 миллиардов транзисторов и дюжину металлических слоев, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее этого.

Это должно дать вам понимание того, почему ваш новый ЦП был дорогостоящим технологическим продуктом или почему у AMD и Intel так много времени уходит на выпуск продукции. Обычно требуется от 3 до 5 лет, чтобы новый чип прошел путь от чертежной доски до рынка. Это означает, что сегодня самые быстрые чипы изготавливаются по технологии, которой несколько лет, и что мы не увидим чипов с современными технологиями производства еще много лет.

На этом мы закончили наше глубокое изучение того, как создаются процессоры.

В четвертой и последней части серии мы вернемся из физического мира и посмотрим на текущие тенденции в отрасли. Над чем сейчас работают исследователи, чтобы сделать следующее поколение компьютеров еще быстрее?