Как делают микропроцессоры
(один из комментариев к предыдущему посту)
Ну что же, вот об этом сейчас и пойдёт речь.
Увеличенное изображение неразрезанных кристаллов процессоров Intel Core I7.
Действительно, разбираясь в том, как работают транзисторы, нельзя обойти вниманием вопрос миниатюризации. На современных чипах размером с тетрадную клетку располагаются несколько миллиардов транзисторов, размер каждого из которых колеблется в пределах нескольких нанометров (одна миллиардная часть метра). Создание подобных монстров — задача, с которой в наше время люди справляются только при помощи средств компьютерного проектирования.
Чтобы дать представление о том, насколько сложна структура современного микропроцессора, предлагаю взглянуть на самую простую схему самого простого, самого первого коммерческого микропроцессора фирмы Intel 4004.
Кристалл этого 4-битного микропроцессора имел площадь 12 мм², размер каждого из 2300 транзисторов был «огромным» по современным меркам (10 мкм), транзисторы на современных кристаллах имеют размер примерно в тысячу раз меньше!
А вот, что представлял собой кристалл этого процессора:
Создание микропроцессора начинается с процесса его проектирования. Задача конструкторов создать и предварительно протестировать схему микропроцессора. Выпуск новой схемы занимает труд десятков, если не сотен инженеров, и занимает месяцы подготовки. Когда процесс проектирования будет закончен, необходимо изготовить фотошаблон для нового чипа. Для того чтобы оценить важность данного процесса и цену ошибки, достаточно сказать, что нажатие кнопки PRINT в данном случае «стоит» от 600 тыс. до 1 млн. долларов США, а для набора шаблонов стоимость может исчисляться уже десятками миллионов долларов.
Создание фотошаблона (для современных многослойных схем микропроцессоров речь идёт уже о наборах фотошаблонов) – наверное, наиболее важный (после проектирования) процесс в технологии изготовления микропроцессоров.
Фотошаблон обычно представляет собой кусок стекла, с напылением из хрома, на который нанесено «негативное» изображение интегральной схемы. Оно обычно в несколько раз больше тех размеров, которые впоследствии примет изготовленный микрочип, но исключительная сложность современных процессоров и огромное количество транзисторов всё равно позволяют разглядеть отдельные детали только при помощи довольно мощного микроскопа.
Готовый фотошаблон очень тщательно (буквально каждую дорожку) проверяют на предмет дефектов. Для этих целей служат как специальные машины, но используется и труд людей, проверяющих шаблон при помощи микроскопов. Работа с шаблонами производится в т. н. «чистой комнате», где содержание пыли и посторонних примесей сведено до минимума – люди ходят в специальных костюмах – любая пылинка на шаблоне произведёт эффект деревянного бревна, упавшего на карточный домик.
Когда фотошаблон изготовлен, приходит время его «печати» на том, что впоследствии станет микропроцессором. Процесс (вернее, целое семейство технологических процессов) называется фотолитография и по своим базовым принципам очень похож на процесс печати фотографий с негатива).
Начинается всё с обычного кварцевого песка.
Песок проходит целую серию процессов по очистке и химических реакций, целью которых является получение чистейшего кремния. Для экономии места позвольте мне опустить технические детали процесса очистки.
Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.
В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решётку. Так выращивают кристаллы соли, так растёт и кристалл кремния.
Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.
За это время образуется цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура — идеальная кристаллическая решётка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объёму.
Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.
После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решётки, заготовку помещают в установку для резки. Проволочная пила с алмазным напылением нарезает кристалл на блины (или вафли от англ. wafer) толщиной примерно в 1 мм.
Когда такой гигант процессоростроения, как Intel только начинал производить чипы, он использовал «вафли» диаметром всего 2 дюйма. Теперь, для удешевления процесса, используются «вафли» диаметром 12 дюймов (
Какой бы тонкой и гладкой ни была пила, всё равно заготовка будет иметь сколы, микроповреждения и царапины, поэтому каждую пластину дополнительно полируют. Но и этого оказывается недостаточно, поэтому окончательная полировка производится уже химическими реагентами.
Следующим этапом является нанесение на вафли фоторезиста – полимерного светочувствительного материала. По своим химическим свойствам фоторезист очень похож на материал, который наносился на фото- и киноплёнки в ещё сравнительно недалёком прошлом. Разница в том, что на старых плёнках фоторезист изменял свои химические свойства под действием видимого света, сейчас же используется ультрафиолетовое излучение.Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту).
Теперь приходит время для непосредственного экспонирования – подготовленный фотошаблон помещается под ультрафиолетовый лазер, и, сильно уменьшенное изображение с фотошаблона проецируется на слой фоторезиста, на машине под названием «степпер» (от англ. step – шаг) – на одну «вафлю» проецируется множество копий одной и той же маски:
Почему ультрафиолет? Всё дело в длине волны. Получение чёткой проекции микроскопического объекта зависит от длины волны излучения и разрешающей силы оптической системы. В современной промышленности используют глубокий ультрафиолет эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Но и этого оказывается недостаточным для изготовления транзисторов по тех. процессу ниже 50 нм (когда говорят о техпроцессе, имеют в виду линейные размеры одного транзистора). Фотолитография на глубоком ультрафиолете использует уже не линзы, а многослойные зеркала, где каждый слой даёт слегка отличающуюся от предыдущей интерференционную картину, а комбинированное отражение всех слоёв позволяет получить изображение меньшее, чем длина волны используемого излучения. Тем, кто интересуется темой более подробно, в англоязычной версии Википедии есть великолепная статья на эту тему.
Но двинемся дальше. Те области на вафле, покрытой фоторезистом, куда попал ультрафиолет, могут быть смыты специальным химическим составом (например Гидроксидом тетраметиламмония), таким образом на нашей заготовке проявится «отпечаток» будущего микропроцессора. Но работа на этом только начинается.
После травления, на кремниевой подложке образуются бороздки, повторяющие рисунок первого слоя микропроцессора:
На следующем этапе происходит легирование основы. О том, зачем нужно легирование, можно ознакомиться в первой части данной серии. На данном шаге участки подложки обогащаются ионами, в результате чего кремний меняет свои физические свойства, позволяя процессору управлять потоками электрического тока. Ионизированные ядра атомов легирующего вещества разгоняются в электрическом поле до огромных скоростей и внедряются в незащищённые слоем фоторезиста области подложки.
После легирования заготовка покрывается оксидной плёнкой (в данном технологическом процессе используется термин High-K, характеризующий материал с диэлектрической проницаемостью большей, чем у диоксида кремния). Название происходит от диэлектрической константы материала, обозначаемой греческой буквой κ – каппа. В более старых технологических процессах использовался, собственно сам диоксид кремния. Он был хорош до поры, его слой можно было выращивать путём высокотемпературного окисления на самом кремниевом слое, однако, с уменьшением площади транзистора, уменьшалась и площадь затвора, а следственно – его ёмкость. Чтобы увеличить ёмкость можно уменьшать слой диэлектрика под затвором, но если его толщина уменьшается менее 3 нм, начинают проявляться квантовомеханические свойства электронов, которые попросту туннелируют через этот смехотворный барьер, создавая ток утечки, и, чем тоньше слой, тем сильнее проявляется этот эффект. Изготовление подзатворного диэлектрика из материала с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить его толщину, одновременно увеличивая ёмкость затвора, обеспечивая снижение тока утечки на несколько порядков по сравнению с более тонким диэлектриком из диоксида кремния. При производстве современных чипов используются силикат или оксид гафния. На картинке слева – транзистор, обработанный слоем фоторезиста, справа – состояние после смывки облучённого фоторезиста.
Ненужный нам теперь слой диэлектрика так же смывается химическим путём:
На данном этапе транзисторы на схеме уже готовы, но они не соединены друг с другом. Следующие два этапа – нанесение изолирующего слоя, где в местах, где расположены терминалы транзисторов уже знакомым нам образом вытравливаются отверстия. После этого, вафлю помещают в раствор сульфата меди и гальванизируют. В ходе этого процесса, медь покрывает всю поверхность заготовки:
Излишек меди убирается шлифовкой, после чего транзисторы соединяются между собой:
Порядок соединения зависит от архитектуры процессора и определяется на стадии проектирования. Хотя чип и может выглядеть «плоским», соединения могут достигать «этажности» до 30 слоёв.
На заключительной фазе, нашу «вафлю» нарезают, получая, тем самым, отдельные чипы, после чего останется только поместить их в защитный корпус:
Соединение миллиардов транзисторов невероятно сложная задача, от их качества зависит в конечном итоге производительность процессора, поэтому каждый чип проходит этап тестирования (причём, часть тестов проводится ещё до «нарезки») где определяются его выходные характеристики. Поскольку работа идёт с невероятным уровнем миниатюризации, ошибки и дефекты при изготовлении практически неизбежны.
Но наличие дефекта ещё не означает, что процессор не может работать. Коррекции ошибок уделяется особое внимание ещё на стадии проектирования, поэтому в схему нередко заложена некоторая избыточность. Часть бракованных чипов, например, может работать на более низких частотах, поэтому далеко не всегда два процессора, изготовленные на одной «вафле», будут иметь одинаковую маркировку.
Ещё в 1965 году, американский инженер, один из основателей компании Intel, Гордон Мур, в одной из своих работ сделал наблюдение, которое впоследствии назвали «Законом Мура». Он гласил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца (причём, изначально речь шла о 12 месяцев).
И действительно, если проследить эволюцию микропроцессоров, данный закон более-менее соблюдался почти 40 лет, до начала 2010-х годов, пока инженеры не «упёрлись» в физические пределы, во-первых, разрешающей возможности оптики для процесса фотолитографии, во-вторых – в минимально-необходимое расстояние между двумя терминалами транзисторов, где туннельный эффект ещё можно игнорировать. Чтобы ощутить, насколько мал транзистор, изготовленный по тех. процессу 14 нм, достаточно узнать, что это всего лишь 70 атомов (диаметр ядра атома кремния около 0,2 нм).
Хотя, инженеры продолжают добиваться поразительных успехов в данной области, например, в 2012 году, исследовательская команда в университете Нового Южного Уэльса объявила о первом транзисторе, состоящем из единственного атома, несложно предположить, что конец закона Мура не за горами, и тех. процесс в 7 нм, возможно, будет последним в погоне за миниатюризацией.
Надо будет показать знакомой, которая говорила, что сумочка, которая стоит больше ноутбука — это нормально.
Вот это я понимаю контент. Мое уважение автору, все понятно, все интересно. Побольше бы и почаще.
И да! Почти никогда не делают готовые фотошаблоны и кристаллы (так называют разрабы единичную микросхему уже в нарезке)! Только тестовая партия вначале. Ибо ошибки неизбежны, и чтобы их найти и устранить (тем же разработчикам опять же) нужны тестовые кристаллы. Их тестируют на спец измерительных установках во всех нужных режимах, находят косяки, правят схему и топологию, выгоняют новую инфу для фабрики в виде фотошаблоно вGDS, и только после этого запускают рабочую партию.
Фотошаблон не один! Под каждый слой (карман, диффузия, поликремний, окисел, металлизация, коих может быть до 6, и т.д. Это не углубляясь еще)) )
Фото готового кристалла: слой без металла, слой с металлом (верхним, а всего их 3)
Поправка про техпроцесс: числа соответствовали размерам транзисторов только до определенного момента. Сейчас техпроцесс означает ширину затвора транзистора.
А закону Мура мешает все увеличивающиеся потери, в т.ч. за счет туннелирования электронов. Сейчас основная борьба идет за улучшение энергетических свойств микросхем, и поэтому 14 нм техпроцесс Intel позволяет получать такие же процессоры, как 7 нм Самсунга.
Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров?
Производство самой передовой электроники с топологическими нормами меньше 5 нм сегодня возможно только на оборудовании голландской компании «ASML».
«ASML» — единственная в мире компания, владеющая системами и технологиями, которые способны давать излучение с длиной волны в 13,5 нм (EUV), пригодное для фотолитографии.
TWINSCAN NXE: 3600D — это система литографии последнего поколения, поддерживающая объёмное производство топологических элементов 5 и 3 нм.
Разработка нового литографического оборудования на основе технологии сверхжёсткого ультрафиолетового излучения началась в 1994 году. За 17 лет «ASML» инвестировала более 6 миллиардов евро в исследования и разработку EUV.
В августе 2006 года первый в мире демонстрационный инструмент для EUV-литографии был отправлен в колледж наноразмерных наук и инженерии в Олбани (США) и в IMEC в Левене (Бельгия).
В 2010 году была представлена первая в мире предсерийная система EUV — «TWINSCAN NXE: 3100».
В 2013 году начались первые серийные поставки «TWINSCAN NXE: 3300».
Как только стало окончательно понятно, что новая литографическая технология станет самой совершенной и недосягаемой ни для кого более в мире, в компанию стали инвестировать миллиарды долларов такие крупные производители, как Intel, Samsung и TSMC.
На сегодня больше нет каких-либо серьёзных разработок аналогов технологии EUV, которые могли бы в будущем конкурировать с продуктами компании «ASML».
Приобрести данные машины можно только с разрешения правительства Нидерландов, которые, в свою очередь, учитывают позицию США. Так, в Россию даже до введения санкций поставка передовых литографов была негласно запрещена, а с 2014 года вообще стала невозможной..
Под давлением США с 2019 года была запрещена продажа передового литографического оборудования Китаю.
По сути, EUV-системы могут закупать только избранные страны и компании, коими являются лидеры отрасли микроэлектроники — Intel, Samsung и TSMC.
К чему всё это? От начала разработок до серийной системы прошло 19 лет, и были потрачены миллиарды долларов инвестиций.
Недавно стала известна новость, что в России разрабатывают аналог технологии EUV — отечественный литограф с длиной волны менее 13,5 нм.
EUV означает ‘экстремальный ультрафиолет’. Это относится к длине волны света. Свет глубокого ультрафиолетового излучения (DUV), используемый в производстве чипов, имеет длину волны 248 и 193 нм, тогда как свет, используемый в EUV-литографии, имеет длину волны 13,5 нм (фиолетовая линия в УФ диапазоне).
Заявлено, что уже создан рабочий образец-демонстратор, способный формировать наноструктуры до 7 нм.
Промышленный образец отечественного литографа на 7 нм планируется создать через шесть лет.
На первом этапе, в 2024 году, будет создана «альфа-машина». Такая установка станет рабочим прототипом, на котором будут отрабатывать полный цикл операций.
На втором этапе, с 2026 года, появится «бета-машина». Это будет уже полностью рабочий образец, который будут доводить до промышленного производства и автоматизации всех процессов.
И на третьем этапе, к 2028 году, отечественный литограф получит более мощный источник излучения, а также улучшенные системы позиционирования и подачи, и начнёт полноценную работу.
Как-то странно всё это звучит, особенно в условиях тотального санкционного давления в сфере микроэлектроники и запрета на поставки любого подобного оборудования.
Компании «ASML» для разработки фотолитографов нового поколения понадобилось 19 лет с полной свободой действий и с привлечением инвестиций в десятки миллиардов долларов. А в России желают пройти тот же путь всего за 6 лет и без десятков миллиардов долларов инвестиций?
Этой новостью стали восторгаться многие интернет-издания и профильные ресурсы. Однако каких-либо подробностей представлено не было, что вызвало здоровый скептицизм у некоторых блогеров и различных критиков любых российских технологий.
Вот я и решил разобраться: взброс ли это был, или всё же есть реальные перспективы.
В Институте прикладной физики Российской Академии Наук (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде ведётся разработка литографической установки. В 2011 году был построен образец-демонстратор литографа с рабочей длиной волны 13,5 нм. Это был испытательный стенд в рамках проводимых фундаментальных научных исследований.
Действительно, в 2011 году был создан реально работающий образец.
Технология подтвердила свою работоспособность, что ознаменовало появление в России ключевых технологий, позволяющих разрабатывать и производить литографическое оборудование для диапазона длин волн в окрестности 13,5 нм.
Самое интересное тут то, что подобная длина волны является более подходящей для топологии 14 нм и менее, а использовать такие литографы на больших топологиях – 28 более нм – нецелесообразно из-за сложности и дороговизны оборудования.
Стендовый образец явно усовершенствовался, и главным новшеством является получение экстремального ультрафиолетового излучения, что добавляет больше сложностей по сравнению с традиционным ультрафиолетовым диапазоном. Тут требуется совершенная оптика, а сам источник излучения не должен загрязнять зону, где идут рабочие процессы.
Для генерации экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) в установках компании «ASML» используется CO2-лазер, который излучает два отдельных лазерных импульса на быстро движущуюся каплю олова. Это испаряет олово, превращая его в плазму, которая и создаёт свет диапазона EUV. Подобная операция совершается до 50 000 раз в секунду. Затем несколько многослойных зеркал собирают этот свет и перенаправляют его на пластину, уменьшая рисунок в четыре раза. Совершенствуя системы проекционной оптики, удаётся получать всё более совершенную топологию: разрешение было повышено с 7 нм до 3. Идёт разработка новой проекционной оптики для EUV-системы, способной получать топологию в 2 нм.
При этом все эти проблемы нужно было решить уже на этапе создания демонстратора.Но может ли российский институт решить задачи, которые потребовали от нидерландской компании много времени, денег, а также сотрудничества с самыми передовыми компаниями и институтами США в области микроэлектроники?
Если отвечать с наскока, то НЕТ. И больше никто в мире пока не пытается достигнуть схожих результатов, понимая, какие усилия понадобятся для разработки своих аналогов этой системы.
Однако есть только одно условие, при котором это возможно – самые передовые фундаментальные исследования в нужных областях.
Ну, и что там у нас в этом направлении?
Институт прикладной физики Российской Академии Наук для многих, на удивление, является лидером по многим фундаментальным исследованиям, в том числе и в области лазерных и оптических технологий.
ИПФ РАН. Лазерный комплекс «PEARL».
Например, уникальная научная установка «PEARL» (PEtawatt pARametric Laser) была первым в мире лазерным комплексом петаваттного уровня мощности, основанном на параметрическом усилении фемтосекундных импульсов.
В настоящее время на основе полученного при создании системы «PEARL» опыта в ИПФ РАН строится лазерный комплекс «PEARL-10» мощностью более 5 ПВт. Разработана концепция экзаваттного лазерного комплекса – проект XCELS, включённый в число шести российских проектов класса мегасайенс (крупные дорогостоящие международные научные и исследовательские комплексы), для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие.
В 2018 году учёными ИФМ РАН была опубликована работа, в которой были представлены экспериментальные данные по лазерно-плазменному источнику рентгеновского излучения на основе ксенона.
Научная работа учёных и специалистов ИФМ РАН, рецензируемая и опубликованная на научном американском ресурсе.
В 2018 году учёными ИФМ РАН была опубликована работа, в которой были представлены экспериментальные данные по лазерно-плазменному источнику рентгеновского излучения на основе ксенона.
В работе были наглядно продемонстрированы результаты, полученные нашими учеными в достижении инновационного метода нанолитографии – безмасочной рентгеновской литографии на длине волны 6,7 нм.
Судя по публикации, были обнаружены два устойчивых режима работы источника.
Вместо расплавленного оловянного источника, применяемого в проекционной литографии компанией «ASML», в российской разработке применяется мишень на основе ксенона. При сравнимой эффективности это существенно упрощает конструкцию источника и лазерную систему, минимизирует загрязнение оптических элементов, уменьшает рабочую длину волны на 20% при работе на длине волны 10,8 нм, и в 2 раза – на длине волны 6,7 нм.
Разумеется, уменьшение длины волны пропорционально повышает разрешающую способность литографа.
В общем, учёные из США сошлись во мнении, что литограф на основе российской разработки будет в 1,5-2 раза эффективнее, чем у компании «ASML».
В арсенале института имеются рентгеновские зеркала, которые успешно там выпускают, лазерно-плазменный источник рентгеновского излучения и сам прототип установки, на которой уже получены первые структуры размером в 7 нм.
Вот этот самый лазерно-плазменный источник рентгеновского излучения в ИФМ РАН.
То есть рентгеновская литография становится реальностью. Если удастся всё воплотить в срок, то появится первая в мире рентгеновская фотолитографическая установка, работающая в диапазонах волн 10,8 и 6,7 нм с разрешающей способностью до 1 нм.
Демонстрационный стенд уже сегодня имеет длину волны 11,3 нм, что превосходит показатели компании «ASML». Обратите внимание, что используется оптический элемент, способный фокусировать рентгеновские лучи, а не отражать их, как это сделано в установках компании «ASML». Рентгеновская оптика была разработана совместными усилиями института и корпорации «Росатом».
Фрагмент рентгеновской линзы.
Схема той самой демонстрационной установки, на которой были получены 7 нм структуры, с длинной волны 11,3-10,8 нм. И это было ещё в 2018 году.
Но это только один из путей развития российской технологии фотолитографии. Есть ещё одно направление безмасочной EUV-фотолитографии, а именно использование синхротронного излучения в качестве основного источника в литографическом оборудовании.
И в России в марте 2022 года по заказу Минпромторга преступили к разработке концепции безмасочного рентген-фотолитографа с длиной волны менее 13,5 нм на базе синхротронного источника. На эти работы было выделено 670 миллионов рублей.
Синхротронное излучение создаётся в синхротронах — накопительных кольцах ускорителей — при движении заряженных частиц.
Упрощённая схема литографа на базе синхротронного излучения.Фотолитография на базе синхротронного излучения должна появиться через 5-10 лет.Примечательно, что синхротронное излучение является следующим этапом развития технологии фотолитографии, благодаря которой можно достигать топологии транзисторов меньше 1 нм. Вот только к фабрике должен быть пристроен ускоритель частиц.
Так как на синхротроне можно достичь устойчивого излучения ещё меньшей длинный волны в рентгеновском диапазоне, то технология будет являться конечной эволюцией в литографическом оборудовании, где производимые наноструктуры будут подведены к теоретическому пределу (менее 1 нм), когда дальнейшее уменьшение будет невозможно.
Дальнейшая технология будет развиваться по пути «слоёного пирога» — транзисторы можно будет расположить только один над другим.
А это уже совершенно иной уровень, представляющий собой атомно-микроэлектронную отрасль.
Сегодня больше 50% всей электроники в мире (в том числе — автомобильной, космической и индустриальной) производится по нормам 360-180-65 нм.
По этим нормам в России создаются собственные литографы, благодаря чему закрывается весь спрос в электронике.
Более подробно об этом написано в статье, в том числе про то, что топология «3 нм» — это просто коммерческое название и данная технология не предполагает само уменьшение геометрии транзистора:
И традиционно от жителя Зеленограда, кем я являюсь, фото первой в России строящейся фабрики для выпуска процессоров по технологии 28 нм и меньше.
Работы идут без остановки.
Уже добрались до кровли. Стройка явно идёт с опережением сроков, так как сдача объекта была запланирована на конец 2024 года.
Злые языки говорили, что стройку законсервируют после введения санкций. Но, как видите, она только ускорилась.
А через дорогу от строящейся фабрики возводится общежитие гостиничного типа (1 класса) для проживания высококвалифицированного персонала, который будет работать на фабрике.
В заключении можно сказать следующее: в России будут свои литографы, будет своя фабрика и будут свои процессоры. Иначе не будет России.
США ранее ввели санкции против ведущих научных институтов России, в том числе против ИФМ РАН.
Процессор в электронном микроскопе
Вот такая картинка получилась после препарирования микропроцессора из старенькой сетевой карты. Ширина изображения примерно 100 мкм.
Углеродные нанотрубки могут заменить кремний в микропроцессорах
Вся современная микроэлектроника основана на транзисторах. Их дальнейшая миниатюризация становится всё более сложной и дорогой, а скоро станет и вовсе невозможной, потому что нельзя создать на основе кремния работоспособный транзистор с длиной управляющего элемента — затвора — меньше нескольких нанометров. Однако транзисторы могут быть основаны не только на «классических» полупроводниках. Об этом — сегодняшний материал с семинара «Актуальная наука» в Политехническом музее.
После перехода на техпроцесс 28 нм в промышленности впервые сложилась ситуация, когда транзистор последующего поколения стоил больше, а не меньше, чем транзистор поколения предыдущего. На сегодняшний день осталось лишь три компании, которые продолжают миниатюризацию ниже норм 28 нм — Intel, TSMC и Samsung.
В качестве перспективного материала для новых, более миниатюрных транзисторов давно рассматривались углеродные нанотрубки. За счёт своей кристаллической структуры они сохраняют полупроводниковые свойства при значительно меньших размерах. Например, затвор с их помощью можно сделать почти в 20 раз короче, чем в самых миниатюрных кремниевых транзисторах.
Инвертор, построенный по новой технологии
В прошлом году группа учёных из MIT под руководством Макса Шулакера создала полнофункциональный микропроцессор RV16XNano, транзисторы которого используют углеродные нанотрубки. Процессор исполняет 32-битные инструкции, хотя разрядность шин адреса и данных ограничили 16 битами. В отличие от предыдущих разработок, представлявших собой не более чем proof of concept (проверку концепции), данный процессор способен исполнять все типы инструкций архитектуры RISC-V и может использоваться для прикладных вычислений. По традиции первой разработчики запустили на нём программу, выводящую слова «Hello, World!».
Ядро процессора (вспомогательные структуры по периметру не показаны)
Процессор содержит 14 702 транзистора. Это много в сравнении с предыдущими процессорами на основе нанотрубок (178 транзисторов) и близко к характеристикам ранних «кремниевых» процессоров. Например, первый в истории микропроцессор содержал 2300 транзисторов, а первый процессор архитектуры x86 — около 29 000.
О миниатюризации пока говорить не приходится: техпроцесс исчисляется тысячами нанометров.
Размер кристалла составляет 7 × 7 мм; суммарно в транзисторах около 10 млн нанотрубок
Процессор имеет 5 слоёв металлизации
В ходе изготовления процессора учёным пришлось столкнуться с проблемами, нехарактерными для чисто «кремниевой» электроники. Например, выяснилось, что нанотрубки склонны запутываться, как наушники агрегироваться в большие скопления, которые делают транзистор неработоспособным. Чтобы избавиться от них, авторы предложили технологию под названием RINSE («промывка, полоскание»).
Нужно нанести на поверхность слоя нанотрубок небольшой объём фоторезиста, отвердить его, а затем воздействовать на пластину ультразвуковыми колебаниями. При этом скопления отделяются, а монослой нанотрубок остаётся на месте благодаря удерживающему его фоторезисту. В дальнейшем фоторезист растворяют.
Борьба со скоплениями по технологии RINSE
Важно, что созданный процессор — это не просто единичный образец. Учёные доработали существующие САПР, изначально рассчитанные под кремниевые транзисторы, и создали библиотеку стандартных ячеек. Теперь всё это можно использовать для создания сложных схем на базе нового материала. А это значит, что у технологии есть перспективы промышленного применения.
Технология производства состоит более чем из 100 этапов
Предполагается, что процессоры на углеродных нанотрубках смогут стать втрое быстрее и энергоэффективнее своих кремниевых аналогов.
P. S. Баянометр считает, что процессор в равной степени похож на тетрадь, на ковёр и на бюст Гоголя.
Как работает транзистор [Veritasium]
А вы знаете как работает транзистор? В какой-то мере наша жизнь зависит от них. При упоминании транзисторов люди первым делом вспоминают радио. Они, конечно, правы, но всё намного серьёзнее.
Транзисторы изобрели в 1947 году и радио стало первым прибором, доступным широким массам, в котором применили эту новую технологию. Благодаря транзисторам размер приёмников удалось уменьшить, повысив при этом качество их работы. Но, пожалуй, самым важным событием для нас, которым мы обязаны транзисторам, стала революция в сфере микрокомпьютеров, а с ней и появление интернета, телевидения, мобильных телефонов, навороченных стиральных и посудомоечных машин, калькуляторов, спутников, проекторов и так далее.
В основе транзистора лежит полупроводник, обычно кремний, с некоторыми примесями, позволяющими аккуратно изменять его электрические свойства. Из таких n- и p-полупроводников составляются особые конфигурации, позволяющие достичь необходимого результата. Например, сделать маленький переключатель, как в случае с нашим транзистором. Эти переключатели затем соединяют вместе, и с их помощью производят вычисления, хранят информацию и, в общем-то, делают любой электроприбор «умным».
Вторая жизнь закона Мура: в ближайшие пять лет транзисторы перестанут уменьшаться в размерах
Отчет International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) за прошлый год, опубликованный Ассоциацией полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association, SIA), куда в числе остальных входят IBM и Intel, дает представление о главных технологических трудностях и возможностях, которые ожидают индустрию в ближайшие 15 лет.
По прогнозу SIA, после 2021 года дальнейшее уменьшение размеров транзисторов станет принципиально недостижимой целью. Попросту говоря, дальнейшее уменьшение технологических норм будет экономически нецелесообразно – инвестиции компании попросту могут не окупиться. Как утверждается, выходом из ситуации может стать смещение акцента в направлении объемной компоновки и других технологий повышения плотности размещения транзисторов.
Составители отчета приводят несколько веских доводов в пользу этой гипотез. Количество желающих участвовать в производстве полупроводниковых устройств, становится все меньше: Intel, GlobalFoundries (бывшее производственное подразделение AMD), Samsung и TSMC – единственные оставшиеся крупные игроки. Разумеется, нет никаких гарантий того, что в один прекрасный момент этот узкий круг не сузится еще больше. Недавних отказ Intel от традиционной двухступенчатой схемы «тик-так» в пользу трехступенчатой как нельзя лучше отражают нынешнее положение дел – избегать проблем с огромными потерями энергии становится все труднее.
Само собой, все это вовсе не означает, что «закон» Мура, постулирующий регулярное удвоение плотности размещения элементов в интегральных схемах, утратит силу в ближайшие пять лет. Объемная компоновка и прочие ухищрение наверняка помогут ему продержаться еще какое-то время. Насколько долго – сказать сложно. Кроме того, тут важно подчеркнуть, что это всего лишь прогноз, а не «приговор». За последнее время подобных неутешительных прогнозов, предрекающих конец развития процессоров, было вагон и маленькая тележка. Порой даже возникает впечатления, что все они делаются, чтобы затем быть опровергнутыми очередной многообещающей разработкой исследователей вроде транзисторов на углеродных нанотрубках IBM. Пожалуй, сейчас главный вопрос в том, на какие именно шаги пойдут полупроводниковые гиганты, дабы перепрыгнуть через эту «кирпичную стену» и обеспечить возможность создания процессоров с более сложной структурой и высокой производительностью.
От песка до процессора
Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?
Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )
Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».
Производство процессоров
Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.
Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.
Уроки химии
Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO2) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.
Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:
Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.
Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (
12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.
Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.
Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.
Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.
Фотолитография
Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.
Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.
Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).
Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.
Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.
В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.
Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.
Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.
Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.
Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.
Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.
Финишная прямая
Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!
Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.
На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).
Привет, сокет!
Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.
Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.
На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.
The end
Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.
Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?
BONUS
Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.
Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.
Успехов!
Сколько золота можно добыть из процессора компьютера
В персональном компьютере скрыто немало драгоценных металлов. Из их сплавов (золота, палладия, платины и серебра) делают детали для вентиляторов, блока питания, материнских плат, клавиатуры. Некоторые «добытчики» знают как добыть золото из процессора и утверждают, что один компьютер содержит до 30 грамм золота, что по нынешнему курсу стоит около 40 тысяч рублей.
Причины использования
Эти металлы долгое время казались людям малополезными. Свойства у них очень пассивные: легко гнутся, плавятся при невысокой температуре, быстро изнашиваются.
В основном золото и серебро до конца XIX века использовали только для изготовления украшений и накопления капитала.
Но впоследствии были обнаружены полезные свойства драгметаллов, а именно: они не вступают в химическую реакцию с различными жидкостями (кроме этилового спирта), следовательно, не образуют оксиды. При этом золото и серебро хорошо проводят электрический ток. Эти характеристики востребованы в производстве современной техники, а также в медицинской практике.
Драгоценные детали
Золото часто используют для тончайшего напыления. Но части техники, которые отвечают за серьёзные вычисления, занимаются обработкой большого ряда данных или воспроизведением качественного звука, не могут обойтись без уникальных свойств этого металла.
Самые «драгоценные» детали компьютера — процессор, видеокарта и контакты. Для добычи не имеет особого значения, работают они или нет. Важно, чтобы они не магнитились. Это главный признак качества использованных металлов.
Если вы решились стать «золотодобытчиком», стоит знать важный нюанс. Техника, которую выпускают последние несколько лет, содержит мало драгоценных металлов. Их почти полностью заменил вольфрам. Но старая техника, особенно компьютерная, в этом отношении более богатая.
Сколько золота в процессоре? Количество его напрямую зависит от того, к какой платформе относится техника. К примеру:
- в i 486 SX, 486 DX2−80, Cyrix MII и Intel Pentium MMX содержится около 4 грамм;
- Cyrix Cx486, IBM 5x86C, Cyrix 6×86 и AMD — K 6−2 имеют примерно по 5 грамм;
- в AMD, WinChip C 6- PSME 200 GA, IBM 6×86 MX PR 200 найдется около 6 грамм;
- в i 486 TX 486 DLC и i processor есть около 7 грамм;
- в коричневом корпусе 8 AMD, а также в Intel Pentium содержится по 8 грамм;
- Intel i 435 DX 4 и Intel i 486 принесут по 9 грамм;
- самым «золотоносным» является Pentium PRO, где содержится около 11,4 грамм металла.
Компьютерная техника, выпущенная в 90-х годах, способна неплохо обогатить своего владельца. Содержание золота в процессорах таких моделей — самое высокое среди аналогов.
То же самое можно отметить про советскую технику и электронику. Отечественные инженеры не экономили на качестве, поэтому содержание драгметаллов в процессорах (например, в X86 или Х64) также было высоким (около 11 грамм).
Законодательство о золоте
Теперь понятно, какое именно содержание золота в процессорах может быть. Кажется, что достаточно найти «древние» модели и заняться обогащением. Но осуществить это не так уж просто.
Государство прекрасно знало о высокой стоимости утилизированной компьютерной техники. Вследствие этого был принят закон № 41 от 26.03.1998 «О драгоценных металлах и драгоценных камнях», который контролировал оборот ценных металлов, содержащихся в электронике.
Через три года появилась инструкция № 68н от Министерства финансов, которая обязывала все предприятия сдавать отслужившие компьютеры и другую технику на утиль в специальные организации. Само предприятие должно вести учёт драгметаллов и при этом отчитываться перед государством. Правда, установить контроль над частниками в этом вопросе чиновникам не удалось.
Компьютеры у простых обывателей уже были в те времена. Но из-за высокой стоимости они большого распространения ещё не получили. Поэтому поиски старой техники могут закончиться фиаско. Но, если вы полны решимости, можно попробовать заняться извлечением золота.
Добыча драгметаллов
Уже понятно, сколько золота в компьютере находится, но также надо знать, как его добывать в домашних условиях. Отечественные «специалисты» рекомендуют перед началом работ обзавестись некоторыми материалами.
Прежде всего понадобятся химические реагенты:
- перекись водорода;
- соляная кислота.
Раздобыть последнее сложно. Вещество обладает вредными испарениями, поэтому его реализация взята под контроль государством. Продают кислоту только в промышленных масштабах предприятиям. К счастью, этот компонент можно заменить лимонной кислотой, замечательные свойства которой давно оценили ювелиры. Кроме того, понадобится следующий инструментарий:
- защитный респиратор, который огородит лёгкие от вредных испарений;
- резиновые перчатки, которые обязательно одевают при работе с реагентами;
- ёмкость, лучше всего стеклянную;
- прозрачные защитные пластиковые очки;
- длинную палочку для помешивания растворов.
Далее готовится рабочий раствор. Главное — выдержать правильные пропорции при его приготовлении. К двум частям соляной (или лимонной) кислоты добавляют одну часть перекиси водорода. Смесь аккуратно размешивают палочкой. Она должно приобрести зелёный оттенок. Теперь можно добавлять компьютерные детали, которые содержат драгоценные металлы.
Готовить раствор надо правильно. Именно в соляную кислоту необходимо добавлять перекись водорода, но не наоборот. Иначе полученный раствор будет негодным. Он не сможет обеспечить активность кислоте.
Какие детали добавлять в раствор? Те, которые предположительно содержат золото, а именно: части процессора, вентилятор, контакты. Примерно через неделю драгоценные металлы должны скопиться на дне ёмкости. Жидкость при этом время от времени аккуратно помешивают, чтобы она активнее взаимодействовала с золотом.
Гора драгметаллов, конечно, не появятся: скорее это будут небольшие крупинки. Дорожки на растворенных платах сползут, а сама жидкость станет тёмной. Среди всего этого ищут маленькие частички золота.
Теперь эту малость предстоит вытащить из кислоты. Для этого нужна воронка из материала, лучше всего бумажного. Отлично подойдут тонкие фильтры для кофе. Если пришлось выбрать обычные полотенца, то нужно аккуратно счищать золото с них, иначе металл превратится в пыль. Заметив крупинку драгметалла, нужно аккуратно зачерпнуть её половником. Жидкость пропускается через фильтр. Как только она уйдёт, нужно отчистить золото.
С металлом следует быть осторожным: из-за воздействия кислоты он становится очень мягким и может легко превратиться в пыль. Лучше всего отчистить драгоценный материал обычной водкой. Для этого в закрывающуюся ёмкость помещают золото и жидкость.
Меры предосторожности
«Золотодобытчику» предстоит работа с кислотами. Неаккуратное обращение с ними может привести к ожогу не только рук, но слизистых оболочек глаз и лёгких. Выполнение несложных мер защиты позволит не нанести себе и окружающим вред. Правила предосторожности:
- следует одевать средства защиты перед началом работ (респиратор, перчатки и очки);
- поверх одежды носить плотный фартук;
- помешивать кислоты медленно и аккуратно;
- работать лучше всего на улице или при открытых окнах;
- раствор ставят в недоступном для детей и животных месте;
- ёмкость должна закрываться крышкой.
Насколько выгодна простому человеку добыча золота из компьютерной техники? Если дома имеется старая техника или достать её — не проблема, то попробовать стоит. В других случаях «золотодобыча» превращается в сомнительное предприятие, не стоящее вкладываемых усилий.
В каких деталях компьютера больше всего золота и как его извлечь: 2 способа + законно ли это
Доброго дня, дорогие читатели! Сегодня мы окунемся в атмосферу Клондайка. В конце XVIII в. Калифорнию охватила золотая лихорадка. Люди приезжали со всех концов света в погоне за крупицами драгоценного металла. Читайте эту статью, и вы сможете почувствовать себя на золотых приисках, не выходя из дома. Я расскажу, как можно добыть золото из компьютера.
Золотая лихорадка запомнилась одним интересным случаем — играя в ручье возле своего дома, двенадцатилетний мальчик Конрад Рид нашел массивный желтоватый булыжник. И долгое время семья подпирала дверь дома золотым камнем весом в 7 кг. А потом слиток продали за впечатляющую цену — 3$.
Поразительно, но многие из нас поступают столь же нерационально, выбрасывая на свалку бытовую технику, старые материнские платы и микросхемы.
Есть ли драгметаллы в компьютерах
Если приблизительно подсчитать вес всего ранее добытого (легальным путем) золота, цифра получится внушительной — 189 000 тонн. И около 10% этого веса приходится на электротехнику.
Однако если разобрать современный компьютер на составные части и детально выяснить, что ценного, помимо информации, находится внутри, результаты будут неутешительными: все «золотоносные» детали компьютера в сумме содержат не больше тридцати миллиграмм золота. А вот детали древнего мастодонта — ЭВМ начала девяностых — содержали до 3 грамм драгметалла.
Так есть ли смысл заниматься золотодобычей из вычислительной техники? Если вы кинетесь разбирать свой игровой компьютер на части в поисках золота, то общая сумма добытого не превысит сотни рублей. А вот если у вас имеется собственная мастерская компьютерной техники, а под столом накопился ворох нерабочих микросхем — выбрасывать их не стоит.
Какие детали компьютера содержат золото
Золото — инертный металл, практически не подвергается коррозии и окислению. К тому же отличный проводник. Поэтому им покрывают контакты, разъемы, слоты памяти, порты, перемычки. Конденсаторы, платы, видеокарты, даже компьютерные вентиляторы и клавиатура содержат драгоценные металлы, причем не только Au, но и Ag, Pt, Pd.
Я расскажу подробней, какие детали самые золотосодержащие.
Материнские платы
Материнская плата — основная деталь любого компьютера. Именно здесь осуществляется контроль над взаимодействием всех составных частей машины. Ее контроллеры, микросхемы чипсета, разъемы и контакты содержат львиную долю (если так можно назвать 3 мг) золота компьютера. Если присмотреться, на этом фото видны позолоченные детали материнской платы:
Нерабочие материнки — неплохой источник Au, если у вас их скопилось несколько десятков.
Процессоры
Процессор — главная деталь программного обеспечения компьютера. Он выполняет всю вычислительную работу. Здесь также много позолоченных деталей. Содержание золотого песка в микропроцессоре intel Pentium pro — свыше 2 мг.
Посмотрите это видео, где показан аффинаж золота из процессора.
А вот в 1 кг микропроцессоров Pentium pro содержится 11,4 гр. золота. Простому обывателю вряд ли удастся собрать столько, а для сисадмина это не проблема.
Жесткие диски
Основной накопитель информации, хард драйв также содержит металлы платиновой группы. Так, золота в одном винчестере — 0,034 гр., а серебра — 0,013 гр.
Чем старше запоминающее устройство — тем больше в нем драгметаллов. И дело даже не в пресловутом качестве приборов советского производства, а в элементарном техническом прогрессе. Стоит вспомнить эволюцию дисков — от массивных виниловых пластинок до микро-CD карточек современных смартфонов.
Сегодняшние детали гораздо тоньше и легче. Соответственно, и золота в них содержится в разы меньше.
Где в компьютере больше всего золота
С уверенностью можно сказать, что чем выше ценность детали компьютера, тем больше в нем драгоценного металла:
- первое место занимает материнская плата (0,3 гр.);
- второе — микропроцессор (в среднем 0,2 гр.).
Напомню, что чем старше деталь, тем больше вероятность получить реальную прибыль.
Какое количество золота содержится в процессорах старого типа
Если вам повезло раздобыть коллекцию процессоры старого типа, можно сказать, что это настоящая золотая жила.
Так, в десяти процессорах типа AMD с коричневым корпусом содержится целый грамм драгоценного металла. А в советских процессорах, особенно для военного применения, счет идет на несколько грамм золота в одном процессоре. Согласно паспорту, старая ЭВМ Эльбрус -2 содержала больше трех кг золота.
Сколько золота содержится в ноутбуке
Ноутбук, как и любая вычислительная техника, содержит драгоценные металлы. Для него применимы все выводы, которые мы с вами сделали в отношении обычного ПК, однако в лаптопе золота еще меньше в силу его размеров. Его количество не превышает 0,3 мг. Существует легенда, что элитные ноутбуки VIP-класса содержат золота в разы больше.
Фактически добыча золота из компьютеров имеет смысл только в промышленных масштабах. На утилизационных заводах счет добытого солнечного металла высшей пробы идет на килограммы.
Легальность подобной добычи
Задача пользователей, если техника вышла из строя, — утилизировать ее соответствующим образом. Проще говоря, не выбрасывать на свалку, загрязняя окружающую среду, а сдать в специальные пункты приема, которые потом отвезут партию на утилизационный завод:
- рабочие вручную разберут и отсортируют все детали, которые потом отправятся на переработку;
- золотосодержащие детали измельчат и аффинируют.
Дома заняться аффинажем можно только ради интереса, поскольку процесс этот достаточно увлекательный.
Что потребуется для извлечения золота из компьютера в домашних условиях
Для аффинажа нам потребуются в первую очередь хорошие средства защиты: следует защитить руки, глаза, органы дыхания, надеть плотный фартук. Неплохо также иметь мощную вытяжку или проводить химические реакции в хорошо проветриваемом помещении либо на открытом воздухе.
Материалы и реактивы:
- плоскогубцы;
- отвертки;
- газовая или бензиновая горелка;
- точные весы;
- фильтры;
- химический стакан из жаропрочного стекла;
- концентрированная соляная и азотные кислоты;
- перекись водорода;
- метиловый спирт;
- электрическая плитка.
Процесс добычи
Есть несколько способов, чтобы добыть драгоценные металлы из радиодеталей. Я расскажу о самых простых. Но в любом случае для начала следует хорошо измельчить золотосодержащие детали. Максимально отделить металл от пластика.
Вариант 1
Измельченную массу опускаем в химический стакан с раствором соляной кислоты и перекиси водорода в пропорции 1/3. Напомню, что нужно наливать перекись в кислоту, а не наоборот. Не забывайте о технике безопасности и мерах защиты! Оставляем раствор на пять-семь дней.
Периодически помешиваем, чтобы ускорить реакцию. Весь не золотой. А иной металл за это время должен раствориться. Далее золото фильтруется и плавится.
Вариант 2
Способ основывается на способности царской водки (смеси соляной и азотной кислот в соотношении 1/3) растворять золото.
Итак, отсортированные и измельченные детали помещаем в царскую водку. Для ускорения процесса смесь можно немного подогреть. Не забывайте о мерах предосторожности! После полного растворения золото можно восстановить из раствора. Доступные восстановители — пиросульфит натрия и железный купорос. Добавлять восстановитель следует понемногу, поскольку реакция восстановления идет с выделением газа.
После того как золото выпадет в осадок, тщательно промываем его водой, не менее пяти раз, промываем спиртом, сушим и плавим с добавлением борной кислоты. Полученное таким образом золото получается высшей пробы.
Зачем нужна утилизация компьютерной техники
Добыча золота дома — увлекательный процесс. И использовать в личных целях его вполне можно. Но реализовать добытый таким образом желтый металл не получится — это противозаконно. Гораздо рациональней утилизировать вышедшую из строя технику согласно закону — отнести в пункт приема бытовой техники.
Пластик — настоящий бич современного общества. А одна батарейка загрязняет тяжелыми металлами 20 кубометров земли и воды. Если каждый из нас будет беречь окружающую среду, мы сможем сохранить планету для наших детей.
