Как выглядит кристалл в процессоре

7

Как разрабатываются и создаются процессоры? Часть 3: Изготовление чипа

Это третья часть нашего цикла, посвященного разработке процессоров. В первой части мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй – рассказывалось о проектировании и реализации отдельных компонентов чипа. В третьей части мы шагнём дальше и узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.

Как же все эти песчинки превращаются в современный процессор? Давайте разберёмся.

Как мы уже говорили, процессоры и вся другая цифровая логика основана на транзисторах. Транзистор – это переключатель с электрическим управлением, который включается с помощью электрического сигнала, подаваемого на затвор. Мы сказали, что существует два основных типа транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток при включенном затворе, а pMOS-устройства – при выключенном. Базовая структура процессора – это кремниевые транзисторы. Кремний известен как полупроводник, потому что он занимает некое промежуточное положение между проводником и изолятором.

Чтобы превратить кремниевую пластину в функциональную электрическую схему с транзисторами, производственные инженеры используют процесс под названием легирование. Легирование – это внедрение в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения свойств его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два типа транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.

Пластина с будущими чипами на одной из стадий своего изготовления. Фото: Evan Lissoos

Если мы добавим точно рассчитанное количество электронодонорных элементов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда, к слову, и взялось название этого типа проводимости (n — negative, поскольку электроны имеют отрицательный заряд) и буква «n» в nMOS. Добавляя же на кремний примесь из акцепторных элементов, таких как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда, соответственно, буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive, поскольку носителями заряда являются положительно заряженные «дырки»). Сам процесс легирования, добавления примесей к кремнию, выполняется, в основном, с помощью таких технологий как ионная имплантация и термодиффузия. Их подробное рассмотрение несколько выходит за рамки данной статьи.

Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, полевой транзистор МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре выхода. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). Как правило, в n-канальном устройстве ток входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном – из истока в сток. Затвор (Gate) – это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. И наконец, у устройства есть выход корпуса или подложки транзистора (Body), функциональность которого не сильно затрагивает обсуждаемую нами тему.

Физическая структура инвертора на кремниевой основе. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Обратите внимание, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа.

(A – вход; Y – выход; GND – земля; V_DD – питание; p substrate – подложка p-типа; n well – карман n-типа; SiO₂ – кремниевая основа пластины; polysilicon – поликремниевый слой; n+ diffusion – n-канал; p+ diffusion – p-канал; metal1 – первый слой металлизации)

Рассмотрение всех технических подробностей работы транзисторов и взаимодействия их отдельных областей хватит на целый курс колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы – это разводной мост через реку. Автомобили – электроны в транзисторе – хотят попасть с одного берега реки на другой, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не активен, «разводной мост» поднят и электроны не могут двигаться. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Включение затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.

Чтобы иметь возможность с высочайшей точностью располагать на кремнии разные p и n области, производители, например Intel и TSMC, используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании вкладывают миллиарды долларов в его усовершенствование для того, чтобы создавать более миниатюрные, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, с помощью которого наносятся различные рисунки для каждой области на кремнии.

Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины. Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный полимер фоторезиста. Экспонируя фоторезистивный слой светом определённых частот, мы можем вырезать его в тех областях, где хотим выполнить легирование. Этот этап литографии схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.

Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в тех местах, где был удалён фоторезист. Затем фоторезист полностью снимается, оставляя только вырезанный с помощью него слой SiO₂. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует диоксид кремния.

Схема основных этапов процесса фотолитографии. 1) Чистая кремниевая пластина (подложка); 2) Подготовка пластины: нанесение слоя диоксида кремния и слоя фоторезиста; 3) Экспонирование фоторезиста через шаблон (маску) для удаления его в местах будущего легирования; 4) Вытравливание плавиковой кислотой участков слоя диоксида кремния в местах будущего легирования; 5) Удаление фоторезиста и легирование подложки ионами мышьяка; 6) Имплантированные ионы образовали в подложке карман (n-well) с обратной подложке проводимостью в том месте, где отсутствовал диоксид кремния.

Этот процесс экспонирования, вытравливания и легирования повторяется десятки раз, слой за слоем выстраивая структуру полупроводника. После создания главного кремниевого слоя, поверх накладываются слои металлических проводников, с помощью которых создаются соединения между транзисторами. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.

Разумеется, производители чипов не выполняют эти процессы всякий раз для каждого транзистора. Для спроектированного чипа они создают маски-шаблоны для всех этапов изготовления всего чипа. Эти маски содержат местоположения каждого из миллиардов транзисторов на чипе. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются разом на одной пластине.

Готовая пластина нарезается на отдельные кристаллы, которые запаиваются в корпуса. В зависимости от размера чипа, на каждой пластине может размещаться сотни и более чипов. Обычно, чем более мощный производится чип, тем больше будет его кристалл, и тем меньше таких чипов производитель может получить с каждой пластины.

Казалось бы, нам просто нужно производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства. Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора повреждена, то можно выбрасывать весь чип. Увеличивая размер процессоров, мы увеличиваем и вероятность его брака.

Фактическую эффективность своих производственных процессов компании тщательно скрывают, но цифры в 70-90% считаются хорошим показателем. Компании обычно изготавливают чипы с некоторым запасом, потому что знают, что некоторые части могут не работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его как 6-ядерный, допуская, что один-два ядра могут оказаться браком. Как правило, чипы с необычно низким количеством дефектов отделяется от остальных для продажи по более высокой цене. Такой подход известен как биннинг.

Одним из важнейших маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов, является размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нм технологический процесс, AMD использует для некоторых своих GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нм техпроцессом. Но что означают все эти числа? Размером элемента принято называть минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. По мере развития технологий мы стараемся уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. А вместе с уменьшением транзистора, повышается и его скорость.

Смотря на эти числа, необходимо заметить, что некоторые компании могут основывать размер своего техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что разные техпроцессы у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. Кроме того, сами по себе транзисторы не обязательно должны быть одинаковы по размерам. Инженеры, по тем или иным причинам, могут сделать одни транзисторы крупнее, другие мельче. Мелкий транзистор будет быстрее, потому что на включение/отключение его затвора требуется меньше времени. В то же время, мелкий транзистор не может управлять большим количеством выходов. И если какой-то элемент логики управляет чем-то энергоёмким, например выходным сигналом, то такой элемент придётся сделать намного большего размера. Эти выходные транзисторы могут быть на порядки крупнее транзисторов внутренней логики.

Снимок кристалла современного процессора AMD Zen, состоящего из нескольких миллиардов транзисторов.

Однако проектирование и изготовление транзисторов – это лишь половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте себе многоуровневую транспортную развязку с въездами, выездами с неё и массой пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. Количество металлических соединительных слоёв над транзисторами в каждом техпроцессе может быть разным. По мере уменьшения транзисторов, требуется всё больше слоёв проводников, чтобы выполнить все необходимые соединения. Так, TMSC в своём 5-нм техпроцессе планирует использовать 15 слоёв металлизации. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку, и это даст вам представление о том, насколько сложна сеть проводников внутри чипа.

Ниже представлена фотография с микроскопа, где мы видим решётку, образованную семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и по мере наслоения, увеличивается в толщине для снижения сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, служащие для перехода на слой выше. Для уменьшения нежелательного ёмкостного сопротивления, направленность слоёв обычно чередуется. Нечётные слои металлизации могут использоваться для образования горизонтальных соединений, а чётные – для вертикальных.

Понятно, что с таким количеством всех этих сигналов и проводников ни один человек в короткое время не справится, и на помощь приходят компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции, программы даже могут преобразовывать функции высокоуровневого кода в физическое расположение каждого проводника и транзистора. Как правило, разработчики позволяют компьютерам сгенерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.

Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют разработчикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Разработчики собирают из этих стандартных ячеек свой чип и отправляют схемы его слоя транзисторов и слоёв металлизации на завод, где необработанный кремний превращается в рабочий чип. На основе этих схем и создаются маски-шаблоны, используемые в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как выглядит процесс проектирования простейшего чипа.

Для начала перед нами стандартный инвертор. Заштрихованный зелёный прямоугольник сверху – это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольный контур внизу – nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник – это поликремниевый затвор, синие области – это первый слой металлизации, а сиреневые области – второй слой металлизации. Слева мы видим вход (A), справа – выход (Y). А сверху и снизу – контакты питания (vdd) и заземления (gnd), выполненные на втором слое металлизации.

Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта схема может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными данными. Главным образом вертикальные голубые заштрихованные проводники это третий слой металлизации. Укрупнения на их концах – это перемычки, соединяющие два слоя.

Наконец, собрав воедино множество ячеек и примерно 2000 транзисторов, мы получили простой 4-разрядный процессор с 8 байтами оперативной памяти на четырёх слоях металлизации. Глядя, насколько он сложен, можно только представить, как трудно проектировать 64-разрядный процессор с мегабайтами кэш-памяти, несколькими ядрами и 20-ю с лишним ступенями конвейера команд (пайплайна). С учетом, что современные высокопроизводительные процессоры состоят из более чем 5-10 миллиардов транзисторов и дюжины слоёв металлизации, можно без преувеличения сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.

Нам теперь понятно, за что мы платим немалые деньги, покупая новый процессор, и почему AMD и Intel выводят на рынок новые процессоры не ежедневно. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от проекта до прилавка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые сегодняшние чипы – это технологии 3-5 летней давности, и что сегодняшние технологии мы ещё нескоро сможем увидеть на прилавках.

На этом мы закончим наше знакомство с технологией создания процессоров.

Сегодня мы узнали о физике транзисторов, как все их детали изготавливаются на кремниевой основе и как все они соединяются в работающий чип.

В четвёртой, заключительной части цикла мы покинем техническую сторону и обратим свой взгляд на современные тенденции в отрасли. Над чем сейчас работают учёные, чтобы сделать следующее поколение компьютеров ещё быстрее?

Как устроен процессор? Разбираемся вместе

В закладки

Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

1. С чего все началось

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

2. Появление транзисторов

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезызвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

3. Как работает транзистор

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние "0" или "1".

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Кремний (он же Si – "silicium" в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив "+" контакт на «центральную» p-область (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

4. Так как все-таки работает компьютер?

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – "0".
При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или "1" в двоичной системе.
Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

5. И началась транзисторная гонка

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

• 1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
• 70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
• 1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
• 1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
• 1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
• 1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
• 1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
• 1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.
• 1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.
• 1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
• 1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

• кэш-памяти;
• конвейера;
• встроенного сопроцессора;
• множителя.

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

• SPARC;
• ARM;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.

В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.

Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.

7. Конец транзисторных соревнований близко

В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:

Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому — атомарная природа вещества.

Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.

И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.

8. Что ждет «обычные» процессоры

«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.

Первый вариант – квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.

К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!

Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.

Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.

Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.

Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.

9. Будущее за ARM

Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность – главный конек x86.

Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:

• сложность команд и откровенная их запутанность;
• высокое потребление энергии и выделение теплоты.

За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.

В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.

В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.

Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.

Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь — самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.

Архитектуру ARM в свое время поддержала компания Apple, запустив производство планшетов Newton на базе семейства ARM-процессоров ARM6.

Продажи стационарных компьютеров стремительно падают, в то время как количество ежегодно реализуемых мобильных устройств уже исчисляется миллиардами. Зачастую, помимо производительности, при выборе электронного гаджета пользователя интересуют еще несколько критериев:

• мобильность;
• автономность.

x86 архитектура сильна в производительности, но стоит вам отказаться от активного охлаждения, как мощный процессор покажется жалким на фоне архитектуры ARM.

10. Почему ARM – неоспоримый лидер

Вряд ли вы будете удивлены, что ваш смартфон, будь то простенький Android или флагман Apple 2016 года в десятки раз мощнее полноценных компьютеров эпохи конца 90-х.

Но во сколько мощнее тот же айфон?

Само по себе сравнение двух разных архитектур – штука очень сложная. Замеры здесь можно выполнить лишь приблизительно, но понять то колоссальное преимущество, что дает построенные на ARM-архитектуре процессоры смартфона, можно.

Универсальный помощник в таком вопросе – искусственный тест производительности Geekbench. Утилита доступна как на стационарных компьютерах, так и на Android и iOS платформах.

Средний и начальный класс ноутбуков явно отстает от производительности iPhone 7. В топовом сегменте все немного сложнее, но в 2017 году Apple выпускает iPhone X на новом чипе A11 Bionic.

Там, уже знакомая вам архитектура ARM, но показатели в Geekbench выросли почти вдвое. Ноутбуки из «высшего эшелона» напряглись.

А ведь прошел всего один год.

Развитие ARM идет семимильными шагами. Пока Intel и AMD год за годом демонстрируют 5 – 10% прирост производительности, за тот же период производители смартфонов умудряются повысить мощность процессоров в два – два с половиной раза.

Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер – это то, что прежде всего имеет значение.

Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?

11. Вместо вывода

Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера – процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.

Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.

Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?

Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.

Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.

На ARM успела посмотреть и Google – операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.

И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.

В закладки

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!

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.