Izdelava računalniškega procesorja: potek procesa

Pred nekaj leti je Intel predstavil postopek izdelave mikroprocesorjev po korakih, od peska do končnega izdelka. Dejanski postopek proizvodnje polprevodnikov je videti resnično neverjetno.

Korak 1. Pesek

Silicij, ki po masi predstavlja približno 25 odstotkov kemičnih elementov v Zemljini skorji, je drugi najpogostejši element za kisikom. Pesek ima visok delež silicijevega dioksida (SiO₂SiO2), ki je ključna sestavina ne le za Intelove procesorje, temveč za proizvodnjo polprevodnikov na splošno.

Stopljeni silicij

Snov se čisti v več stopnjah, dokler ne doseže čistosti silicija, ki se uporablja v polprevodnikih. Na koncu ga dobimo v obliki monokristalnih ingotov s premerom približno 300 milimetrov (12 palcev). Prejšnji ingoti so imeli premer 200 milimetrov, leta 1970 pa so bili še manjši - 50 milimetrov.

Na tej ravni proizvodnje procesorjev je čistost kristala po čiščenju en atom nečistoče na milijardo silicijevih atomov. Teža ingota je 100 kilogramov.

Korak 3. Rezanje ingotov

Ingot se z zelo fino žago razreže na posamezne rezine, imenovane podlage. Vsakega od njih nato poliramo, da dobimo zrcalno gladko površino brez napak. Na to gladko površino se nato nanesejo drobne bakrene žice.

Izpostavljenost fotoupornemu sloju

Na hitro vrtečo se podlago se nalije tekočina za fotorezist (enak material, kot se uporablja pri klasični fotografiji). Pri vrtenju se na celotni površini podlage ustvari tanka in enakomerna uporovna plast.

Ultravijolični laser skozi maske in leče udari v površino podlage in na njej ustvari majhne osvetljene ultravijolične črte. Zaradi leče je izostrena slika 4-krat manjša od maske. Na mestih, kjer se na uporovni sloj nanesejo UV-črte, pride do kemične reakcije, ki povzroči, da ta območja postanejo topna.

Korak 5. Graviranje

Topen material fotorezista se nato popolnoma raztopi s kemičnim topilom. Tako se s kemičnim jedkanjem delno raztopi ali jedkati začne majhna količina poliranega polprevodniškega materiala (substrata). S podobnim postopkom pranja se odstrani preostali material fotorezista, s čimer se razkrije (izpostavi) jedkana površina substrata.

Oblikovanje plasti

Dodatni fotorezisti (materiali, občutljivi na svetlobo) so dodani za izdelavo drobnih bakrenih žičk, ki bodo sčasoma prenašale elektriko do/iz različnih priključkov, ki so prav tako oprani in izpostavljeni. Nadaljnji postopek ionske zlitine se izvede za dodajanje nečistoč in zaščito mest odlaganja bakrovih ionov pred bakrovim sulfatom med postopkom galvanizacije.

V različnih fazah postopka izdelave procesorja se dodajajo dodatni materiali, ki se jedkajo in polirajo. Ta postopek se ponovi šestkrat, da nastane šest plasti.

Končni izdelek je videti kot mreža iz številnih mikroskopskih bakrenih trakov, ki prevajajo elektriko. Nekatere so povezane z drugimi, druge pa so od njih oddaljene na določeno razdaljo. Vendar se vsi uporabljajo za en namen - prenos elektronov. Z drugimi besedami, zasnovani so za opravljanje tako imenovanega "koristnega dela" (npr. čim hitrejše seštevanje dveh števil, kar je bistvo današnjega računalniškega modela).

Večstopenjska obdelava se ponovi na vsakem posameznem majhnem območju površine substrata, na katerem bodo izdelani čipi. To vključuje območja, ki so delno odmaknjena od podlage.

Korak 7. Testiranje

Ko so nanesene vse kovinske plasti in izdelani vsi tranzistorji, je čas za naslednjo fazo izdelave procesorja "Intel" - testiranje. Na vrh čipa je nameščena naprava z več nožicami. Nanjo so pritrjene številne mikroskopske žice. Vsaka od teh žic je električno povezana s čipom.

Da bi ponovili delovanje čipa, se na čip pošlje zaporedje preskusnih signalov. Test ne preizkuša le tradicionalnih računalniških zmogljivosti, temveč izvaja tudi notranjo diagnostiko z vrednostmi napetosti, kaskadnimi zaporedji in drugimi funkcijami. Odziv čipa v obliki rezultata preskusa se shrani v podatkovno zbirko, ki je posebej namenjena temu delu podlage. Ta postopek se ponovi za vsak del podlage.

Rezanje plošč

Za rezanje vložkov se uporablja zelo majhna žaga z diamantnim koncem. Podatkovna baza, ki je bila izdelana v prejšnjem koraku, se uporabi za določitev, kateri odrezki s podlage se ohranijo in kateri zavržejo.

Korak 9. Ohišje

Vse delovne rezine so nameščene v fizična ohišja. Čeprav so bile rezine predhodno testirane in je bilo ugotovljeno, da delujejo pravilno, to še ne pomeni, da so dobri predelovalci.

Postopek enkapsulacije pomeni namestitev silicijevega kristala v material podlage z miniaturnimi zlatimi žicami, pritrjenimi na zatiče ali kroglični vodnik. Na zadnji strani ohišja je vrsta krogličnih priključkov. Na vrhu ohišja je nameščen hladilnik toplote. Sestavljen je iz kovinskega ohišja. Ko je ta postopek končan, je procesor videti kot končni izdelek, namenjen za porabo.

Opomba: Kovinski radiator je ključna sestavina sodobnih hitrih polprevodniških naprav. Prej so bili radiatorji iz keramike in niso uporabljali prisilnega hlajenja. Za nekatere modele 8086 in 80286 ter za modele od 80386 naprej je bilo potrebno hlajenje. Prejšnje generacije procesorjev so imele veliko manj tranzistorjev.

Procesor 8086 je imel na primer 29.000 tranzistorjev, medtem ko imajo sodobni procesorji več sto milijonov tranzistorjev. To število tranzistorjev, ki je po današnjih standardih majhno, ni ustvarjalo dovolj toplote, da bi bilo potrebno aktivno hlajenje. Da bi se ti procesorji razlikovali od tistih, ki zahtevajo takšno hlajenje, so bili keramični čipi pozneje označeni z besedami "Heat sink required".

Sodobni procesorji proizvajajo dovolj toplote, da se v nekaj sekundah stopijo. Le prisotnost hladilnika, povezanega z velikim hladilnikom in ventilatorjem, omogoča, da delujejo dlje časa.

Razvrščanje procesorjev po specifikacijah

V tej fazi proizvodnje je predelovalec videti tako kot v trgovini kupljen. Vendar je za dokončanje proizvodnega postopka potreben še en korak. To se imenuje razvrščanje.

Na tej stopnji se izmeri dejanska zmogljivost posameznega procesorja. Merjeni parametri, kot so napetost, frekvenca, zmogljivost, odvajanje toplote in druge značilnosti.

Najboljši čipi so namenjeni za izdelke višjega razreda. Ne prodajajo se le kot najhitrejši komponente, pa tudi nizkonapetostni in ultranizkonapetostni modeli.

Čipi, ki niso v najvišji skupini procesorjev, se pogosto prodajajo kot čipi z nižjimi takti. Štirijedrni procesorji nižjega cenovnega razreda se lahko tržijo tudi kot dvo- ali trijedrni.

Delovanje procesorja

Postopek razvrščanja določa končno hitrost, napetost in toplotne lastnosti. Na primer, na standardni podlagi lahko le 5 % proizvedenih čipov deluje nad 3,2 GHz. Hkrati lahko 50 % čipov deluje pri frekvenci 2,8 GHz.

Proizvajalci procesorjev se nenehno sprašujejo, zakaj večina proizvedenih procesorjev teče s frekvenco 2,8 GHz namesto z zahtevano frekvenco 3,2 GHz. Včasih je mogoče spremeniti zasnovo procesorja, da se poveča zmogljivost.

Donosnost proizvodnje

Dobičkonosnost procesorjev in večine polprevodniških elementov se giblje med 33 in 50 %. To pomeni, da je vsaj 1/3 do 1/2 rezin na vsakem substratu delujočih in da je podjetje dobičkonosno.

V družbi Intel dobiček iz poslovanja S 45 nm tehnologijo na 300 mm podlogi je 95-odstotno učinkovit. To pomeni, da če je mogoče iz ene plošče izdelati 500 silicijevih rezin, jih bo delovalo 475, le 25 pa jih bo zavrženih. Več ploščic, kot jih je mogoče izdelati iz ene same ploščice, večja je stopnja dobička za podjetje.

Danes uporabljene tehnologije Intel

Intelova zgodovina uporabe novih tehnologij v množično proizvedenih procesorjih:

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

V začetku leta 2018. Intel napoveduje, da bo množično proizvodnjo 10 nm procesorjev prenesel na leto 2019. Razlog za to so visoki stroški proizvodnje. Trenutno podjetje še vedno dobavlja 10 nm procesorje v majhnih količinah.

Opišimo Intelovo procesorsko tehnologijo z vidika stroškov. Vodstvo podjetja pripisuje visoke stroške proizvodnega procesa dolgemu proizvodnemu ciklu in uporabi velikega števila mask. 10 nm tehnologija temelji na globoki ultravijolični litografiji (DUV) z uporabo laserjev, ki delujejo pri 193 nm.

7 nm proces bo uporabljal ekstremno ultravijolično litografijo (EUV) z laserji, ki delujejo pri valovni dolžini 13,5 nm. Zaradi te valovne dolžine se bo mogoče izogniti večplastnim vzorcem, ki se običajno uporabljajo v 10 nm procesu.

Inženirji podjetja menijo, da morajo na tej točki tehnologijo DUV še izpopolniti, ne pa neposredno preiti na 7 nm proces. Zato bodo procesorji, ki uporabljajo 10 nm tehnologijo, zaenkrat postopoma ukinjeni.

AMD-jevi obeti glede proizvodnje mikroprocesorjev

Edini pravi konkurent "Intel" na trgu za proizvodnjo procesorjev je danes družba AMD. Zaradi hroščev "Intel", AMD-jeva tehnologija 10 nm je nekoliko izboljšala njegov tržni položaj. Intelova množična proizvodnja po 10 nm postopku močno zamuja. Znano je, da AMD za izdelavo svojih čipov uporablja tretjo stranko. In zdaj je prišlo do situacije, ko AMD uporablja 7 nm proces za proizvodnjo proizvodne tehnologije procesorjev, ki se ne pusti prehiteti svojemu glavnemu konkurentu.

Glavni zunanji proizvajalci polprevodniških naprav, ki uporabljajo nove tehnologije za kompleksno logiko, so tajvanska družba za proizvodnjo polprevodnikov (TSMC), ameriški GlobalFoundaries in korejski Samsung Foundry.

AMD namerava za proizvodnjo mikroprocesorjev naslednje generacije uporabljati izključno družbo TSMC. Uporabljene bodo nove procesorske tehnologije. Podjetje je že izdalo več izdelkov, ki uporabljajo 7 nm postopek, med drugim 7 nm grafični procesor. Prvi bo izšel leta 2019. Začetek množične proizvodnje 5-nm čipov je načrtovan že čez dve leti.

Podjetje GlobalFoundaries je opustilo razvoj 7 nm procesov in se osredotočilo na razvoj 14/12 nm procesov za stranke na hitro rastočih trgih. AMD dodatno vlaga v družbo GlobalFoundaries za proizvodnjo AMD-jevih procesorjev Ryzen, EPYC in Radeon sedanje generacije.

Proizvodnja mikroprocesorjev v Rusiji

Glavni proizvodni obrati za mikroelektroniko se nahajajo v mestih Zelenograd ("Micron", "Angstrem") in Moskva ("Crocus"). Belorusija ima tudi svoj proizvodni obrat za mikroelektroniko v "Integralno", Uporaba 0,35 μm procesne tehnologije.

Procesorje v Rusiji proizvajajo naslednja podjetja "ICST" и "Baikal Electronics". Najnovejši razvoj "MCST" - Procesor Elbrus-8C. Gre za 8-jedrni mikroprocesor s taktom 1,1-1,3 GHz. Ruski procesor ima zmogljivost 250 gigaflopsov (operacije s plavajočo vejico na sekundo). Predstavniki podjetja trdijo, da lahko procesor po številnih kazalnikih konkurira celo vodilnemu Intelu.

Proizvodnja procesorjev "Elbrus" bo nadaljeval z modelom "Elbrus-16" 1,5 GHz (digitalni indeks v imenu označuje število jeder). Množična proizvodnja teh mikroprocesorjev bo potekala na Tajvanu. To naj bi pripomoglo k znižanju cene. Kot je znano, je cena izdelkov podjetja pretirana. Hkrati so značilnosti teh sestavnih delov bistveno slabše od značilnosti vodilnih podjetij v tem sektorju. Ti procesorji se bodo za zdaj uporabljali le v vladnih agencijah in za obrambne namene. V tej liniji bo uporabljena 28 nm procesorska tehnologija tehnološki proces.

"Baikal Electronics" proizvaja procesorje za uporabo v industriji. To velja zlasti za model "Bajkal T1". Področje uporabe so usmerjevalniki, sistemi CNC in pisarniška oprema. Podjetje se pri tem ne ustavi in že razvija procesor za osebni računalniki - "Bajkal M". O njegovih značilnostih še ni veliko informacij. Znano je, da bo imel 8-jedrni procesor s podporo za do 8 grafičnih jeder. Prednost tega mikroprocesorja je njegova energetska učinkovitost.