Всякая разница — где и как производят процессоры Intel
Где и как производят процессоры Intel
Как я писал в своем журнале , на данный момент у компании Intel есть 4 завода, способных массово производить процессоры по технологии 14 нм: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико. Посмотрим как они устроены
Высота каждой фабрики Intel по производству процессоров на 300-мм кремниевых пластинах составляет 21 метр, а площадь достигает 100 тысяч квадратных метров. В здании завода можно выделить 4 основных уровня:
Уровень системы вентиляции
Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов – самая маленькая пылинка, оказавшаяся на кремниевой пластине, способна уничтожить тысячи транзисторов. Поэтому важнейшим условием производства микропроцессоров является стерильная чистота помещений. Уровень системы вентиляции расположен на вер хнем этаже — здесь находятся специальные системы, которые осуществляют 100% очистку воздуха , контролируют температуру и влажность в производственных помещениях.
Так называемые «Чистые комнаты» делятся на классы (в зависимости от количества пылинок на единицу объема) и самая-самая (класс 1) примерно в 1000 раз чище хирургической операционной. Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.
Уровень «чистых комнат»
Этаж занимает площадь нескольких футбольных полей – именно здесь изготавливают микропроцессоры. Специальная автоматизированная система осуществляет перемещение пластин от одной производственной станции к другой. Очищенный воздух nbsp;подается через систему вентиляции, расположенную в потолке, и удаляется через специальные отверстия, расположенные в полу.
Помимо повышенных требований к стерильности помещений, «чистым» должен быть и работающий там персонал — только на этом уровне специалисты работают в стерильных костюмах, которые защищают (благодаря встроенной системе фильтрации, работающей от батареи) кремниевые пластины от микрочастиц текстильной пыли, волос и частиц кожи.
Нижний уровень
Предназначен для систем поддерживающих работу фабрики (насосы, транформаторы, силовые шкафы и т.п.)
Большие трубы (каналы) передают различные технические газы, жидкости и отработанный воздух. Спецодежда сотрудников данного уровня включает каску, защитные очки, перчатки и специальную обувь.
Инженерный уровень
По назначению является продолжением нижнего уровня.
Здесь находятся электрические щиты для энергоснабжения производства, система трубопроводов и воздуховодов, а так же кондиционеры и компрессоры.
Для постройки фабрики такого уровня требуется около 3 лет и порядка 5 миллиардов – именно эту сумму должен будет «отбить» завод в последующие 4 года (к тому времени как появятся новые технологический процесс и архитектура) .Необходимая для этого производительность – порядка 100 рабочих кремниевых пластин в час).
Для постройки такого завода потребуется:
— более 19 000 тонн стали
— более 112 000 кубических метров бетона
— более 900 километров кабеля
КАК производят микропроцессоры
Технически современный микропроцессор выполнен в виде одной сверхбольшой интегральной схемы, состоящей из нескольких миллиардов элементов — это одна из самых сложных конструкций, созданных человеком.
Ключевыми элементами любого микропроцессора являются дискретные переключатели – транзисторы. Блокируя и пропуская электрический ток (включение-выключение), они дают возможность логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе. Размеры транзисторов измеряются в нанометрах. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра.
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.
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:
SiO2 + 2C = Si + 2CO
Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl4), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl3):
3SiCl4 + 2h3 + Si ↔ 4SiHCl3
Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:
2SiHCl3 ↔ Sih3Cl2 + SiCl4
2Sih3Cl2 ↔ Sih4Cl + SiHCl3
2Sih4Cl ↔ Sih5 + Sih3Cl2
Sih5 ↔ Si + 2h3
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 буля 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).
Теперь самое интересное — 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?
Проблема решается с помощью технологии фотолитографии — процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:
— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок.
На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.
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.
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).
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…
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.
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».
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).
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.
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…
От песка до процессора: как производятся чипы
Процессор есть в каждом электронном устройстве и является центром его управления.
В техническом плане это сложнейший производственный продукт. Читайте этот материал и узнавайте, как создаются центральные процессоры.
Как устроен процессор
Процессор выглядит как большая микросхема, которая состоит из множества компонентов. Эти компоненты называются транзисторы или дискретные переключатели. Они выполняют функцию включения-выключения и отвечают за поступление и блокировку электрического тока.
Транзисторы обеспечивают работу логических схем в двоичном режиме. Пуск электротока значит единица, а блокировка и отключение – ноль. Определенная последовательность этих двух чисел и образует цифровой материал: приложения, текстовые документы, фото-, видео- и аудиофайлы.
Размер транзисторов измеряется в нанометрах, что составляет миллиардную часть метра.
Аккуратное производство
Специалисты на заводах-изготовителях соблюдают строгие правила:
- Перед входом на производство тщательно моют руки и лицо.
- Не пользуются парфюмом или косметикой.
- Находятся на заводе только в специальном обмундировании (комбинезон, рабочая обувь, сетка для волос).
- На пороге помещения, где происходит изготовление чипов, обдуваются сильным потоком воздуха для обеспечения полнейшей стерильности.
Если в кремниевую заготовку попадет мельчайшая частица пыли, заготовка уже будет непригодна к работе. Поэтому даже воздух в цехах в несколько раз чище, чем в операционных. Он имеет класс чистоты 10, что означает содержание не более 10 частиц толщиной в пол микрона в 1 кубический метр воздуха.
Кроме того, в помещениях соблюдается полнейшая тишина. Услышать можно лишь небольшой гул и слабую вибрацию от работы оборудования. Это связано с тем, что с начальным производственным веществом, то есть диоксидом кремния, работать нужно предельно точно и осторожно. Кремний содержится в кварцевом песке и является неизменным базовым материалом вот уже много лет. Его атомное строение позволяет создавать микросхемы любой структуры.
Первым шагом является создание инготов, то есть в валков или слитков из очень чистого кремния. Для этого кварцевый песок нагревают до тех пор, пока он не начнет плавиться. В результате песок очищается и становится подходящим для нужд электроники. Предполагается, что на 10 миллиардов атомов кремния может быть только один чужеродный атом.
Из очищенного таким образом кремния извлекается монокристалл в виде колонны. Его разрезают алмазной пилой на тонкие слои (вафли), которые промывают, полируют и тщательно исследуют с помощью лазерной техники на предмет дефектов. После этого заготовки отправляются на производство.
Три шага до выпуска
В течение всего производственного процесса кремниевые пластины находятся в фупах. Это такие герметичные коробочки с классом чистоты равным единице, то есть 1 кубический метр воздуха в них содержит не более 1 частицы размером в половину микрона. На фабрике фупы перемещаются роботами: передвигаются по рельсовым дорожкам, которые доставляют кремниевые заготовки к производственным машинам.
Дальше начинаются три важных этапа:
- Печать транзисторов. Сначала с помощью фотолитографии печатаются микросхемы. Задачей технологии является формирование картинки на кремниевой подложке по заданной топологии микросхемы.
- Связывание дискретных переключателей. Соединение микроэлементов выполняется в порядке, который заложен архитектурой каждого конкретного процессора. Как это сделано в той или иной модели ЦП знают только их производители. Также на этой стадии наносится токопроводящий слой, устанавливается фильтр и крепятся транзисторы.
- Тестирование и нарезка пластины. Этот этап заключительный. В рамках него проверяют на брак каждую пластину. Затем их разрезают на отдельные чипы в количестве 100-150 штук и закрывают крышкой. Это делается для того, чтобы защитить кристалл от внешнего воздействия.
Вместо заключения
Процесс изготовления чипов занимает много времени.
Только монокристалл растет около двух месяцев. Затем заготовки транспортируются на заводе-чипмейкере: там будущий чип проводит еще месяца три.
То есть, чтобы создать только тестовую партию, требуется минимум полгода, а любой сбой на линии производства может вызвать простои. Поэтому создание чипов — трудоемкий и времязатратный процесс, а каждый запуск массового производства устройств нового поколения становится прорывом.
Читайте КОМПЬЮТЕРРУ в Telegram → Перейти
Intel показывает, как изготавливается ЦП
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Ваш процессор появился из песка
Песок. Состоящий из 25 процентов кремния, он является вторым после кислорода наиболее распространенным химическим элементом в земной коре. Песок, особенно кварц, содержит большое количество кремния в форме диоксида кремния (SiO2) и является основным ингредиентом для производства полупроводников.
Очистка и выращивание
После получения необработанного песка и отделения кремния излишки материала утилизируются, а кремний очищается в несколько этапов, чтобы, наконец, достичь качества производства полупроводников, которое называется кремнием электронного качества. Полученная чистота настолько высока, что в кремнии электронного качества может быть только один чужеродный атом на каждый миллиард атомов кремния. После процесса очистки кремний переходит в фазу плавления. На этой картинке вы можете видеть, как из расплава очищенного кремния вырастает один большой кристалл. Полученный монокристалл называется слитком.
Большой слиток
Монокристаллический слиток изготовлен из кремния электронного класса. Один слиток весит примерно 100 кг (или 220 фунтов) и имеет чистоту кремния 99,9999%.
Нарезка слитков
Затем слиток перемещается на этап нарезки, где отдельные кремниевые диски, называемые пластинами, тонко нарезаются.
Некоторые слитки могут стоять выше пяти футов. Существует несколько разных диаметров слитков в зависимости от требуемого размера пластины. Сегодня процессоры обычно изготавливаются на пластинах диаметром 300 мм.
Полировка пластин
После резки пластины полируются до безупречной зеркально-гладкой поверхности. Intel не производит собственные слитки и пластины, а вместо этого покупает готовые к производству пластины у сторонних компаний. В передовом 45-нм техпроцессе Intel High-K/Metal Gate используются пластины диаметром 300 мм (или 12 дюймов). Когда Intel впервые начала производить микросхемы, она печатала схемы на 50-миллиметровых (2-дюймовых) пластинах. В настоящее время Intel использует пластины диаметром 300 мм, что снижает затраты на один чип.
Нанесение фоторезиста
Голубая жидкость, изображенная выше, представляет собой финишное покрытие фоторезиста, подобное тем, которые используются в фотопленке. Пластина вращается на этом этапе, чтобы обеспечить равномерное покрытие, гладкое и очень тонкое.
Воздействие УФ-излучения
На этом этапе светостойкое покрытие подвергается воздействию ультрафиолетового (УФ) света. Химическая реакция, вызванная ультрафиолетовым излучением, аналогична той, что происходит с материалом пленки в камере в тот момент, когда вы нажимаете кнопку спуска затвора.
Области резиста на пластине, подвергшиеся воздействию УФ-излучения, становятся растворимыми. Экспонирование осуществляется с помощью масок, которые действуют как трафареты. При использовании с УФ-светом маски создают различные узоры цепей. По сути, при построении ЦП этот процесс повторяется снова и снова, пока несколько слоев не будут наложены друг на друга.
Линза (в центре) уменьшает изображение маски до небольшого фокуса. Полученный «отпечаток» на пластине обычно в четыре раза меньше, чем рисунок на маске.
Подробнее Разоблачение
На картинке показано, как выглядел бы один транзистор, если бы мы могли видеть его невооруженным глазом.
Транзистор действует как переключатель, контролирующий поток электрического тока в компьютерной микросхеме. Исследователи Intel разработали транзисторы настолько маленькие, что, по их утверждению, примерно 30 миллионов из них могут поместиться на булавочной головке.
Промывка фоторезиста
После воздействия УФ-света открытые участки синего фоторезиста полностью растворяются в растворителе. Это показывает рисунок фоторезиста, созданный маской. С этой точки начинают расти зачатки транзисторов, межсоединений и других электрических контактов.
Травление
Слой фоторезиста защищает материал пластины, который нельзя стравливать. Обнаженные участки будут вытравлены химическими веществами.
Удаление фоторезиста
После травления фоторезист удаляется, и желаемая форма становится видимой.
- 1
Текущая страница: Страница 1
Следующая страница Страница 2
Получите мгновенный доступ к последним новостям, подробным обзорам и полезным советам.
Это проницательное видео Intel объясняет, как производятся процессоры, словами, которые вы действительно можете понять
Главная / Бизнес / Новости
Новости
От концептуальных сцен до полок магазинов.
Брэд Чакос
PCWorld 19 февраля 2020 г., 11:29 по тихоокеанскому времени
Изображение: Intel
Да, компьютерные процессоры работают. Но задумывались ли вы когда-нибудь над , как они работают на ? Сегодня Intel опубликовала увлекательный анимационный видеоролик, в котором излагаются «ключевые концепции и их роль в производстве микросхем». Болтливый процессор Chip, который проводит вас через видео, вызывает воспоминания о вызывающем раздражение Clippy, представленном Microsoft в Office 97 (и убитом в 2014 году).
ПК-энтузиасты часто используют такие термины, как транзисторы, кремниевые пластины, фотолитографические маски, межсоединения и подложки. Видео Intel представляет собой отличный общий обзор того, что на самом деле означает . Более того, он делает это в дружелюбной и доступной манере, так что вы действительно можете понять, даже если у вас нет диплома инженера. Посмотрев его, вы лучше оцените всю тяжелую работу, проделанную крутым процессором, лежащим в основе вашей игровой системы.
Смотри!
Хотите нырнуть еще глубже в кроличью нору? Вчера Intel также опубликовала видео, в котором подробно рассказывается о технологии транзисторов, хотя оно не так доступно для нетехнических типов. «Узнайте больше о том, как мы превращаем песок в кремниевые чипы, которые питают мир», — обещает он.