Опишите технологию производства процессоров – Развитие и производство микропроцессоров (Лекция) | Изучение элементов и систем автоматики, а также специального программного обеспечения

Содержание

Технология производства микропроцессоров

Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы процессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется скоростью переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Технологический процесс определяет размеры транзистора. Например, при использовании 90-нм техпроцесса, который был введен в начале 2004 года, размер транзистора составляет 90 нм, а длина затвора – 50 нм.

Все современные процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Снижение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

Технология изготовления микропроцессоров

Современные микропроцессоры — одни из самых сложных электронных устройств, для выпуска которых требуются сотни производственных этапов. Основой производства микропроцессоров является фотолитография: процесс создания схемы кристалла на подложке путем фотомеханического переноса изображений с масок под воздействием ультрафиолетового освещения. При помощи масок в микропроцессоре слой за слоем создаются структуры с определенными характеристиками. Эти структуры создаются из фоторезиста — вещества, становящегося растворимым при облучении ультрафиолетом. Фоторезист наносится на поверхность кремниевой подложки и облучается через шаблон. На освободившуюся после растворения фоторезиста поверхность вводят примеси, обеспечивающие необходимую электрическую проводимость кремния. Если нужно сформировать непроводящую область, то на поверхности наращивается слой оксида кремния. Процесс повторяется при формировании каждого слоя микропроцессора.

Количественным показателем сложности технологического процесса при выпуске микропроцессоров служит проектная норма точности литографии. Первые процессоры выпускались по проектной норме 10 мкм, а в процессорах Pentium III используется уже 0,18-микронная технология.

Технология 0,18 микрона позволяет разместить все элементы процессора на пластине вдвое меньшей по площади, чем при использовании предыдущей 0,25-микронной технологии. Intel уже ведет разработки технологии 0,13 микрона и кремниевых подложек с медной металлизацией диаметром 300 мм. Сегодня стандартными считаются 200-миллиметровые вейферы, а переход на пластины диаметром 300 мм позволит увеличить полезную площадь на 240%, а значит, приведет и к снижению себестоимости изделий в среднем на 30%.

Исключительно жесткие требования предъявляются производственными процессами к чистоте помещений. Сверхчистые помещения, в которых изготавливаются микропроцессоры, называются «чистыми комнатами» первого класса. Работающие в этих помещениях люди должны быть такими же чистыми, поэтому персонал сверхстерильных производственных цехов использует специальные костюмы Bunny Suit, знакомые всем из рекламных роликов Intel.

Технологии изготовления микросхем микропроцессоров

Компьютерные технологии развиваются стремительными темпами, и микропроцессор стал основой всех современных микротехнологий. В основе работы любого современного устройства лежит высоко интегрированная интегральная микросхема , объединившая в своем корпусе множество различных полупроводниковых элементов, таких как транзисторы. Основным материалом для производства микроэлементов стали полупроводники, чаще всего кремний. Он применяется в микросхемах в силу того, что его электрическая проводимость больше, чем у изоляторов, но меньше чем у металлов. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей p- или n-типа.

Микропроцессор - это ИМС, сформированная на маленьком кристалле кремния. Он содержит миллионы транзисторов, соединённых между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди. Объединённые в цепи транзисторы и др. элементы, образуют функциональные группы различного назначения. Впервые процессор на одиночном кристалле кремния был сконструирован фирмой Intel в 1969 году, который мог работать с 2 чипами для временного хранения информации и считывания стартовой программы, и состоял из 2250 транзисторов. Этот процессор изначально предназначался для программируемых калькуляторов, но т.к. он превзошел все ожидания, то его нарекли 4004, новым устройством в линейках Intel.

Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор  содержит миллионы транзисторов, соединенных  между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Все современные  процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Уменьшение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

Технология производства микропроцессоров

Ferrari получаст спонсорскую поддержку и рентной доход при продаже автомобилей модельного ряда, а для Lego улучшаются условии глобального распределения. Соглашение о ко-бредоинге предполагает использование десяти эксклюзивных наборов игрушечных кубиков и автомобиля Ferrari-Lego с логотипом Shell. Shell стремится продавать от 10 до 20 млн игрушечных наборов Lego по всему уиру. Это сделает Shell одним из крупнейших в мире продавцов игрушек.

В течение ряда лет, выпуская 286, 386 и 486-й процессоры, Intel использовал стратегию корпоративного бренда. Однако в 1993 г. компания выпустила компонент с собственным брендом Pentium Chip. Intel — последний пример того, как поставщик, используя собственный бренд, может успешно увеличивать ценность как своего, так и конечного продукта. Intel владеет двумя третями мирового рынка и, таким образом, является мировым лидером в области производства микропроцессоров — «мозгов» персонального компьютера. Завоевание такой огромной доли рынка обошлось недешево, но Intel, используя телевизионную рекламу и рекламу в различных компьютерных журналах, смог добиться известности среди покупателей ПК и, несмотря на жесткую конкуренцию в компьютерной отрасли, наделить свой продукт специфическими характеристиками.

Технология производства микропроцессоров развивается стремительно, и появление каждого нового поколения процессоров означает, что его предшественник безнадежно устарел. Intel перенял у NutraSweet стратегию маркирования ингредиента, но в то же время смог разработать собственную стратегию использования фирменного бренда для продукта, который не столь «близок» к потребителю, как NutraSweet.

Источники: dic.academic.ru, www.modlabs.net, pc2008.ru, lektsii.org, student.zoomru.ru, njkenpo.com


Это интересно

Логические игры - думайте непринужденно

С появлением первого компьютера появились и первые компьютерные игры. Среди большого количества компьютерных игр, самыми популярными считаются логические ...


Коляда – воплощение Всевышнего

Много тысяч лет назад у Майи Златогорки и Даждьбога родились бог Коляда и его брат бог ...


Содом и Гоморра

Содом и Гомора - найти знаменитые библейские города, согласно Священному Писанию уничтоженные за грехи своих жителей огнем ...


Подарки на Новый год

Пожалуй, самый желанный, любимый и широко отмечаемый праздник – это Новый год. Нет человека, который бы ...


Как уместить все необходимое в маленькой прихожей

Редко выходит так, что прихожей отдают много пространства от квартиры. Ведь прихожая должна выполнять минимум функций: это первое ...


Камни с углублениями и кольцами

Недалеко от Глазго, да и вообще по всему юго-западу Шотландии были найдены многочисленные камни с углублениями ...


Йонагуни

На западе Японии находится загадочный остров Йонагуни. Его площадь составляет всего 28,88 квадратных метров, а население – ...


objective-news.ru

Развитие и производство микропроцессоров (Лекция) | Изучение элементов и систем автоматики, а также специального программного обеспечения

В начало

Развитие и производство микропроцессоров (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Семь поколений процессоров

2. Технология производства

3. Технологические этапы производства микропроцессоров

 

1. Семь поколений процессоров

Первое поколение (процессоры 8086 и 8088 и математический сопроцессор 8087) положило архитектурную основу – набор «неравноправных» 16-разрядных регистров, сегментную систему адресации в пределах 1 Мб с большим разнообразием режимов, систему команд, систему прерываний и ряд других атрибутов. В процессорах использовалась «малая» конвейеризация: пока одни узлы выполняли текущую команду, блок предварительной выборки выбирал из памяти следующую.

Втрое поколение (80286 и сопроцессор 80287) дополнило семейство так называемым «защищённым режимом», позволяющим пользоваться виртуальной памятью  размером до 1Гб для каждой задачи, используя адресуемую физическую память в пределах 16 Мб. Защищённый режим стал основой для построения многозадачных операционных систем, в которых система привилегий жестко регламентирует взаимоотношения задач с памятью, операционной системой и друг с другом. Следует отметить, что производительность процессоров 80286 возросла не только в связи с ростом тактовой частоты, а также за счет значительного усовершенствования конвейера.

Третье поколение (80386/80387 с «суффиксами» DX и SX, определяющими разрядность внешней шины) ознаменовалось переходом к 32-разрядной архитектуре. Кроме расширения диапазона представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65535 или от –32768 до +32767, а 32 бита – более четырёх миллиардов), увеличилась ёмкость адресуемой памяти. С этими процессорами начала широко использоваться операционная система система Microsoft Windows.

Четвертое поколение (80486 также DX и SX) не добавило больших изменений в архитектуру, однако был  принят ряд мер для повышения производительности. В этих процессорах был значительно усложнен исполнительный конвейер. Производители отказались от внешнего сопроцессора – его стали  размещаться на одном кристалле с центральным.

Пятое поколение (процессор Pentium у фирмы Intel и К5 у фирмы AMD) дало суперскалярную архитектуру. Для быстрого снабжения конвейеров командами и данными из памяти шина данных этих процессоров сделана 64-разрядной. Позже у этого поколения появилось расширение ММХ (Matrics Math Extensions instruction set) – набор команд для расширения матричных математических операций (первоначально Multimedia Extension instruction set) – набор команд для мультимедиа-расширения)). Традиционные 32-разрядные процессоры могут выполнять операции сложение двух 8-разрядных чисел, размещая каждое из них в младших разрядах 32-разрядных регистров. При этом 24 старших разряда регистров не используются, и потому, получается, что при одной операции сложения ADD осуществляется просто сложение двух 8-разрядных чисел. Команды ММХ оперируют сразу с 64 разрядами, где могут храниться восемь 8-разрядных чисел, причем имеется возможность выполнить их сложение с другими 8-разрядными числами в процессе одной операции ADD. Регистры ММХ могут употребляться также для одновременного сложения четырех 16-разрядных слов или двух 32-разряных длинных слов. Этот принцип получил название SIMD (Single Instruction/Multiple Data - «один поток команд/много потоков данных»). Новые команды  в основном были предназначены  для ускорения выполнения мультимедийных  программ, но использовать их с технологией мультимедиа. В ММХ появился и новый тип арифметики - с насыщением: если результат операции не помещается в разрядной сетке, то переполнения (или «антипереполнения») не происходит, а устанавливается максимально (или минимально) возможное значение числа.

Шестое поколение процессоров взяло своё начало с Pentium Pro и продолжилось в процессорах Pentium III, Celeron и Xeon (у фирмы AMD Примером могут служить процессоры К6, К6-2, К6-2+, К6-III). Основой здесь  является  динамическое исполнение, исполнение команд не в том порядке, который предписывает программный код, а в том, как будет более удобно для  процессора. Здесь следует отметить, что здесь между процессорами  пятого и шестого поколения существует сходство, а именно добавление расширения  пятое поколение было дополнено расширением ММХ,  шестое поколение получило расширения, уеличивающие возможности ММХ. У AMD это расширение 3dNnoy!, а у Intel - SSE (Streaming SIMD Extensions – потоковые расширения SIMD).

Седьмое поколение началось с процессора Athlon  фирмы AMD. Процессор обладал характеристиками  обуславливающие  развитие суперскалярности и суперконвейерности. Позже компания  Intel также выпустила свой процессор седьмого поколения Pentium 4.

 

2. Технология производства

 

 

В настоящее время мы можем наблюдать  интересную тенденцию на рынке: с одной стороны компании-производители пытаются быстрыми темпами внедрить новые техпроцессы и технологии в свои продукцию, с другой же стороны, наблюдается искусственное ограничение роста частот процессоров. Это объясняется тем, что, сказывается ощущение неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы производители еще не получили достаточно прибыли от объема продаж производящихся сейчас CPU. Здесь следует отметить, что для компаний основополагающей по сравнению с другими интересами является цена готового продукта. Однако большое значение в снижение темпов развития микропроцессоров связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые будут увеличивать производительность при минимальном объеме технологических затрат

Производителям при переходе на новые техпроцессы пришлось решать ряд проблем. Технологическая норма 90 нм оказалась значительно серьезным технологическим препятствием для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, данная компания занимается производством чипов для многих крупных производителей рынка, а именно компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время у неё не получалось отладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, это привело к низкому выходу годных кристаллов. Это привело к тому, что AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Обуславливается же это тем, что именно на этой размерности элементов проявились недостатки ранее не являющиеся ощутимыми, такие как  токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Один из альтернативных выходов – это применение технологии SOI кремний на изоляторе, который был недавно внедрён AMD в своих 64-разрядных процессорах. Однако, это обошлось ей немалым количеством усилий и преодолением немалого количества технологических барьеров. Но следует отметить, что данная технология имеет много приимуществ которые способны скомпенсировать её недостатки. Сущность этой технологии, вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. К положительным качествам можно отнести. Отсутствие неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, влияющия на его электрических характеристиках - раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния, до момента, пока по нему пойдет рабочий ток, уменьшается, это влечёт за собой улучшение второго ключевого параметра производительности транзистора, время его включения/выключения. Можно также, при той же скорости, просто понизить отпирающий ток - три. Или же найти какое-то решение между возможностью увеличения скорости работы и возможностью уменьшения напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить  до 30%, если оставить частоту той же, делая экцент на энергосбережение, в этом случае производительность может составить - до 50%. В итоге, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор становится более устойчивым к спорадическим ошибкам, примером которых могут служить космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не влияют на работу транзистора. Единственным недостатком SOI является то, что необходимо уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что в свою очередь сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.

Ещё одна причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот – это невысокая активность производителей на рынке. К примеру, каждый компания  AMD работала над повсеместным внедрением 64-битных процессоров, Intel в этот период усовершенствовала новый техпроцесс, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.

Внедрение новых технологий в техпроцессы очевидна, но технологам это с каждым разом даётся всё труднее. Первые процессоры Pentium (1993г) производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999 – на 0,18 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм введённая в 2004году.

Необходимо описать саму структуру транзистора, а именно - тонкий слой диоксида кремния, изолятора, находящегося между затвором и каналом, и выполняющего функцию - барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора. Соответственно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции, но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если производители собираются уменьшать длину канала (размер транзистора), то надо уменьшать его толщину весьма быстрыми темпами. За последние несколько десятилетий толщина этого слоя составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала. Но у этого процесса есть свой конец - как утверждал все тот же Intel, при продолжении использования SiO2, как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя будет составлять 2.3. нм, иначе утечка приобретет просто нереальные величины. Для снижения подканальной утечки до последнего времени ничего не предпринималось, в настоящее время ситуация начинает меняться, поскольку рабочий ток, наряду со временем срабатывания затвора, является одним из двух основных параметров, характеризующих скорость работы транзистора, а утечка в выключенном состоянии на нем непосредственно отражается (на сохранении требуемой эффективности транзистора). Необходимо, соответственно, увеличивать рабочий ток, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Основные этапы производства

Изготовление микропроцессора - это сложнейший процесс, включающий более 300 этапов. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния - подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.

Подложки обычно имеют диаметр 200 миллиметров. Однако корпорация Intel уже перешла на пластины диаметром 450 -миллиметровые подложки. Переход на пластины большего диаметра позволит снизить себестоимость производства микросхем, повысить эффективность использования энергии и сократить выбросы вредных газов в атмосферу. Площадь поверхности 450-миллиметровых подложек более чем в два раза превышает показатель для пластин размером 300 мм. Как результат, из одной 450-миллиметровой подложки можно получить вдвое больше конечных изделий.

Пластины изготавливают из кремния, который очищают, плавят и выращивают из него длинные цилиндрические кристаллы. Затем кристаллы разрезают на тонкие пластины и полируют их до тех пор, пока их поверхности не станут зеркально гладкими и свободными от дефектов. Далее последовательно циклически повторяясь производят термическое оксидирование, фотолитографию, диффузию примеси, эпитаксию.

В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен микропроцессоров. Весь процесс производства процессоров можно разделить на несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей, тестирование и изготовление.

Выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей

Процесс производства микропроцессора начинается с "выращивания" на поверхности отполированной пластины изоляционного слоя диоксида кремния. Осуществляется этот этап в электрической печи при очень высокой температуре. Толщина оксидного слоя зависит от температуры и времени, которое пластина проводит в печи.

Затем следует фотолитография - процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Сначала на пластину наносят временный слой светочувствительного материала – фоторезист, на который с помощью ультрафиолетового излучения проецируют изображение прозрачных участков шаблона, или фотомаски. Маски изготавливают при проектировании процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое процессора. Под воздействием излучения засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми, и их удаляют с помощью растворителя (плавиковая кислота), открывая находящийся под ними диоксид кремния.

Открытый диоксид кремния удаляют с помощью процесса, который называется "травлением". Затем убирают оставшийся фотослой, в итоге на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния. В результате ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника. В ходе следующей операции, называемой "легированием", открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость этих участков.

Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются "окна", которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями. В своем 0.13-микронном технологическом процессе корпорация Intel использовала медные проводники. В 0.18-микронном производственном процессе и процессах предыдущих поколений Intel применяла алюминий. И медь, и алюминий - хорошие проводники электричества. При использовании 0,18-мкм техпроцесса использовалось 6 слоев, при внедрении 90 нм техпроцесса в 2004 году применили 7 слоев кремния.

Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20 - 25 раз в течение нескольких недель.

Тестирование

Для устойчивости к воздействиям, которым подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому перед тем как разрезать пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. После этого на обратную сторону "обработанной" пластины наносят слой специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к корпусу. Данный слой обеспечивает электрический контакт между задней поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки.

После этого производят тестирование пластины, для проверки качества выполнения всех операций обработки. Для определения, корректности работы процессора, проверяют их отдельные компоненты. В случае  обнаружения неисправности, производят анализ полученных данных, для выявления этапа на котором произошла ошибка.

Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, он определяет, соответствуют ли характеристики изготовленных процессоров заданным параметрам.

Изготовление корпуса

После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где  с помощью специальной прецизионной пилы их нарезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Неработающие кристаллы отбраковываются.

Затем каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Корпус служит защитой кристалла от внешних воздействий и обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет установлен. Крошечные шарики припоя, расположенные в определенных точках кристалла, припаивают к электрическим выводам корпуса. На этом этапе электрические сигналы могут поступать с платы на кристалл и обратно

После установки кристалла в корпус процессор производят повторное тестирование, для определения его работоспособности. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям: воздействию различных температурных и влажностных режимов, а также электростатических разрядов. После каждого нагрузочного испытания процессор тестируют для определения его функционального состояния. Затем происходит сортировка процессоров сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

 

3. Технологические этапы производства микропроцессоров

Как делаются чипы

Производство чипов заключается в наложении тонких слоёв со сложным "узором" на кремниевые подложки. Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор. Подложки нарезаются монокристалла-цилиндра тонкими "блинами", чтобы потом легко разрезать на отдельные кристаллы процессоров. Для проведения тестов каждого кристалла на подложке используются электрические зонды. Наконец, подложка разрезается на отдельные ядра, нерабочие ядра сразу же отбраковываются. В зависимости от характеристик, ядро становится тем или иным процессором и заключается в упаковку, которая облегчает установку процессора на материнскую плату. Все функциональные блоки проходят через интенсивные стресс-тесты.

Всё начинается с подложек

Первый шаг в производстве процессоров выполняется в чистой комнате. Следует отметить, что это очень капиталоёмкое производство. На постройку современного завода со всем оборудованием может быть затрачено более 2-3 млрд. долларов. Только после полной наладки и тестирования оборудования завод может серийно выпускать процессоры.

В общем, процесс производства чипов состоит из ряда этапов обработки подложек. Сюда входит и создание самих подложек, которые в последствии будут разрезаны на отдельные кристаллы.

Производство подложек

Первый этап - выращивания монокристалла. Для этого затравочный кристалл внедряется в ванну с расплавленным кремнием, который находится чуть выше точки плавления поликристаллического кремния. Важно, чтобы кристаллы росли медленно приблизительно сутки, чтобы гарантировать правильное расположение атомов. Поликристаллический или аморфный кремний состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами.

Когда кремний будет расплавлен, его можно легировать с помощью других веществ, меняющих его электрические свойства. Весь процесс происходит в герметичном помещении со специальным воздушным составом, чтобы кремний не окислялся.

Монокристалл разрезается на "блины" с помощью кольцевой высоко - точной алмазной пилы, которая не создаёт крупных неровностей на поверхности подложек. При этом поверхность подложек всё равно не идеально плоская, поэтому необходимы дополнительные операции. Внешний вид монокристаллов можно увидеть на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид монокристалла

 

Сначала с помощью вращающихся стальных пластин и абразивного материала оксида алюминия, снимается толстый слой с подложек (процесс называется притиркой). В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (2 000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. Далее используется процесс травления, когда с помощью разных химикатов (плавиковая кислота, уксусная кислота, азотная кислота) поверхность сглаживается ещё примерно на 50 мкм. Физически поверхность не ухудшается, поскольку весь процесс полностью химический. Он позволяет удалить оставшиеся погрешности в структуре кристалла, в результате чего поверхность будет близка к идеалу.

Последний шаг - полировка, которая обеспечивает сглаживание поверхности до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка осуществляется при помощи смеси гидроксида натрия и гранулированного диоксида кремния.

В настоящее время подложки для микропроцессоров имеют диаметр 300 или 450 мм, что позволяет производителям чипов получать с каждой из них множество процессоров. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. 300-мм подложка, например, даёт более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.

Легирование и диффузия

Легирование производится и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии. Это даёт возможность изменять электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры кристалла.

Добавление легирующего вещества может происходить при помощи диффузии. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других источников легирующего вещества.

Создание маски

Для создания  участков интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. При этом нужно облучать не всю поверхность подложки, в таких случаях важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска.

Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего получается шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Следует отметить, что любое изменение интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень дорогостоящий.

Фотолитография

Фотолиграфия позволяет сформировать на кремниевой подложке -  структуру. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв. Слои могут включать в себя разные материалы, здесь также обеспечивается соединение микроскопическими проволочками. Перед началом процесса фотолитографии, производится очистка и нагрев подложки, чтобы удалить липкие частицы и воду. На следующем этапе  подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Затем подложка вновь нагревается. Процесс фотолитографии представлен на рисунке 2

Рис. 2. Процесс фотолитографии

 

Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти источники света или энергии. Пучки электронов применяются, главным образом, для создания масок, рентгеновские лучи и пучки ионов - для исследовательских целей, а в промышленном производстве сегодня доминируют жёсткое УФ-излучение и газовые лазеры.

Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску. Для необходимых результатов очень важны время проецирования и фокусировки. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. Аналогичная ситуация получиться если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. Однако, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. В этом и заключается сложность регулирования процесса производства. Неправильная регулировка приведёт к серьёзным отклонениям и в соединительных проводниках. Специальная шаговая проекционная установка производит перемещение подложки в нужном положении. После чего можно проецировать строчку или один участок, в большинстве случаях  соответствующий одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки могут вносить дополнительны изменения. К примеру отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера.

Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы - газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке.

После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии. Проверка подложек представлен на рисунке 3.

 

Рис. 3. Проверка подложек

 

Тестирование готовых подложек производят на установках зондового контроля, которые работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра. Процесс Разрезания подложки представлен  на рисунке 4.

Рис. 4. Процесс разрезания подложки

 

При помощи разрезания подложки получают отдельные ядра. В случае выявления дефектных кристаллов (содержащие ошибки) производится их, отделение от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных.

Далее функциональное ядро необходимо поместить в процессорную упаковку, для чего используется клейкий материал. После этого нужно произвести проводные соединения, связывающие ножки упаковки и сам кристалл (рисунок 5). Для этого используются золотые, алюминиевые или медные соединения.

Рис. 5. Проводное соединение подложки

            Большая часть современных процессоров используют пластиковую упаковку с теплораспределением. В частности ядро упаковывается в керамическую или пластиковую упаковку, это способствует предотвращению механических повреждений. Современные процессоры оснащаются распределителем тепла, устройства обеспечивающие отвод тепла и защиту кристалла (рисунок 6).

Рис. 6. Упаковка процессора

 

Последний этап - это тестирование процессора, что производится при повышенных температурах, в соответствии со спецификациями процессора. Процессор автоматически устанавливается в тестовый разъем, после чего происходит анализ всех необходимых функций.

 

mc-plc.ru

Эволюция техпроцесса на примере процессоров Intel - Мои статьи - Каталог статей

Сергей ТКАЧЕНКО
инженер исследовательского отдела компании «ЕПОС»

Всегда ли цель выпустить хороший продукт
оправдывает вложенные в него средства...

Народный ЕПОС

Эволюция транзистора и революции процессоров

Технологический процесс производства микропроцессоров неразрывно связан с эволюцией и постоянным усовершенствованием транзистора. Транзистор, изобретённый в 1948 году в лабораториях корпорации Bell, позволил создавать компьютер из малоразмерных электронных схем, созданных на печатных платах. Революционная роль транзистора – в его малых размерах. Объединение большого числа таких транзисторов на текстолитовой плате позволило создавать отдельные узлы и даже целые устройства. Применение транзисторов позволило уменьшить габариты ЭВМ и увеличить их вычислительную мощность. Однако габариты ЭВМ на транзисторах всё же оставались очень большими для их широкого применения. Но ведь с точки зрения технологического процесса нет особой разницы, делать ли один транзистор на подложке или сразу много. Изготовив достаточное количество транзисторов на одной подложке, остается один шаг до превращения нескольких транзисторов в интегральную микросхему – соединить определённым образом полученные транзисторы. И такой революционный шаг был сделан спустя ровно 10 лет после изобретения транзистора. Первая настоящая интегральная схема была выпущена в 1958 году компанией Texas Instruments.

Рис. 1. Первая интегральная микросхема, выпущенная компанией Texas Instruments в 1958 году (две фотографии слева), и часть ядра Pentium ММХ (фотография справа)

Невооруженным глазом видны отличия. На левой фотографии еще не задумывались ни о техпроцессе, ни о дизайне изделия.

Интегральные микросхемы постепенно стали составной частью практически любого радиоэлектронного устройства, в том числе и ЭВМ. ЭВМ стали применяться не только для научных расчетов, но и в бизнесе. Но это всё же ещё были очень громоздкие и дорогие устройства.

Спустя 11 лет после выпуска первой интегральной микросхемы произошла очередная революция: появился микропроцессор. В 1969 году на только что созданную Intel поступил заказ от японской компании Busicom на разработку 12 специализированных микросхем для бухгалтерского калькулятора. Вместо этих микросхем инженеры Intel во главе с Гордоном Муром и Робертом Нойсом разработали микропроцессор общего назначения, предназначенный для применения в калькуляторах. Это был однокристальный микропроцессор, получивший название 4004 (4-разрядная шина данных и 16-контактный корпус).

С появлением микропроцессоров эволюция транзисторов, из которых, собственно, и состоит любая микросхема, не остановилась. Продолжается борьба за чистоту исходных кремниевых пластин. Более точно дозируемым становится процесс внесения легирующих примесей. Это позволяет постоянно улучшать частотные свойства транзисторов. Но настоящая битва развернулась на фронте улучшения разрешающей способности процесса фотолитографии, лежащего в основе производства микросхем. Это так называемая «технологическая норма» технологического процесса. Она определяет минимальный размер элементов, которые могут быть сформированы на пластине. Когда говорят, например, о технологии 0,18 мкм, то подразумевают именно значение нормы технологического процесса 0,18 мкм.

Процессор i8088, родоначальник большинства процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 мм2. Для сравнения, современный процессор Pentium 4 состоит из 42 млн транзисторов, производится по 0,18-микронному техпроцессу и имеет площадь, равную 217 мм2. Матрица процессора Р4 имеет в 1400 раз больше транзисторов, чем у процессора 8088, однако площадь поверхности его ядра только в 7 раз больше размера ядра 8088!

Улучшение технологии производства микропроцессоров позволило значительно повысить их тактовую частоту. Каждое новое поколение процессоров имеет более низкое напряжение питания и меньшие токи, что способствует уменьшению выделяемого ими тепла. Но самым главным достижением является то, что при уменьшении нормы технологического процесса можно значительно увеличить количество транзисторов на одном кристалле. Большее количество транзисторов, входящих в состав процессора, позволяет усовершенствовать архитектуру процессора с целью достижения еще большей производительности. Даже разрядность процессоров очень быстро увеличилась с 4 в первом процессоре до 32 в процессоре i386.

Значительной вехой в истории развития архитектуры процессоров персональных компьютеров (очередная революция) стало появление процессора i486. Производственный техпроцесс к тому времени достиг отметки в 1 мкм, благодаря чему удалось расположить в ядре процессора 1,5 млн транзисторов, что было почти в 6 раз больше, чем у CPU предыдущего 386-го поколения. Это позволило внедрить в архитектуру процессора поистине революционные изменения:

  • В архитектуре процессора персонального компьютера впервые появился конвейер на пять стадий. Конвейерные вычисления были, конечно, известны задолго до появления персональных компьютеров, но высокая степень интеграции теперь позволила применить этот эффективный способ вычислений и в персональном компьютере.
  • На одном кристалле Intel разместила и собственно процессор, и математический сопроцессор, и кэш-память L1, которые до этого располагались в отдельных микросхемах.

Эта революция произошла спустя 20 лет после появления первого микропроцессора, в октябре 1989 года.

486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием. Компьютеры с такими процессорами во многих случаях используются и в настоящее время. Тактовая частота процессора даже превысила тактовую частоту системной шины.

С момента выпуска 486-го процессора технологический процесс производства микропроцессоров начал развиваться бурными темпами.

Процессор следующего поколения, Pentium, появился уже не через десятилетия, а меньше чем через 4 года, в марте 1993.

Создание процессора следующего поколения стало возможным благодаря переходу на новый техпроцесс – 0,8 мкм, следствием чего явилось увеличение числа транзисторов до 3,1 млн. Основные особенности процессора:

  1. Ядро нового CPU включало уже два 5-стадийных конвейера для операций над целыми числами, позволяющих выполнить две инструкции за такт, и 8-стадийный конвейер для операций с плавающей запятой, что почти удваивало его вычислительные возможности по сравнению с 486-м процессором аналогичной частоты.
  2. Удлинение конвейера позволило увеличить тактовую частоту, хотя и создало некоторые проблемы, связанные с предсказанием ветвления выполняемых команд. Для решения этих проблем на кристалле расположили специальный буфер, Branch Target Buffer, с помощью которого реализован механизм динамического предсказания ветвления. Когда по мере исполнения внутренних инструкций встречалось ветвление (IF...ELSE или CASE 1...CASE N), в буфере запоминалась эта команда и адрес перехода. Эти данные использовались для предсказания перехода при повторном выполнении данной инструкции.

Таким образом, Pentium по всем параметрам превосходил своего предшественника – 486-й, что и предопределило применение архитектуры Pentium в процессорах до настоящего времени.

Уже первые модели процессоров Pentium были настолько совершенны (для своего времени), что во многих приложениях производительность компьютера определялась не скоростью вычислений, а скоростью обмена данными процессора с кэш второго уровня (L2). Ведь обмен данными осуществлялся по общей системной шине, как и в процессорах i486 (рис. 2).

Рис. 2. Архитектура организации обмена данными в платформах на основе 486-х CPU

Конечно, этот недостаток был известен, но при технологии 0,8 мкм расположить кэш-память второго уровня на одном кристалле с процессором было невозможно.

Первая попытка расположить кэш второго уровня если не на одном кристалле, то хотя бы рядом с ядром процессора была реализована в процессоре Pentium Pro. Этот процессор появился, когда технология достигла уровня 0,5 мкм. Изготовленные по этой технологии CPU и кэш второго уровня могли разместиться в одном корпусе. Обмен данными процессора с кэш второго уровня осуществлялся не по системной шине, а напрямую, на частоте его ядра.

В процессоре Pentium Pro были реализованы и другие новшества:

  • Количество стадий конвейера для целочисленных операций увеличено с 5 до 14.
  • Реализован механизм выполнения инструкций с нарушением очередности их следования (так называемое спекулятивное ветвление), что позволило Pentium Pro просматривать до 18 инструкций вперед и обрабатывать их в зависимости от их готовности, а не от порядка следования в программе.

Процессор Pentium Pro стал родоначальником процессоров Pentium шестого поколения. Однако изготовление процессоров такой архитектуры по технологии 0,5 мкм было очень дорого, поэтому процессор Pentium Pro использовался практически только в высокопроизводительных серверах.

Только с переходом на технологию 0,35 мкм процессоры шестого поколения нашли широкое применение. Первым в этой серии был процессор Pentium II. Правда, кэш второго уровня так и осталась в виде отдельной микросхемы. Более того, кэш работала на частоте в два раза меньшей, чем ядро процессора (рис. 3). Тем не менее это был серьёзный шаг в повышении производительности, и к тому же цена процессора оказалась доступной для большинства покупателей.

Рис. 3. Архитектура организации обмена данными в платформах на основе CPU Pentium II

При переходе на 0,25-микронный техпроцесс появился новый процессор, Pentium III, в котором было достаточно много усовершенствований, однако кэш второго уровня всё ещё работала на половинной частоте ядра процессора.

Только с появлением процессора Pentium III Coppermine, изготавливаемого по 0,18-микронной технологии, кэш второго уровня переместилась в ядро процессора и стала работать на частоте ядра процессора (рис. 4).

Рис. 4. Архитектура организации обмена данными в платформах на основе CPU Pentium III Coppermine

Самый совершенный на сегодняшний день процессор семейства Pentium, Pentium 4, изготавливается также по 0,18-микронной технологии.

Ядро нового процессора было практически полностью переработано. Совокупность технических решений, применённых в процессоре Pentium 4, даже получила собственное название: «архитектура NetBurst».

Несмотря на революционную новизну архитектуры нового процессора, многие аналитики заметили, что производительность процессора всё же возросла весьма незначительно, а в отдельных тестах процессору Pentium 4 не уступает его предшественник, Pentium III, даже с более низкой тактовой частотой.

Отчасти такое положение обусловлено тем, что новая архитектура, безусловно, требует соответствующей оптимизации программного обеспечения, на что потребуется определённое время. Надо также понимать, что сегодняшний Pentium 4 – это некий компромисс между тем, что разрабатывали инженеры Intel, и тем, что позволила реализовать 0,18-микронная технология. Как заявил на проходившей в декабре 2000 года выставке «Micro-33» инженер Intel Дарелл Боггс (Darell Boggs): «Появившийся на рынке Pentium 4 является урезанным от первоначально спроектированного – нет мегабайтовой кэш-памяти L3, одного модуля для операций с плавающей точкой, намного меньше по первоначальному объему кэш исполнения и L1. Полноценный вариант занимал примерно 300 мм2 площади силиконовой подложки, что для производства является очень дорогим и нецелесообразным решением. С переходом на 0,13-микронный процесс все недостающие компоненты удастся разместить на подложке, что повысит быстродействие на сегодняшних приложениях».

Таким образом, со времени появления первого микропроцессора норма технологического процесса уменьшилась примерно в 17 раз. За это же время количество транзисторов в процессоре увеличилась в 18 000 раз, а тактовая частота – почти в 14 000 раз (табл. 1).

Таблица 1

Модельный ряд процессоров, выпущенных корпорацией Intel в 1969...2000 гг.

Название процессораТактовая частота CPU, МГцКоличество транзисторов, млнТехнология изготовления, мкмНапряжение питания, В
40040,1080,002335
808650,02935
8028612...160,1341,55
8038625...330,2751,55; 3,3
8048625...1201,2...1,815; 3,3
Pentium60...2003,1...3,30,8; 0,5; 0,355; 3,3
Pentium MMX166...2334,50,352,8
Pentium Pro166...2005,50,5; 0,353,3
Pentium II233...4507,50,35; 0,252,8; 2,0
Pentium III450...100018; 250,25; 0,181,5; 1,65
Pentium 41300...1500420,181,7

Новый техпроцесс

В самое ближайшее время ожидается переход на 0,13-микронный технологический процесс. Этот переход давно обещан ведущими производителями процессоров, но по разным причинам его внедрение откладывается. Тем не менее есть все основания полагать, что уже в этом году такой переход состоится. Чего можно ожидать от перехода на новую технологию?

При прочих равных условиях (если архитектура процессора останется неизменной) переход на 0,13-микронный техпроцесс:

  1. Позволит достигнуть больших тактовых частот.
  2. Снизит величину потребляемой энергии и, соответственно, количество выделяемого тепла.
  3. Позволит сэкономить на силиконовых пластинах (silicon wafer), так как чем меньше площади занимает процессор, тем больше можно разместить на одной пластине кристаллов CPU, что, конечно же, уменьшит себестоимость самого процессора.

Если не будет увеличен объём кэш-памяти L2 и не добавится кэш L3, то размер ядра 0,13 мкм версии Pentium 4 Northwood будет приблизительно наполовину меньше размера Willamette, т.е. около 110 мм2.

Есть, однако, предположение, и тому есть подтверждения с выставки Intel Developer Forum (IDF) 2001, что с переходом на новый 0,13-микронный техпроцесс Intel выпустит «настоящий» Pentium 4, с двумя блоками для операций с плавающей точкой и большей по размеру кэш второго уровня (512 кбайт).

В том или ином виде появления процессора Pentium 4, серийно выпускаемого по технологии 0,13 мкм, следует ожидать в самое ближайшее время. 28 марта 2001 года из пресс-релиза компании Intel стало известно, что уже была выпущена первая пробная партия микропроцессоров Pentium 4, выполненных по 0,13-микронному техпроцессу с использованием 300-миллиметровых кремниевых пластин (на заводе D1C, г. Хиллсборо, штат Орегон, США).

Рис. 5. 0,13-микронный Pentium 4, у которого ножки всего 2 мм (http://www.intel.com/research/)

Переход на 0,13-микронную технологию – это не единственное новшество, ожидаемое в ближайшее время. В настоящее время процессоры изготавливаются из кремниевых пластин, которые в настоящее время имеют диаметр 8 дюймов (200 мм) [процесс Р8ххх]. После анонса Northwood корпорация Intel должна постепенно перейти на 12-дюймовые кремниевые заготовки (300 мм) [процесс Р12ххх]. Для конечного пользователя переход производителей микропроцессоров на 12-дюймовые кремниевые заготовки может означать снижение цены процессора. Это всегда радостное событие, позволяющее купить хороший процессор за меньшие деньги (наши сегодняшние цены – http://www.epos.kiev.ua/eposprice.htm).

Intel, конечно же, не в одиночку разрабатывает новые технологические нормы, по которым будут выпускаться следующие поколения CPU. Корпорация Nikon, заручившись наличием спроса, сообщила о форсировании программы разработки оборудования для проекционной литографии (Electron Projection Lithography, EPL) с использованием производственных норм 0,07-микронного технологического процесса. Согласно сообщению представителей Nikon, компания Texas Instruments (та самая, что выпустила первую интегральную микросхему) изъявила желание использовать технологию EPL в производстве чипов памяти, как только консорциум производителей полупроводниковых изделий (Semiconductor Leading Edge Technology Inc., SELETE) одобрит и поддержит предложенную Nikon программу. Корпорация IBM заявила, что рассматривает EPL как наиболее вероятную технологию литографии следующего поколения. Agere Systems, дочернее предприятие Lucent Technologies, также является сторонником EPL. Исследовательское подразделение Nikon – Research Corporation of America – на конференции SPIE Microlithography, которая прошла в конце мая 2001 года в г. Санта-Клара, США, представило на одобрение конструкторскую документацию по программе Nikon EPL, начатой совместно с IBM ещё в 1995 году.

Nikon планирует начать коммерческие поставки EPL-оборудования чипмейкерам в конце 2004 года.

Прогнозы Intel (оптимистические)

Для решения проблемы уменьшения размеров транзисторов и токопроводящих дорожек в корпорации Intel создана целая рабочая группа под названием Technology & Manufacturing Group (TMG), имеющая в своём составе около 4000 служащих.

Это подразделение улучшает техпроцесс, делая его всё более «тонким», а также проводит громадные исследования по материалам, которые могут быть использованы в качестве проводников и токопроводящих элементов. В частности, инженеры, работающие в этой группе, доказали, что целесообразно будет вместе с переходом на 0,13-микронный техпроцесс использовать медные соединения. Но основные усилия этой группы направлены всё же на уменьшение нормы технологического процесса. Прогнозы специалистов этой группы представлены в табл. 2.

Таблица 2

Эволюция техпроцесса (по данным специалистов TMG)

Развитие технологииСегодняПрогноз
Кодовое обозначение процессораP852P854P856P858P860P1262P1264
Год выхода1993199519971999200120032005
Техпроцесс, мкм0,500,350,250,180,130,100,07
Тестовый техпроцесс, мкм0,500,350,200,130,070,050,03

Чтобы пояснить массовому пользователю, как же мал будет планируемый к выходу в 2005 году транзистор, специалисты из TMG заявили: «Транзистор по своему размеру будет идентичен вирусу». Конечно, это заявление несколько приукрашивает действительное положение дел. И в 2005 году транзисторы будут примерно на порядок «крупнее» вирусов. Но правы они в одном – это уже сопоставимые размеры.

В целом, по прогнозам корпорации Intel, к 2005 году:

  • Транзисторы будут иметь размеры 0,03 мкм, что для сравнения составляет ширину 3-х атомных слоев. На длине в один сантиметр можно расположить 12 млн транзисторов, а размер одного транзистора будет в 100 000 раз меньше толщины листа папиросной бумаги.
  • Транзисторы будут функционировать на частоте 10 ГГц.
  • На этих транзисторах будет создано ядро следующих поколений CPU от Intel, являющееся примерно в 10 раз более интегрированным, чем наиболее продвинутые на сегодняшний день процессоры Рentium 4. Для сведения: будущие микропроцессоры будут иметь 400 млн или большее количество транзисторов, работающих на тактовой частоте 10 ГГц, и напряжение питания ядра менее 1 В. Выпускаемые сегодня Рentium 4 состоят из 42 млн транзисторов, работающих на частоте 1,3...1,5 ГГц, напряжение питания – 1,7 В.
  • Потребляя 1 В или того меньше, CPU следующего поколения будут потреблять значительно меньшее количество энергии, чем сегодняшние процессоры. Таким образом, они легко могут черпать энергию из батареек и аккумуляторов и использоваться в ноутбуках и КПК.

Прогнозы «ЕПОС» (пессимистические)

Прогнозы Intel действительно довольно оптимистичны. Но они касаются только одного аспекта: технологического. Нам же интереснее узнать, насколько повысится вычислительная мощность будущих компьютеров.

Производительность процессора неразрывно связана с технологическим процессом. Из вышеприведённого краткого анализа видно, что уменьшение нормы технологического процесса могло бы привести к уменьшению размеров кристалла процессора. Но реально этого никогда не происходило (рис. 6).

Рис. 6. Графическое представление характеристик центральных процессоров: количество транзисторов, тактовая частота, величина техпроцесса

Как только появлялась технологическая возможность, количество транзисторов в процессоре увеличивалось. Дополнительные транзисторы использовались для улучшения архитектуры, направленного на повышение производительности. Поэтому технологический процесс изготовления процессоров можно характеризовать как величиной нормы технологического процесса, так и количеством транзисторов в процессоре, изготовленном по данному технологическому процессу.

Если построить график, связывающий тактовую частоту процессора с количеством транзисторов в данном процессоре, то мы получим практически линейную зависимость (рис. 7).

Рис. 7. Графическое представление зависимости тактовой частоты от количества транзисторов

Отклонение от линейной зависимости наблюдалось только в самом начале развития процессоров, когда никто ещё толком-то и не знал, как их делать.

Но производительность процессора – это далеко не только тактовая частота.

Существуют и постоянно развиваются различные тестовые программы, которые позволяют достаточно полно оценить различные аспекты производительности процессора. Единственная трудность состоит в возможности корректного сравнения результатов. Вряд ли можно найти данные о производительности ранних типов процессоров для современных тестовых программ. Поэтому для оценки производительности использовалась программа TestCPU. Первый вариант данной программы разработан автором. Особенностью TestCPU является возможность накопления и экспорта результатов в собственную базу данных. Автором проведены измерения производительности ранних типов процессоров до Pentium включительно. Естественно, все результаты сохранены в базе данных. В дальнейшем все права на данную программу переданы Роберту Смиду (Чехия), он же осуществляет сопровождение программы, включая её модернизацию. Сейчас программа TestCPU распространяется свободно, получить её можно на сайте TestCPU. Там же можно получить полное описание программы и результаты 202-х тестов процессоров от i386SX до Pentium III различных модификаций и процессоров других производителей. Последний вариант программы переработан в среде Borland Delphi и обладает простым и понятным интерфейсом (рис. 8).

Рис. 8. Интерфейс программы TestCPU

Зависимость производительности процессоров, измеренная в MIPS, от количества транзисторов в ядре процессора приведена на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость производительности CPU (в MIPS) от количества транзисторов в ядре процессора

Как видно из графиков, увеличение количества транзисторов в ядре CPU не приводит к желаемому росту производительности. За исключением начального периода развития технологии производства микропроцессоров, зависимость производительности процессора от количества транзисторов в его ядре близка к логарифмической. Увеличение количества транзисторов с 5 до 10 млн штук (в два раза) привело к повышению производительности также в два раза. Увеличение же количества транзисторов с 10 до 20 млн штук (тоже в два раза) привело к увеличению производительности только в 1,25 раза.

Поэтому освоение производителями процессоров новых значений технологической нормы позволит значительно увеличить тактовую частоту процессора, но реальная производительность от этого увеличится незначительно. Исключение могут составить только отдельные приложения, для которых данный процессор лучше оптимизирован, да и то если они используют специальные расширения системы команд в данном процессоре.

Очевидно, что такое положение связано с тем, что 32-разрядная архитектура, неизменная ещё с 386-х процессоров, уже исчерпала себя. Существенного прироста производительности процессоров можно ожидать только с переходом на 64-разрядную архитектуру.

При подготовке рис. 2...4 использовалась цифровая камера Olympus E-10, любезно предоставленная фирмой «Светопись», Киев, ул. Межигорская, д. 26, тел.: 416-0117.

Дата публикации: 6 июня 2001 года.

Архив:по почте; по ftp.

i386.do.am

Технологии, поддерживаемые процессорами

Опубликовано ноября 10, 2010 в Компоненты ПК, Процессоры

Технология Intel Hyper-Threading

Как говорилось ранее, кроме увеличения тактовой частоты, существуют и другие способы увеличения производительности процессора, связанные с изменением его архитектуры. К примеру, можно увеличить количество исполнительных блоков (Execution Units) внутри самого процессора.

Технологии, поддерживаемые процессорами

В этом случае возможно параллельное выполнение нескольких процессорных инструкций одновременно. Такая многоза­дачность реализована в том или ином виде во всех современных процессорах. Отход от последовательного выполнения команд, использование нескольких ис­полнительных блоков в одном процессоре позволяют одновременно обрабатывать несколько процессорных микрокоманд, то есть организовывать параллелизм на уровне инструкций (Instruction Level Parallelism, ILP), что, естественно, увеличи­вает общую производительность.

Поясним сказанное на примере. Представьте себе гипотетический процессор, в котором имеются четыре исполнительных блока: два для работы с целыми числами (арифметико-логическое устройство, ALU), один для работы с числами

с плавающей точкой (FPU) и один для записи и чтения данных из памяти (Store/Load, S/L). Кроме того, пусть каждая операция осуществляется за один такт процес­сора.

Реализация параллелизма на уровне инструкций

Далее предположим, что выполняется программа, со­стоящая из трех инструкций: первые две — арифметиче­ские действия с целыми числами, а последняя — сохране­ние результата. В этом случае вся программа будет выполнена за два такта процессора: в первом такте за­действуются два блока ALU процессора (темный квадрат на рисунке), во втором — блок записи и чтения данных из памяти S/L.

В современных приложениях в любой момент времени, как правило, выполняется не одна, а несколько задач или несколько потоков (threads) одной задачи, называемых также нитями. Давайте посмотрим, как будет вести себя наш гипотетический процессор при выполнении двух разных потоков задач.

Выполнение двух потоков на процессоре без реализации и с реализацией технологии Hyper-Threading

Темные квадраты соответствуют применению исполнительных блоков процес­сора одного потока, а светлые — другого. Если бы оба потока исполнялись изо­лированно, то для выполнения первого и второго потоков потребовалось бы по

пять тактов процессора. При одновременном исполнении обоих потоков процес­сор будет постоянно переключаться между ними, следовательно, за один такт процессора выполняются только инструкции какого-то одного потока. Для ис­полнения обоих потоков потребуется в общей сложности 10 процессорных так­тов.

Однако можно повысить скорость выполнения задачи в рассмотренном примере. Как видно из рис. 1.24, на каждом такте процессора используются далеко не все исполнительные блоки, поэтому имеется возможность частично совместить вы­полнение инструкций отдельных потоков на каждом такте. В нашем примере выполнение двух арифметических операций с целыми числами первого потока можно совместить с загрузкой данных из памяти второго потока и выполнить все три операции за один такт процессора. Аналогично на втором такте процессора можно совместить операцию сохранения результатов первого потока с двумя опе­рациями второго потока и т. д.

Собственно, в таком параллельном выполнении двух потоков и заключается основная идея технологии Hyper-Threading, которая реализована в современных процессорах Intel. Итак, Hyper-Threading — это реализация одновременной мно- гопоточности (Simultaneous Multi-Threading, SMT). Технология Hyper-Threading является промежуточной между многопоточной обработкой, осуществляемой в мультипроцессорных системах, и параллелизмом на уровне инструкций, реали­зованном в однопроцессорных системах.

Конечно, ждать двукратного увеличения производительности процессора от ис­пользования технологии Hyper-Threading не приходится и на практике выигрыш куда более скромен.

Дело в том, что возможность одновременного выполнения на одном такте процес­сора инструкций от разных потоков ограничивается тем, что эти инструкции могут задействовать одни и те же исполнительные блоки процессора.

Для реализации технологии Hyper-Threading процессор должен иметь два «входа» для отдельных потоков, как если бы существовало два физических процессора, но при этом всего один конвейер обработки команд, как в реальном физическом про­цессоре, который использует оба потока. В этом случае один физический процессор представляется операционной системе как два логических.

С конструктивной точки зрения процессор с поддержкой технологии Hyper- Threading состоит из двух логических процессоров, каждый из которых имеет свои регистры и контроллер прерываний (Architectural State, AS), то есть две параллельно исполняемые задачи работают со своими собственными независи­мыми регистрами и прерываниями, но при этом используют одни и те же ресур­сы процессора для выполнения задач. Таким образом, от реальной двухпроцес­сорной конфигурации технология Hyper-Threading отличается только тем, что оба логических процессора используют одни и те же исполняющие ресурсы, одну и ту же разделяемую между двумя потоками кэш-память и одну системную шину.

Технологии тепловой защиты

Современные процессоры рассеивают такую тепловую мощность, что для ее эф­фективного отвода требуется использовать очень мощные кулеры. Однако даже такие кулеры не гарантируют, что в периоды стопроцентной загрузки процессора его локальная температура не превысит допустимых значений. Поэтому все совре­менные процессоры (и Intel, и AMD) имеют встроенные средства тепловой защи­ты. Наиболее сложный механизм, предотвращающий перегрев, используется в про­цессорах Intel. Именно с рассмотрения этих механизмов мы и начнем.

Технология Thermal Monitor

Технология Thermal Monitor реализована следующим образом: при нагревании процессора до некоторой критической температуры генерируется специальный сигнал, в результате чего активируется режим тепловой защиты процессора, при котором он остывает. При достижении нормальной температуры процессор воз­вращается к обычному режиму работы. Естественно, что в режиме активации теп­ловой защиты процессор работает не на полную мощность, то есть его остывание происходит за счет потери производительности.

Рассмотрим данную технологию более подробно. Для контроля температуры во все современные процессоры Intel встроены два термодатчика (термодиода), один из которых сообщает системе аппаратного мониторинга материнской платы тем­пературу ядра процессора, а еще один является частью схемы Thermal Monitor и рас­положен в самой «горячей» точке ядра процессора — возле блоков ALU.

При достижении некоторого критического значения температуры (по состоянию термодатчика, расположенного возле блоков ALU) генерируется специальный сигнал PROCHOT#, который активирует специальный модуль Thermal Control Unit. Температура, при которой «выставляется» сигнал PROCHOT#, индивиду­ально калибруется для каждого процессора в процессе производства исходя из величины рассеиваемой им мощности. Однажды заданное значение температуры для сигнала PROCHOT# уже не может быть изменено.

Задача модуля Thermal Control Unit — модулировать номинальную тактовую час­тоту процессора. Смысл модуляции заключается в том, что в период действия сигнала PROCHOT# на номинальный сигнал тактовой частоты процессора накла­дывается еще один служебный сигнал, частота которого существенно ниже такто­вой частоты процессора. В результате частота, которая подается на вычислительные блоки процессора, является прореженной и можно говорить о том, что ядро про­цессора работает на пониженной частоте. Важно отметить, что техноло­гия Thermal Monitor никак не влияет на частоту тактирования процессора, а лишь модулирует частоту тактирования вычислительных блоков процессора. В результате образования «холостых» тактов процессор будет иметь меньшую производительность и меньшее тепловыделение, а его температура начнет умень­шаться. С понижением температуры ядра количество холостых циклов начнет уменьшаться, и как только температура ядра процессора снизится ниже порогово­го значения примерно на 1 °С, сигнал PROCHOT# исчезнет, а номинальная час­тота процессора совпадет с эффективной.

Важно отметить, что сигнал PROCHOT# может быть «выставлен» при достижении критической температуры не только процессором, но и системами тепловой защи­ты других компонентов, например модуля регулировки напряжения (Voltage Regulation, VR) или модулей памяти.

Технология Thermal Monitor 2

В новых процессорах компании Intel к технологии Thermal Monitor добавился еще один инструмент теплового контроля — технология Thermal Monitor 2, которая позволяет в еще большей степени влиять на энергопотребление процессора при достижении им критической температуры.

При использовании технологии Thermal Monitor 2, когда рабочая температура процессора достигает критического значения, активируется служебный сигнал PROCHOT#, в результате чего происходит снижение тактовой частоты процес­сора и напряжения питания (VID). Это, в свою очередь, приводит к снижению потребляемой процессором мощности, а следовательно, и к снижению его рабочей температуры. Снижение тактовой частоты процессора происходит за счет умень­шения коэффициента внутреннего умножения до минимального значения. Тех­нология Thermal Monitor 2 во многом напоминает технологию Enhanced Intel SpeedStep, с той лишь разницей, что в Enhanced Intel SpeedStep переход на мень­шую тактовую частоту и напряжение питания осуществляется в период слабой активности процессора, а в Thermal Monitor 2 — при достижении критической температуры. Кроме того, если в технологии Enhanced Intel SpeedStep определя­ется несколько возможных рабочих точек (несколько возможных тактовых частот и напряжений), то в технологии Thermal Monitor 2 определены только две ра­бочие точки, соответствующие максимальной и минимальной частотам процес­сора.

В заключение отметим, что технологию Thermal Monitor 2 поддерживают только процессоры с тактовой частотой выше 2,8 ГГц (с коэффициентом умножения более 14), а минимальная частота работы процессора составляет 2,8 ГГц.

Режим аварийного отключения

Чтобы исключить перегрев процессора (например, при выходе из строя кулера), кроме технологий Thermal Monitor и Thermal Monitor 2, в современных процессо­рах Intel используется также режим аварийного отключения (подобная технология используется и в процессорах AMD). Для этого применяется второй термодатчик, установленный в ядре процессора. При достижении процессором критической температуры происходит подача сигнала THERMTRIP# на аварийное отключение системы. Значение критической температуры немного меньше температуры, при которой в процессоре начинают происходить необратимые изменения. Поэтому даже в случае выхода из строя процессорного кулера процессор не успеет нагреть­ся до критической температуры. Значение температуры, при которой подается сигнал аварийного отключения THERMTRIP#, составляет примерно 135 °С.

dammlab.com

О перспективах и существующих технологиях создания полупроводниковых устройств

Ни для кого не секрет, что с каждым днем полупроводниковая индустрия все ближе и ближе подбирается к пределу кремниевой технологии. Выход из сложившейся ситуации необходимо искать в освоении новых технологий производства чипов, что логично, использовании более совершенных методов организации производства и... поиске абсолютно новых материалов с более глубокой философией назначения их структурных единиц.

Но вернемся к проблеме "почему кремний перестанет удовлетворять наши нужды, как полупроводниковый материал"... Если говорить об этом более-менее кратко, то суть проблемы формулируется таким образом. Постоянное стремление уменьшить размеры кристалла, без чего просто невозможно увеличение производительности и скорости срабатывания транзисторов в микропроцессоре, приводит к тому, что в скором времени классическая физика, объясняющая процессы в полупроводниках отойдет на второй план, а ей на смену придет квантовая теория. Это заставит еще глубже вникнуть в суть процессов происходящих в микросхемах, заставит многое переосмыслить,и, конечно, изменить подход к микросхемотехнике. Уменьшение размеров транзистора заставит столкнуться с рядом физических явлений, которые будут препятствовать дальнейшей миниатюризации чипа. В частности, может оказаться чрезвычайно сложным соединение друг с другом мельчайших элементов. И это проблема уже однажды повставала перед индустрией, к счастью она успешно решена использованием медной технологии. Но об этом позднее. Нахождение разных зон проводимости на расстоянии около 100 ангстрем порождает квантовые эффекты, которые, как уже было сказано, нарушают нормальную работу транзисторов.

Еще одна причина... Электромагнитное поле от любого компонента компьютера, например, трансформатора блока питания, может оказаться более чем достаточным для создания лавинного эффекта, при котором будет вызван ток, способный разрушить микросхему или нарушить нормальное направление движения электронов. Сейчас влияние магнитных полей на процессоры пока не так ощутимо, однако, при еще большей миниатюризации чипов, может стать серьезным препятствием дальнейшему развитию. Внутренние поля процессоров также довольно серьезная проблема...

Уже сейчас разработаны полевые транзисторы с возможностью перемещения поля в место, где оно не оказывает пагубного влияния на общее функционирование схемы, однако просчет и разработка таких схем неимоверно сложна. Еще одним минусом такого "трюка" является снижение надежности и гарантированного времени использования чипа.

Итак, для начала, поговорим о существующих на сегодня технологиях создания полупроводниковых микропроцессоров, количество транзисторов в которых насчитывает десятки, а то и сотни миллионов...

Начинается все, как логично предположить, с инженерной мысли. Так вот, сперва процессор разрабатывается, что называется, на бумаге. Продумывается будущая архитектура чипа, размер его кеша, структурные элементы и т.д. Затем работоспособность архитектуры проверяется созданием на специальном языке программирования программы-макета процессора, которая долго тестируется. В конце концов, если чип содержит много нововведений, то его "ваяют" в огромных размерах (так было с революционным ядром Pentium Pro) и опять долго тестируют. При создании макета руководствуются правилом комбинирования, по принципу отдельная группа транзисторов - определенный элемент схемы.

Далее изготавливаются кремниевые пластины, которые в свою очередь создаются особым способом из кварцевого песка, то есть, повторюсь, кремния - самого распространенного материала со свойствами полупроводника на земле. Таким образом, кремний химическими методами старательно очищается, и из него выплавляются цилиндрические слитки, которые в дальнейшем нарезаются на пластины толщиной менее миллиметра. Пластины шлифуются, много раз полируются с применением множества разных паст до зеркального блеска. Сейчас, стандартным размером кремниевых пластин является 200 мм., ведутся работы по переходу на 300 мм.


Для дальнейшего создания интегральной схемы, пластины должны быть покрыты слоем изолятора, и защищены механически (что немаловажно при дальнейшей обработке). Роль слоя изолятора выполняет SiO2 - двуокись кремния. Чтобы нанести ее на поверхность чипа, его помещают в специализированную печь, где и происходит медленное обрастание пластины прочными стенками.


Далее, подготовленная пластина покрывается светочувствительным полимерным слоем, который в дальнейшем поможет избавиться от слоя оксида кремния (IV), тем самым оголить в нужных местах чистый кремний. Полимерный слой при воздействии ультрафиолета должен прореагировать и впоследствии смываться органическими растворителями.


Кто знаком с фотографией, тем легче будет понять дальнейшее. Итак, нанесение рельефа на фоточувствительную пластину происходит аналогично проецированию негативного изображения на фотобумагу. Необходимо учесть, что роль негативной пленки в этом случае выполняет пластина кварцевого стекла, покрытая плёнкой хрома. Хром не пропускает свет, что дает возможность засветить светочувствительный слой там, где это нужно.


Что касается негатива, то он намного больше оригинального изображения, и его проекция на пластину осуществляется через систему уменьшающих линз и маску.

Итак, засвеченный слой, изменив свой химический состав, может быть просто удален химически, либо рентгеновским излучением.


Таким образом, подбираемся к возможности удаления SiO2, что с успехом и делается методом, аналогичным удалению фотомаски, но уже при помощи реактивных газов.


Далее структура чипа изменяется этим же методом, но уже с помощью другого негатива. Это происходит неоднократно, но, в конце концов, заготовка приобретает нужный вид. Конец этого этапа дает транзисторы, которые получаются следующим образом.

Вы, наверное, заметили, что все это время шла речь лишь о кремнии, но любой транзистор должен состоять из зон с разными свойствами. Создание зон с проводниками p-типа и n-типа, производится вкраплением нужного количества того или иного вещества в кремниевую заготовку. Чаще всего для "наполнения" проводниками n-типа используют мышьяк или бор (напомним, что кремний содержит носители p-типа). Заготовка разогревается до температур, при которых диффузия необходимых материалов становится особенно быстрой, и на полученные ранее отверстия в окисле кремния наносится строго определенное количество вещества-донора дырок.

Таким образом, кремний под слоем изолятора остается нетронутым, и это будущий затвор (З). А не предохраненные области, по обеим сторонам от затвора, "насытившись положительными элементами" (дырками) станут стоком (С) и истоком (И) получившегося в результате транзистора (последний рис.).

Конечная стадия производства процессоров. После получения окончательного образчика, уже описанными литографическими методами добавляются зоны проводимости и непроводимости. Здесь решающими веществами становятся поликристаллический кремний, а также различные оксиды и металлы. Полученные электрические соединения между транзисторами проверяются. Потом готовые чипы разрезаются и упаковываются во всем известные формы.

В конечном счете, получаются классические транзисторы, чередующие зоны с преобладанием уже упомянутых дырок и электронов. В Pentium III для контакта используется еще алюминий, а вот новый Pentium 4 уже использует позаимствованную Intel у голубого гиганта IBM медную технологию. Кстати, Pentium4 2 GHz переведен на новый уровень детализации – 0,13 микрон.

Почему позаимствованную? А потому что IBM уже очень давно является лидером в освоении подобных технологий, и, нужно сказать, неплохо ими торгует, с уже упомянутым Intel, а также другими, например, UMC – производителем различных микросхем номер один в мире.

Теперь, поподробней о медной технологии. Многим известно, что медь обладает лучшим по сравнению с алюминием термо и электрическим сопротивлением. Именно поэтому логичней было бы использовать в микропроцессорной индустрии именно медь. Но вот беда! Cuprum намного хуже контактирует с кремнием из-за общей диффузии веществ. Относительно высокое сопротивление алюминия стало неким стопором в развитии микропроцессорной индустрии, ведь скорость срабатывания транзисторов увеличивалась, а материал, соединяющий их между собой, сводил это достижение на нет.

Изучение меди как соединительного проводника в микросхемах, продолжалось не один десяток лет. Только к середине девяностых годов инженеры открыли принцип создания сверхтонкой разделяющей границы между кремниевой подложкой и медными проводниками.

Как и ожидалось, медная технология "сняла с ручника" индустрию, подняв среднюю скорость работы транзисторов до 10-30%. Как ни странно, использование более дорогой меди сказалось на общей стоимости производства чипов лишь в положительную сторону, так как, за счет увеличения плотности их размещения, площадь процессора уменьшилась, а значит, на одной пластине стали производить больше чипов за один технологический круг.

Теперь самое время поговорить про новые и альтернативные технологии. Как уже отмечалось, суть кремниевого процесса, в основном, заключается в использовании светового излучения. С середины 80-х в фотолитографии используется ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Сейчас наиболее мощные коммерческие процессоры производятся с помощью ультрафиолетовых лучей с длиной волны 0,248 мк. Однако, применяя химические методы, вполне возможно создание структурных элементов вплоть до атомной шкалы! Это связано с тем, что размеры схематических элементов, засвечиваемых светом, особым образом пропорциональны энергии и длине облучающей волны. Не мудрено, что недалеко то время, когда очередной раз уменьшенная длина волны доведет уровень энергии до такого уровня, что он абсолютно разрушит кремниевый кристалл.

Также необходимо отметить, насколько важна чистота в производстве процессоров. Представьте, что на негатив будущего чипа попадет даже плохо заметная для человеческого зрения пылинка.... Это повлечет неверное засвечивание маски, и на кристалле образуется профиль или анфас этой самой пылинки вместо микроструктуры чипа. Еще вариант - на стадии диффузного вкрапления в кремний, вместе с примесями попадает пусть даже атомных размеров мусор. Это может привести к дисбалансу электронов и дырок, что, в лучшем случае, уменьшит резерв процессора, а в худшем отправит чип на свалку. Как видим, чистота очень важный показатель при создании процессора. Наверное поэтому, Pentium II рекламировали человечки в разноцветных скафандрах, символизирующие инженеров Intel. Необходимо заметить, что уровень средней чистоты и глубина вакуума на микропроцессорных фабриках намного превышают уровень пыли на широко разрекламированных заводах Samsung, выпускающих жесткие диски.

Например, новая фабрика в Чандлере рядом с уже работающим заводом Fab 12 на территории промышленного центра Intel (площадью примерно 285 гектаров) под названием Окотилло. К строительству Fab 12 корпорация приступила в 1994 г., а уже к лету 1996 года предприятие выпустило первые компьютерные чипы. Производственные площади новой фабрики составят около 33,5 тыс. кв. м, из которых примерно 12,5 тыс. кв. метров приходятся на стерильные помещения. Рядом с основным зданием Fab 22 будут построены вспомогательные, включая четырехэтажное здание производственной поддержки площадью почти 30 тыс. кв. м, центральное помещение для вспомогательных служб площадью 11,5 тыс. кв. м, несколько пристроек к уже существующим зданиям, а также складское помещение.


Пусть до химических технологий формирования структуры чипа еще далеко, но наработки в области создания процессоров на заранее бракованных пластинах ведутся давно. Так, представленный в 1998 году суперкомпьютер, созданный при участии инженеров Hewlett-Packard, в своих микросхемах содержит 220 тысяч дефектов. Одного любого дефекта из числа так скрупулезно посчитанных браков хватило бы любому современному компьютеру для полной неработоспособности. Но Teramac функционирует и на определенных задачах показывает производительность, превосходящую в десятки раз возможности рабочих станций Hewlett-Packard. В основу создания чипов этого суперкомпьютера легли концепции, позволяющие потоку данных самостоятельно выбирать себе путь к нужному элементу, исключая возможности вхождения в "тупик" или отсутствия альтернативного пути, минуя бракованный или поврежденный элемент.

Как видим, альтернатива многомиллионным процессорным заводам существует уже сегодня и к тому же удачно функционирует. Создавая схему, которая продумает все последствия брака, можно прийти к упразднению необходимости поддержания такого уровня чистоты. Ведь, по сути, транзисторные процессоры это самый идеальный продукт человеческого труда. Они могут служить сотни лет, они производятся по самой миниатюрной, совершенной и чистой технологии, они, в конце концов, обрабатывают данные в таких объемах и пределах, которые не доступны не одному живому существу.

Другим способом повышения производительности микропроцессоров является уменьшение кристаллографических дефектов кремния. Понятно, что это реально достижимо только химическими методами. Передовиком в этой области является Корнельский Университет. Не секрет, и это уже отмечалось, что поверхностный дефект даже атомного масштаба заметно снижает скорость срабатывания транзисторов, и всей микросхемы в целом.

Так, еще на заре кремниевого производства, в колыбели транзисторов – лабораториях Bell, вопрос улучшения чистоты материала уже поднимался. Как следствие, был разработан метод протравки пластин-заготовок в пероксидной ванне. Но это уровень 60-х годов, современные же ученые обещают устранение дефектов с кремниевых пластин, до чистоты поверхности порядка одного выступающего атома на 30 тысяч. Новый метод основан на так называемой химической гравировке.

В конце статьи приведу технологии, перспективность которых безоговорочна, но возможность внедрения в промышленность еще не ясна. До этого момента технологические решения, указанные в статье были либо уже внедрены в производство, либо же являлись "графой" в планах компаний на будущие максимум пять лет. Технологии, о которых речь пойдет ниже, относятся к так называемым "изыскам". Одно можно смело утверждать: сейчас специалисты смотрят на них как когда-то их предшественники на полупроводниковые транзисторы. Итак, речь пойдет о разработках в области замены электрона, как мельчайшего "кирпичика" информационных систем...

IBM: Нанотрубки

Но обо всем по порядку.... Уже упоминавшийся здесь Голубой Гигант, весной выставила на всеобщее обозрение свою новую разработку в области интеграции микросхем. Это углеродные нанотрубки в 100000 раз меньшие человеческого волоса, представляющие собой циклические структуры, обод которых составляют соответствующие атомы в числе около десяти. Кроме того, они соединены между собой и, таким образом, образуют цилиндрические стержни. Особенно примечательно в новинке, то, что нанотрубки имеют дуальную природу свойств, так как в зависимости от формы могут быть и проводниками или полупроводниками. То есть, выгода от использования новой технологии налицо, и теперь, при изготовлении процессоров, достаточно одного углерода, а точнее нанотрубок из него. Распрямив или закрутив последние, можно получить, соответственно, либо проводник, либо полупроводник.


По заявлению IBM транзисторы на нанотрубках выгодно отличаются от классических размерами, и, значит, на несколько порядков меньшим энерговыделением /потреблением. Phaedon Avouris - ведущий специалист в области этих разработок, утверждает, что за этой технологией будущее. Чтобы Вы ощутили какой прогресс дает использование новой технологии, приведу пример. После выхода 386-серии процессоров, количество транзисторов чипа возросло лишь в 152 раза, а "технологическая новинка" предполагает уменьшение транзистора в 500 раз. Пока не известно, какой скоростью будут обладать нанотрубковые устройства, однако, размер транзисторов дает возможность надеяться, что не меньшей чем у существующих.


Поначалу ученым не удавалось реализовать вентиль с классической точки зрения, однако эта проблема теперь решена. Для реализации транзисторов по нанотрубочной технологии сначала создается заготовка. На кремниевую пластину укладывают массив углеродных трубок затем литографическим методом наносятся проводники. Не вдаваясь в суть производственного процесса, скажем, что в конце получается "модернизированный" транзистор, все с теми же затворами, стоками и истоками. Необходимо упомянуть, что предохраняющие трубки, вовсе не предохраняющие по сути, а разрушенные электрическим перенапряжением, чтобы не создавать отрицательно сказывающихся на полупроводниковые свойства эффектов.

Кроме прочих достоинств нанотрубок хочется также отметить высокую прочность получаемых микросхем, ведь, по сути, химические связи между их молекулами те же, что и в алмазах. Как видим, технология очень перспективна, а главное, по утверждению специалистов, еще и реально реализуема...


Фотонная технология

Исследования в данной области велись еще в 80-х годах Сэдживом Джоном (Sadjeev John - http://www.physics.utoronto.ca/people_f.html). На самом деле он изучал явление локализации световых волн возможность которой сам и доказал. Как выяснилось, при изменении электромагнитных свойств среды по определенному закону, в ней образуются фотонные запретные зоны ФЗЗ (photonic band gap), в которых фотоны существовать не могут. Таким образом, свет в них имеет не любую длину волны и не любое направление, и в определенном смысле локализируется. Конечно, воли возникает полупроводниковая аналогия с запрещенными зонами и принадлежностью электронов лишь особым, строго ограниченным энергетическим уровням. Попросту говоря, перспектива открытия в том, что место электронов в новой технологии займут фотоны. При этом, что интересно, не обязательно использование оптоволоконных технологий в конструктивных схемах.

К особо выгодным преимуществам света перед электричеством особо хотелось бы выделить, что, во-первых, лучи (потоки) света никак не реагируют друг на друга, и, вследствие этого, могут быть сведены на микро расстояние и не требуют обоюдной изоляции. Во-вторых, хотелось бы отметить, что прохождение света через вещество не вызывает такого колоссального тепловыделения, как тот же электроток.

Но в каждой бочке меда есть своя ложка дегтя. Так и у ФЗЗ-технологии есть свои сложности. Главное, это то, что явление ФЗЗ в природных диэлектриках не встречается, а значит, необходим целый ряд специфических условий (определенный интервал длин волн) для его воссоздания.


Но уже сейчас ученые способны синтезировать трехмерные ФЗЗ структуры в области порядка 1,5 мкм. Здесь используются кристаллы все того же кремния (о кремний!) с симметрично расположенными сферическими полостями, куда вводится жидкокристаллическое вещество. Тут интересен процесс получения этих самых "шариков". Оказывается, их выращивают на опаловых болванках, которые после разрушают кислотой.


Intel

Intel тоже не отстает ни на шаг в создании своих технологий. Так, в июне 2001 года Intel создала самые быстродействующие в мире транзисторы, которые почти в 1000 раз производительнее транзисторов в Pentium 4. Новые транзисторы имеют размер всего в 0.02 микрона, а у некоторых из них (оксидной пленки затвора) толщина составляет всего три атомарных слоя.

Новые транзисторы будут использоваться в процессорах Intel, изготовленых по технологии 45 нм. (0.045 микрон), которая на три поколения опередит внедренную ныне технологию Intel в 0,13 мкм. Для изготовления таких процессоров Intel намерена задействовать литографический процесс следующего поколения с использованием вакуумного ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны (Extreme Ultra Violet - EUV).

Intel планирует к 2007 году создать на основе 20-нанометровых транзисторов процессоры с тактовой частотой в 20 ГГц.

На этой, прямо-таки фантастической ноте, хочется закончить, ибо о перспективности той или иной технологии можно говорить очень долго, однако не нам решать - какие идеи претворять в жизнь. Как показывает история, не одна технология родилась в лучах "бесспорной" перспективности, и не одна гениальная технология осталась позади поезда индустрии...

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

3dnews.ru

Этапы производства микропроцессоров

Содержание

Введение. 2

1. Технологии производства микропроцессоров. 4

1.2 Основные этапы производства. 8

1.3 Выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей. 9

1.4 Тестирование. 11

1.5 Изготовление корпуса. 11

1.6 Перспективы производства. 12

2. Особенности производства микропроцессоров. 18

3. Технологические этапы производства микропроцессоров. 26

3.1 Как создаются чипы.. 26

1.2 Всё начинается с подложек. 27

1.3 Производство подложек. 27

1.4 Легирование, диффузия. 29

1.5 Создание маски. 30

1.6 Фотолитография. 31

Заключение. 37

Список литературы.. 38

Современные микропроцессоры – это самые быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и производятся с использованием множества различных технологий. С начала 90-х годов 20 века, когда процессоры пошли в массовое использование они пережили несколько ступеней развития. Апогеем развития микропроцессорных структур, использующих существующие технологии микропроцессоров 6-го поколения, стал 2002 год, когда стало доступным использование всех основных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и создании логических схем. Сейчас же эффективность новых процессоров несколько падает, несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов.

Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы микропроцессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора). Например, при использовании 90-нм техпроцесса, который был введен в начале 2004 года, размер транзистора составляет 90 нм, а длина затвора – 50 нм.

Все современные процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Уменьшение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение маркетологами неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU – запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов "гонки частот" связано пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. Как уже было замечено, производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы.

Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих гигантов рынка, таких как компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время ей не удавалось наладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, что привело к низкому выходу годных кристаллов. Это одна из причин, по которой AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Связано это с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы как токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Разберемся по порядку.

Как известно, существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая – самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, что негативно сказывается на тепловыделении. Так вот, уменьшая размеры транзистора, мы, прежде всего, уменьшаем его затвор и слой диоксида кремния (SiO2), который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой – увеличивает утечку. То есть, получается своеобразный замкнутый цикл. Так вот переход на 90 нм – это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками – это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения. Все это привело к задержке внедрения нового техпроцесса со стороны конкурентов рынка микропроцессоров – Intel и AMD.

Один из альтернативных выходов – это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое недавно внедрила компания AMD в своих

64-разрядных процессорах. Впрочем, это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Зато сама технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. Суть технологии, в общем-то, вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Плюсов - масса. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках - раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния, до момента, пока по нему пойдет рабочий ток, сокращается, то есть, улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения - это два. Или же, при той же скорости, можно просто понизить отпирающий ток - три. Или найти какой-то компромисс между увеличением скорости работы и уменьшением напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить вплоть до 30%, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение, то там плюс может быть и большим - до 50%. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор становится более устойчивым к спорадическим ошибкам, вроде тех, что вызывают космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Теперь, попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не сказываются на работе транзистора. Единственным минусом SOI является то, что приходится уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.

И наконец, третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот – это низкая активность конкурентов на рынке. Можно сказать, каждый был занят своими делами. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это был период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.

Начавшийся год должен принести нам большое количество новостей из области технологий, ведь именно в этом году обе компании должны перейти на технологические нормы 90 нм. Но это вовсе не означает нового стремительного роста частот процессоров, скорее наоборот. Сначала на рынке будет наблюдаться затишье: конкуренты начнут выпускать CPU по новым техпроцессам, но со старыми частотами. По мере освоения процесса производства начнется некоторый рост частоты чипов. Скорее всего, он будет не столь заметен как ранее. К концу 2004 года, когда выход годных кристаллов по 90-нм техпроцессу значительно повысится, компания Intel ожидает покорение вершины в 4 ГГц, а то и более. Процессоры компании AMD будут идти с некоторым традиционным отставанием по частоте, которое, в общем-то, не так сильно сказывается на производительности, как особенности микроархитектуры.

Итак, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Первые процессоры

Pentium (1993г) производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999 – на 0,18 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году. Как видно, для этих техпроцессов соблюдается закон Мура, который гласит, что каждые два года частота кристаллов удваивается при увеличении количества транзисторов с них. С такими же темпами сменяется и техпроцесс. Правда, в дальнейшем "гонка частот" опередит этот закон. К 2006 году компания Intel планирует освоение 65-нм техпроцесса, а 2009 – 32-нм. Принцип закона Мура представлен на рисунке 1.

mirznanii.com

Особенности производства процессоров

Опубликовано ноября 10, 2010 в Компоненты ПК, Процессоры

История развития

Любой современный процессор состоит из огромного набора транзисторов, выпол­няющих функции электронных микроскопических переключателей. В отличие от обычного переключателя, транзисторы практически безынерционны и способны переключаться миллиарды и даже триллионы раз в секунду. Однако, чтобы обес­печить такую огромную скорость переключения, необходимо уменьшить размеры этих транзисторов.

Кроме того, производительность любого процессора в конечном итоге определяется и количеством самих транзисторов. Именно поэтому со време­ни создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие отрасли шло в направлении уменьшения размера транзисторов и увеличения плотности их размещения на микросхеме.

Когда говорят о прогнозах по увеличению плотности размещения и уменьшению геометрических размеров транзисторов, обычно упоминают так называемый закон Мура. Все началось в 1965 году, за три года до того, как Гордон Мур (Gordon Е. Moore) стал одним из основателей корпорации Intel. В то далекое время техно­логия производства интегральных микросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, завершала разработку новых микросхем, объединяющих в себе уже 60 транзисторов. По просьбе журнала Electronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания. В этой статье Мура попросили сделать прогноз относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших 10 лет. Проанализировав темпы развития полу­проводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тысяч.

Конечно, в 1965 году ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие 10 лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем, с предсказа­нием Мура было не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из ру­ководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

До сих пор мы преднамеренно употребляли слова «прогноз» или «предсказание» Мура, однако в литературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что после опубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид, коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозу название «закон Мура», и оно прижилось.

Зачем уменьшать размеры транзисторов

Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все па­раметры микропроцессорной технологии, главные из которых — скорость, произво­дительность и энергопотребление. Так, процессор i486 работал на частоте 25 МГц. Тактовые частоты современных процессоров находятся в пределах 4 ГГц.

Если считать, что длина затвора транзистора уменьшается в Мраз, то в такое же количество раз уменьшается и рабочее напряжение затвора. Кроме того, в М раз возрастает скорость работы транзистора и квадратично увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая мощность уменьшается в М2 раз

Таблица 1. Изменение характеристик транзистора при уменьшении его геометрических размеров

Долгое время уменьшение размеров транзисторов было самым очевидным способом увеличения производительности процессоров. На практике это было не так легко осуществить, однако еще сложнее было придумать такую структуру процессора, чтобы его конвейер работал с максимальной отдачей.

dammlab.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *