Технологии изготовления и производства процессоров. Что нужно знать о процессорах

Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.

А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?

Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.

Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа. Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Как сегодня делают процессоры

Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.

Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.

Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.

Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.

На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.

Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.

После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.

Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.

Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.

Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.

13 000 телевизоров

Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.

До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.

К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.

Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.

Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.

Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.

Добрый день, уважаемые любители компьютерного железа. Сегодня мы поговорим о том, что такое техпроцесс в процессоре. На что влияет данная величина, как помогает при работе компьютера, за что отвечает и так далее.

Начать хотелось бы с того, что процессоры состоят из транзисторов. Под крышкой теплораспределителя находится сам кристалл ЦП на кремниевой подложке, в состав которого входит миллиарды миниатюрных транзисторов. О внутренностях CPU – .

Их габариты настолько крошечные, что измеряются в нанометрах. Отсюда и берет свое начало величина.

Возьмем к примеру компанию AMD и ее процессорные ядра семейства Bulldozer и Liano, выполненные по нормам 32 нм. На площади кристалла размером всего 315 мм2 размещено 1,2 млрд транзисторов. Если сравнивать с более старой технологией 45 нм, в которой на подложке 346 мм2 находилось «только» 900 млн транзисторов – прогресс очевиден.

Уменьшение, а точнее оптимизация техпроцесса дает следующие преимущества:

• повышение итоговой производительности при идентичных характеристиках двух устройств (первый и второй процессор имеют, к примеру, 4 ядра мощностью 3 ГГц);
• снижение энергопотребления;
• возможность добавить дополнительные рабочие инструкции;
• повышение частот;
• увеличение количества ядер на одной подложке (они занимают меньше места);
• снижение затрат на изготовление чипов (на одной кремниевой болванке помещается больше процессоров).
• Увеличение кэш‐памяти процессора (больше места на кристалле для установки модуля)

Эволюция техпроцесса

Если покопаться в истории полупроводников 70‐х и 80‐х годов, то можно встретить устройства, разработанные по нормам техпроцесса 3 мкм. К такому технологическому прорыву впервые пришли компании Zilog в 1975 году и Intel в 1979 году соответственно.

Компании активно развивали технологии и совершенствовали литографическое оборудование.В начале‐середине 90‐х, прогресс достиг новых высот и на рынке стали появляться модели вроде Intel Pentium Pro и MMX, а также знаменитая «улитка» Pentium II.

Все изделия выполнялись по нормам процесса 0,35 мкм, т.е. 350 нм. Буквально через 10 лет технологии позволили сократить размер транзистора втрое, до 130 нм, и это был прорыв.Однако культовый период пришелся на 2004 год, когда инженеры начали осваивать для себя 65 нм. Тогда мир увидел знаменитые Pentium 4, Core 2 Duo, а также AMD Phenom X4 и Turion 64 x2. В это же время рынок наводнили чипы Falcon и Jasper для Xbox 360.

Текущий период разработки

Плавно подбираемся к современным разработкам и начнем со все еще актуального процесса 32 нм – эпоха Intel Sandy Bridge и AMD Bulldozer.

Синему лагерю удалось создать кристалл с частотой до 3,5 ГГц, на который можно поместить до 4 ядер и графический чип частотой до 1,35 ГГц. Также в чип встроили , PCI‐E контроллер версии 2.0, поддержку памяти DDR3. Все ядра получили по 256 КБ кэша L2 и до 8 МБ L3. И все это размещалось на подложке 216 мм2

Красные же умудрились разместить на подложке до 16 процессорных ядер частотой до 4 ГГц с поддержкой передовых на 2011 год инструкций x86, ввести поддержку Hyper Transport и оснастить чипы поддержкой DDR3.

Переход на 22 нм осуществил только Intel, добавив своим продуктам Ivy Bridge и Haswell вроде Core i5, i7 и Xeon более высокую производительность при сниженном энергопотреблении. Архитектура не претерпела значительных изменений.
Литография 14 нм подарила миру в 2017 году новый виток противостояния между AMD Ryzen и Intel Coffee Lake. В первом случае имеем совершенно новую архитектуру и признание во всем мире после многолетнего застоя. Во втором же – увеличение ядер на подложке в десктопном сегменте.

Дополнительно можно отметить снижение энергопотребления, добавление новых инструкций, снижение размера кремниевой пластины и повышение мощности в станах двух лагерей.Теперь ждем выход чипов, построенных по нормам 10 нм, который на данный момент доступен лишь в мобильном сегменте (Quallcomm Snapdragon 835/845, Apple A11 Bionic).

Зачем уменьшать техпроцесс?

Как я уже говорил выше, оптимизация литографии ведет к размещению большего числа транзисторов на подложке меньшего размера. Говоря простым языком, на одной площади можно расположить не 1, а 1,5 млрд транзисторов, что ведет к повышению производительности без увеличения тепловыделения.

Таким образом устанавливается больше ядер, вспомогательных компонентов и систем управления шинами.

Коэффициент умножения системной шины процессора также возрастает, а значит и его мощь растет.

На данный момент оптимальными процессорами, которые вобрали в себя самое лучшее из современных технологий, можно назвать Intel 8700k и AMD Ryzen 1800x. Есть конечно и более новый вариант от «красных» в лице Ryzen 2700 (12 нм), но его производительность немного скромнее.
Надеемся, вы поняли суть, которую я хотели донести до вас в этой статье. В следующих обзорах мы коснемся таких понятий как , охлаждение и прочих животрепещущих вопросов, которые требуют пояснения. Оставайтесь с нами и публикациями. Удачи!

Все современные вычислительные технологии базируются на основе полупроводниковой электронной техники. Для ее производства используются кристаллы кремния – одного из самых распространенных минералов в составе нашей планеты. С момента ухода в прошлое громоздких ламповых систем и с развитием транзисторных технологий этот материал занял важное место в производстве вычислительной техники.

Центральные и графические процессоры, чипы памяти, различные контроллеры – все это производится на основе кремниевых кристаллов. Уже полвека основной принцип не меняется, совершенствуются только технологии создания чипов. Они становятся более тонкими и миниатюрными, энергоэффективными и производительными. Главным параметром, который при этом усовершенствуется, является техпроцесс.

Практически все современные чипы состоят из кристаллов кремния, которые обрабатываются методом литографии, с целью формирования отдельных транзисторов. Транзистор – ключевой элемент любой интегральной микросхемы. В зависимости от состояния электрического поля, он может передавать значение, эквивалентное логической единице (пропускает ток) или нулю (выступает изолятором). В чипах памяти с помощью комбинаций нулей и единиц (положений транзистора) записываются данные, а в процессорах – при переключении производятся вычисления.

В 14-нм технологии (по сравнению с 22-нм) сокращено количество барьеров, увеличена их высота, уменьшено расстояние между диэлектрическими ребрами

Технологический процесс – это процедура и порядок изготовления какой-либо продукции. В электронной промышленности, в общепринятом значении, это величина, которая указывает на разрешающую способность оборудования, применяемого при производстве чипов. От нее также напрямую зависит размер функциональных элементов, получаемых после обработки кремния (то есть, транзисторов). Чем чувствительнее и точнее оборудование используется для обработки кристаллов под заготовки процессоров – тем тоньше будет техпроцесс.

Что значит числовая величина техпроцесса

В современном полупроводниковом производстве наиболее распространена фотолитография – вытравливание элементов на кристалле, покрытом диэлектрической пленкой, с помощью воздействия света. Именно разрешающая способность оптического оборудования, излучающего свет для вытравливания, и является техпроцессом в общепринятом толковании этого слова. Это число указывает, насколько тонким может быть элемент на кристалле.

На что влияет техпроцесс

Техпроцесс напрямую сказывается на количестве активных элементов полупроводниковой микросхемы. Чем тоньше техпроцесс – тем больше транзисторов поместится на определенной площади кристалла. В первую очередь это значит увеличение количества продукции из одной заготовки. Во вторую – снижение потребления энергии: чем тоньше транзистор – тем меньше он расходует энергии. Как итог, при равном количестве и структуре размещения транзисторов (а значит, и увеличения производительности) процессор будет меньше расходовать энергию.

Минусом перехода на тонкий техпроцесс является удорожание оборудования. Новые промышленные агрегаты позволяют делать процессоры лучше и дешевле, но сами набирают в цене. Как следствие, лишь крупные корпорации могут вкладывать миллиарды долларов в новое оборудование. Даже такие известные компании, как AMD, Nvidia, Mediatek, Qualcomm или Apple самостоятельно процессоров не делают, доверяя это задание гигантам вроде TSMC.

Что дает уменьшение техпроцесса

При уменьшении технологического процесса производитель получает возможность поднять быстродействие, сохранив прежние размеры чипа. К примеру, переход с 32 нм на 22 нм позволил вдвое увеличить плотность транзисторов. Как следствие, на том же кристалле, что раньше, стало возможным размещение не 4, а уже 8 ядер процессора.

Для пользователей главное преимущество заключается в снижении энергопотребления. Чипы на более тонком техпроцессе требуют меньше энергии, выделяют меньше тепла. Благодаря этому можно упростить систему питания, уменьшить кулер, меньше внимания уделить обдуву компонентов.

Техпроцесс процессоров на смартфонах

Смартфоны требовательны к аппаратным ресурсам и быстро расходуют заряд аккумулятора. Поэтому, для замедления расхода разряда, разработчики процессоров для мобильных устройств стараются внедрять в производство самые новые техпроцессы. К примеру, некогда популярные двухъядерники MediaTek MT6577 производились по техпроцессу 40 нм, а Qualcomm Snapdragon 200 ранних серий изготавливались по 45-нанометровой технологии.

В 2013-2015 годах основным техпроцессом для чипов, используемых в смартфонах, стал 28 нм. MediaTek (вплоть до Helio X10 включительно), Qualcomm Snapdragon серий S4, 400, а также модели 600, 602, 610, 615, 616 и 617 – это все 28 нм. Он же использовался и при изготовлении Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. «Горячий» Snapdragon 810, что интересно, был выполнен по более тонкому техпроцессу 20 нм, но это ему не сильно помогло.

Apple в своем A7 (iPhone 5S) тоже обходилась 20-нанометровой технологией. В Apple A8 для шестого Айфона применили 20 нм, а в модели A9 (для 6s и SE) уже используется новый 16 нм технологический процесс. В 2013-2014 годах Intel делали свои Atom Z3xxx по 22-нанометровой технологии. С 2015 года в производство запустили чипы с 14 нм.

Следующим шагом в развитии процессоров для смартфонов является повсеместное освоение техпроцессов 14 и 16 нм, а дальше стоит ожидать 10 нм. Первыми экземплярами на нем могут стать Qualcomm Snapdragon 825, 828 и 830.

Рассказываем об одной из главной характеристик мобильных чипсетов.

Процессор современного смартфона - сложный механизм, включающий в себя тысячи компонентов. Такие показатели, как частота и количество ядер, постепенно теряют смысл, а на смену им приходит понятие техпроцесса, характеризующее производительность и энергоэффективность процессора.

Что такое техпроцесс?

Процессор включает в себя тысячи транзисторов, которые пропускают или блокируют электрический ток, что позволяет логическим схемам работать в двоичной системе. Благодаря уменьшению размер транзисторов и расстояния между ними производители добиваются от чипсета большей продуктивности.

Уменьшенные транзисторы потребляют меньше энергии, при этом не утрачивая и производительность. Несмотря на то, что размер транзисторов напрямую не влияет на мощность, этот параметр стоит рассматривать как одну из характеристик, оказывающих влияние на скорость выполнения задач за счет конструктивных изменений в работе устройства. Размер транзистора по сути и характеризует техпроцесс процессоров.

За счет уменьшения расстояния между компонентами процессора уменьшается и объем энергии, которая необходима для их взаимодействия. Благодаря этому чипы с меньшим техпроцессом показывают большую автономность по сравнению с чипами с большим показателем технологического процесса. В отличие от большинства параметров смартфона, чем меньше число, характеризующее техпроцесс, тем лучше. В нашем случае это нанометры (нм).

Развитие техпроцесса в смартфонах

В первом Android-смартфоне HTC Dream (2008 год) процессор работал на 65-нм чипсете. В сегодняшних среднебюджетных моделях этот параметр варьируется в пределах 28-14 нм. Флагманские и игровые смартфоны часто оснащены 14 и даже 10-нм процессорами, поэтому они мощные, энергоэффективные и в меньшей степени подвержены нагреванию. Учитывая, что развитие технологий нацелено на машинное обучение и искусственный интеллект, для достижения новых высот в производительности техпроцесс с большой вероятностью будет уменьшен до 5, а потом и до 1 нм.

Выбирая смартфон, важно отталкиваться не только от количества ядер и тактовой частоты, но и обращать внимание на техпроцесс. Именно этот параметр косвенно укажет на актуальность чипсета, производительность, склонность к перегреву и автономность. На сегодняшний день устройства в среднем ценовом сегменте уже оснащены 14-нм процессорами, что на данный момент можно назвать актуальным и сбалансированным решением для любого современного смартфона.

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 микпроцессорных структур, использующих существующие технологии микпроцессоров 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, поскольку кремниевые технологии близятся к пределу своих возможностей.

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 микпроцессора – 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.

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.

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, прежде всего уменьшается его затвор и слой диоксида кремния ( SiO 2 ), 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.

Итак, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Первые микропроцессоры Pentium (1993 г.) 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.

Здесь пора вспомнить структуру транзистора, а именно - тонкий слой диоксида кремния, изолятора, находящегося между затвором и каналом, и выполняющего вполне понятную функцию - барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора.

Очевидно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции, но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если мы собираемся уменьшать длину канала (размер транзистора), то нам надо уменьшать его толщину, причем, весьма быстрыми темпами. К слову говоря, 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 пять лет назад все тот же Intel, при продолжении использования SiO 2 , как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя будет составлять 2.3 нм, иначе ток утечка тока затвора приобретет просто нереальные величины.

Для снижения подканальной утечки до последнего времени ничего не предпринималось, сейчас 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 сказывается - для сохранения требуемой эффективности транзистора приходится, соответственно, поднимать рабочий ток, со всеми вытекающими условиями.

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, или 8 дюймов. Однако корпорация Intel уже перешла на пластины диаметром 300 мм, или 12 дюймов. Новые пластины позволяют получить почти в 4 раза больше кристаллов, и выход годных значительно выше. 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 (формирование пленки SiO 2 ), фотолитографию, диффузию примеси (фосфор), эпитаксию (наращивание слоя).

В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен микропроцессоров, для изготовления которых требуется совершить более 300 операций. Весь процесс производства процессоров можно разделить на несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей, тестирование, изготовление корпуса и доставка.

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 результате чего 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 применила медные проводники. В 0.18-микронном производственном процессе и процессах предыдущих поколений Intel применяла алюминий. И медь, и алюминий - отличные 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.

Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому прежде чем разрезать пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на обратную сторону "похудевшей" пластины наносят слой специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к корпусу. Кроме того, этот слой обеспечивает электрический контакт между задней поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки.

После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. Если обнаруживаются неисправности, данные о них анализируют, чтобы понять, на каком этапе обработки возник сбой.

Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, который определяет, удовлетворяют ли характеристики изготовленных процессоров заданным требованиям.

После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Для разделения пластины используют специальную прецизионную пилу. Неработающие кристаллы отбраковываются.

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

В будущих процессорах компания Intel применит технологию BBUL , которая позволит создавать принципиально новые корпуса с меньшим тепловыделением и емкостью между ножками CPU .

После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. 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 процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Процессоры, прошедшие тестирование, поступают на выходной контроль, задача которого - подтвердить, что результаты всех предыдущих тестов были корректными, а параметры интегральной схемы соответствуют установленным стандартам или даже превосходят их. Все процессоры, прошедшие выходной контроль, маркируют и упаковывают для доставки заказчикам.