Как выглядит процессор под микроскопом

Вскрытие Pentium III, фотографии под микроскопом

Все держали в руках обычный микропроцессор, но вряд ли кому-то приходило в голову разрезать его и рассмотреть под сканирующим электронным микроскопом. Это именно то, что сделал шведский учитель Кристиан Сторм (Kristian Storm) для наглядной демонстрации студентам устройства микрочипа. Фотографии просто потрясающие: качество позволяет рассмотреть отдельные слои процессора. Видимо, примерно такой процедурой пользовались советские инженеры, которые разбирали и копировали западные разработки. Примерно то же самое делается и сейчас для изучения продуктов конкурентов.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Все фото кликабельны и доступны в высоком разрешении.

Кристиан Сторм использовал процессор P-III. Для начала нужно было изъять непосредственно саму микросхему из пластикового корпуса (синего цвета), который находится в центре монтажной платы (зелёного цвета).

Как видно на обратной стороне монтажной платы, она нужна для вывода контактов с микропроцессора — от каждого контакта на процессоре идёт сигнал к отдельному штырьку на плате.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Сначала Кристиан подумал, что он сможет отделить микропроцессор нагреванием, но не добился ничего, кроме противного запаха. Тогда пришлось использовать грубую силу и вырезать соответствующий участок. С помощью щипцов и скальпеля он вытянул-таки чип, слегка повредив его в процессе (впрочем, Кристиан и так собирался разломать процессор для съёмки).

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Вот что получилось в результате. На обратной стороне микросхемы под отломанным синим корпусом видны контакты на микросхеме. Раньше они соединялись со штырьками на плате.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Вот микросхема очищена от пластика.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Теперь начинается самое интересное: в работу вступает микроскоп. Сначала обычный оптический. Под микроскопом мы смотрим фрагмент микропроцессора с теми же контактами.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Если посмотреть ближе, то можно различить структуру внутри отверстий под контакты.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Процессор состоит из множества металлических слоёв поверх друг друга, их хорошо видно через дырочки для контактов.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Меняя фокусировку на микроскопе, можно рассмотреть эти слои по очереди. Вот верхний слой.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Поскольку оптический микроскоп не обеспечивает нужной детализации, Кристиан решил использовать сканирующий электронный микроскоп. Чтобы увидеть внутренности процессора, он разломал его на части и начал рассматривать места слома. Ниже можно увидеть серию последовательных фотографий с постепенно увеличивающимся разрешением.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Микросхема перевёрнута нижней стороной вверх, так что наверху — ряд контактов, которые прежде прикреплялись к монтажной плате. Сначала ничего особенного не видно. Светлый материал между контактами — видимо, какой-то полимер для заполнения пространства.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Но дальше начинают проявляться очертания какой-то структуры.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

При дальнейшем увеличении слои видны уже чётко. Можно даже подсчитать их количество: шесть.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Толщина нижнего металлического слоя составляет примерно 200-250 нм. Процессор P-III производился по техпроцессу 250 нм, а позже — 180 нм, так что этот нижний слой — последний слой с транзисторами, дальнейшее приближение уже не покажет новых элементов.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Вот как выглядит картинка в улучшенном виде.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Последняя фотография сделана в том же масштабе, только сверху. В одном месте корпус случайно обломался, так что обнажилась внутренняя структура.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Там несколько металлических слоёв друг по другом, но Кристиан не смог сделать послойные фотографии и добраться непосредственно до транзисторов (нижний слой), потому что не знает, как аккуратно снимать слои с чипа.

Источник

Как выглядят процессоры внутри — часть №2

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Продолжаем смотреть, как выглядят внутри различные процессоры и не только они. Ознакомиться с первой частью можно здесь.

Intel 4004 — первый процессор от Intel

1971 год — именно тогда Intel выпустил свой первый микропроцессор по заказу японской компании Nippon Calculating Machine, занимающейся производством калькуляторов. Особыми характеристиками он не блистал: частота всего до 740 кГц, количество транзисторов было 2300 штук, а ширина шины — всего 4 бита. Сам процессор выглядит внутри достаточно необычно — если вы помните первую часть, то там кристаллы переливались всеми цветами радуги, а тут вполне привычные «металлические» цвета — серый, медный, черный:

Микросхема 3320А — рассматриваем транзисторы

Конечно, этой микросхеме далеко до полноценного процессора — она представляет собой два логических элемента 4И-НЕ. Дабы не вдаваться глубоко в теорию — такие микросхемы в зависимости от наличия или отсутствия напряжения на определенных ножках (то есть 0 или 1) имеют или не имеют напряжение на других ножках (тоже 0 или 1), и с помощью этого можно выполнять простейшие действия. К примеру, таблица истинности для элемента 2И-НЕ выглядит так:
Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом
4И-НЕ означает, что входов 4, а наша микросхема имеет два таких элемента. И, что самое главное, ее техпроцесс — доли миллиметра, то есть можно взглянуть, как выглядят транзисторы, просто задействовав обычную лупу:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Intel Core i9-7980XE — максимум ядер на одном кристалле

Это — топовый процессор для высокопроизводительной платформы от Intel, и он имеет аж 18 полноценных ядер на одном кристалле, размер которого превышает 300 квадратных миллиметров. Для примера — топовый 8-ядерный Core i9-9900K имеет площадь чуть меньше 200 кв мм, и это при том, что у него еще есть интегрированная графика, которой лишен 18-ядерный CPU.

И, в общем-то, фото под микроскопом подтверждают, что ядра занимают всю площадь кристалла:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Cell Broadband Engine — сердце PlayStation 3

Этот процессор имел один блок POWER Processing Element и 8 блоков Synergistic Processing Element, на частоте в 3.2 ГГц конкурировал по производительности с Intel Core 2 Quad, а максимальная рабочая частота могла быть до 5.6 ГГц — современные Intel Core достигают таких частот в лучшем случае под отличной системой водяного охлаждения, в худшем — под жидким азотом.

Увы, лучшая его фотография — только такая:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Но в интернете доступна его схема:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

ST Microelectronics OS MLT 04 — сенсор оптической мыши

Да-да, это не совсем процессор и даже не микросхема, это по сути. объединение камеры с процессором:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Снаружи выглядит необычно, не правда ли? Внутри тоже:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Слева в центре, очевидно, сам фотосенсор — в данном случае он имеет разрешение 22 на 22 пикселя: да, этого более чем хватает, ибо такой «камере» нужно всего лишь улавливать движение, и делать это максимально быстро, поэтому число пикселей минимально, а сам процессор интегрирован на схеме справа.

Apple A7 — не верьте маркетинговым техпроцессам

Возьмем, к примеру, процессор Apple A7 — он создавался на заводах Samsung по 28 нм техпроцессу. Теперь посмотрим на его поперечное фото:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

10 транзисторов имеют длину в 1138 нм, то есть размеры каждого транзистора. 114 нм?! Да, все именно так — сейчас производители под техпроцессом подразумевают все что угодно, только не длину затвора транзистора: к примеру, с учетом того, что транзисторы в процессорах расположены в 3D, берут площадь кристалла (то есть по сути 2D) и делят на количество транзисторов, получая при этом цифры, в разы меньше реальных размеров транзисторов. Так что когда вам со сцены говорят, что новый процессор выполнен по 7 нм техпроцессу и чуть ли не вдвое «круче» 10 нм — верить этому не стоит.

AMD Fusion — полноценный APU

В свои процессоры Intel уже второй десяток лет встраивает интегрированную графику, и она по сути играет роль эдакой графической «затычки»: интерфейс системы отрисовывает хорошо, даже видео высокой четкости декодирует, но стоит открыть игры или заняться более-менее серьезной обработкой, как сразу становится понятно, что производительность такой графики очень низкая.

AMD же пошли другим путем: ее топовые процессоры в принципе лишены интегрированной графики, зато есть процессоры слабее, которые имеют очень мощную встроенную графику, которая в разы быстрее Intel HD Graphics, и вот на такие процессоры взглянуть уже интересно.

Вот так выглядят внутри AMD Fusion:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Слева видны четыре процессорных ядра, а справа — десяток вычислительных модулей интегрированного видео. При этом, если вы вспомните фото Core i9-9900K из первой части материала, то там интегрированная графика занимала в лучшем случае четверть кристалла, а тут — добрую половину.

Процессор ARM1 — четкая логика

Архитектура ARM быстро, буквально за десяток лет, стала самой популярной в мире, оттеснив x86 на второй план. И это не удивительно — именно на ней работают все портативные устройства и различная электроника. Почему? Потому что изначально это была очень простая архитектура — так, ПО для процессора ARM1, выпущенного в 1985 году, имело всего 808 строк кода, а сам процессор выглядел очень и очень необычно:

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Сравните с Intel 4004 — у него внутри, казалось бы, полная неразбериха, а у ARM1 — четко размещенные структуры и минимум пустого кремния. И именно эта простота и экономичность в итоге позволили ARM очень серьезно развиться, в конечном итоге уже посягая на области, где исконно применяются x86 процессоры.

Вот такие получились подборки фотографий — конечно, я показал лишь самые интересные на мой взгляд кремниевые чипы изнутри, и если вы нашли еще красивые или интересные фото внутренностей кристаллов CPU или GPU — делитесь ими в комментариях.

Источник

Фотографии кристалла процессора Intel 8008, который дал жизнь первым ПК

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом
Фотография кристалла микропроцессора Intel 8008 под микроскопом (см. фотографию большего разрешения 3565×2549)

Энтузиаст микропроцессоров и зарядных устройств Кен Ширрифф (Ken Shirriff) хорошо известен в сообществе электролюбителей. Он раньше публиковал обстоятельные хорошо иллюстрированные репортажи с разбором крохотного зарядного устройства для iPhone, десятка других зарядных устройств, среди которых великолепное изделие Apple даже не самое лучшее. В 2013 году он провёл реверс-инжиниринг ALU в процессоре Z80 по его фотографиям (это процессор из Osborne 1, TRS-80 и Sinclair ZX Spectrum).

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом
Микросхема Intel 8008

На базе Intel 8008 клиенты начали собирать не только калькуляторы, но и миникомпьютеры. На этом процессоре работали одни из первых коммерческих персональных компьютеров, в том числе американский SCELBI, французский Micral N и канадский MCM/70. Возможно, первым настоящим микрокомпьютером с дисковой операционной системой и встроенным в PROM языком программирования IBM Basic Assembly Language (BAL) на базе Intel 8008 стал Sac State 8008, спроектированный в 1972-1973 годы. Собранный, вероятно, в единственном экземпляре, этот мини-компьютер оснащался цветным дисплеем, жёстким диском, клавиатурой, модемом, считывателем ленты и принтером, а разработчики оказали неоценимую помощь Intel в составлении набора инструкций для будущего Intel 8080. Уже в 1973 году Sac State 8008 превосходил по функциональности Altair 8800 от 1975 года, который дал вдохновение и идею для бизнеса Стиву Джобсу, Стиву Возняку и многим другим энтузиастам по всему миру.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом
Художественный 3D-рендер Sac State 8008

Судя по историческим свидетельствам, именно Sac State 8008 можно назвать первым в мире настоящим персональным компьютером.

Кен Ширрифф опубликовал подробный анализ с большим количеством фотографий, как выглядел легендарный процессор 8008. Энтузиаст самостоятельно вскрыл корпус и сделал фотографии кристалла под микроскопом, на которых можно разглядеть даже контакты и транзисторы на кристалле. Ниже один из участков микросхемы увеличен.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

По периметру микросхемы видно 18 контактных площадок, которые соединяются тонкими проводками с внешними контактными штырями (ножками микросхемы). Фотосъёмка всего кристалла заняла 48 кадров. Кен Ширрифф использовал металлографический микроскоп с яркой подсветкой.

Затем специалист склеил 48 кадров с помощью программного обеспечения Hugin. Чтобы получить красивое фото высокого разрешения, он ещё подкрутил контраст. Для сравнения, вот как выглядит оригинальная фотография, которая примерно соответствует тому, что вы реально видите в оптический микроскоп.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом
Фотография кристалла микропроцессора Intel 8008 под микроскопом (см. фотографию большего разрешения 4730×3382)

Из документации процессора можно узнать, где именно на кристалле располагаются конкретные функциональные области. Все они подписаны на следующем изображении. Слева располагается арифметико-логическое устройство (ALU), в котором происходили вычисления.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

ALU использовал два временных регистра для хранения входящих данных. Эти регистры занимали значительную площадь на кристалле. Не потому что они сложные, а потому что нужны большие транзисторы для передачи сигнала через цепь ALU.

Треугольный дизайн ALU тоже выглядит необычно. В большинстве процессоров цепи компонуются по прямоугольным блокам для каждого бита. Однако в 8008 восемь блоков (по одному для каждого бита) распределены по треугольной площади беспорядочным образом, чтобы уместиться в площадь, которую для них оставил треугольный генератор ускоренного переноса (carry generator).

Физическая структура чипа неплохо совпадает с блок-схемой из руководства пользователя Intel 8008. Блоки на чипе находятся почти в тех же местах, что и на схеме.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Инженер обращает внимание, что у специалистов нет объяснения, почему Intel использовала явно недостаточное количество 18 ножек для такой микросхемы (14 разрядов адреса и 8 разрядов данных), ведь из-за такой нестандартной архитектуры шины приходилось использовать много дополнительной электроники с этим процессором. Он говорит, что 16 контактов были буквально «религией в Intel», но конструкторам за счёт хитрых манипуляций с архитектурой шины удалось уменьшить количество ножек только до 18-ти.

Источник

От песка до процессора

Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )

Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».

Производство процессоров

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Уроки химии

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO2) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (

12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Фотолитография

— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.

Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.

Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопомФинишная прямая

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Привет, сокет!

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом

The end

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.

Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопомBONUS

Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.

Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.

Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть фото Как выглядит процессор под микроскопом. Смотреть картинку Как выглядит процессор под микроскопом. Картинка про Как выглядит процессор под микроскопом. Фото Как выглядит процессор под микроскопом
Успехов!

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *