Как выращивают кремний для процессоров
Как на самом деле производят процессоры
Чтобы создать сверхмощный процессор, достаточно простого.
Песок. В наших компьютерах в буквальном смысле песок, вернее — составляющий его кремний. Это основной элемент, благодаря которому в компьютерах всё работает. А вот как из песка получаются компьютеры.
Что такое процессор
Процессор — это небольшой чип внутри вашего компьютера или телефона, который производит все вычисления. Об основе вычислений мы уже писали — это транзисторы, которые собраны в сумматоры и другие функциональные блоки.
Если очень упрощённо — это сложная система кранов и труб, только вместо воды по ним течёт ток. Если правильным образом соединить эти трубы и краны, ток будет течь полезным для человека образом и получатся вычисления: сначала суммы, потом из сумм можно получить более сложные математические операции, потом числами можно закодировать текст, цвет, пиксели, графику, звук, 3D, игры, нейросети и что угодно ещё.
Кремний
Почти все процессоры, которые производятся в мире, делаются на кремниевой основе. Это связано с тем, что у кремния подходящая внутренняя атомная структура, которая позволяет делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.
Самый доступный источник кремния — песок. Но кремний, который получается из песка, на самом первом этапе недостаточно чистый: в нём есть 0,5% примесей. Может показаться, что чистота 99,5% — это круто, но для процессоров нужна чистота уровня 99,9999999%. Такой кремний называется электронным, и его можно получить после цепочки определённых химических реакций.
Когда цепочка заканчивается и остаётся только чистый кремний, можно начинать выращивать кристалл.
Кристалл и подложка
Кристаллы — это такие твёрдые тела, в которых атомы и молекулы вещества находятся в строгом порядке. Проще говоря, атомы в кристалле расположены предсказуемым образом в любой точке. Это позволяет точно понимать, как будет вести себя это вещество при любом воздействии на него. Именно это свойство кристаллической решётки используют на производстве процессоров.
Самые распространённые кристаллы — соль, драгоценные камни, лёд и графит в карандаше.
Большой кристалл можно получить, если кремний расплавить, а затем опустить туда заранее подготовленный маленький кристалл. Он сформирует вокруг себя новый слой кристаллической решётки, получившийся слой сделает то же самое, и в результате мы получим один большой кристалл. На производстве он весит под сотню килограмм, но при этом очень хрупкий.
Готовый кристалл кремния.
После того, как кристалл готов, его нарезают специальной пилой на диски толщиной в миллиметр. При этом диаметр такого диска получается около 30 сантиметров — на нём будет создаваться сразу несколько десятков процессоров.
Каждую такую пластинку тщательно шлифуют, чтобы поверхность получилась идеально ровной. Если будут зазубрины или шероховатости, то на следующих этапах диск забракуют.
Готовые отполированные пластины кремния.
Печатаем транзисторы
Когда диски отполированы, на них можно формировать процессоры. Процесс очень похож на то, как раньше печатали чёрно-белые фотографии: брали плёнку, светили сверху лампой, а снизу клали фотобумагу. Там, куда попадал свет, бумага становилось тёмной, а те места, которые закрыло чёрное изображение на плёнке, оставались белыми.
С транзисторами всё то же самое: на диск наносят специальный слой, который при попадании света реагирует с молекулами диска и изменяет его свойства. После такого облучения в этих местах диск начинает проводить ток чуть иначе — сильнее или слабее.
Чтобы так поменять только нужные участки, на пути света помещают фильтр — прямо как плёнку в фотопечати, — который закрывает те места, где менять ничего не надо.
Потом получившийся слой покрывают тонким слоем диэлектрика — это вещество, которое не проводит ток, типа изоленты. Это нужно, чтобы слои процессора не взаимодействовали друг с другом. Процесс повторяется несколько десятков раз. В результате получаются миллионы мельчайших транзисторов, которые теперь нужно соединить между собой.
Соединяем всё вместе
То, как соединяются между собой транзисторы в процессоре, называется процессорной архитектурой. У каждого поколения и модификации процессоров своя архитектура. Все производители держат в секрете тонкости архитектуры, потому что от этого может зависеть скорость работы или стоимость производства.
Так как транзисторов много, а связей между ними нужно сделать немало, то поступают так: наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют проводники в нужном месте. Потом слой диэлектрика и снова токопроводящий слой. В результате выходит бутерброд из проводников, которые друг другу не мешают, а транзисторы получают нужные соединения.
Токопроводящие дорожки крупным планом. На фото они уже в несколько слоёв и не мешают друг другу.
В чём сложность
Современные процессоры производятся на нанометровом уровне, то есть размеры элементов измеряются нанометрами, это очень мало.
Если, например, во время печати очень толстый мальчик упадёт на пол в соседнем цехе, еле заметная ударная волна прокатится по перекрытиям завода и печатная форма немного сдвинется, а напечатанные таким образом транзисторы окажутся бракованными. Пылинка, попавшая на пластину во время печати — это, считай, загубленное ядро процессора.
Поэтому на заводах, где делают процессоры, соблюдаются жёсткие стандарты чистоты, все ходят в масках и костюмах, на всех воздуховодах стоят фильтры, а сами заводы находятся на сейсмических подушках, чтобы толчки земной коры не мешали производить процессоры.
Крышка и упаковка
Когда дорожки готовы, диск отправляют на тесты. Там смотрят на то, как работает каждый процессор, как он греется и сколько ему нужно энергии, заодно проверяют на брак.
В зависимости от результатов процессоры с одной пластины могут получить разную маркировку и продаваться по разной стоимости. Те процессоры, которые получились более удачными, становятся дорогими серверными продуктами. Те, где кто-то рядом чихнул или вздохнул, имеют некоторые несовершенства и дефекты, их могут отправить на потребительскую линию.
После тестов диск разрезают на готовые процессорные ядра.
Пластина со множеством одинаковых процессорных ядер. 
Робот вырезает ядра из готовой пластины.
После этого к ядру процессора добавляют контакты, чтобы можно было вставить его в материнскую плату, и накрывают крышкой. Чёрный или металлический прямоугольник, из которого торчат ножки, — это как раз крышка.
Крышка выполняет две функции: защищает сам кристалл от повреждений и отводит от него тепло во время работы. Дело в том, что миллионы транзисторов при работе нагреваются, и если процессор не остужать, то он перегреется и кристалл может испортиться. Чтобы такого не произошло, на крышку процессора ставят воздушные кулеры или делают водяное охлаждение.
Система на чипе
Чипы процессоров уже настолько маленькие, что под одной крышкой можно поместить какое-нибудь ещё устройство. Например, видеосистему — то, что обсчитывает картинку перед выводом на экран. Или устройство радиосвязи с антенной.
В какой-то момент на маленьком чипе площадью около 1 см 2 уже можно было поместить процессор, видео, модем и блютус, сделать всё нужное для поддержки памяти и периферии — в общем, система на чипе. Подключаете к этому хозяйству экран, нужное количество антенн, портов и кнопок, а главное — здоровенную батарею, и у вас готовый смартфон. По сути, все «мозги» вашего смартфона находятся на одном маленьком чипе, а 80% пространства за экраном занимает батарея.
Как делают микропроцессоры. Польский химик, голландские монополисты и закон Мура
Современные микропроцессоры поражают своей сложностью. Наверное, это высочайшие технологические достижения человеческой цивилизации на сегодняшний день, наряду с программированием ДНК и автомобилями Tesla, которые после заказа через интернет сами приезжают к вашему дому.
Удивляясь красоте какой-нибудь микросхемы, невольно думаешь: как же это сделано? Давайте посмотрим на каждый шаг в производственном процессе.
Метод Чохральского
Жизнь микросхемы начинается с песка. Песок почти полностью состоит из кварца, а это основная форма диоксида кремния, SiO2. Сам кремний — второй по распространённости элемент в земной коре.
Чтобы получить из кварца чистый кремний, песок смешают с коксом (каменный уголь) и раскаляют в доменной печи до 1800 °C. Так удаляется кислород. Метод называется карботермическое восстановление.
Доменная печь с кварцем и коксом
В результате получаются блоки кремния поликристаллической структуры, так называемый технический кремний.
Чистота полученного кремния достигает 99,9%, но его необходимо очистить, чтобы получить поликристаллический кремний. Тут применяют разные методы. Самые популярные — хлорирование, фторирование и вытравливание примесей на межкристаллитных границах. Техпроцессы очистки кремния постоянно совершенствуются.
Затем из поликристаллического кремния выращивают монокристаллический кремний — это кремний электронного качества с чистотой 99,9999% (1 атом примесей на миллион атомов кремния). Кристаллы выращивают методом Чохральского, то есть введением затравки в расплав, а затем вытягиванием кристалла вверх. Метод назван в честь польского химика Яна Чохральского.
Метод Чохральского, Иллюстрация: Д. Ильин
Поэтому монокристаллический кремний представляет собой красивые цилиндрические слитки — их ведь вытягивали из расплава под воздействием земной гравитации.
Монокристаллический кремний электронного качества, нижняя часть слитка
Из этих цилиндрических слитков нарезают кремниевые пластины диаметром 100, 150, 200 или 300 мм. Многие задаются вопросом, почему у пластин круглая форма, ведь это нерациональный расход материала при нарезке на прямоугольные микросхемы. Причина именно в том, что кристаллы выращивают методом Чохральского, вынимая вверх.
Чем больше диаметр кремниевой пластины — тем эффективнее расходуется материал. Пластины доставляют на полупроводниковую фабрику, где начинается самое интересное.
Заводы
В мире всего четыре компании, способные производить продвинутые микросхемы топового уровня: Samsung, GlobalFoundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Intel.
Кто получает такую прибыль? Тот, кто продаёт товаров на сотни миллиардов долларов. Это мировой лидер в производстве смартфонов и оперативной памяти Samsung, а также мировой лидер в производстве десктопных и серверных процессоров Intel. Ещё две компании GlobalFoundries и TSMC работают по контрактам в секторе B2B.
Столь высокая стоимость современного завода микроэлектроники объясняется высокой стоимостью оборудования, которая обусловлена чрезвычайной сложностью процесса.
Бор и фосфор
В кристалле кремния у каждого атома по 4 электрона — и каждая из четырёх сторон образует связь с соседним атомом в квадратной кристаллической решётке. Свободных электронов нет. Значит, кристалл не проводит электрический ток при комнатной температуре.
Чтобы запустить свободные электроны, нужно заменить некоторые атомы кремния на атомы других элементов с 3 или 5 электронами на внешней орбите. Для этого идеально подходят соседние с кремнием элементы по таблице Менделеева — бор (3 электрона) и фосфор (5). Их подмешивают к кремнию, и эти атомы встают в его кристаллическую решётку. Но в ней только четыре связи. Соответственно, или одной связи не хватает, или освобождается свободный электрон. Заряд такого атома + или −. Так бор и фосфор в решётке кремния создают два слоя полупроводников с зарядами противоположного знака. «Дырочный» слой p- (positive) с бором и недостающим электроном — сток. А «электронный» слой n- (negative) с фосфором и лишними электронами — исток. Они покрыты изолятором из оксида кремния.
Конструкция полевого транзистора MOSFET с управляющим p-n-переходом
Транзистор — минимальный элемент и основной компонент интегральной схемы. В зависимости от напряжения в затворе из поликристаллического кремния ток или потечёт с истока, или нет. Это соответствует логическому 0 и 1.
Вот как выглядит p-n-переход в транзисторе на атомарном уровне при изменении напряжения в затворе:
Из таких транзисторов состоят все логические элементы, а из них инженеры составляют конструкцию микропроцессора.
Микроархитектура
Современные микросхемы состоят из миллиардов транзисторов, соединённых в сложные конструкции: ячейки памяти, микроконтроллеры, криптографические модули и так далее. Все они располагаются на микросхеме в соответствии с планом инженера-микросхемотехника.
AMD Athlon XP 3000+ из каталога siliconpr0n
Инженеры используют специальное ПО для проектирования микросхем. Таких программ огромное множество, в том числе и бесплатных, среди них нет единого стандарта.
В этом ПО выполняется симуляция электрических и физических свойств микросхемы и отдельных цепей, а также тестируется их функциональность.
Проектированием занимаются целые отделы из сотен инженеров, ведь на современных микросхемах огромное количество элементов. У процессоров производства TSMC (AMD) по 7-нм техпроцессу 113,9 млн транзисторов на мм². Intel поставила амбициозную цель достичь плотности 100 млн транзисторов на мм² уже на техпроцессе 10 нм, почти как 7 нм у TSMC. Цель оказалась слишком амбициозной — с этим и связана позорная задержка с внедрением 10 нм.
Все слои микросхемы объединяются в итоговый проект — blueprint, который по электронной почте отправляют на завод в Китае или Тайване.
Фотодело
Из полученных файлов на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Они похожи на плёночные негативы, из которых на фотоувеличителе печатаются фотографии. Но если в фотографии эта техника осталась в прошлом, то в производстве микроэлектроники она сохранилась до сих пор.
Фотомаска
Вот как выглядит современный «фотоувеличитель», а именно, степпер компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).
Иллюстрация: ASML
Фиолетовым цветом показан маршрут световых импульсов от источника к прибору подсветки, затем к фотомаске с топологией кристалла — и через проекционную оптику на кремниевую пластину.
Пластины из монокристаллического кремния, полученного на первом этапе нашего процесса, помещаются в этот степпер, и здесь засвечиваются через фотомаску, распечатанную из файлов с проектного бюро. Это завершение всего технологического цикла.
Засветка кремниевой пластины
Засветка пластины лазером EUV — тоже весьма нетривиальный процесс. Вот описание и видео из журнала IEEE Spectrum: «Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 тыс. капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину». Для 7-нм процессоров используется литография в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нм.
Настоящая фантастика. Неудивительно, что степпер для EUV по самому современному техпроцессу в мире умеет делать только одна голландская компания ASML, которая сейчас является фактически монополистом в этой нише.
Засветка пластины — не единственный шаг на производстве. Перед степпером пластины нагревают до 1000 °С и окисляют поверхность, чтобы сформировать непроводящий слой из диоксида кремния SiO2. Потом на этом слое диэлектрика равномерно распределяют фоточувствительный материал — фоторезист. И только потом помещают в степпер.
Засветка фоторезиста на кремниевой пластине в степпере
На засвеченных участках пластины обнажается слой SiO2, всё остальное защищено фоторезистом. Теперь наступает этап плазменного вытравливания (plasma etching), где с засвеченных участков снимается слой SiO2, создавая углубления. Вытравленные участки снова окисляют. Поверх SiO2 наносят электропроводящий слой поликристаллического кремния. Потом снова покрывают фоторезистом — и цикл повторяется несколько раз, создавая новые углубления уже во втором слое, затем в третьем, потом пластина покрывается слоем металла — и цикл повторяется. В итоге формируются те самые структуры полевых транзисторов с p-n переходом. Цикл повторяется многократно, пока не будет создана полная структура интегральной микросхемы со всеми необходимыми элементами.
Несколько циклов нанесения разных материалов (фоторезист, поликристаллический кремний, диоксид кремния, металл), засветки и плазменного вытравливания создают многослойную структуру транзистора
В зависимости от техпроцесса, размер минимальных элементов в этих структурах может быть 14 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм или меньше, но это весьма условная разница, которая не совсем отражает реальность. Например, на фотографиях под микроскопом ниже можно сравнить размер транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (техпроцесс 14 нм+++) и TSMC (7 нм). У первого ширина затвора 24 нм, у второго 22 нм, высота одинаковая.
Сравнение транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (14 нм+++) и TSMC (7 нм), сканирующий электронный микроскоп. Источник
По размеру они практически не отличаются, хотя TSMC плотнее размещает эти транзисторы на микросхеме.
В зависимости от размера, на одной пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем.
Микросхемы на кремниевой пластине
Пластины с готовым продуктом проверяют, а затем осуществляется сборка — упаковка чипов в корпуса, подключение контактов. Сборка полностью автоматизирована.
Сборка микросхем
Потом чипы снова тестируют — и если всё удачно, то отправляют клиенту. Через несколько месяцев процессор уже вовсю работает в сервере или на домашнем компьютере, или в телефоне счастливого покупателя.
Мур не сдаётся. Intel тоже
Утратившая технологическое лидерство компания Intel в реальности не испытывает недостатка в денежных средствах. На самом деле совсем наоборот, компания сейчас показывает рекордные прибыли. И она намерена серьёзно инвестировать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Благодаря партнёрству с ASML и EUV-литографии Intel планирует вернуться к прежним темпам выпуска новых поколений CPU раз в 2 года, начав с 7-нм техпроцесса в конце 2021 года и дойдя до 1,4-нм технологии в 2029 году.
Слайд из презентации Intel, показанный в выступлении представителя ASML в декабре 2019 года, источник
Если планы реализуются, то Intel сохранит действие закона Мура и догонит AMD/TSMC. В 90-е годы тоже были моменты, когда AMD выпускала более производительные процессоры. После тупика с Pentium 4 ответом стало новое ядро Core — и лидерство Intel на протяжении десятилетий. Впрочем, это было довольно скучное время. Для рынка гораздо полезнее, когда происходит жёсткая «заруба» между конкурентами, как сейчас, в 2021 году.
На правах рекламы
Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Создайте собственный тарифный план в пару кликов, максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.
Как разрабатываются и производятся процессоры: изготовление чипа
Это третья статья из серии о проектировании ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй статье говорилось о проектировании и реализации некоторых компонентов чипа. В третьей части мы узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.
Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберёмся.
Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)
Как говорилось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика составлены из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Мы сказали, что существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.
Чтобы превратить кремниевую пластину в практическую электрическую схему добавлением транзисторов, производственные инженеры используют процесс под названием «легирование«. Легирование — это процесс добавления в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два вида транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.
Процесс изготовления пластины до размещения чипов в корпусе.
Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда взялось название типа (n — negative) и буква «n» в nMOS. Добавляя на кремний такие элементы-акцепторы электронов, как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда взялась буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive). Конкретные процессы добавления этих примесей к кремнию называются ионной имплантацией и диффузией; их мы в статье рассматривать не будем.
Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре соединения. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). В n-канальном устройстве ток обычно входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном устройстве он обычно течёт из истока и выходит из стока. Затвор (Gate) — это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. Наконец, у устройства есть тело транзистора (Body), которое не относится к процессору, поэтому мы не будем его рассматривать.
Физическая структура инвертора в кремнии. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Заметьте, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа
Технические подробности работы транзисторов и взаимодействия отдельных областей — это содержание целого курса колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы — это разводной мост над рекой. Автомобили — электроны в транзисторе — хотят перетечь с одной стороны реки на другую, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не заряжен, разводной мост поднят и электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.
Для точного контроля над расположением на кремнии разных областей p и n производители, например Intel и TSMC используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании тратят миллиарды долларов на его усовершенствование для того, чтобы создавать более мелкие, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, который можно использовать для рисования на кремнии паттернов для каждой области.
Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины (подложки). Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный фоторезистивный полимер. Освещая полимер светом определённых частот, мы можем обнажать полимер в тех областях, где хотим выполнять легирование. Это этап литографии, и он схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.
Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в местах, где был удалён полимер. Затем фоторезист убирается, оставляя только находящийся под ним оксидный слой. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует оксид.
Этот процесс маскирования, формирования и легирования повторяется десятки раз для медленного построения каждого уровня элементов в полупроводнике. После завершения базового уровня кремния поверх можно создать металлические соединения, соединяющие разные транзисторы. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.
Разумеется, производители чипов не выполняют процесс создания транзисторов под одному. При проектировании нового чипа они генерируют маски для каждого этапа процесса изготовления. Эти маски содержат местоположения каждого элемента миллиардов транзисторов чипа. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются совместно на одном кристалле.
После изготовления пластины она разрезается на отдельные кристаллы, которые помещаются
в корпуса. Каждая пластина может содержать сотни или даже больше чипов. Обычно чем более мощный производится чип, тем больше будет кристалл, и тем меньше чипов производитель может получить с каждой пластины.
Можно подумать, что нам просто стоит производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства. Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора сломана, то может быть выброшен весь чип. При увеличении размера процессоров вероятность неисправности чипа повышается.
Продуктивность процессов изготовления своих чипов компании тщательно скрывают, но её можно примерно оценить в 70-90%. Компании обычно изготавливают чипы с запасом, потому что знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный, потому что рассчитывает, что одно или два ядра могут быть сломаны. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене. Этот процесс называется binning.
Один из самых серьёзных маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов — это размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нанометровый процесс, AMD использует для некоторых GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нанометровым процессом. Но что означают все эти числа? Традиционно размером элемента называется минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. В процессе развития технологий мы научились уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. При уменьшении транзисторов они также становятся всё быстрее и быстрее.
Глядя на эти числа, важно помнить, что некоторые компании могут основывать размер техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что процессы с разным размером у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. С другой стороны, не все транзисторы в отдельном техпроцессе имеют одинаковый размер. Проектировщики могут решить ради компромиссов сделать некоторые транзисторы крупнее других. Мелкий транзистор будет быстрее, потому на зарядку и разрядку его затвора требуется меньше времени. Однако мелкие транзисторы могут управлять только очень малым количеством выходов. Если какой-то кусок логики будет управлять чем-то, требующим много мощности, например, контактом вывода, то его придётся сделать намного больше. Такие транзисторы вывода могут быть на порядки величин больше, чем транзисторы внутренней логики.
Снимок кристалла современного процессора AMD Zen. Эта конструкция состоит из нескольких миллиардов транзисторов.
Однако проектирование и изготовление транзисторов — это только половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте многоуровневую дорожную развязку с въездами, выездами и кучей пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. У разных процессоров разное количество металлических связующих слоёв над транзисторами. Транзисторы уменьшаются, и для маршрутизации всех сигналов требуется всё больше слоёв металлизации. Сообщается, что в будущем 5-нанометровом техпроцессе TMSC будет использоваться 15 слоёв. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку — это даст вам представление о том, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.
На показанном ниже изображении с микроскопа показана решётка, образованная семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и при поднимании вверх слои становятся больше, чтобы способствовать снижению сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, которые используются для перехода на более высокий уровень. Обычно каждый слой меняет направление относительно слоя под ним, чтобы снизить нежелательные ёмкостные сопротивления. Нечётные слои металлизации могут использоваться для создания горизонтальных соединений, а чётные — для вертикальных соединений.
Можно понять, что управление всеми этими сигналами и слоями металлизации очень быстро становится невероятно сложным. Чтобы способствовать решению этой проблемы, применяются компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции программы даже могут транслировать функции высокоуровневого кода на C вниз до физических расположений каждого проводника и транзистора. Обычно разработчики чипов позволяют компьютерам генерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.
Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют проектировщикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Проектировщики могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который хотят произвести. Затем они отправляют на фабрику — место, где необработанный кремний превращается в рабочие чипы — электрические схемы транзисторов чипа и слоёв металлизации. Эти схемы превращаются в маски, которые используются в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как может выглядеть процесс проектирования чрезвычайно простого чипа.
Первой мы видим схему инвертора, который является стандартной ячейкой. Заштрихованный зелёный прямоугольник наверху — это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник — это поликремниевый затвор, синие области — это металлизация 1, а сиреневые области — металлизация 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металлизации 2.
Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта конструкция может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными входами. Идущие вверх заштрихованные синие проводники это слои металлизации 3. Немного более крупные квадраты на концах проводников — это перемычки, соединяющие два слоя.
Наконец, объединив вместе множество ячеек и примерно 2 000 транзисторов, мы получили простой 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырёх слоях металлизации. Увидев, насколько он сложен, можно только представлять, как трудно проектировать 64-битный процессор с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и 20 с лишним этапами конвейера. Учитывая то, что у современных высокопроизводительных ЦП есть до 5-10 миллиардов транзисторов и дюжина слоёв металлизации, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.
Это даёт нам понять, почему новый процессор является таким дорогостоящим куском технологий и почему AMD и Intel так долго выпускают новые продукты. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от чертёжной доски до рынка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые современные чипы созданы на технологиях, которым уже несколько лет, и что мы ещё много лет не увидим чипов с современным уровнем технологий изготовления.
В четвёртой и последней статье серии мы вернёмся к физической сфере и рассмотрим современные тенденции в отрасли. Что разрабатывают исследователи, чтобы сделать следующее поколении компьютеров ещё быстрее?