Realizarea unui procesor de calculator: procesul de fabricație

În urmă cu câțiva ani, Intel a dezvăluit un proces pas cu pas pentru fabricarea microprocesoarelor: de la nisip la produsul final. Procesul actual de fabricare a semiconductorilor arată cu adevărat uimitor.

Pasul 1. Nisip

Siliciul, care cuprinde aproximativ 25% din masa tuturor elementelor chimice din scoarța terestră, este al doilea cel mai abundent element după oxigen. Nisipul are un procent ridicat de dioxid de siliciu (SiO₂), care este un ingredient cheie nu doar pentru fabricarea procesoarelor Intel, ci și pentru fabricarea semiconductorilor în general.

2. siliciu topit

Materialul este purificat în mai multe etape până când ajunge la siliciul de calitate semiconductor utilizat în semiconductori. În cele din urmă, ajunge sub formă de lingouri monocristaline cu diametrul de aproximativ 300 de milimetri (12 inci). Lingourile anterioare aveau un diametru de 200 de milimetri (8 inci), iar în 1970 erau chiar mai mici - 50 de milimetri (2 inci).

La acest nivel de producție a procesorului, după curățare, puritatea cristalului este de un atom de impuritate la un miliard de atomi de siliciu. Greutatea lingoului este de 100 de kilograme.

Pasul 3. Tăierea lingourilor

Lingoul este tăiat în felii individuale, numite wafers, cu ajutorul unui ferăstrău foarte fin. Fiecare este ulterior lustruit pentru a produce o suprafață fără defecte, netedă ca o oglindă. Pe această suprafață netedă vor fi aplicate ulterior firele mici de cupru.

Expunerea stratului fotorezistent

Un lichid fotorezistent (același material utilizat în fotografia tradițională) este turnat pe un substrat rotativ de mare viteză. Atunci când este rotit, se formează un strat rezistiv subțire și uniform pe întreaga suprafață a substratului.

Un laser UV, prin intermediul unor măști și a unei lentile, lovește suprafața substratului, producând linii UV mici, iluminate pe acesta. Obiectivul realizează o imagine focalizată de patru ori mai mică decât masca. Ori de câte ori liniile ultraviolete sunt aplicate pe stratul rezistiv, are loc o reacție chimică care face ca aceste zone să devină solubile.

Pasul 5. Gravură

Materialul fotorezistent solubil este apoi dizolvat complet cu ajutorul unui solvent chimic. Astfel, se utilizează un agent de gravură chimică pentru a dizolva parțial sau a grava o cantitate mică de material semiconductor lustruit (substrat). Materialul fotorezistent rămas este îndepărtat printr-un proces similar de spălare, expunând (expunând) suprafața gravată a substratului.

Formarea stratului

Se adaugă fotorezistență suplimentară (material sensibil la lumină) pentru a crea firele mici de cupru care vor purta în cele din urmă electricitatea către/de la diverși conectori, care sunt, de asemenea, spălate și expuse. Un alt proces de dopaj ionic este efectuat pentru a adăuga impurități și pentru a proteja locurile de depunere a ionilor de cupru de sulfatul de cupru în timpul procesului de placare.

Materiale suplimentare sunt adăugate, gravate și lustruite în diferite etape ale acestor procese de fabricație a procesoarelor. Acest proces se repetă de șase ori pentru a forma șase straturi.

Produsul final arată ca o plasă formată din mai multe benzi de cupru microscopice care conduc electricitatea. Unele dintre ele sunt conectate cu altele, iar unele dintre ele sunt situate la o anumită distanță față de celelalte. Dar toate sunt folosite în același scop - transferul de electroni. Cu alte cuvinte, ele sunt concepute pentru a furniza așa-numita "muncă utilă" (cum ar fi adunarea a două numere cât mai repede posibil, care este esența modelului de calcul din zilele noastre).

Tratamentul pe mai multe niveluri se repetă pe fiecare zonă mică individuală a suprafeței substratului pe care urmează să fie fabricate cipurile. Aceasta include acele zone care sunt parțial situate în afara substratului.

Pasul 7. Testare

După ce toate straturile de metal au fost aplicate și toți tranzistorii au fost construiți, este timpul pentru următoarea etapă a procesorului "Intel" - test. Un dispozitiv cu mai mulți pini este plasat pe partea superioară a cipului. Multe fire microscopice sunt atașate la el. Fiecare astfel de fir este conectat electric la cipul.

Pentru a reproduce funcționarea cipului, o secvență de semnale de testare este trimisă la cip. Testul nu testează doar capacitățile de calcul tradiționale, ci efectuează și diagnostice interne pentru a determina valorile de tensiune, secvențele de cascadă și alte funcții. Răspunsul cipului, sub forma unui rezultat al testului, este stocat într-o bază de date dedicată acelei secțiuni a substratului. Acest proces se repetă pentru fiecare suprafață de substrat.

Tăierea plăcilor

Pentru tăierea inserțiilor se folosește un ferăstrău cu vârf de diamant foarte mic. Baza de date completată în etapa precedentă este utilizată pentru a determina ce așchii tăiate de pe substrat sunt păstrate și care sunt aruncate.

Pasul 9. Carcasă de incintă

Toate plachetele de lucru sunt închise în carcase fizice. Deși plachetele au fost pretestate și s-a constatat că funcționează corect, acest lucru nu înseamnă că sunt procesoare bune.

Procesul de încapsulare înseamnă plasarea cristalului de siliciu în materialul de substrat, cu fire de aur miniaturale atașate la pini sau la matricea de conductoare cu bile. Matricea de vârfuri cu bile se găsește pe partea din spate a carcasei. Montarea radiatorului pe partea superioară a carcasei. Este o carcasă metalică. Odată ce acest proces este finalizat, procesorul arată ca un produs finit, destinat consumului.

Notă: Disipatoarele de căldură metalice sunt o componentă cheie a dispozitivelor semiconductoare de mare viteză de astăzi. Chiuvete de căldură anterioare au fost ceramice și nu au folosit răcire forțată. Disipatorul de căldură a fost necesar la unele modele 8086 și 80286 și la modelele începând cu 80386. Generațiile anterioare de procesoare aveau mult mai puțini tranzistori.

De exemplu, un procesor 8086 avea 29.000 de tranzistori, în timp ce procesoarele moderne au sute de milioane de tranzistori. Un număr atât de mic de tranzistori, conform standardelor actuale, nu a generat suficientă căldură pentru a necesita răcire activă. Pentru a diferenția aceste procesoare de cele care necesitau acest tip de răcire, cipurile ceramice au fost ulterior marcate cu mențiunea "Heat sink required".

Procesoarele moderne generează suficientă căldură pentru a se topi în câteva secunde. Numai prezența unui radiator conectat la un radiator mare și a unui ventilator le permite să funcționeze pentru o perioadă extinsă de timp.

Sortarea procesoarelor în funcție de caracteristici

În acest stadiu de producție, procesorul arată ca și cum ar fi cumpărat din magazin. Cu toate acestea, este nevoie de un alt pas pentru a finaliza procesul. Aceasta se numește sortare.

Performanța reală a unui procesor individual este măsurată în acest moment. Parametrii măsurați sunt tensiunea, frecvența, performanța, disiparea de căldură și alte caracteristici.

Cele mai bune chips-uri sunt rafturi ca produse de gamă superioară. Acestea nu sunt doar de vânzare ca fiind cel mai rapid componente, dar și ca modele de joasă și foarte joasă tensiune.

Cipurile care nu fac parte din grupul de procesoare de top sunt adesea vândute ca procesoare cu viteze de ceas mai mici. În plus, procesoarele quad core mai mici pot fi vândute ca și componente dual sau triple core.

Performanța procesorului

Procesul de sortare determină viteza finală, tensiunea și caracteristicile termice. De exemplu, pe un substrat standard, doar 5% din cipurile produse sunt capabile să funcționeze la peste 3,2 GHz. În același timp, 50% din cipuri pot funcționa la 2,8 GHz.

Producătorii de procesoare investighează în permanență motivele pentru care majoritatea procesoarelor produse funcționează la 2,8 GHz în loc de 3,2 GHz, cât este necesar. Uneori se pot face modificări la proiectarea procesorului pentru a crește performanța.

Rentabilitatea producției

Profitabilitatea activității de fabricare a procesoarelor și a majorității elementelor semiconductoare se situează în intervalul 33-50%. Acest lucru înseamnă că cel puțin 1/3 până la 1/2 din plachetele de pe fiecare substrat funcționează, iar compania este atunci profitabilă.

Intel a profit operațional Tehnologia de 45 nm pe un substrat de 300 mm este de 95%. Aceasta înseamnă că, dacă este posibil să se producă 500 de plachete de siliciu dintr-o singură plachetă, 475 vor fi utilizabile și doar 25 vor fi aruncate. Cu cât se pot obține mai multe plachete de pe un singur substrat, cu atât mai mult profit va avea compania.

Tehnologii Intel utilizate în prezent

Istoricul Intel de aplicare a noilor tehnologii la procesoarele produse în masă:

• 1999 г. - 180 nm;
• 2001 г. - 130nm;
• 2003 г. - 90nm;
• 2005 г. - 65nm;
• 2007 г. - 45nm;
• 2009 г. - 32nm;
• 2011 г. - 22nm;
• 2014 г. - 14nm;
• 2019 г. - 10nm (planificat).

Începutul anului 2018. Intel anunță că mută producția de masă a procesoarelor pe 10nm în 2019. Motivul pentru aceasta este costul ridicat al fabricării. Deocamdată, compania continuă să livreze procesoare pe 10nm în volume mici.

Să caracterizăm tehnologiile de fabricare a procesoarelor Intel din punct de vedere al costurilor. Conducerea societății atribuie costul ridicat al procesului la ciclul lung de producție și la utilizarea unui număr mare de măști. Tehnologia de 10 nm se bazează pe litografia în ultraviolete profunde (DUV) folosind lasere care funcționează la o lungime de undă de 193 nm.

Procesul de 7nm va folosi litografie ultravioletă extremă (EUV) cu lasere care funcționează la 13,5nm. Cu această lungime de undă, vor fi evitate multipatternurile utilizate în mod obișnuit în procesul de 10 nm.

Inginerii companiei consideră că în acest moment este necesar să se șlefuiască tehnologia DUV, mai degrabă decât să se treacă direct la procesul de 7 nm. Astfel, deocamdată, procesoarele care folosesc tehnologia de 10 nm vor fi eliminate treptat.

Perspectivele AMD în ceea ce privește producția de microprocesoare

Singurul concurent real "Intel" pe piața de producție a procesoarelor este astăzi AMD. Din cauza bug-urilor "Intel", asociate cu procesul de 10nm, AMD și-a îmbunătățit ușor poziția pe piață. Producția în masă a Intel folosind procesul de 10nm este mult așteptată. Se știe că AMD folosește o terță parte pentru a-și fabrica cipurile. Și acum există o situație în care AMD folosește întreaga gamă de 7nm tehnologii de fabricație procesoare care nu sunt inferioare principalului concurent.

Principalii producători terți de dispozitive semiconductoare care utilizează noua tehnologie pentru logica complexă sunt Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), GlobalFoundaries din SUA și Samsung Foundry din Coreea.

AMD intenționează să folosească TSMC doar pentru producția microprocesoarelor de generație următoare. Acesta va utiliza noi tehnologii de procesare. Compania a lansat deja mai multe produse care utilizează procesul pe 7nm, inclusiv procesoare grafice pe 7nm. Primul este programat pentru lansare în 2019. În 2 ani, ne așteptăm să începem producția în masă de cipuri de 5 nm.

GlobalFoundaries a renunțat la dezvoltarea procesului de 7nm pentru a se concentra pe dezvoltarea procesului său de 14/12nm pentru clienții care vizează piețele cu o creștere mare. AMD investește mai mult în GlobalFoundaries pentru a produce actuala generație de procesoare AMD Ryzen, EPYC și Radeon.

producția de microprocesoare în Rusia

Principalele facilități de producție microelectronică sunt situate în Zelenograd ("Mikron", "Angstrem") și Moscova ("Crocus"). Belarus are, de asemenea, propria sa unitate de producție microelectronică - o companie "Integral", care utilizează tehnologia de procesare de 0,35 μm.

Următoarele societăți produc procesoare în Rusia "ICST" и "Baikal Electronics". Cea mai recentă evoluție "ICST" - Procesor Elbrus-8S. Este un microprocesor cu 8 nuclee cu o frecvență de ceas de 1,1-1,3 GHz. Performanța procesorului rusesc este de 250 gigaflops (operații în virgulă mobilă pe secundă). Reprezentanții companiei susțin că procesorul poate concura chiar și cu liderul industriei Intel pe o serie de indicatori.

Producția de procesoare "Elbrus" va fi continuat cu modelul "Elbrus-16" frecvență de 1,5 GHz (indicele numeric din denumire indică numărul de nuclee). Producția de masă a acestor microprocesoare va fi realizată în Taiwan. Acest lucru ar trebui să contribuie la reducerea prețului. Se știe că prețul produselor companiei este exorbitant. În același timp, în ceea ce privește performanța, componentele sunt semnificativ inferioare companiilor de top din acest sector. Deocamdată, astfel de procesoare vor fi utilizate numai în agențiile guvernamentale și în scopuri de apărare. Tehnologia de procesare pentru această gamă de procesoare va fi de 28nm proces tehnologic.

"Baikal Electronics" produce procesoare destinate utilizării în industrie. În special, acest lucru se aplică modelului "Baikal T1". Domeniul său de aplicare este routere, sisteme CNC și echipamente de birou. Compania nu se oprește aici și dezvoltă deja un procesor pentru calculatoare personale - "Baikal M". Nu sunt încă multe informații despre specificațiile sale. Se știe că va avea un procesor cu 8 nuclee cu suport pentru până la 8 nuclee grafice. Avantajul acestui microprocesor va fi eficiența energetică.